激光熔覆论文（共5篇）
激光熔覆论文 篇1
激光熔覆技术在航空领域中的应用
激光熔覆技术可显著改善金属表面的耐磨、耐腐、耐热水平及抗氧化性等。目前有关激光熔覆的研究主要集中在工艺开发、熔覆层材料体系、激光熔覆的快速凝固组织及与基体的界面结合和性能测试等方面。
航空领域是关系到国家安全的重要领域，也是国家重点支持的战略行业。如何将激光熔覆技术更好的运用于我国的航空制造具有极为重要的战略意义。航空材料是武器装备研发与生产的重要物质基础和科技先导，强化航空材料基体硬度和耐磨性能对于航空材料的改进具有极为重要的意义。如大功率激光器的开发和应用，为航空材料表面改性提供了新的手段，也为材料表面强化技术的发展开辟了一条新的途径。陶瓷材料具有金属材料不可比拟的高硬度和高化学稳定性，因此可以针对零件的不同服役条件，选择合适的陶瓷材料，利用高能密度激光束加热温度高和加热速度快的特点，在金属材料（如钛合金）表面熔覆一层陶瓷涂层，从而将陶瓷材料优异的耐磨、耐蚀性能与金属材料的高塑性、高韧性有机地结合起来，可大幅度提高航空零件的使用寿命。
激光熔覆技术在飞机零件制造中的应用
飞机机体和发动机钛合金构件除了在工作状态下承受载荷外，还会因发动机的启动/停车循环形成热疲劳载荷，在交变应力和热疲劳双重作用下，产生不同程度的裂纹，严重影响机体或发动机的使用寿命，甚至危及飞行安全。因此，需要研究航空钛合金结构的表面强化方式，发挥其性能优势，使之得以更广泛的应用。
陶瓷分为氧化物陶瓷和碳化物陶瓷，氧化铝、氧化钛、氧化钴、氧化铬及其复合化合物是应用广泛的氧化物陶瓷，也是制备陶瓷涂层的主要材料。碳化物陶瓷难以单独制备涂层，一般与具有钴、镍基的自熔合金制备成金属陶瓷，该金属陶瓷具有很高的硬度和优异的高温性能，可用作耐磨、耐擦伤、耐腐蚀涂层，常用的有碳化钨、碳化钛和碳化铬等[7]。采用激光熔覆制备陶瓷涂层可先在材料表面添加过渡层材料（如NiCr、NiAl、NiCrAl、Mb等），然后用脉冲激光熔覆，使过渡层中的Ni、Cr合金与陶瓷中Al2O3、ZrO2等材料熔覆在基体的表面，形成多孔性，基体中的金属分子也能扩散到陶瓷层中，进而改善涂层的结构和性能。将陶瓷涂层激光熔覆用于航空发动机涡轮叶片是一项很有应用价值的高新技术，常用的激光熔覆材料见表1。
飞机制造中较多采用钛合金，如Ti-6Al-4V钛合金用于制造高强度/重量比率、耐热、耐疲劳和耐腐蚀的零部件。但在这些钛合金的加工制造中，传统工艺方法有许多难以克服的弱点，如生产隔板是由数英寸厚和数十千克重的齿形合金板加工而成的，而获得这些合金板成品需要一年以上。因为难以加工，加工这种零件需要花费加工中心数百小时的工作量，磨损大量的刀具。而激光熔覆技术在这方面具有较大优势，可以强化钛合金表面、减少制造时间。
激光熔覆是现代工业应用潜力最大的表面改性技术之一，具有显著的经济价值。20世纪80年代初，英国Rolls·Royce公司采用激光熔覆技术对RB211涡轮发动机壳体结合部位进行硬面熔覆，取得了良好效果。表2所示是激光熔覆在航空制造中应用的几个实例。
近年来，美国AeroMet公司的研发有了实质性的进展，他们生产的多个系列Ti-6Al-4V钛合金激光熔覆成形零件已获准在实际飞行中使用。其中F-22战机上的2个全尺寸接头满足疲劳寿命2倍的要求，F/A-18E/F的翼根吊环满足疲劳寿命4倍的要求，而升降用的连接杆满足飞行要求、寿命超出原技术要求30%[9]。采用激光熔覆技术表面强化制造的钛合金零部件不仅性能上超出传统工艺制造的零件，同时由于材料及加工的优势，生产成本降低20%～40%，生产周期也缩短了约80%。激光熔覆在航空零部件修复中的应用
激光熔覆技术对飞机的修复产生了直接的影响，优点包括修复工艺自动化、低的热应力和热变形等。由于人们期待飞机寿命不断延长，需要更加复杂的修复和检修工艺。涡轮发动机叶片、叶轮和转动空气密封垫等零部件，可以通过表面激光熔覆强化得到修复。例如，用激光熔覆技术修复飞机零部件中裂纹，一些非穿透性裂纹通常发生在厚壁零部件中，裂纹深度无法直接测量，其他修复技术无法发挥作用。可采用激光熔覆技术，根据裂纹情况多次打磨、探伤，将裂纹逐步清除，打磨后的沟槽用激光熔覆添加粉末的多层熔覆工艺填平，即可重建损伤结构，恢复其使用性能[10]。
激光熔覆发动机涡轮叶片用到的基体材料和合金粉末见表3。用于熔覆的粉末粒子成球状，尺寸小于150μm。不同合金粉末的熔覆层要选用不同的工艺参数，以获得最佳的熔覆效果。
把受损涡轮叶片顶端修覆到原先的高度。激光熔覆过程中，激光束在叶片顶端形成很浅的熔深，同时金属粉末沉积到叶片顶端形成焊道。在计算机数值控制下，焊道层叠使熔覆层增长。与激光熔覆受损叶片不同的是，手工钨极氩弧堆焊的叶片堆焊后的叶片必须进行额外的后处理。叶片顶端要进行精密加工以露出冷却过程中形成的空隙，而激光熔覆省去了这些加工过程，大大缩减了时间和成本。
在航空领域，航空发动机的备件价格很高，因此在很多情况下备件维修是比较合算的。但是修复后零部件的质量必须满足飞行安全要求。例如，航空发动机螺旋桨叶片表面出现损伤时，必须通过一些表面处理技术进行修复。激光熔覆技术可以很好的用于飞机螺旋桨叶片激光三维表面熔覆修复。
图1所示的航空发动机叶片是经过激光修复的。熔覆材料（合金粉末）为Inconel 625（Cr-Ni-Fe 625合金粉末），叶片材料为Inconel 713。通过金相方法检测熔覆层的截面可以发现，激光熔覆后在叶片基体材料和熔覆层之间形成了一个冶金结合的熔覆过渡区[11]。
激光熔覆可以强化材料表面的合金熔覆层、提升合金表面的力学和化学性能。堆焊合金粉末是较理想的激光熔覆材料，具有很高的应用价值。堆焊合金粉末可以在激光束照射下快速地熔化，而后熔覆在航空零部件的表面。这个过程可以采用预置涂层法，预置材料可以是丝材、板材、粉末等，最常用的材料为合金粉末。激光熔覆先将熔覆材料预置于基体表面的待熔覆部分，然后用激光束扫描熔化熔覆材料和基体表面来实现表面强化。
熔覆区在激光束和送粉系统的作用下形成，基体材料和合金粉末决定了表面熔覆层的性质。激光直接照射在基体表面形成了一个熔池，同时合金粉末被送到熔池表面。氩气在激光熔覆的过程中也被送入熔池处以防止基体表面发生氧化。形成的熔池在基体表面，如果合金粉末和基体表面都是固态，合金粉末粒子接触到基体表面时会被弹出，不会黏着在基体表面发生熔覆；如果基体表面是熔池状态，合金粉末粒子在接触到基体表面时就会被黏着，同时在激光束作用下发生激光熔覆现象，形成熔覆带。图2所示是用激光熔覆技术修复的涡轮叶片。
激光熔覆层的耐磨性与硬度成正比。熔覆层的硬度、耐磨性、耐腐蚀性和抗疲劳性能一般难以兼顾。通过激光熔覆工艺可以改善基体表层的显微组织和化学成分。
激光熔覆工艺与钨极氩弧焊（TIG）熔覆工艺相比有很大的优势。激光熔覆层的性质取决于熔覆合金元素的比例。为了达到最好的预期效果，须尽可能地避免基体材料的稀释作用，因为熔覆层的硬度和基体材料的稀释成反比。在Inconel 792合金表面，分别采用激光熔覆和钨极氩弧焊熔覆Rene142合金粉末，显微硬度的比较如图3所示。
从图3中可见，激光熔覆产生的强化表层硬度比钨极氩弧焊熔覆的表面硬度要高，其原因在于激光熔覆层的高凝固速度以及在溶池中产生的强对流效应。因此，激光熔覆技术相对钨极氩弧焊熔覆在航空领域更具有应用价值。
相关资料表明，采用激光熔覆技术修复后的航空部件强度可达到原强度的90％以上，更重要的是缩短了修复时间，解决了重要装备连续可靠运行所必须解决的转动部件快速抢修难题。
激光熔覆在航空材料表面改性中的应用
激光熔覆高硬度、耐磨和耐高温涂层
为了防止在高速、高温、高压和腐蚀环境下工作的零部件因表面局部损坏而报废，提高零部件的使用寿命，世界各国都在致力于研发各种提高零件表面性能的技术[12]。传统的表面改性技术（如喷涂、喷镀、堆焊等）由于层间结合力差和受固态扩散差的限制，应用效果并不理想。大功率激光器和宽带扫描装置的出现，为材料表面改性提供了一种新的有效手段。激光熔覆是经济效益高的新型表面改性技术，它可以在廉价、低性能基材上制备出高性能的熔覆层，从而降低材料成本，节约贵重的稀有金属，提高金属零件的使用寿命[13]。
现代飞机制造中大量使用钛合金和铝合金，例如美国的第四代战机F-22机体钛合金的使用量已达到41%，而美国先进的V2500发动机钛合金的用量也达到了30%左右。钛及钛合金具有高比强度、优良的耐腐蚀、良好的耐高温性能，可以减轻机体重量、提高推重比。钛合金的缺点是硬度低、耐磨性差。纯钛的硬度为150～200HV，钛合金通常不超过350HV。在很多情况下，由于钛及钛合金表面会生成一层致密的氧化膜从而起到防腐蚀的作用，但是在氧化膜破裂、环境恶劣或发生缝隙腐蚀时，钛合金的耐腐蚀性能将大大降低。
2000年首飞的美国F-35战机上铝合金总用量在30%以上[14]。但是铝合金的强度不够高，使用时易生产塑性变形，特别是铝合金表面硬度低、耐磨性很差，在某种程度上制约了它的应用。
经过激光熔覆的钛合金表面显微硬度为800-3000HV。用激光熔覆技术对铝合金表面进行表面强化是解决铝合金表面耐磨性差、易塑性变形等问题的有效方法。与其他表面强化方法相比，该方法强化层与铝基体之间具有冶金结合特点，结合强度高。熔覆层的厚度达到1～3mm，组织非常细小，熔覆层的硬度高、耐磨性好，并具有较强的承载能力，从而避免了软基体与强化层之间应变不协调而产生裂纹。另外，在钛合金、铝合金表面熔覆高性能的陶瓷涂层，材料的耐磨性、耐高温性能等可以得到大幅度提高。
激光熔覆获得热障涂层
近年来，航空发动机燃气涡轮机向高流量比、高推重比、高进口温度的方向发展，燃烧室的燃气温度和燃气压力不断提高，例如军用飞机发动机涡轮前温度已达1800℃，燃烧室温度达到2000℃～2200℃，这样高的温度已超过现有高温合金的熔点。除了改进冷却技术外，在高温合金热端部件表面制备热障涂层（Thermal Bamer Coating，TBCs）也是很有效的手段，它可达到1700℃或更高的隔热效果，以满足高性能航空发动机降低温度梯度、热诱导应力和基体材料服役稳定性的要求[15-16]。20世纪70年代陶瓷热障涂层（TBCs）被成功用于J-75型燃气轮机叶片，世界各国投入巨资对其从材料到制备工艺展开了深入的研究。
20世纪80年代以来，在材料表面激光熔覆陶瓷层获得了致密的柱体晶组织，提高了应变容限；致密、均匀的激光重熔组织以及较低的气孔率可降低粘结层的氧化率，阻止腐蚀介质的渗透。可利用大功率激光器直接辐射陶瓷或金属粉末，将其熔化后在金属表面形成冶金结合，得到垂直于表面的柱状晶组织。由于熔覆层凝固的次序由表到里，表层组织相对细小，这样的结构有利于缓和热应力，例如用激光熔敷方法得到了8%（质量分数）氧化钇部分稳定氧化锆（YPSZ）热障涂层。也可将混合均匀的粉末置于基体上，利用大功率激光器辐射混合粉末，通过调节激光功率、光斑尺寸和扫描速度使粉末熔化良好、形成熔池，在此基础上进一步通过改变成分向熔池中不断加入合金粉末，重复上述过程，即可获得梯度涂层。
关键部件表面通过激光熔覆超耐磨抗蚀合金，可以在零部件表面不变形的情况下提高零部件的使用寿命、缩短制造周期。激光熔覆生产的热障涂层有良好的隔热效果，可以满足高性能航空发动机降低温度梯度、热诱导应力和基体材料服役稳定的要求。
结束语
激光熔覆技术对航空工业的发展有着举足轻重的作用。激光熔覆技术可以提高飞机零部件表面的硬度、耐磨性、耐腐蚀和抗疲劳等性能,提高材料的使用寿命，还可以用于磨损零部件的修复处理,节约加工成本。激光溶覆技术应用于飞机零部件的制造,可以减少工件制造工序、提高零部件质量。随着当今科技的进步，飞机整体性能将进一步提高，对材料的要求也越来越高。激光熔覆技术的进一步完善和发展对航空业的技术进步具有重要的作用，航空材料将随着激光熔覆技术的发展呈现崭新的面貌。
激光熔覆论文 篇2
关键词：激光熔覆,齿面,修复,工艺,缺陷
传统齿轮齿面的修复法有电镀法、热喷涂法和堆焊法。电镀法的镀层结合强度低且耐磨性差, 热喷涂法变形大, 而堆焊法工艺较复杂, 都不太适合形状复杂齿面修复的工业应用。激光熔覆修复是以激光作为热源, 通过在损坏齿面添加粉末材料, 利用激光束的高能量密度使之与齿面薄层熔凝并形成冶金结合, 从而恢复齿廓形貌。激光加工可进行局部及有选择性的修复处理, 具有工艺性灵活、修复层与齿面结合牢固、热影响小、组织致密、稀释率低等优点, 非常适合齿轮的齿面修复应用。
一、齿面激光熔覆
1. 试验装置和材料
试验设备:TJ-HL-T5000型恒流电激励连续CO2激光器, PMAC五轴联动数控机床, JKF-6型激光宽带涂敷送粉器。
试验材料:45钢斜齿轮轴整体结构, 齿数25, 螺旋角15°28′34″, 法面模数4mm, 法面压力角20°;粉末材料为Ni60粉末, 化学组分为:C0.6%~0.8%, Cr15.0%~16.5%, Si4.4%~5.0%, B2.5%~3.5%, Fe≤5.0%。
试验方案:采用侧向送粉方式, 送粉喷嘴的位置在激光束的一侧, 粉末和激光束相交于一点, 单向送粉单向扫描, 如图1所示。齿轮熔覆采用轴向分齿跳齿扫描法, 光束不动, 齿轮沿轴线方向作直线运动, 齿轮同步旋转。
2. 试验过程
本研究采用的齿面激光熔覆修复的工艺过程如下。
(1) 采用无损探伤法对损坏齿轮进行检测, 判断是否具有修复价值。
(2) 根据失效齿轮的几何参数与变化规律, 确定最佳扫描方法。
(3) 在平面样块上实验, 得到激光熔覆最佳工艺参数组合。
(4) 根据损坏齿面情况设计激光扫描轨迹, 编制相应计算机控制程序。
(5) 清洗齿面, 去除损坏处氧化膜和污垢, 以便熔融金属粉末能润湿齿轮基体。
(6) 在齿轮表面单道熔覆成形, 使覆层与基体形成冶金结合。
(7) 对面积较大损坏, 在第一道的基础上熔覆第二道, 使第二道与第一道搭接平整。
(8) 对齿面损坏较深处, 在第一层的基础上熔覆第二层, 使第二层与第一层形成冶金结合。
(9) 重复以上过程, 直到将整个损坏齿轮修复完为止。
(10) 对修复后齿面进行适当后续机加工, 恢复原有渐开线齿廓形状, 并进行质量检测。
3. 熔覆工艺
(1) 单道熔覆。
齿面轮廓复杂, 为了获得理想的激光熔覆工艺参数, 先在大量探索性实验基础上确定一个工艺参数范围。根据正交法原理, 以激光功率P、送粉量G、扫描速度V为因子安排L9 (34) 正交实验, 通过评价覆层外观、外形及稀释率, 最后确定P=1.8k W、G=80r/min、V=3.8mm/s, 试验结果为熔覆层表面光滑、外形规则并形成冶金结合, 如图2所示。
(2) 多层熔覆。
因单道熔覆层厚度有限, 对损坏较严重齿面还需进行多层修复。因多层熔覆时基体已不再是平面而是弧形, 通过多次试验, 发现影响覆层高度的因素很复杂, 没有实时闭环监测是无法精确控制的。最终将预先测得初始五层烧结高度的平均值作为分层基准, 实践证明效果较好。在多层熔覆试样上用显微硬度计测量硬度值, 发现宽度方向上硬度相差很小, 深度方向上的硬度如图3所示, 硬度分布比较均匀, 且大大超过了粉末的硬度, 能够强化修复齿面, 提高其耐磨性。
(3) 多道搭接。
在齿轮修复中, 不仅有各个磨损部位个别修复的要求, 有时还需要对一个齿面进行整体修复。但由于光斑尺寸小, 单道烧结的宽度十分有限, 对大模数齿面激光熔覆只能采用多道搭接。搭接率的大小将直接影响到齿面修复层的表面平整和修复效果。若搭接率太小, 两道之间会有一条明显的凹陷区, 若搭接率太大, 整个涂层表面呈现一斜坡。根据搭接系数确定的理论依据和实验验证, 当搭接系数为20%时修复层表面平整。
二、熔覆层缺陷控制
1. 修复精度和表面质量
大面积的齿面修复层表面虽较平整, 但很粗糙, 精度较低, 必须经过后续切削加工才能重新投入使用。究其原因, 一是因为粉末输送的不均匀和激光功率等工艺参数的不稳定, 造成单道厚度、宽度发生变化;二是采用侧向同步送粉沿齿面扫描时, 渐开面上各点的粉末运动方向与激光束扫描速度方向的夹角不一致, 导致各点的粉末堆积形状发生变化;三是熔池中凝固组织在高温状态下发生氧化, 在修复层外表面形成了氧化皮外壳。通过实验发现, 采用反复逐层机械修整的方法可以大大提高修复精度和表面质量。
2. 裂纹和气孔
对齿面进行多道多层激光熔覆后, 修复层表面会产生明显的裂纹和气孔。气孔主要是由于粉末熔化过程中产生的气体在快速凝固时来不及逃逸出表面所致。在实验前对Ni60粉末烘干, 并适当调整工艺参数, 减缓熔池冷却结晶速度有利于气体的逃逸。
激光熔覆过程修复层经受一个极为不均匀的快热快冷作用, 熔池在快速凝固及随后的快速冷却中将产生内应力, 这是导致齿面修复层开裂的主要原因。另外, Ni60粉末中B、Si元素的存在, 使得熔覆层中会产生硅化物和硼化物等脆硬相, 降低了修复层的延展性, 增加了开裂倾向。轮齿修复前对齿面进行一定温度的预热、修复后再进行一定的后处理, 可降低温度梯度从而降低开裂可能。
3. 齿顶塌陷
齿轮传动时, 主动齿轮齿顶将推动从动齿轮齿根运动。齿面激光熔覆时齿顶会发生塌陷现象, 将影响传动平稳性。齿顶塌陷主要是由于激光照射时热量向齿面边缘扩散, 位于边缘的齿顶横向剖面积小, 热集聚效应明显。此外, 齿轮齿廓曲线为渐开线, 熔融液体从高处向低处流, 齿顶熔池里的熔液向两侧流动造成齿顶材料的流失而塌陷。
在激光功率、光斑尺寸不变的情况下, 通过增加送粉量或减小扫描速度, 使齿顶基体尽量少熔化可减缓塌陷。另外, 通过实验验证, 齿顶采用预置粉末法, 先用较低的激光功率扫描, 使小部分粉末熔化或微熔, 依靠这部分粉末使大量的粉末粘结成团附着在齿顶表面, 再进行正式的激光熔覆, 基本能解决齿顶塌陷问题。
三、结语
(1) 利用激光熔覆技术对失效齿面进行了激光熔覆修复。通过优化工艺参数, 得到了表面平整、稀释率低、具有良好冶金结合且硬度较高的修复层。
(2) 通过采用反复逐层机械修整的方法提高了齿面修复精度和表面质量, 对轮齿修复前的预热和修复后的后处理降低了开裂的可能, 对熔覆粉末烘干并适当调整工艺参数解决了气孔问题, 采用粉末预置二次扫描基本解决了齿顶塌陷问题。
参考文献
[1]赵丽娟, 史辉.齿轮传动中磨损问题的研究及修复方法综述[J].中国工程机械学报, 2007, 5 (2) :243-245.
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激光熔覆工艺研究现状及发展 篇3
关键词： 复合熔覆工艺；激光器；缺陷与控制；高效化
中图分类号： TG159.99
Abstract： Laser cladding technique can make a special performance on the surface of lowcost metal substrate， such as wear resistance， corrosion resistance and high temperature antioxidation， in order to improve the properties of key components.As for the repair of critical parts， it would effectively reduce the costs. But the traditional laser cladding process has a high cracking sensitivity， and lightly brings pores. Once base and cladding materials be selected， the defects can be avoided by optimizing cladding process. In recent years， electromagnetic stirring， ultrasonic， mechanical vibration and other new cladding processes have a rapid development， meanwhile the requirement of efficiency and precision are rising. In this paper， recent developments of laser devices and cladding processes are summarized. Besides， the existing problems and the corresponding solutions are discussed. Finally， the trend of research in the future is forecasted. And promoting the growth of laser cladding process is of great significance.
Key words： composite cladding process； laser device； defects and control； high efficiency
0 前言
激光熔覆技术兴于20世纪70年代，是通过不同的添料方式，并利用高能密度激光束使基材表面添加熔覆材料与基材表层一起快速熔凝，形成与基材表面冶金结合良好涂层的表面改性技术。与传统的化学热处理（渗氮、渗碳、渗金属）、电镀、堆焊、喷涂等相比，该技术具有熔覆层晶粒细小、结构致密及稀释率低等一系列优点，目前在航空航天、模具、石油化工等行业成为表面工程领域研究发展的热点。
激光熔覆是一个复杂的物理、化学冶金过程，传统的熔覆工艺面临着熔覆层开裂敏感性高，易产生气孔及效率较低等问题。裂纹现象和行为牵涉到激光熔覆的很多方面，熔覆工艺是决定熔覆质量及效率的关键因素，深入研究工艺特性对于该技术在工业中的应用具有实际的指导意义。
1 激光器的发展
激光器是将其他能量转换为激光的器件，是激光熔覆加工系统的核心组件。自1917年爱因斯坦提出“受激辐射”的概念，奠定激光的理论基础，到19世纪60年代红宝石、氦氖、砷化镓半导体及染料等激光器的相继问世，激光器的发展进入了一个崭新的阶段。激光器的种类繁多，按工作方式分为连续型和脉冲型，按工作介质分为4类，激光器类型及特点如表1所示。
针对激光熔覆技术，目前广泛应用的激光器主要是横流CO2激光器和YAG激光器。YAG激光器的输出波长为106 μm，较CO2激光波长小一个数量级。对金属及其合金而言，一般随波长的增加，吸收率减小，所以同一金属材料对这两种激光的吸收率有很大差别。张安峰等[1]研究了CO2和YAG激光的熔覆特性，发现对于同一种材料，YAG激光的吸收率约是CO2激光的3倍多。但因CO2激光器转换功率高，器件结构简单、造价低廉，目前仍为激光熔覆主要采用的激光器。
随着技术发展出现的光纤激光器也逐渐应用到激光熔覆中，这种激光器是以掺入某些激活离子的光纤作为工作介质，或利用光纤自身的非线性光学效应制成。光纤激光器具有多种优势，如光纤的可挠性带来的小型化、集约化；多维空间的加工；光电效率达30%以上，有效降低成本；可调谐性好等。徐宇蓝等[2]利用机器人光纤激光系统在45钢表面作铁基粉末熔覆，结果表明熔覆层显微硬度高于基材两倍以上，能够消除搭接处微裂纹及气孔等缺陷，具有广阔的市场前景。
2 激光熔覆工艺
2.1 传统激光熔覆工艺
激光熔覆技术按熔覆材料的供给方式分为两类，即预置粉末激光熔覆和同步送粉激光熔覆。预置式是指将待熔覆的合金粉末预先置于基材表面，然后利用激光束在合金覆盖层表面扫描，使覆盖层及一部分基材熔化，激光束离开后熔化的金属快速凝固在基材表面形成冶金结合良好的熔覆层。同步式是指在激光熔覆过程中采用专门的送粉系统将合金粉末直接送入激光作用区，在激光的作用下使供料和熔覆同时完成，之后冷却结晶形成熔覆层。预置式的手工涂覆效率较低；同步式的熔覆工艺过程简单，效率高，可控性好，易于实现自动化，适合大规模工业生产。
影响熔覆层质量的因素众多，包括激光功率、光斑尺寸、激光扫描速度及激光作用在基材表面的吸收率，基材的预处理和后处理，材料的热物理特性等。但激光功率、扫描速度、光斑尺寸是激光熔覆中最主要的参数，通常用比能量进行优化设计。针对激光熔覆工艺参数的优化已有大量的试验，如Lusquios等[3]在不锈钢上采用光纤激光熔覆Co基合金探究了各个参数之间的影响。Przybylowicz等[4]在镍基和钴基合金粉末中分别添加WC相，探讨了激光功率和扫描速度对碳钢上裂纹的影响规律。王璐等[5]在45钢表面熔覆NiCrMn+WC硬质合金层，研究扫描速度及功率对显微硬度的影响。王志坚等[6]采用铁基合金粉末进行单道熔覆试验，研究了激光功率、扫描速度及送粉量对熔覆形状尺寸和成形效率的影响。
虽然针对工艺参数对熔覆层组织性能、显微硬度、缺陷影响等做了大量的研究，但各个参数对熔覆质量的影响规律较为复杂，需针对特定的熔覆材料体系进行详细讨论。
2.2 复合激光熔覆工艺
传统的激光熔覆工艺易出现裂纹等问题，影响熔覆层的质量及使用性能。所以，近年来复合激光熔覆技术得到很快发展，如激光熔覆辅加电磁搅拌、超声波、机械振动、交变磁场等。余本海等[7]在激光熔覆WC-Co基合金中辅加电磁搅拌的研究中发现，电磁搅拌能够使熔覆层组织的晶粒均匀细化，并能够消除熔覆层内的气孔和微裂纹，提高熔覆层质量。王维等[8]利用超声波对BT20钛合金进行激光熔覆时指出，超声波能够使熔覆层内部组织气孔率下降、晶粒尺寸减少。Zhou等[9]辅加感应加热系统在Cu基体上熔覆Cu-Fe基合金粉末，试验未发现气孔及裂纹等缺陷（图1）。在熔覆层中央（图1b）有大量5～50 μm尺寸的球状粒子（A）分布于细小晶粒基体（B）中，通过分析知富铜基质中的球状粒子含过饱和Cu的富Fe相。此外，熔覆层的显微硬度是基材的3倍，其强化是沉淀硬化及弥散硬化等的组合强化。
3 激光熔覆主要问题及解决
虽然激光熔覆在众多的表面改性技术中具有相当大的优势，且近年来激光熔覆新工艺也得到研究，但作为大范围商业化应用的表面改性技术而言，其裂纹、气孔、大面积熔覆等亟待解决的问题限制了它的应用发展。
3.1 裂纹及气孔缺陷的控制
激光熔覆是一个典型的快速加热、冷却的过程，特别是在熔覆硬质陶瓷相时，由于熔覆材料与基体材料在物理性能上的差异，易产生残余应力，进而导致熔覆层的开裂[10]，如图2a所示。这种裂纹问题可通过调控材料间热胀系数的匹配来解决，而在选定材料的基础上，一般通过优化工艺方法及工艺参数来抑制熔覆层的开裂。另外，还可以减少温度梯度（如预热、保温）；在合金粉末中添加增韧、增塑的元素以达到抑制裂纹产生、增加熔覆层抗裂的目的[11]。研究表明，在合金粉末中加入V2O5能抑制裂纹的生成；超声波振动也可以有效地控制裂纹的产生[12-13]。Zhou等[14]在激光熔覆镍系和WC相的复合涂层中发现存在裂纹，如图2b所示，而利用激光-感应复合熔覆可获得无裂纹的熔覆层。
关于气孔的形成机制，普遍的观点认为：气孔是由于残余的保护气体或在激光熔覆过程中形成的气体没有足够的时间从熔池中逸出而形成的。对于气孔的控制，可以通过优化工艺参数、减少气体来源（如烘干熔覆合金粉末）、预热缓冷、略微延长熔池时间来实现。Zhou等[15]通过研究不同基体及熔覆材料对气孔的影响，发现工艺参数相同时，由于基体热导率的不同使Q235钢形成的气孔比不锈钢上的大很多（图3a，3b）。另外，含Cr3C2粉末的熔覆层生成的气孔更大（图3a，3c），这是由于Cr3C2的熔点比Fe901的高，未融化粉末间的孔隙连接起来形成了较大尺寸的气孔。
3.2 高效激光熔覆的实现
将激光熔覆技术广泛地应用于实际生产中，大面积熔覆是必不可少的。大面积熔覆工艺主要有两种：多道搭接和多层叠加，即从横向及纵向两个方向加工处理。由于激光光斑尺寸较小，而搭接会造成相邻扫描带结合处的“二次加热”效应，进而引发材料表面显微硬度降低及裂纹的产生，这严重制约了激光熔覆技术的应用。
提高熔覆效率可通过使用大功率的激光器、增加扫描速度或光斑直径等实现，但其受比能量Es的限制，不能无限制的提高。为改善因搭接产生的问题，研究表明，采用矩形光斑或激光-感应复合熔覆技术等均有利于提高熔覆效率。如在宽带光束模式下，不仅可以增加熔覆带宽度，还能够降低裂纹敏感度。同时，利用熔池边缘温度梯度形成的表面张力起到搅拌熔体合金使其均匀分布的作用[16]。如图4在不同光斑的激光熔覆试样中，矩形光斑的熔覆面积更大，而圆形光斑熔覆则需要多次搭接，且出现气孔缺陷。周圣丰等[17]在激光-感应复合熔覆的试验中表明，复合熔覆的效率是单纯熔覆的3倍多，而稀释率仅为5.2%，抗干滑动磨损性能约是单纯熔覆的1.42倍。另外，周圣丰等[18]利用激光-感应复合熔覆的方法在Q235钢表面获得了无气孔与裂纹的Ni基WC熔覆层，且相对于单纯激光熔覆，复合熔覆的效率约提高了5倍。试验表明，在激光-感应复合熔覆过程中，熔覆层与基材间的温度梯度大大降低，这是获得Ni基WC熔覆层无裂纹的关键原因。
4 前景展望
激光熔覆技术具有熔覆层晶粒细小、结构致密及稀释率低等一系列优点，但仍存在裂纹、气孔缺陷，大面积熔覆的实现及设备昂贵等问题，在选定材料的基础上，优化工艺方法和工艺参数尤为重要。未来激光熔覆工艺的发展应该聚焦在以下几个方面：
（1） 新型激光器的工业化应用。性能良好的大功率激光器是激光熔覆的首要条件，未来倾向于研发大功率、小型化的激光装置，提高电源的稳定性和寿命。固体激光器应解决转换效率低的问题，其发展趋势包括寻求新波长和工作波长可调谐的新工作介质，增大输出功率，改善光束质量，提高转换效率等。光纤激光器具备一系列的优点，未来应开发新的生产工艺，降低成本，扩大工业化应用。
（2） 新型激光熔覆工艺的发展。熔覆层的开裂是激光熔覆最棘手的问题，应优化传统熔覆工艺、开发新型熔覆技术，如梯度熔覆和高频感应熔覆等。梯度熔覆是在熔覆层与基体间熔覆复合层，熔覆层前后进行合适的热处理等。高频感应熔覆是利用导体在高频磁场作用下产生的感应电流进行辅助加热，利用高频感应制备的熔覆层成形良好，析出强化相分布均匀，缺陷少。这两种工艺均有利于解决熔覆中常见的裂纹、气孔等问题，但复合熔覆技术存在工艺复杂及效率低下等问题。
（3） 激光熔覆效率及精度的提高。激光熔覆层表面不平整，后续机加工量较大，如何提高激光熔覆的精度也是亟待解决的问题。应研发新型一体式送粉熔覆设备及高精度送粉控制系统，解决与大功率激光器配套的精确度与熔覆工艺稳定性等问题。
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钛合金表面激光熔覆的研究进展 篇4
关键词：钛合金,激光熔覆,熔覆材料
0 引言
钛及其合金具有密度低、比强度高、耐蚀性好、生物相容性好等众多优点, 它作为一种重要的战略金属, 已成为航空航天、石油化工和生物医学领域不可或缺的材料。但钛合金的摩擦学性能较差, 表现为摩擦因数高、粘着磨损严重, 且存在着导热性差、抗高温氧化性差等缺点, 极大地限制了其潜能的发挥[1,2]。因此, 提高钛合金表面耐磨性、抗高温氧化性等, 成为钛合金广泛应用中必须攻克的重要课题。
激光熔覆技术是新型的表面改性技术, 具有加热速度快、熔覆层与基底冶金结合、熔覆层成分和稀释度可控等优点, 已成为改善钛合金表面性能的有效手段之一[3,4,5]。本文阐述了钛合金表面激光熔覆材料体系的研究现状、激光熔覆技术的应用范围及其发展趋势。
1 钛合金表面激光熔覆材料的研究现状
激光熔覆层的形成过程是一个复杂的物理化学过程, 在此过程中, 影响激光熔覆层成形质量和性能的因素复杂, 其中, 激光熔覆材料是一个主要因素, 它的选择主要考虑其使用性能、与基底的相容性、热物理性的差异等[6,7,8]。目前钛合金熔覆的粉末材料主要是自熔性合金材料和金属基陶瓷复合材料。
常用的自熔性合金材料有镍基、钴基、铁基3种[9,10,11]。在激光熔覆过程中, 自熔性合金粉末中B、Si等元素具有脱氧和造渣功能, 它们优先与周围环境中的氧反应生成B2O3、SiO2、硼硅酸盐, 覆盖在熔池表面, 防止液态金属过度氧化, 改善熔体对基底的润湿能力, 从而获得稀释率低、杂质少、气孔率小且与基底冶金结合的致密涂层。耿林等[9]采用CO2激光器, 在TC4合金表面分别熔覆了NiCrBSi和NiCoCrAlY两种镍基合金涂层。这两种涂层中均能产生固溶强化和细晶强化效应, 且NiCrBSi涂层中还存在TiB2、TiC、CrB、Ni3B、Ti3Al等高硬度增强相的第二相强化作用, 这些强化因素使得两种镍基涂层的硬度及耐磨性比钛合金有所提高。
金属基陶瓷复合材料[12,13,14]由氧化物、碳化物、氮化物、硼化物及硅化物等各种高熔点硬质陶瓷材料与金属复合而成, 它可以将金属材料较高的强度、韧性、良好的工艺性能和陶瓷相优异的耐磨、耐蚀、耐高温及化学稳定性有机结合起来, 常被用于制备抗高温氧化涂层、耐磨涂层、生物陶瓷涂层等。崔爱永[12]进行了钛合金表面熔覆 (Ti+Al/Ni) + (Cr2O3+CeO2) 复合涂层实验, 熔覆层微观组织分析结果表明, 未熔Cr2O3颗粒、白亮球状液析Cr2O3及生成的硬化TiAl陶瓷颗粒增强相均匀分布在细小树枝晶和共晶基体上, 涂层显微硬度最高可达1150HV。马海波[13]在钛合金表面制备出原位自生TiB体系陶瓷颗粒增强Co基复合材料涂层, 研究结果表明, 熔覆表面晶体生长形态以柱状晶为主, 向树枝晶、等轴晶过渡, 晶内为贫Co、富B和Ti的TiB体系陶瓷增强颗粒, 晶间为γ-Co, 各物相在熔区内均匀分布, 涂层显微硬度约为基底的3倍。
2 钛合金表面激光熔覆技术的应用
随着科学技术的发展, 对航空航天、工业生产等领域应用的钛合金性能要求越来越高, 很多利用钛合金制造的机械零部件长期在高温环境及腐蚀性气氛中工作, 因此, 钛合金材料的抗高温氧化性、耐热腐蚀性及耐磨性能的研究非常重要。根据熔覆材料体现出不同的功能, 大致可将钛合金表面激光熔覆层分为以下4种:抗高温氧化涂层、耐腐蚀涂层、耐磨涂层和生物陶瓷涂层。
2.1 抗高温氧化涂层
抗高温氧化涂层在火箭发动机、气轮机和热交换装置等高温部件上有着非常广泛的应用。利用激光熔覆技术在钛合金表面制备复合涂层, 可显著改善钛合金基体的抗高温氧化性能。采用TiN、NiCr、TiCrAlSi等粉末在钛合金表面进行激光熔覆, 可以获得抗高温氧化涂层, 激光熔覆技术在钛合金抗氧化性能方面是一种很有应用前景的表面改性技术。
刘秀波等[15]利用横流CO2激光器在TiAl合金表面激光熔覆NiCr-Cr3C2复合涂层, 研究了原始TiAl合金和激光熔覆涂层的1000℃氧化性能, 结果表明, 涂层表现出较好的高温抗氧化性能, 氧化层组织较均匀致密, 主要由α-Al2O3、TiO2和SiO2组成。黄灿[16]在Ti-6Al-4V合金表面利用激光熔覆工艺制得裂纹和孔洞很少的TiCrAlSi-V和TiCrAlSi-Ni两种多组元合金涂层。XRD结果表明, TiCrAlSi-V涂层表面形成的氧化层由SiO2、Cr2O3、TiO2、Al2O3和少量的V2O5构成, TiCrAlSi-Ni涂层表面的氧化层由Cr2O3、TiO2、Al2O3和少量的SiO2与NiO构成。氧化实验结果如图1所示, 两种涂层的氧化增重都比TC4基底小得多, 均能有效提高钛合金在800℃的抗氧化性。
2.2 耐腐蚀涂层
激光熔覆耐腐蚀涂层一般以镍基、钴基自熔性合金作基体的复合涂层材料为主。镍基自熔性合金和含SiC、B4C、Al2O3等颗粒的陶瓷复合涂层具有良好的耐腐蚀性;钴基合金粉末的主要成分是Co、Cr、W, 易在晶界形成富铬的σ (CoCr) 相, 使涂层具有优良的抗高温性能、抗热气蚀、抗冲蚀的能力。耐腐蚀涂层研究的一个热点是, 在钛合金表面激光熔覆涂层中添加微量稀土元素或稀土氧化物, 从而显著改善熔覆层的耐腐蚀性能[17,18]。
高雪松等[19]在钛合金表面激光熔覆Al2O3+13%TiO2 (质量分数) , 获得了成分均一致密的陶瓷涂层。冲蚀磨损实验表明, 涂层的耐腐蚀性能较基底有所提高, 当冲蚀角为30°时, 激光熔覆陶瓷涂层的耐蚀性作用明显增强。邓迟等[18]研究了稀土对陶瓷涂层耐腐蚀性的影响, 分别对钛合金表面激光熔覆稀土涂层复合材料、TC4基材及未添加稀土的涂层复合材料做了耐酸、耐碱及耐生理盐液腐蚀性实验, 实验结果表明, 3种材料中, 加入稀土的涂层耐酸、耐碱、耐生理盐液腐蚀的能力最强, 稀土的加入显著提高了涂层对基底的保护能力。
2.3 耐磨涂层
耐磨涂层是激光熔覆中研究最多、应用最广的一种涂层[20,21,22,23,24,25]。激光熔覆涂层的耐磨性主要取决于增强相的种类及其在熔覆层中的含量和分布。目前激光熔覆层中获得增强相的方法主要有原位生成法及直接添加法。
2.3.1 原位生成法
原位生成法是指在一定条件下, 通过元素与元素或元素与化合物之间的化学反应, 原位生成陶瓷颗粒相的方法。原位生成法制备的复合涂层, 其增强相具有热力学稳定、分布均匀、界面洁净、与基体结合良好等优点, 研究最多的是利用原位反应在钛合金表面生成TiC、TiB、TiB2等增强相, 提高基底的耐磨性。
张晓东[26]在TC11合金表面进行了镍包石墨粉末材料的激光熔覆实验, 获得了表面连续均匀且与基底冶金结合的熔覆层。微观组织分析表明, 在激光熔覆的过程中, 基底的Ti和预涂层中的C发生化学反应, 原位生成以花瓣和枝晶形式存在的TiC硬质增强相。由图2可以看出, 激光熔覆试样沿层深方向的硬度分布呈现3个区域, 分别对应熔覆区 (CZ) 、结合区 (BZ) 和基底热影响区 (HAZ) 。硬度由熔覆区到热影响区呈阶梯状降低, 激光熔覆区的硬度 (HV1000~1050) 比钛合金基底硬度 (HV320~340) 提高2~3倍, 表明激光熔覆层可以大大提高TC11合金的表面耐磨性能。穆俊世[27]以NiCr-Cr3C2+40%CaF2 (质量分数) 混合粉末为原料, 采用激光熔覆技术在钛合金表面制备出了复合材料涂层, 其显微组织由初生块状Cr7C3以及γ-Cr7C3共晶、大量树枝状TiC和一定量球状CaF2组成, 涂层平均显微硬度是基底平均显微硬度的2.5倍。文献[28]中报道, 在钛基底表面激光原位生成TiB2/TiC复合涂层, SEM发现涂层主要由黑色块状TiB2、花状或等轴晶TiC、细针状CrB组成, 使用硬度测试仪进一步测得, 涂层硬度的平均值为HV0.2700, 明显高于基底的硬度。文献[29-31]报道了关于钛合金表面原位生成TiB、TiB2的研究结果, 表明利用原位反应生成的增强相具有细晶强化及弥散强化的特点, 提高了钛合金的耐磨性;反应自身放热, 因此能够利用小功率的激光器来制备熔覆层。
2.3.2 直接添加法
直接添加法是指在熔覆材料中添加TiC、TiB、TiB2、TiN等硬质合金相, 利用激光熔覆技术在钛合金表面制备耐磨性能良好的熔覆层的方法。此外, 在熔覆材料中直接添加MoS2、WS2等自润滑相, 通过调整激光参数和熔覆材料的配比, 可改善熔覆层的耐磨自润滑性。
P.Liu等[32]在钛合金表面熔覆Ni60-TiC-Mo复合涂层, SEM和TEM测试结果表明, 复合涂层中含有大量的共晶和非晶相, 耐磨性较基底显著提高。杨胶溪等[33]利用激光熔覆技术在TC4合金表面熔覆添加MoS2固体自润滑相的复合涂层, 制备出冶金质量较好的TC4/Ni/MoS2复合材料。摩擦磨损实验结果表明, TC4/Ni/MoS2复合涂层摩擦系数比TC4合金显著降低, 耐磨性提高约9倍, 高温摩擦系数减小尤为明显, 而且随添加MoS2含量的增多, 涂层摩擦系数有减小的趋势。文献[34]报道, 在氩气保护下利用激光熔覆在钛合金表面熔覆MoS2/Ti复合涂层, 研究结果表明, 复合涂层组织主要由三元硫化物、钼的硫化物和钛的硫化物构成, MoS2/Ti复合涂层的摩擦系数和表面粗糙度均低于Ti6Al4V, 复合涂层表现出了附着力优越、耐磨性好、表面硬度高等优点。
此外, 在不降低涂层硬度的前提下, 在钛合金表面激光熔覆层中添加微量稀土元素[35,36,37], 通过稀土元素的微合金化作用, 可以有效地改善熔覆层的致密性, 降低溶质元素在基体中的溶解度, 同时增强熔覆层与基体的结合力, 从而显著提高涂层的断裂韧性, 降低涂层的开裂敏感性, 明显改善复合涂层耐磨、耐蚀性能, 增强钛合金在不同工况下的稳定性。
2.4 生物陶瓷涂层
钛合金属于生物惰性材料, 且最常用的TC4钛合金中的铝元素和钒元素对人体有害, 因此务必进行适当的活化和防护处理, 才能用于制造人体骨骼或牙齿等替代品。目前在钛合金表面制备的生物陶瓷涂层材料主要包括羟基磷灰石 (HA、HAP) 、β-磷酸三钙 (β-TCP) 及氟磷灰石 (FA、FAP) 。激光熔覆生物陶瓷涂层既具有金属或合金的强度和韧性, 又具生物活性, 涂层内有序分布着胞状微晶组织, 这种组织的结构与自然骨组织结构有相似之处[38]。此外, 向熔覆层中添加适量稀土氧化物, 对生物陶瓷相的生成具有催化作用, 有利于提高其生物性能。生物陶瓷涂层材料已被广泛地研究和应用, 是钛合金表面激光熔覆技术领域研究发展的热点。
胡淑慧[39]以HA+CaF2和HA+SiO2作为原料, 通过激光熔覆技术在TC4合金表面制备FHA和Si-HA生物陶瓷涂层。通过扫描电镜观察发现, 陶瓷层由分布较为均匀的细小等轴晶和树枝晶组成;过渡层附近的显微组织较为致密, 有利于陶瓷层与基体的结合;表层组织逐渐变得疏松, 有助于骨组织结构的生长。模拟体液浸泡实验 (SBF) 表明 (图3) , 陶瓷涂层表面沉积有以Ca、P、O为主要元素的磷灰石层, 激光熔覆后形成的陶瓷涂层具有一定的生物活性。S.Yang等[40]利用激光熔覆技术在NiTi合金基体上制得羟基磷灰石/纯钛 (HA/Ti) 复合涂层, 实验结果表明, 在高功率激光辐照下HA分解, 涂层的显微组织主要是CaO、钙钛矿、钛磷化物和HA相。体外实验结果表明, HA/Ti复合涂层的NiTi合金的生物活性显著提高, 涂层达到了生物医学所需的力学性能。樊丁等[41]采用激光熔覆技术在Ti6Al4V合金基底上制备生物陶瓷复合涂层, 结果表明, CeO2对合成HA、β-Ca3 (PO) 4和其他钙磷基活性生物陶瓷具有明显的催化作用。汪震等[42]利用宽带激光熔覆技术在TC4合金上制备了含HA+β-TCP的稀土活性梯度生物陶瓷复合涂层, 当稀土氧化物Nd2O3的质量分数为0.6%时, 催化合成的HA+β-TCP的量最多;当Nd2O3的质量分数为0.4%~0.6%时, 涂层的耐蚀性最好。
3 钛合金表面激光熔覆的发展趋势
采用激光熔覆技术对钛合金表面改性的研究己引起人们的关注, 研究结果显示了该技术具有传统表面改性无可比拟的优势, 部分科研成果已应用在航天、医疗等领域。但就目前而言, 该技术主要还处于实验室研究阶段, 尚未大规模推向工业化生产, 其今后的发展方向大致有以下几个方面:
(1) 研制新型涂层, 对涂层材料进行优化设计, 如钛合金表面多主元高熵合金熔覆层;开发新型激光熔覆技术, 降低熔覆过程中基底与涂层之间的热应力, 解决涂层易开裂、剥落等问题, 如梯度熔覆、涂层与基体间涂覆结合层、熔覆层前后进行合适的热处理等。
(2) 深入研究激光熔覆过程的反应机制, 结合有限元仿真软件构建激光熔覆过程中的有限元模型, 建立并完善其温度场和应力场的数值模拟, 从而揭示激光与物质相互作用机理。
(3) 进一步探究稀土元素对钛合金表面激光熔覆层性能的影响。现有研究表明, 含有适量稀土氧化物的复合涂层性能更优良, 然而稀土氧化物的过度添加会导致熔池温度的降低、微裂纹的产生等。
激光熔覆论文 篇5
1 实验材料及方法
1.1 实验材料
实验用基体材料45钢,试样尺寸为100mm×10mm×80mm。 激光熔覆材料选用Fe90和Fe314两种铁基合金粉末,粉末粒度为-140～+325目,其化学成分如表1所示。
1.2 实验方法
采用1kW连续波Nd:YAG固体激光器进行激光熔覆,激光束波长为1.06μm,光斑直径为2mm,采用氩气保护激光熔池。Fe314优化的激光熔覆处理工艺参数为:功率1kW,扫描速度5mm/s,送粉量3.4g/s,搭接率40%;Fe90优化的激光熔覆处理工艺参数为:功率1kW,扫描速度6mm/s,送粉量5.2g/s,搭接率40%。45钢表面用砂纸打磨平整,并用乙醇、丙酮清洗。采用同步送粉激光熔覆法,通过多道搭接的方法获得大面积激光熔覆层,对激光熔覆层表面进行精磨、抛光、处理,然后进行活化屏等离子氮化处理,氮化工艺为:处理温度500℃;处理时间10h;反应室压强为500Pa;气体的体积比为N2∶H2=20∶80。
采用Quant 200型扫描电子显微镜(SEM)观察复合处理层表面和磨痕形貌。利用HVS-1000型显微硬度计测量涂层的表面硬度,硬度计载荷1.96N,持载时间15s。磨损实验在UMT-2型多功能摩擦磨损实验机上进行, 摩擦对偶球为ϕ4mm GCr15钢球, 其硬度为 HRC 65。摩擦试验条件为: 在干摩擦条件下往复滑动, 行程为4.7mm, 频率为5Hz, 载荷为30N, 摩擦时间为 20min。通过测量磨痕宽度,最终结果取 5次试验的平均值,利用公式(1)计算磨损体积,评价材料的耐磨性。
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式中:R为钢球半径;d为磨痕宽度;L为往复滑动行程;ΔV为磨损体积。
2 实验结果及分析
2.1 复合处理涂层的制备
复合处理涂层的制备分为两部分,即激光熔覆层的制备和等离子体氮化处理。激光熔覆层表面形貌如图1所示。将制备好的激光熔覆试样进行精磨、抛光处理后进行等离子体氮化复合处理,等离子体氮化处理后的试样表面形貌的SEM照片如图2所示。
2.2 涂层的表面硬度
图3为45钢、激光熔覆和复合处理层表面的显微硬度。从图3可以看出,经过复合处理后Fe90激光熔覆层的硬度由750HV提高到1350HV;Fe314激光熔覆层的硬度由540HV提高到927HV。涂层的硬度得到了极大的提高。这是因为激光熔覆具有快速加热、快速凝固的特点,其成形的组织较为细小,固溶度大、固溶强化效应显著,有利于氮原子的注入,表面形成了致密的氮化层,因此氮化处理后熔覆层的显微硬度提高显著。高的硬度也为熔覆层具有较好的耐磨性提供了保证。
2.3 涂层的耐磨性
在干摩擦条件下复合处理前后的摩擦磨损的试验结果如表2所示。由表2可以看出,复合处理Fe90的耐磨性提高到1.2倍。这是因为复合处理后使表面得到了强化,提高了材料的耐磨性能。降低金属表面摩擦系数和提高表面抗变形能力都是减小磨损的重要途径。N注入钢中,摩擦系数降低有限,其耐磨性的提高主要靠表面强化,提高表面强度是减小磨损的主要方式。复合处理提高了表面强度,增强了表面变形抗力,从而提高了耐磨性。由此可见,激光熔覆、活化屏等离子体复合处理为零件性能的提升提供了一个新的途径。
图4为45钢和Fe90磨损后的表面形貌SEM照片。图4(a)为45钢的磨损痕迹的表面形貌,由于45钢的硬度较低,表面容易发生塑性变形,随着滑动距离的增加,摩擦产生的热量使接触面处发生物理、化学反应,并在摩擦副的界面处发生胶合,因此,试样表面发生剪切。被剪切的材料随着滑动而转移,形成金属磨屑,成为磨损颗粒,在滑动干摩擦中受挤压和反复地转移、摩擦形成如图4(a)中的黏着磨损和磨料磨损形貌。图4(b)为激光熔覆Fe90的磨损表面形貌,由于涂层硬度较高,涂层只发生轻微的黏着磨损和磨粒磨损。经过LC-ASP复合处理后的试样表面磨损轻微,如图4(c)所示。这是由于在高硬度氮化层的支撑下,接触处不易发生塑性变形,有效的保护了基体,提高了耐磨性。
但LC-ASP复合处理Fe314的耐磨性能并不理想,Fe314复合处理后耐磨性降低为原来的42%。Fe314磨损形貌如图5所示,复合处理后的磨损较未处理的磨损严重。这是因为磨球和试样平面为点接触,具有高的压应力。在高应力反复作用下,高硬度的氮化层会出现显微裂纹,裂纹扩展使得涂层逐渐剥落,形成磨粒,加剧了磨损。另一方面,对于承受高载荷及剧烈磨损的条件下,由于产生强烈的摩擦热,导致激光熔覆层软化并在工作时变形,不能够给硬质膜以强有力的支撑,在摩擦力作用下,激光熔覆层和氮化层都会发生变形,但Fe314激光熔覆层较软,变形程度较大,导致激光熔覆层与氮化层易于发生分离,分离的氮化层在高应力作用下,容易被压裂,从而使涂层破坏,破坏的涂层充当了磨粒加剧了磨损,其失效过程如图6所示,故该复合涂层在重载上的应用受到限制。
3 讨论
根据实验结果可以可出:只有当激光熔覆层能够提供较好的支撑的情况下,复合处理才能够显著提高涂层的耐磨性。否则,复合处理涂层不能够发挥协同效应,提高材料的耐磨性能。激光熔覆层本身具有快速凝固的组织特点,组织细小,晶界较多,有利于氮离子的注入,可以加速氮化过程,得到较深的氮化层,由于沉积过程中氮离子向激光熔覆层基体内部的进一步扩散,导致激光熔覆层的硬度明显增高,从而提高了复合涂层的承载能力和抗磨能力。这是复合处理提高耐磨性的主要原因。因此,复合处理从理论上讲是可以提高材料的耐磨性的,但前提是基体能够提供足够的支撑作用,保证在高应力作用下氮化层不被破坏。因此在复合涂层的设计上应保证激光熔覆层应能够提供足够的支撑,才能够发挥复合效应,提高耐磨性。氮化层不仅可以提高硬度,还可以形成残余压应力,这对于提高抗接触疲劳性能有益,因此复合处理应该在提高抗接触疲劳性能方面也具有较大优势。
4 结论
(1)激光熔覆层经活化屏等离子体复合处理后,复合涂层硬度显著提高。Fe90激光熔覆层的硬度由750HV提高到1350HV;Fe314激光熔覆层的硬度由540HV提高到927HV。
(2)在30N载荷作用下,Fe90复合处理层耐磨性提高到1.2倍,而Fe314复合处理层耐磨性降低为0.42倍。这是因为Fe314的激光熔覆层不能够提供足够的支撑,复合涂层在高载荷作用下,引起了氮化层的破坏,复合效应没有得到发挥的缘故。复合处理耐磨性提高的关键在于激光熔覆层与氮化层的合理搭配。
摘要：为了研究激光熔覆层性能对活化屏等离子体氮化处理层耐磨性能的影响,采用两种铁基合金粉末(Fe90和Fe314)在45钢基体表面进行激光熔覆,然后进行等离子体氮化复合处理,测试涂层干摩擦条件下的磨损性能。研究结果表明:复合处理后,Fe90激光熔覆层的硬度由750HV提高到1350HV,Fe314激光熔覆层的硬度由540HV提高到927HV;在相同载荷(30N)下,Fe90复合处理层的耐磨性提高到1.2倍,而Fe314复合处理的耐磨性降低为原来的42%;复合处理耐磨性能提高的关键在于激光熔覆层与氮化层的合理搭配,熔覆层能够提供足够的支撑。
关键词：激光熔覆,活化屏等离子体处理,耐磨性
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