激光熔覆技術可顯著改善金屬表面的耐磨、耐蝕、耐熱、抗氧化等性能。與堆焊、熱噴塗、電(diàn)鍍等傳統表面處理技術相比，它具有諸多優點，如适用的材料體(tǐ)系廣泛、熔覆層稀釋率可控、熔覆層與基體(tǐ)爲冶金結合、基體(tǐ)熱變形小(xiǎo)、工(gōng)藝易于實現自動化等。因此，20世紀80年代以來，激光熔覆技術得到了國内外(wài)的廣泛重視，并已在諸多工(gōng)業領域獲得應用。
激光熔覆工(gōng)藝和熔覆層性能決定了激光熔覆技術的應用。激光熔覆層的形成過程是一(yī)個複雜(zá)的物(wù)理化學過程和熔體(tǐ)快速凝固過程。在此過程中(zhōng)，影響激光熔覆層成形質量和性能的因素複雜(zá)，其中(zhōng)，激光熔覆材料是一(yī)個主要因素。熔覆材料直接決定熔覆層的服役性能，因此，自激光熔覆技術誕生(shēng)以來，激光熔覆材料一(yī)直受到研究開(kāi)發和工(gōng)程應用人員(yuán)的重視。爲此，本文将對激光熔覆材料體(tǐ)系研究和應用現狀進行綜述，爲激光熔覆技術的深入研究和推廣應用提供參考。
1 激光熔覆材料體(tǐ)系研究現狀
按熔覆材料的初始供應狀态，熔覆材料可分(fēn)爲粉末狀、膏狀、絲狀、棒狀和薄闆狀，其中(zhōng)應用最廣泛的是粉末狀材料。按照材料成分(fēn)構成，激光熔覆粉末材料主要分(fēn)爲金屬粉末、陶瓷粉末和複合粉末等。在金屬粉末中(zhōng)，自熔性合金粉末的研究與應用最多。
1.1自熔性合金粉末
自熔性合金粉末是指加入具有強烈脫氧和自熔作用的Si、B等元素的合金粉末。在激光熔覆過程中(zhōng)，Si和B等元素具有造渣功能，它們優先與合金粉末中(zhōng)的氧和工(gōng)件表面氧化物(wù)一(yī)起熔融生(shēng)成低熔點的硼矽酸鹽等覆蓋在熔池表面，防止液态金屬過度氧化，從而改善熔體(tǐ)對基體(tǐ)金屬的潤濕能力，減少熔覆層中(zhōng)的夾雜(zá)和含氧量，提高熔覆層的工(gōng)藝成形性能。自開(kāi)展激光熔覆技術研究以來，人們最先選用的熔覆材料就是Ni基、Co基和Fe基自熔性合金粉末。這幾類自熔性合金粉末對碳鋼、不鏽鋼、合金鋼、鑄鋼等多種基材有較好的适應性，能獲得氧化物(wù)含量低、氣孔率小(xiǎo)的熔覆層。但對于含硫鋼，由于硫的存在，在交界面處易形成一(yī)種低熔點的脆性物(wù)相，使得覆層易于剝落，因此應慎重選用。
Ni基自熔性合金粉末以其良好的潤濕性、耐蝕性、高溫自潤滑作用和适中(zhōng)的價格在激光熔覆材料中(zhōng)研究最多、應用最廣。它主要适用于局部要求耐磨、耐熱腐蝕及抗熱疲勞的構件，所需的激光功率密度比熔覆鐵基合金的略高。Ni基自熔性合金的合金化原理是運用Fe、Cr、Co、Mo、W等元素進行奧氏體(tǐ)固溶強化，運用Al、Ti等元素進行金屬間化合物(wù)沉澱強化，運用B、Zr、Co等元素實現晶界強化。Ni基自熔性合金粉末中(zhōng)各元素的選擇正是基于以上原理，而合金元素添加量則依據合金成形性能和激光熔覆工(gōng)藝進行确定。
Co基自熔性合金粉末具有良好的高溫性能和耐蝕耐磨性能，常被應用于石化、電(diàn)力、冶金等工(gōng)業領域的耐磨耐蝕耐高溫等場合。Co基自熔性合金潤濕性好，其熔點較碳化物(wù)低，受熱後Co元素最先處于熔化狀态，而合金凝固時它最先與其它元素形成新的物(wù)相，對熔覆層的強化極爲有利。目前，Co基合金所用的合金元素主要是Ni、C、Cr和Fe等。其中(zhōng)，Ni元素可以降低Co基合金熔覆層的熱膨脹系數，減小(xiǎo)合金的熔化溫度區間，有效防止熔覆層産生(shēng)裂紋，提高熔覆合金對基體(tǐ)的潤濕性。
Fe基自熔性合金粉末适用于要求局部耐磨且容易變形的零件，基體(tǐ)多爲鑄鐵和低碳鋼，其最大(dà)優點是成本低且抗磨性能好。但是，與Ni基、Co基自熔性合金粉末相比，Fe基自熔性合金粉末存在自熔性較差、熔覆層易開(kāi)裂、易氧化、易産生(shēng)氣孔等缺點。在Fe基自熔性合金粉末的成分(fēn)設計上，通常采用B、Si及Cr等元素來提高熔覆層的硬度與耐磨性，用Ni元素來提高熔覆層的抗開(kāi)裂能力。
1.2 陶瓷粉末
陶瓷粉末主要包括矽化物(wù)陶瓷粉末和氧化物(wù)陶瓷粉末，其中(zhōng)又(yòu)以氧化物(wù)陶瓷粉末(Al2O3和ZrO2)爲主。由于陶瓷粉末具有優異的耐磨、耐蝕、耐高溫和抗氧化特性，所以它常被用于制備高溫耐磨耐蝕塗層和熱障塗層；另外(wài)，生(shēng)物(wù)陶瓷材料也是目前研究的一(yī)個熱點。
陶瓷材料雖然作爲高溫耐磨耐蝕塗層和熱障塗層材料一(yī)直備受關注，但因陶瓷材料與基體(tǐ)金屬的熱膨脹系數、彈性模量及導熱系數等差别較大(dà)，這些性能的不匹配造成了塗層中(zhōng)出現裂紋和空洞等缺陷，在使用中(zhōng)将出現變形開(kāi)裂、剝落損壞等現象。
爲了解決純陶瓷塗層中(zhōng)的裂紋及與金屬基體(tǐ)的高強結合，有學者嘗試使用中(zhōng)間過渡層并在陶瓷層中(zhōng)加入低熔點高膨脹系數的CaO、SiO2、TiO2等來降低内部應力，緩解了裂紋傾向，但現有的研究表明，純陶瓷塗層的裂紋和剝落問題并未得到很好解決，因此有待于進一(yī)步深入研究。
目前對激光熔覆生(shēng)物(wù)陶瓷材料的研究主要集中(zhōng)在Ti基合金、不鏽鋼等金屬表面進行激光熔覆的羟基磷灰石(HAP)、氟磷灰石以及含Ca、Pr等生(shēng)物(wù)陶瓷材料上。羟基磷灰石生(shēng)物(wù)陶瓷具有良好的生(shēng)物(wù)相容性，作爲人體(tǐ)牙齒早已受到國内外(wài)有關學者的廣泛重視。
激光熔覆生(shēng)物(wù)陶瓷材料的研究起步雖然較晚，但發展非常迅速，是一(yī)個前景廣闊的研究方向。
1.3 複合粉末
複合粉末主要是指碳化物(wù)、氮化物(wù)、硼化物(wù)、氧化物(wù)及矽化物(wù)等各種高熔點硬質陶瓷材料與金屬混合或複合而形成的粉末體(tǐ)系。複合粉末可以借助激光熔覆技術制備出陶瓷顆粒增強金屬基複合塗層，它将金屬的強韌性、良好的工(gōng)藝性和陶瓷材料優異的耐磨、耐蝕、耐高溫和抗氧化特性有機結合起來，是目前激光熔覆技術領域研究發展的熱點。目前應用和研究較多的複合粉末體(tǐ)系主要包括:碳化物(wù)合金粉末(如WC、SiC、TiC、B4C、Cr3C2等)、氧化物(wù)合金粉末(如Al2O3、ZrO2、TiO2等)、氮化物(wù)合金粉末(TiN、Si3N4等)、硼化物(wù)合金粉末、矽化物(wù)合金粉末等。其中(zhōng)，碳化物(wù)合金粉末和氧化物(wù)合金粉末研究和應用最多，主要應用于制備耐磨塗層。複合粉末中(zhōng)的碳化物(wù)顆粒可以直接加入激光熔池或者直接與金屬粉末混合成混合粉末，但更有效的是以包覆型粉末(如鎳包碳化物(wù)、钴包碳化物(wù))的形式加入。
在激光熔覆過程中(zhōng)，包覆型粉末的包覆金屬對芯核碳化物(wù)能起到有效保護、減弱高能激光與碳化物(wù)的直接作用，可有效減弱或避免碳化物(wù)發生(shēng)燒損、失碳、揮發等現象。
1.4 其它金屬體(tǐ)系材料
除以上幾類激光熔覆粉末材料體(tǐ)系，目前已開(kāi)發研究的熔覆材料體(tǐ)系還包括銅基、钛基、鋁基、鎂基、锆基、鉻基以及金屬間化合物(wù)基材料等。這些材料多數是利用合金體(tǐ)系的某些特殊性質使其達到耐磨減摩、耐蝕、導電(diàn)、抗高溫、抗熱氧化等1種或多種功能。
銅基激光熔覆材料主要包括Cu-Ni-B-Si、Cu-Ni-Fe-Co-Cr-Si-B、Cu-Al2O3、Cu-CuO等銅基合金粉末及複合粉末材料。利用銅合金體(tǐ)系存在液相分(fēn)離(lí)現象等冶金性質，可以設計出激光熔覆銅基自生(shēng)複合材料的銅基複合粉末材料。研究表明，其激光熔覆層中(zhōng)存在大(dà)量的自生(shēng)硬質顆粒增強體(tǐ)，具有良好的耐磨性。
钛基熔覆材料主要用于改善基體(tǐ)金屬材料表面的生(shēng)物(wù)相容性、耐磨性或耐蝕性等。研究的钛基激光熔覆粉末材料主要是純Ti粉、Ti6Al4V合金粉末以及Ti-TiO2、Ti-TiC、Ti-WC、Ti-Si等钛基複合粉末。
鎂基熔覆材料主要用于鎂合金表面的激光熔覆，以提高鎂合金表面的耐磨性能和耐蝕性能。
1.5 稀土在激光熔覆中(zhōng)的應用
Ce、La、Y等稀土元素極易與其它元素反應，生(shēng)成穩定的化合物(wù)，在熔覆層凝固過程中(zhōng)可以作爲結晶核心、增加形核率，并吸附于晶界阻止晶粒長大(dà)，細化枝晶組織。同時，稀土元素與硫、氧的親和力極強，又(yòu)是較強的内吸附元素，易存在于晶界，既強化晶界又(yòu)淨化晶界，在内氧化層前沿阻礙氧化過程繼續進行，可明顯提高高溫抗氧化性能和耐腐蝕性能。另外(wài)，稀土還可有效改善熔覆層的顯微組織使硬質相顆粒形狀得到改善并在熔覆層中(zhōng)均勻分(fēn)布。
2 激光熔覆層材料設計的一(yī)般原則
針對合理的熔覆材料/基體(tǐ)金屬搭配體(tǐ)系，通過優化激光熔覆工(gōng)藝，可以獲得最佳的熔覆層性能。若材料體(tǐ)系搭配不合理，則難以獲得質量和性能理想的熔覆層。因此，熔覆層材料的設計和選配對激光熔覆技術的工(gōng)程應用至關重要。在設計或選配熔覆材料時，一(yī)般要考慮以下(xià)幾個方面。
2.1 熱膨脹系數相近原則
熔覆材料與基體(tǐ)金屬二者的熱膨脹系數應盡可能接近。若兩者熱膨脹系數差異太大(dà)，則熔覆層易産生(shēng)裂紋甚至剝落。
2.2 熔點相近原則
熔覆材料與基體(tǐ)金屬的熔點不能相差太大(dà)，否則難以形成與基體(tǐ)良好冶金結合且稀釋度小(xiǎo)的熔覆層。一(yī)般情況下(xià)，若熔覆材料熔點過高，加熱時熔覆材料熔化少，則會使塗層表面粗糙度高，或者由于基體(tǐ)表面過度熔化導緻熔覆層稀釋度增大(dà)，熔覆層被嚴重污染；若熔覆材料熔點過低，則會因熔覆材料過度熔化而使熔覆層産生(shēng)空洞和夾雜(zá)，或者由于基體(tǐ)金屬表面不能很好熔化，熔覆層和基體(tǐ)難以形成良好冶金結合。因而在激光熔覆中(zhōng)，一(yī)般選擇熔點與基體(tǐ)金屬相近的熔覆材料。
2.3 潤濕性原則
熔覆材料和基體(tǐ)金屬以及熔覆材料中(zhōng)高熔點陶瓷相顆粒與基體(tǐ)金屬之間應當具有良好的潤濕性。爲了提高高熔點陶瓷相顆粒與基體(tǐ)金屬間的潤濕性，可以采取多種途徑：(1)事先對陶瓷顆粒進行表面處理，提高其表面能。常用的處理方法有機械合金化、物(wù)理化學清洗、電(diàn)化學抛光和包覆等。(2)在設計熔覆材料時适當加入某些合金元素。例如，在激光熔覆Cu+Al2O3混合粉末制備Al2O3/Cu熔覆塗層時，可在粉末體(tǐ)系中(zhōng)加入Ti以提高相間潤濕性；添加Cr等活性元素有利于提高基體(tǐ)與顆粒之間的潤濕性。另外(wài)，可以選擇适宜的激光熔覆工(gōng)藝參數來提高潤濕性，如提高熔覆溫度、降低覆層金屬液體(tǐ)的表面能等。
此外(wài)，針對同步送粉激光熔覆工(gōng)藝，熔覆合金粉末還應遵循流動性原則，即合金粉末應具有良好的固态流動性。粉末的流動性與粉末的形狀、粒度分(fēn)布、表面狀态及粉末的濕度等因素有關。球形粉末流動性最好。粉末粒度最好在40~200μm範圍内，粉末過細，流動性差；粉末太粗，熔覆工(gōng)藝性差。粉末受潮後流動性變差，使用時應保證粉末的幹燥性。
3 激光熔覆材料的應用現狀與展望
激光熔覆技術自誕生(shēng)以來，在工(gōng)業中(zhōng)已獲得了大(dà)量應用，解決了工(gōng)程中(zhōng)大(dà)量維修的難題。但是，激光熔覆材料一(yī)直是制約激光熔覆技術應用的重要因素。目前，激光熔覆材料存在的主要問題是：激光熔覆專用材料體(tǐ)系較少，缺乏系列化的專用粉末材料，缺少熔覆材料評價和應用标準。
多年來，激光熔覆所用的粉末體(tǐ)系一(yī)直沿用熱噴塗粉末材料。衆多學者研究指出，借助于熱噴塗粉末進行激光熔覆是不科學的。熱噴塗粉末在設計時爲了防止噴塗時由于溫度的微小(xiǎo)變化而發生(shēng)流淌，所設計的熱噴塗合金成分(fēn)往往具有較寬的凝固溫度區間，将這類合金直接應用于激光熔覆，則會因爲流動性不好而帶來氣孔問題。另外(wài)，在熱噴塗粉末中(zhōng)加入了較高含量的B和Si元素，一(yī)方面降低了合金的熔點；另一(yī)方面作爲脫氧劑還原金屬氧化物(wù)，生(shēng)成低熔點的硼矽酸鹽，起到脫氧造渣作用。然而與熱噴塗相比，激光熔池壽命較短，這種低熔點的硼矽酸鹽往往來不及浮到熔池表面而殘留在熔覆層内，在冷卻過程中(zhōng)形成液态薄膜，加劇塗層開(kāi)裂，或者使熔覆層中(zhōng)産生(shēng)夾雜(zá)。
針對以上問題，通常采取的途徑主要包括以下(xià)幾種：(1)在通用的熱噴塗粉末基礎上調整成分(fēn)，降低膨脹系數。在保證使用性能的要求下(xià)盡量降低B、Si、C等元素的含量，減少在熔覆層及基材表面過渡層中(zhōng)産生(shēng)裂紋的可能性。(2)添加1種或幾種合金元素，在滿足其使用性能的基礎上，增加其韌性相，提高覆層的韌性，可以有效抑制熱裂紋的産生(shēng)。(3)對基體(tǐ)材料進行預熱和後熱處理，能夠減少溫度梯度，降低殘餘熱應力，有利于抑制裂紋的發生(shēng)。(4)在粉末材料中(zhōng)加入稀土元素，能夠提高材料的強韌性。以上各種途徑雖然可以在一(yī)定程度上改善塗層的工(gōng)藝性能，但卻改變不了激光驟熱急冷時産生(shēng)的内應力，并不能從根本上解決問題。因此，應從激光熔覆過程的特點出發，結合應用要求，研究出适合激光熔覆的專用粉末，這将成爲激光熔覆研究的重要方向之一(yī)。
激光熔覆技術是一(yī)項具有高科技含量的表面改性技術與裝備維修技術，其研究和發展具有重要的理論意義和經濟價值。激光熔覆材料是制約激光熔覆技術發展和應用的主要因素。目前在研制激光熔覆材料方面雖取得了一(yī)定進展，但與按照設計的熔覆件性能和應用要求定量地設計合金成分(fēn)還存在很長距離(lí)，激光熔覆材料遠未形成系列化和标準化，尚需要加大(dà)力度進行深入研究。
熱噴塗與再制造材料-設備-工(gōng)藝-解決方案
我(wǒ)們在塗層應用方向積累了大(dà)量的經驗，目前我(wǒ)們在再現着這些成功案例。我(wǒ)們将引領您完成塗層制造轉換過程，确保：快速生(shēng)産啓動；從材料、設備、工(gōng)藝一(yī)應俱全的、可靠的供應解決方案；在您的現場或我(wǒ)們的技術中(zhōng)心進行塗層試驗；始終如一(yī)的塗層質量和效率。
現在開(kāi)始與我(wǒ)們合作，明日收獲成功！