激光熔覆金属陶瓷技术研究概述高才山东建筑大学材料学院摘要本文介绍了激光熔覆技术的原理、特点及工艺，总结了激光熔覆金属陶瓷复合涂层的材料体系和熔覆层的组织和性能特点，以及因为外加陶瓷颗粒与基体热物性差别大而造成了一些缺陷，而提出了原位自生和梯度涂层工艺，并介绍了它们的原理及研究现状。
并指出它们仍将是激光熔覆金属陶瓷复合涂层技术的发展方向。
关键词：激光熔覆；组织与性能；原位自生；梯度涂层Technique of laser cladding ceramic-metal composite coatingsGao CaiSchool of Material Science and Engineering, Shandong Jianzhu University, jinan250101AbstractIn this paper, the principle, the characteristic and the process of the laser cladding are introduced. The material system of laser cladding ceramic-metal composite coating and the structure and the performance of the cladding layer are summarized. Because of some defects caused by the difference of physical property between ex-situ ceramic and mental, the in-situ composite and the gradient coating are proposed. The principle and the research status are also introduced. It is pointed out that they will still be the development direction of technique of laser cladding ceramic-metal composite coatings.Key words: laser cladding; structure and performance; in-situ composite; gradient coating1、前言在实际生产中，机械零件的失效多数发生在零件的表面或者是从表面开始的。
各类磨损、腐蚀氧化所引起的失效都是发生在零件的表面；扭转或弯曲疲劳断裂失效也是从零件表面开始,逐渐向内部发展,最后导致断裂,因此,提高材料的表面性能对延长零件的使用寿命和发挥潜力起着重要作用。
目前,有许多方法可用于制备具有特殊性能的表面涂层,如电镀（Cr, Ni）和各种气相沉积（PVD 和CVD）,但这些涂层都比较薄,难以满足工程上的要求；热喷涂方法制备的涂层虽然较厚,但与基体是机械结合，结合强度不够，涂层易脱落。
大功率激光器和宽带扫描装置的出现，为金属材料提供了激光表面改性这种有效的新方法。
利用激光表面改性技术中很重要的激光熔覆技术，制备金属陶瓷复合涂层（也叫陶瓷颗粒增强金属基复合涂层），能将金属材料较高的强度、韧性和良好的工艺性能与陶瓷材料优异的耐磨、耐蚀、耐高温及化学稳定性有机地结合起来，极大地提高材料的表面性能，可在低级材料表面获得超硬、超强、超耐磨、超耐蚀等特种性能，尤其适用于一些在极端条件下服役的关键部件的强化，具有很好的发展前景，是目前激光熔敷技术领域研究发展的热点。
2、激光熔覆技术简介激光熔覆[1~6]的试验研究可以追溯到70年代初。
1974年底, Gnanamuthu 提出申请“激光熔覆一层金属于金属基体”的熔覆方法专利。
到80年代初已发展成为材料表面工程领域的前沿课题。
激光表面熔覆技术是在高功率密度的激光束作用下，将合金粉末或陶瓷粉末与基体表面迅速加热并熔化，光束移开后自激冷却，获得一层均匀致密、结合牢固，而且稀释率低的特殊保护涂层的一种表面强化方法。
激光熔覆的熔化主要发生在外加材料中，基材表面微熔的目的是使之与涂覆合金达到冶金结合，以增强熔覆层与基材的结合力，并防止基材元素与熔覆层元素的互扩散而改变熔覆层的成分和性能。
激光熔覆的特点[7]有：（1）冷却速度快（高达106℃/ s），组织细小；（2）热输入和畸变较小,涂层稀释率低（一般小于5 %）；（3）粉末与基体呈冶金结合；（4）粉末选择范围广；（5）能进行选区熔覆，材料消耗少，具有卓越的性能价格比；（6）光束瞄准可以使难以接近的区域熔覆；（7）工艺过程易于实现自动化。
激光熔覆技术目前主要的工艺方法有两种：一种是预置涂层法，就是用热喷涂或化学粘结等方法将合金预先涂覆在基材表面，然后用激光重熔；另一种是同步送粉法，就是在激光照射过程中，同时将粉末用送粉器送入熔池内熔化、凝固。
相对于预置涂层法，同步送粉法由于其操作的灵活性，便于实现自动化以及在熔覆过程中可以随时随地的改变熔覆合金的成分而得到了广泛应用。
图1激光熔覆过程示意图a—预置涂层b—侧向送粉c—同轴送粉随着激光熔覆技术的发展，涂层功能已从传统的耐磨损、抗腐蚀、抗氧化涂层发展到抗冲蚀、抗冲击、绝热及其它功能，例如生物陶瓷涂层和改善电接触特征涂层。
显然,单一的材料不能满足所有上述的目的和用途。
因此可供选用的熔覆材料从最初的Ni 基、Co 基和Fe 基自熔合金逐步发展到在这些自熔合金中加入各种高熔点的碳化物、氮化物、硼化物和氧化物陶瓷颗粒形成复合涂层，甚至纯陶瓷涂层、各种合金、不锈钢、Cu、贵金属等。
基体材料有各种碳钢、合金钢、镍基高温合金、铝、铸铁、超级合金和有色合金等。
3、激光熔覆金属陶瓷涂层技术激光熔覆金属陶瓷涂层技术是近年来新兴的表面强化技术。
陶瓷材料具有高硬度、高抗压强度、良好的耐磨性、耐腐蚀性能、耐高温及化学稳定性，但不足之处是韧性极差。
将陶瓷粉末和作为粘结金属的低熔点金属粉末按一定比例均匀混合，利用激光熔覆技术在廉价金属材料表面制得致密无缺陷的金属陶瓷复合材料涂层，将金属材料的强韧性和优良的工艺性能与陶瓷材料的优异性能有机结合起来。
3.1 激光熔覆金属陶瓷复合涂层的材料体系对于复合涂层的设计,除考虑复合涂层的使用性能外,还应考虑陶瓷颗粒与合金基体之间物理性能的匹配、陶瓷颗粒与液态金属之间的润湿及化学反应、涂层与基材间的界面结合等因素[8~9]，以获得组元之间物理、力学性质的最佳组合。
目前应用和研究较多的复合粉末体系主要包括：碳化物合金粉末（如WC、SiC、TiC、B4C、Cr3C2等）、氧化物合金粉末（如Al2O3、Zr2O3、TiO2等）、氮化物合金粉末（TiN、Si3N4等）、硼化物合金粉末、硅化物合金粉末等。
就目前激光熔覆陶瓷涂层的功能分，主要包括：耐磨涂层、耐蚀涂层、热障涂层、抗氧化涂层和生物涂层。
（1）耐磨涂层是激光熔覆陶瓷涂层中研究得最早也是最多的一种，包括Ni基、Co基、Fe基自熔合金或在这些自熔合金中加入WC、TiC、SiC、B4C、TiN 等各种高熔点的超硬陶瓷颗粒激光熔覆后形成的复合涂层中,由M7C3、M23C6等自由碳化物或硼化物相强硬化的合金基体与极硬的主体硬质相匹配,使熔覆层的硬度和耐磨性得到了显著提高[10]。
（2）耐蚀涂层以Ni基、Co基自熔合金或不锈钢及以它们为基的金属陶瓷复合涂层材料为主,具有优良的抗腐蚀性能。
以Ni基自熔合金和不锈钢为基的含SiC、B4C、WC等颗粒的复合涂层具有良好的耐腐蚀性,以Co基自熔合金为基的硬质合金涂层则显示出良好的抗热气蚀和冲蚀能力。
（3）热障涂层主要为ZrO2、Al2O3和SiO2等纯氧化物陶瓷或其复合陶瓷，因ZrO2与金属的热膨胀系数最为接近,且导热率最低,是理想的热障涂层材料。
（4）抗氧化涂层研究较多的是MCrAlY系合金(其中M代表Fe、Ni、Co 等过渡族元素)。
此类涂层在高温氧化环境中能形成表面氧化保护膜Al2O3 (或MAl2O4)。
稀土元素Y[11~12]一般存在于氧化膜与合金界面的扩展前沿，优先发生氧化,阻碍界面的扩展；并能进一步细化组织、稳定晶界和减缓内扩散，增强涂层的抗高温腐蚀能力。
（5）生物陶瓷涂层[13]主要集中在Ti 基合金、不锈钢等金属表面制备HAP涂层材料。
金属生物材料虽然具有比强度高、韧性好、无毒等优良性能,但生物活性和生物相容性差，而HAP因具有良好的生物相容性，这样形成基材与涂层材料的优势互补，已成为各国材料工作者竞相研究的热点。
3.2 熔覆层组织由于激光熔覆使基体和涂层结合很强，所以一个完整的涂层包括熔覆层、热影响区和基体三部分。
激光熔覆是一种快速凝固过程，根据成分过冷理论，熔层中晶体生长形态呈多样性，涂层中常见的组织有树枝晶、等轴晶、胞状共晶以及可能有未熔化的陶瓷颗粒相等，甚至产生亚稳相、超硬弥散相、非晶等。
熔覆层是典型的亚共晶方式结晶的树枝晶组织，在初生树枝晶间存在大量的共晶组织，共晶组织也是由更细小的枝晶固溶体与共晶化合物组成的。
激光熔覆金属陶瓷及其复合涂层的组织主要受所添加陶瓷相的种类、含量、粒度、粘结金属的成分等因素控制,激光工艺参数对它们也有很大的影响。
激光熔覆层中的陶瓷相按硼化物、碳化物、氮化物和氧化物的顺序与液态金属的润湿性逐渐变差,并依工艺条件、陶瓷相种类、基体类型在金属熔体中具有明显的三种倾向,即完全溶解、部分溶解和完全不溶解。
此外熔池对流和陶瓷/基体密度差导致未溶和部分未溶的陶瓷相粒子与凝固前沿固/液界面发生相互作用,使陶瓷/金属复合涂层的凝固组织更为复杂。
吴莹等[14]在Q235钢基体上激光熔覆添加有WC的Ni基合金。
研究表明，当添加WC低于30%时，激光熔覆不出现裂纹，而当WC质量分数增加到30%时，熔覆层平均硬度增加，出现裂纹。
熔覆层中WC完全熔化并溶解，凝固组织主要由枝晶和枝晶间共晶组成，熔覆层呈胞状或条带状快凝亚稳的两相组织。
张大伟等[15]在低碳马氏体不锈钢上激光熔覆添加Cr3C2和WC颗粒的镍基粉末，发现前者中Cr3C2颗粒完全溶解，熔覆层组织由包覆γ-M7C3共晶的奥氏体枝晶组成，后者熔覆层组织由弥散分布的不完全溶解WC颗粒增强体组成。
何宜柱等[16]在低碳钢表面激光熔覆添加了25%Cr3C2的Co60合金涂层，通过与未添加Cr3C2的Co60合金熔覆层对比，发现添加的Cr3C2改变了Co60涂层的凝固特征，Co60涂层的亚共晶结晶方式转变为Cr3C2/Co涂层的过共晶结晶方式，未熔Cr3C2粒子起到了非自发形核作用，在其周围形成了许多富Cr碳化物，并细化了涂层枝晶组织。