・综合评述・激光熔覆技术的研究进展
李晓薇1,张春华1,2,张松1,刘常升21.沈阳工业大学材料科学与工程学院,沈阳110023;2.东北大学材料与冶金学院,沈阳110004提要:激光熔覆技术是一种先进的表面改性技术,具有广泛的应用领域。本文介绍了激光熔覆技术的发展、应用、激光熔覆技术的设备及工艺特点,对激光熔覆层的表面质量、熔覆层存在的问题及熔覆层内裂纹形成的影响因素进行了综合评述,同时展望了激光熔覆技术的发展前景。最后,指出了存在的问题和今后努力的方向。关键词:激光熔覆;熔覆层裂纹;残余应力中图分类号:TN249 文献标识码:A 文章编号:0253-2743(2007)02-0001-02
DevelopmentsoflasercladdingtechnologyLIXiao-wei1,ZHANGChun-hua1,2,ZHANGSong1,LIUChang-sheng21.SchoolofMaterialsScienceandEngineering,ShenyangUniversityofTechnology.Shenyang110023,China;2.CollegeofMaterialsandMetallurgy,NortheasternUniversity,Shenyang,110004,ChinaAbstract:Lasercladdingisanadvancedsusfacemodificationtechnique,whicihasabroadprospectofapplications.Inthispaperitsdevelopmentandappli2cations,itsinstrumentandtechnologicalcharacterareallintroduced.Theinfluencefactorsonsurfacequality,themajorexistingproblemandcrackformationoflasercladdinglayerareanalyzed.Theperspectiveoflasercladdingatpresentandinthefutureisalsoproposed.Furthermore,theneedsforfurtherresearcheffortsisalsobrieflydiscussed.Keywords:lasercladding;cracksofcladdinglayer;residualstress
收稿日期:2006-07-05
基金项目:国家高技术研究发展计划(863计划2002AA305203);中国博士后科学基金(20060400957);辽宁省教育厅科学研究计划2004D011、05L301项目。作者简介:李晓薇(1982-),女,辽宁葫芦岛人,硕士研究生。
激光熔覆技术是20世纪70年代随着大功率激光器的发展而兴起的一种新的表面改性技术,是指以不同的添料方式在被涂覆基体表面放置选择的涂层材料,经激光辐照使之与基体表面一薄层同时熔化,并快速凝固形成稀释率极低,与基体材料呈冶金结合的表面涂层,从而显著改善基体表面耐磨、耐蚀、耐热、抗氧化及电气特性等的工艺方法。激光熔覆技术是一种经济效益很高的新技术,它可以在廉价金属基材上制备出高性能的合金表面,不影响基体的性质,降低成本,节约贵重稀有金属材料,因此,世界上各工业先进国家对激光熔覆技术的研究及应用都非常重视〔1-4〕。1 激光熔覆技术的设备及工艺特点目前应用于激光熔覆的激光器主要有输出功率为1～10kW的CO2激光器和500W左右的YAG激光器。对于连续CO2激光熔覆,国内外学者已做了大量研究〔5-8〕。近年来高功率YAG激光器的研制发展迅速,主要用于有色合金表面改性。据文献报道,采用CO2激光进行铝合金激光熔覆,铝合金基体在CO2激光辐照条件下容易变形,甚至塌陷〔9〕。YAG激光器输出波长为1.06μm,较CO2激光波长小1个数量级,因而更适合此类金属的激光熔覆。激光熔覆按送粉工艺的不同可分为两类:粉末预置法和同步送粉法。两种方法效果相似,同步送粉法具有易实现自动化控制,激光能量吸收率高,无内部气孔,尤其熔覆金属陶瓷,可以显著提高熔覆层的抗开裂性能,使硬质陶瓷相可以在熔覆层内均匀分布等优点。国外目前多采用同步送粉法,而国内由于受送粉设备的限制,主要以预置粉末法居多〔10,11〕。2 激光熔覆技术的发展现状激光熔覆技术是—种涉及光、机、电、计算机、材料、物理、化学等多门学科的跨学科高新技术。它由上个世纪60年代提出,并于1976年诞生了第一项论述高能激光熔覆的专利。进入80年代,激光熔覆技术得到了迅速的发展,近年来结合CAD技术兴起的快速原型加工技术,为激光熔覆技术又添了新的活力。目前已成功开展了在不锈钢、模具钢、可锻铸铁、灰铸铁、铜合金、钛合金、铝合金及特殊合金表面钴基、镍基、铁基等自熔合金粉末及陶瓷相的激光熔覆。激光熔覆铁基合金粉末适用于要求局部耐磨而且容易变形的零件。镍基合金粉末适用于要求局部耐磨、耐热腐蚀及抗热疲劳的构件。钴基合金粉末适用于要求耐磨、耐蚀及抗热疲劳的零件。陶瓷涂层在高温下有较高的强度,热稳定性好,化学稳定性高,适用于要求耐磨、耐蚀、耐高温和抗氧化性的零件。在滑动磨损、冲击磨损和磨粒磨损严重的条件下,纯的Ni基、Co基和Fe基合金粉末已经满足不了使用工况的要求,因此在合金表面激光熔覆金属陶瓷复合涂层已经成为国内外学者研究的热点〔12〕,目前已经进行了钢、钛合金及铝合
金表面激光熔覆多种陶瓷或金属陶瓷涂层的研究。如在钢表面激光熔覆NiCrBSi-WC〔13〕涂层、MoSi2/TiC/Ni涂层〔14〕、CaHPO4.2H2O/CaCO3涂层〔15〕、Ni-Cr3C2和Ni-WC涂层
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及Al2O3-TiO2涂层〔17〕等等;在钛合金表面激光熔覆Ni-Ti
-Si、NiCrBSi-TiC、Al2O3-SiC、TiN、Ti-Cr3C2涂层〔18〕、B4C-NiCrBSi涂层〔19〕:在铝合金表面激光熔覆Mo-WC涂层〔20〕,Mo-TiC涂层〔21〕、MoSi2-SiC涂层〔22〕,Si-TiC涂层〔23〕等等。
3 激光熔覆存在的问题
评价激光熔覆层质量的优劣,主要从两个方面来考虑。一是宏观上,考察熔覆道形状、表面不平度、裂纹、气孔及稀释率等;二是微观上,考察是否形成良好的组织,能否提供所要求的性能。此外,还应测定表面熔覆层化学元素的种类和分布,注意分析过渡层的情况是否为冶金结合,必要时要进行质量寿命检测。目前研究工作的重点是熔覆设备的研制与开发、熔池动力学、合金成分的设计、裂纹的形成、扩展和控制方法、以及熔覆层与基体之间的结合力等。稀释率是表征熔覆层品质的重要参数之一,是指在激光熔覆过程中由于熔化的基体材料的混入而引起的熔覆合金成分变化的程度。基体材料对熔覆层的稀释是不可避免的,
要使界面处为冶金结合就必须使基材表面熔化;但为了保持基体材料及熔覆层各自的性能又要尽量避免基材稀释的影响。控制稀释率在适当的范围,一般认为在8%以下为宜。张庆茂等〔24〕的研究表明,对于宽带送粉激光熔覆,在激光处
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李晓微等:激光熔覆技术的研究进展 《激光杂志》2007年第28卷第2期 LASERJOURNAL(Vol.28.No.2.2007
)理参数保持不变的条件下,稀释率随扫描速度的增加而减小,随送粉速度的增大而变小。激光熔覆技术在国内尚未完全实现产业化的主要原因是熔覆层质量的不稳定性。激光熔覆过程中,加热和冷却的速度极快,最高速度可达1012℃/s。由于熔覆层和基体材料的温度梯度和热膨胀系数的差异,可能在熔覆层中产生多种缺陷,主要包括气孔、裂纹、变形和表面不平度〔25〕。裂纹是激光熔覆技术中最棘手的问题。裂纹产生的主要原因是熔覆层中存在的残余应力,包括热应力、组织应力和约束应力。由于激光束的快速加热,使得熔覆层完全熔化而基体微熔,熔覆层和基体材料间产生很大的温度梯度,在随后的快速凝固过程中,形成的温度梯度和热膨胀系数的差异造成熔覆层与基体体积收缩不一致,而且一般而言,熔覆层的收缩率大于基体材料,熔覆层受到周围环境(处于冷态的基体)的约束,因此在熔覆层中形成拉应力。当局部拉应力超过材料的强度极限时,就会产生裂纹。实际上固态金属在冷却的过程中还受到由于基体材料中马氏体相变而引起的组织应力的影响。但是由于在快速凝固过程中,各处的体积收缩极大的不同时性,因此热应力的影响占主导地位。此外,裂纹的产生也受到熔覆过程中工艺参数、熔覆层和基体材料、熔覆层厚度以及处理工艺等多种因素的影响。激光加热冷却速度极快,熔池存在的时间极短,使得熔覆层中存在的氧化物,硫化物和其它杂质来不及释放出来,很容易形成裂纹源;熔覆层在瞬间凝固结晶,晶界位错、空位增多,原子排列极不规则,凝固组织的缺陷增多,同时热脆性增大,塑韧性下降,开裂敏感性增大,熔覆层越厚,上述情况就越明显;自熔性合金元素B和Si能够生成硬质相,其含量越大,形成裂纹的倾向越严重;此外,B在Fe及Ni中的溶解度均为零,因此析出物聚集于晶界易引起裂纹。钟敏霖等〔27〕对NiCrBSi合金在送粉激光熔覆条件下裂纹形成的因素进行了研究,赵海鸥〔28〕等人的研究表明,激光熔覆的多道搭接和重叠多次熔覆均会增大熔覆层的裂纹敏感性,激光熔覆前试样进行预热和单道熔覆后的回火去应力均会显著降低裂纹敏感性;董世运等〔29〕发现在熔覆层与基体界面交界处存在宏观裂纹,在熔覆层顶层存在微裂纹,且界面处和熔覆层顶部产生了最严重的应力集中。
4 结语
目前激光熔覆技术已经取得一定的成果,正处于逐步走向工业化应用的起步阶段。今后的发展前景主要有以下几个方面:(1)激光熔覆的基础理论研究。(2)熔覆材料的设计与开发。(3)激光熔覆设备的改进与研制。(4)理论模型的建立。(5)激光熔覆的快速成型技术。(6)熔覆过程控制的自动化。
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