【摘要】 激光熔覆技術(shù)在最近兩年內應用范圍越來(lái)越廣泛。我國有數萬(wàn)億元的裝備在服役之中，每年因其關(guān)鍵零部件的腐蝕、磨損，使設備停產(chǎn)、報廢造成的損失占國民經(jīng)濟總產(chǎn)值的3%~5%。激光表面改性技術(shù)在工業(yè)生產(chǎn)中易損易耗零部件的表面強化與制造方面發(fā)揮了重要作用。我國經(jīng)過(guò)幾個(gè)五年國家科技攻關(guān)計劃，使該技術(shù)已在多個(gè)領(lǐng)域得到了應用，尤其是在鋼鐵行業(yè)中。
【關(guān)鍵字】激光快速熔覆技術(shù),鋼鐵行業(yè)
激光熔覆技術(shù)在最近兩年內應用范圍越來(lái)越廣泛。我國有數萬(wàn)億元的裝備在服役之中，每年因其關(guān)鍵零部件的腐蝕、磨損，使設備停產(chǎn)、報廢造成的損失占國民經(jīng)濟總產(chǎn)值的3%~5%。激光表面改性技術(shù)在工業(yè)生產(chǎn)中易損易耗零部件的表面強化與制造方面發(fā)揮了重要作用。我國經(jīng)過(guò)幾個(gè)五年國家科技攻關(guān)計劃，使該技術(shù)已在多個(gè)領(lǐng)域得到了應用，尤其是在鋼鐵行業(yè)中。
“目前因大多數鋼鐵企業(yè)在加工生產(chǎn)過(guò)程中會(huì )產(chǎn)生大量的高載荷、低轉速及高精度、高合金的承載設備，且部分零部件極易產(chǎn)生腐蝕、磨損和失效報廢等現象，但自從激光熔覆技術(shù)的投入使用，很好的解決了這些問(wèn)題，不僅可對零部件進(jìn)行改善和修復，且還大大節省了鋼鐵企業(yè)的成本�！睋鹉ｄ撹F網(wǎng)首席研究員羅百輝介紹，目前全國鋼鐵行業(yè)每年只是各種軋鋼生產(chǎn)線(xiàn)上的重要零部件所消耗的費用就達80億元。傳統方法主要是更換這些設備零部件，甚至因部分零部件的損壞而無(wú)法報廢需要更換整機，為了確保生產(chǎn)效率，則需要更換大量的備件，總得計算下來(lái)會(huì )占用巨額的資金和資源。為了改善此現狀，國內研發(fā)出了一系列高新技術(shù)，比如激光快速熔覆技術(shù)、激光快速成形制造技術(shù)、激光納米合金化和表面強化技術(shù)等高新技術(shù)的應用，為這類(lèi)設備和零部件的修復開(kāi)辟一條嶄新的道路。
激光快速熔覆技術(shù)的廣泛應用，可有效解決失效、報廢設備及零部件現象，也可延長(cháng)一些新產(chǎn)品的使用壽命，甚至可達到多壽命周期的效果。比如中間軸、傳動(dòng)齒輪齒輪軸和殼體等經(jīng)過(guò)激光仿形熔覆技術(shù)和快速成形技術(shù)修復后，就可恢復到原有新件的技術(shù)指標。
激光熔覆工藝發(fā)展現狀及前景分析
激光熔覆( 亦稱(chēng)激光堆焊) 是指以不同的添加方法在被熔覆的基體上放置選擇的涂層材料，經(jīng)高能密度激光束輻照加熱，使之和基體表面熔化，并快速凝固，從而在基材表面形成與其為冶金結合的表面涂層的工藝過(guò)程。激光熔覆具有如下優(yōu)點(diǎn)：
1) 激光束的能量密度高， 加熱速度快，對基材的熱影響較小，引起工件的變形小;
2) 控制激光的輸入能量，可將基材的稀釋作用限制在極低的程度(一般為2%-8%)，從而保持了原熔覆材料的優(yōu)異性能;
3) 激光熔覆涂層與基材之間結合牢固(冶金結合)，且熔覆涂層組織細小。這些特點(diǎn)使得激光熔覆技術(shù)近十年來(lái)在材料表面改性方面受到高度的重視。
大面積激光熔覆工藝方法主要有兩種：多道搭接和多層疊加，即從橫向和縱向兩個(gè)方向進(jìn)行的加工處理。多層疊即先在基體上進(jìn)行第一次熔覆，然后在熔覆后的涂層上進(jìn)行二次粉末預置，待粉末干燥后進(jìn)行第二次熔覆，按此方式繼而完成多層熔覆，不同層可以預置不同的粉末，從而達到不同的預期效果。
1.1 激光熔覆材料體系
(1) 自熔性合金粉末：可分為鎳基自熔合金、鈷基自熔合金和鐵基自熔合金，其主要特點(diǎn)是含有硼和硅，具有自脫氧和造渣能力， 即自熔性。自熔合金的硬度與合金含硼量和含碳量有關(guān)，隨硼、碳含量的增加而提高，這是由于硼和碳與合金中的鎳、鉻等元素形成硬度極高的硼化物和碳化物的數量增加所致。
(2) 碳化物復合粉末體系：由碳化物硬質(zhì)相與金屬或合金粘結相組成，主要有(Co、Ni)/WC和(NiCr、NiCrAl) Cr3C2等系列。這類(lèi)粉末中的粘結相能在一定程度上使碳化物免受氧化和分解。碳化物復合粉末作為硬質(zhì)耐磨材料，具有很高的硬度和良好的耐磨性， 其中(Co、Ni)/WC 系適應于低溫(<560℃)的工作條件，而(nicr，nicral)>
(3) 氧化物陶瓷粉末：具有優(yōu)良的抗高溫隔熱、耐磨、耐蝕等性能，主要分為氧化鋁和氧化鋯兩個(gè)系列， 而后者比前者具有更低的熱導率和更好的抗熱震性能，因而廣泛用作熱障涂層材料。
1.2 激光熔覆工藝種類(lèi)
激光熔覆的工藝可以分為兩種：一種是激光處理前供給添加材料，即粉末預置法;另一種是激光處理過(guò)程中同步供給添加材料，即同步送粉法。粉末預置激光熔覆是將材料事先放置于基體材料表面的熔覆部位，然后采用激光束輻射掃描熔化，熔覆材料可以采用粉末、絲材或板材的形式加入，其中，以粉末的形式最為常用。絕大多數研究采用粉末預置方式。預置涂層式激光熔覆的主要工藝流程為：基體熔覆表面預處理、預置涂層材料、預熱、激光熔化、后熱處理。同步送粉式激光熔覆是將熔覆材料直接送入激光束中，使供料和激光熔覆同時(shí)完成。熔覆材料的加入方法主要是以粉末的形式送入，有時(shí)也會(huì )采用線(xiàn)材和板材的形式進(jìn)行同步送料。對于熔覆面積比較大的零件可采用同步送粉法。此種方法送粉量可以調節，同步送粉器可以連續工作，因而熔覆效率高，適用于實(shí)際生產(chǎn)中大批零件的表面激光熔覆。同步送粉式激光熔覆的主要工藝流程為：基體熔覆表面預處理、送料激光熔化、后熱處理。
1.3 激光熔覆工藝參數
激光熔覆工藝參數主要包括激光功率P、光斑尺寸(直徑D或面積S)、激光掃描速度V、多道搭接的搭接率或多層疊加的停光時(shí)間、涂層材料的添加方式和保護方式等。上述工藝參數是決定激光熔覆涂層宏觀(guān)力學(xué)性能、微觀(guān)組織結構的關(guān)鍵因素。目前工藝參數的選擇是以試驗歸納為主，文獻研究了寬帶激光熔覆工藝參數對梯度生物陶瓷涂層顯微組織與燒結性的影響。結果表明，當D、V 不變時(shí)，隨著(zhù)P 增加，涂層的致密度逐漸下降，孔隙率逐漸增大。試驗表明，粉末的種類(lèi)、數量和粒度不同，激光熔覆的工藝參數變化很大。
1.4 激光熔覆涂層的性能
(1) 耐磨性能
(2) 耐蝕性能
WangA H等利用YAG激光器對SiC增強ZK60(Mg-6%Zn-0.5%Zr)鎂基復合材料熔覆Al-Si合金，使復合材料極化曲線(xiàn)出現明顯的鈍化，腐蝕電位有很大的提高，腐蝕電流密度明顯降低。胡乾午對Mg-SiC復合材料噴涂銅合金，然后用2 kW- Nd：YAG激光器進(jìn)行激光熔覆，熔覆后表層Cu60Zn40合金與Mg-SiC基體熔合良好，激光熔覆試樣的腐蝕電位Ecorr比未處理的提高3.7倍，其相對腐蝕電流密度Jcorr降低約22倍。
2. 激光熔覆技術(shù)的應用
激光熔覆是新型的局部表面處理方法，是未來(lái)工業(yè)應用潛力最大的表面改性技術(shù)之一，具有很大的技術(shù)經(jīng)濟效益，其應用大致體現在以下幾個(gè)方面：
2.1 在汽車(chē)工業(yè)中的應用
早在十幾年前，歐洲汽車(chē)工業(yè)就開(kāi)始將高功率激光器用于車(chē)身的焊接和切割。由于汽車(chē)的發(fā)動(dòng)機閥、汽缸內槽、齒輪、排氣閥座以及一些精密微細部件需要高的耐磨耐熱以及耐蝕性能，因此激光熔覆有了很廣泛的應用，例如在汽車(chē)發(fā)動(dòng)機鋁合金缸蓋門(mén)座上激光熔覆直接成型銅合金閥門(mén)座圈，取代傳統的粉末冶金/壓配座圈，可以顯著(zhù)改善發(fā)動(dòng)機的性能，降低生產(chǎn)成本，延長(cháng)發(fā)動(dòng)機閥門(mén)座圈的工作壽命。
1) 在航空航天中的應用
鈦合金雖然已經(jīng)在航空航天部門(mén)廣泛使用，但是其摩擦系數大，耐磨性差，在其表面熔覆一層增強材料就能顯著(zhù)的改善表面性能。如NiCrBSi 和NiCoCrAlY 合金粉末均為常用的熱噴涂材料，其涂層致密、結合強度大，耐腐蝕、耐高溫，抗氧化性也很優(yōu)良。
2.2 模具方面的應用
模具的使用壽命在很大程度上決定了一些設備的生產(chǎn)率和生產(chǎn)成本，經(jīng)過(guò)激光熔覆處理過(guò)的模具，其表面硬度、耐磨性、抗高溫性等都有顯著(zhù)的提高，從而提高了使用壽命。
2.3 軋輥行業(yè)中的應用
軋輥是軋鋼工業(yè)中耗用量較大的工具，作為軋鋼機直接的工作部件，它的質(zhì)量直接關(guān)系到軋板、帶材的產(chǎn)量和質(zhì)量，因此用激光熔覆對其進(jìn)行處理已成為目前普遍關(guān)注的問(wèn)題。
2.4 生物醫用方面的應用
不銹鋼、鈦及其合金作為生物醫用材料，因其具有良好的力學(xué)性能而受到人們的普遍歡迎，但其較差的耐蝕性、生物相容性及金屬離子潛在的毒副作用卻使它在機體中的應用受到極大限制，在基材TC4 表面進(jìn)行激光熔覆原位合成與涂覆羥基磷灰石(HA)等生物陶瓷的改性方法因合成HA 效率高、工藝新穎、操作方便而引起廣泛關(guān)注。
3. 激光熔覆工藝存在的問(wèn)題
評價(jià)激光熔覆層質(zhì)量的優(yōu)劣，主要從兩個(gè)方面來(lái)考慮。一是宏觀(guān)上，考察熔覆道形狀、表面不平度、裂紋、氣孔及稀釋率等;二是微觀(guān)上，考察是否形成良好的組織，能否提供所要求的性能。此外，還應測定表面熔覆層化學(xué)元素的種類(lèi)和分布，注意分析過(guò)渡層的情況是否為冶金結合，必要時(shí)要進(jìn)行質(zhì)量壽命檢測。目前研究工作的重點(diǎn)是熔覆設備的研制與開(kāi)發(fā)、熔池動(dòng)力學(xué)、合金成分的設計、裂紋的形成、擴展和控制方法、以及熔覆層與基體之間的結合力等。
裂紋是大面積激光熔覆技術(shù)中最棘手的問(wèn)題。裂紋產(chǎn)生的主要原因是熔覆層中存在的殘余應力，包括熱應力、組織應力和約束應力。由于激光束的快速加熱，使得熔覆層完全熔化而基體微熔，熔覆層和基體材料間產(chǎn)生很大的溫度梯度，在隨后的快速凝固過(guò)程中，形成的溫度梯度和熱膨脹系數的差異造成熔覆層與基體體積收縮不一致，而且一般而言，熔覆層的收縮率大于基體材料，熔覆層受到周?chē)h(huán)境(處于冷態(tài)的基體) 的約束，因此在熔覆層中形成拉應力。當局部拉應力超過(guò)材料的強度極限時(shí)，就會(huì )產(chǎn)生裂紋。實(shí)際上固態(tài)金屬在冷卻的過(guò)程中還受到由于基體材料中馬氏體相變而引起的組織應力的影響。但是由于在快速凝固過(guò)程中，各處的體積收縮極大的不同時(shí)性，因此熱應力的影響占主導地位。
此外，裂紋的產(chǎn)生也受到熔覆過(guò)程中工藝參數、熔覆層和基體材料、熔覆層厚度以及處理工藝等多種因素的影響。激光加熱冷卻速度極快，熔池存在的時(shí)間極短，使得熔覆層中存在的氧化物，硫化物和其它雜質(zhì)來(lái)不及釋放出來(lái)，很容易形成裂紋源;熔覆層在瞬間凝固結晶，晶界位錯、空位增多，原子排列極不規則，凝固組織的缺陷增多，同時(shí)熱脆性增大，塑韌性下降，開(kāi)裂敏感性增大，熔覆層越厚，上述情況就越明顯;自熔性合金元素B 和Si 能夠生成硬質(zhì)相，其含量越大，形成裂紋的傾向越嚴重;此外，B 在Fe 及Ni 中的溶解度均為零，因此析出物聚集于晶界易引起裂紋。鐘敏霖等對NiCrBSi 合金在送粉激光熔覆條件下裂紋形成的因素進(jìn)行了研究，趙海鷗等人的研究表明，激光熔覆的多道搭接和重疊多次熔覆均會(huì )增大熔覆層的裂紋敏感性，激光熔覆前試樣進(jìn)行預熱和單道熔覆后的回火去應力均會(huì )顯著(zhù)降低裂紋敏感性;董世運等發(fā)現在熔覆層與基體界面交界處存在宏觀(guān)裂紋，在熔覆層頂層存在微裂紋，且界面處和熔覆層頂部產(chǎn)生了最嚴重的應力集中。
4. 激光熔覆技術(shù)前景展望
激光熔覆技術(shù)是一種新興的表面處理技術(shù)，有著(zhù)很大的發(fā)展前景。為拓寬激光熔覆技術(shù)的應用領(lǐng)域，以下工作應進(jìn)一步研究：
(1) 研究大功率、高壽命和小型化的激光裝置。①研制適用于大功率激光的光學(xué)器件材料②提高電源的穩定性和壽命③大功率激光裝置的小型化。
(2)熔覆工藝探索研究熔覆層產(chǎn)生殘余應力和裂紋的機理，尋找出有效的解決方法。梯度功能涂層的開(kāi)發(fā)為解決裂紋問(wèn)題提供了新思路。采用在基底材料和熔覆層之間設置韌性良好的中間層的方法來(lái)緩解熔覆層中的殘余應力能獲得無(wú)裂紋的熔覆層。
(3)基礎理論研究從凝固動(dòng)力學(xué)、結晶學(xué)和相變理論出發(fā)，系統研究激光快速凝固行為，揭示材料微結構的形成、演化機理及其規律;研究熔池的溫度場(chǎng)分布， 熔池流的對流機制，冷凝時(shí)熔覆層內發(fā)生的組織變化過(guò)程及其規律，進(jìn)而完善加工工藝參數。
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