激光表面熔覆也叫激光涂覆或激光包覆

激光表面熔覆也叫激光涂覆或激光包覆,它是材料表面改性的一种重要方法,它是快速凝固过程,通过在基材表面添加熔覆材料,利用高能量密度激光束将不同成分和性能的合金与基材表层快速熔化,在基材表面形成与基材具有完全不同成分和性能的合金层。激光熔覆层因具有良好的结合强度和高硬度,在提高材料的耐磨损方面显示了优越性。今年来,激光表面熔覆技术发展迅速,成为材料表面工程领域的前沿。
1、激光熔覆技术的特点
同其它表面强化技术相比,它具有以下特点:冷却速度快;热输入和畸变较小,涂层稀释率低(一般小于5%),与基体呈冶金结合;能进行选区熔覆,材料消耗少,具有卓越的性能价格比;光束瞄准可以使难以接近的区域熔覆等。
2、激光表面熔覆的工艺方法
激光熔覆依据合金供应方式的不同,可将激光熔覆分为两大类:预置法和同步送粉法。
预置式涂层法是先将粉末与粘接剂混合后以某种方法预先均匀涂覆在基体表面,然后采用激光束对合金涂覆层表面进行照射,涂覆层表面吸收激光能量使温度升高并熔化,同时通过热量传递使基体表面熔化,熔化的合金快速凝固在基材表面,形成冶金结合的合金熔覆层。预置涂层法的主要工艺流程为:
基材熔覆表面预处理预置熔覆材料预热激光熔化后热处理。
同步送粉法是通过送粉装置在激光熔覆的过程中将合金粉末直接送入激光作用区,在激光作用下材质和合金粉末同时熔化,结晶形成合金熔覆层。同步送粉法的主要工艺流程为:
基材熔覆表面预处理送料激光熔化后热处理
该方法是激光熔覆技术的首选方法,国内外实际生产中采用较多。送粉的方式对粉末的利用率也有很大的关系,一般有正向和逆向两种送粉法,由于逆向送粉会使熔池的表面积增大,因此在相同的激光熔覆条件下,逆向法较正向法具有更高的粉末利用率。
3、激光表面熔覆材料体系
按照材料成分构成,激光熔覆粉末材料主要分为金属粉末、陶瓷粉末和复合粉末等。在金属粉末中,自熔性合金粉末的研究与应用最多。
3.1自熔性合金粉末社会经济调查方法与实务
王虹虹(1)Fe基合金体系
自熔性合金粉末可以分为Fe基、Ni基、Co基自熔性合金粉末,其主要特点是含有B和Si,具有自脱氧和造渣能力。自熔性合金粉末对碳钢、不锈钢、合金钢、铸钢等多种基材有较好的适应性,能获得氧化物含量低、气孔率小的熔覆层。
激光熔覆用的铁基自熔性合金粉末分为两种类型:奥氏体不锈钢型和高鉻铸铁型。铁基自熔性合金最大优点是材料来源广泛、成本低且抗磨性能好。缺点是熔点高、抗氧化性差,熔覆层易开裂、
易产生气孔等。在铁基合金粉末成分中,通过调整合金元素含量来调整涂层的硬度,并通过添加其它元素改善熔覆层的硬度、开裂敏感性和残余奥氏体的含量,从而提高耐磨性和韧性。
今年来,有关激光熔覆的研究有不少是围绕铁基粉末加入其它成分展开的。宁爽等在45钢基材上制备了WC铁基合金熔覆层。结果表明,铁基合金熔覆层的硬度与耐磨性得到了提高。齐永田等在普通低碳钢上熔覆了含有碳氮化钛增强粒子得铁基熔覆层,原位生成了新的颗粒状强化相Ti(C0.3N0.7),熔覆层的显微硬度为600~700HV0.2。赵高敏等研究了不同稀土加入量对铁基合金激光熔覆层的组织形貌、相组成的影响。结果表明,加入稀土改善了熔覆层表面钝化膜的抗剥落能力,在不同程度上减轻了材料的腐蚀失重,提高了熔覆层的耐腐蚀能力。
(2)Ni基自熔性合金粉末
Ni基自熔性合金粉末在滑动、冲击磨损和磨粒磨损严重的条件下,单纯的自熔性合金粉已不能胜任使用要求,此时可在自熔性合金粉末中加入各种高熔点的碳化物、氮化物、硼化物陶瓷颗粒,制成金属复合涂层。
原津萍等在镍基合金中分别添加Mo和CeO2,研究表明,在镍基合金中添加Mo,改变了显微组织中碳化物的成分和形态,韧性改善,熔覆层抗磨粒磨损性能提高。张光钧等在45钢表面制备镍基纳米WC/Co 复合熔覆层,熔覆层的物相R(Fe-Ni)基体上分布着WC、W2C为主的碳化物相,熔覆层显微硬度分别为779.3~1315.0HV0.1.匡建新等采用
场景建模Ni60+70%(质量分数)镍包碳化钨合金粉末在45钢基材表面进行了激光熔覆,对比研究了添加不同量CeO2在不同激光功率条件下对激光熔覆层的显微组织、裂纹情况、硬度分布及耐蚀性能的影响。孙海勤等在45钢表面制备原位自生VC颗粒增强镍基熔覆层平均硬度高达1300HV0.3。
热管技术
(3)Co基自熔性合金粉末
钴基自熔性合金具有优良的耐热、耐蚀、耐磨、抗冲击和抗高温氧化性能,常被应用于石化、电力、冶金等工业领域。目前,Co基合金所用的合金元素主要是Ni、C、Cr和Fe等。其中,Ni元素可以降低Co基合金熔覆层的热膨胀系数,减小合金的熔化温度区间,有效防止熔覆层产生裂纹,提高熔覆合金对基体的润湿性。
李明喜等利用在低碳钢表面熔覆钒氮合金的钴基合金涂层,结果表明:加入钒氮合金后,出现了σ(FeV)和VN等相,界面处硬度均比表层高,熔覆层的耐磨性随钒氮合金的加入及激光扫描速度的增加而提高。杨胶溪利用积分镜对激光束进行整形获得宽带激光束,进行宽带激光熔覆,获得无裂纹WC/Co基合金层。李明喜在镍基高温合金表面熔覆纳米Al2O3/Co基合金复合材料,结果表明,加入纳米Al2O3,界面的生长形态发生变化,由细长的柱状树枝晶转变为较短的树枝晶,细化了组织。
3.2陶瓷粉末
陶瓷粉末主要包括硅化物陶瓷粉末和氧化物陶瓷粉末,其中又以氧化物陶瓷粉末(Al2O3和ZrO2)为主。由于陶瓷粉末具有优异的耐磨、耐蚀、耐高温和抗氧化特性,所以它常被用于制备高温耐磨耐蚀涂层和热障涂层。目前,生物陶瓷材料是研究的一个热点。
郑敏等在Ti-6Al-4V合金表面制备了生物陶瓷复合涂层,涂层中最高显微硬度值达到1474HV0.3。邓迟(20)等在Ti-6Al-4V合金表面进行激光熔覆,结果显示:稀土对涂层具有降低开裂倾向的作用。因此,在涂层原料中寻适当比例的稀土可以有效降低涂层的裂纹敏感性。刘其斌等(21)在Ti-6Al-4V合金上制备了梯度生物陶瓷复合涂层。结果表明:生物陶瓷涂层显微硬度最大值约为1300HV0.2。
高世宝3.3复合粉末
复合粉末主要是指碳化物、氮化物、硼化物、氧化物及硅化物等各种高熔点硬质陶瓷材料与金属混合或复合而形成的粉末体系。它将金属的强韧性、良好的工艺性和陶瓷材料优异的耐磨、耐蚀、耐高温和抗氧化特性有机结合起来,是目前激光熔覆技术领域研究发展的热点。
朱庆军等(22)在45钢基体上制备的FeNiSiBVRE非晶涂层进行激光晶化,制备非晶/纳米晶复合涂层,结果表明,涂层存在着分层结构,涂层底部和顶部的显微组织由大量的稀土树枝晶、板条状硼化物和粒状碳化物组成,涂层中部的显微组织是由大量的纳米晶镶嵌在
夏目漱石从此以后/Cu复合材料涂层,原非晶基体上。何宜柱等(23)原位合成了Co
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