激光熔覆技术研究现状与发展

工业技术
科技创新导报 Science and Technology Innovation Herald
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①作者简介：姜波（1981—），男，汉族，山东泰安人，本科，工程师，研究方向：非标装备研发。

DOI：10.16660/ki.1674-098X.2018.32.053
激光熔覆技术研究现状与发展
①
姜波 李金朋
(北京机科国创轻量化科学研究院有限公司 北京 100083)
摘 要：本文介绍了激光熔覆技术的研究进展、应用及未来的发展方向。

通过对比传统的金属表面强化和修复技术，强调了激光熔覆技术的特点；详细介绍了激光熔覆技术中用到的预置涂层法和同步送粉两种工艺方法，并讲解了熔覆材料体系、激光熔覆层的性能及在航空航天、汽车等工业领域内的应用； 最后提出了目前激光熔覆技术存在的关键问题和未来发展方向及趋势。

关键词：激光熔覆 研究现状 工艺方法 工业应用中图分类号：TM621.3 文献标识码：A 文章编号：1674-098X(2018)11(b)-0053-02
激光熔覆是指所选用的涂层材料通过不同方法添加到基材表面，利用高功率密度激光束使涂层材料和基材表面发生熔合、并快速凝固,从而形成耐磨、耐蚀、抗氧化的冶金结合的表面涂层。

主要应用于激光修复再制造技术和增材成形技术等领域。

1 激光溶覆技术特点及熔覆层性能
在工业中应用，与堆焊、 热喷涂和等离子喷焊等传统表面强化技术相比，该技术具有以下优势：①涂层细晶致密均匀，涂层具有硬度较高，耐磨、耐蚀、抗氧化等特性；②熔覆层稀释率低（一般小于5%），对涂层的冲淡率低（一般5%~8%），与基体呈冶金结合，可形成较薄的涂层，降低涂层料成本；③激光熔覆热影响区（HAZ ）区域小，变形小，保证了成形性和力学性能；④工艺可采用数字化、自动化控制，覆层均匀，质量稳定，可对难以接近的区域进行熔覆。

熔覆涂层是由各种合金粉末和元素的组成，其组成成分的性质、含量和分布状态等特点，使得熔覆层有着良好的耐磨性能和耐蚀性能。

这也是在工业中的应用和研究的关键原因。

2 激光熔覆工艺方法
(1)预置粉末法是通过喷涂或粘结等方法将材料预置
于基体合金表面，进行激光束加热，涂覆层与基材表面熔化,熔化的合金快速凝固于基材表面, 形成冶金结合的合金熔覆层。

(2)同步送粉（丝）法是通过送粉（丝）装置在激光熔覆的过程中同时将合金粉末（丝）送入熔池, 送粉（丝）与熔覆同步进行，快速形成合金熔覆层；预置粉末结构简单，实施容易，但预置粉末厚度和粘结剂很难控制；同步式送粉，熔覆层均匀，效率高，但送粉装置及粉末要求高。

3 激光熔覆材料体系
3.1 自熔性合金粉末
自熔性合金粉末是指加入具有强烈脱氧和自熔作用的Si, B等元素的合金粉末[1]，Si, B元素能和多数合金元素(如Ni, Co, Fe等)形成低熔点共晶，并可防止液态金属过度氧化, 从而改善熔体对基体金属的浸润能力, 减少熔覆层中
的夹杂和氧化物, 提升工艺成形性能。

3.2 陶瓷粉末
陶瓷粉末主要包括硅化物陶瓷粉末和氧化物陶瓷粉末,具有隔热、耐蚀、耐磨、抗高温等良好性能。

常被用于制备高温耐磨耐蚀涂层和热障涂层。

目前, 陶瓷涂层分为纯陶瓷涂层、纯陶瓷涂层、生物陶瓷涂层、反应自生陶瓷涂层[2]。

3.3 复合粉末
在Ni基、Co基、Fe基自熔性合金 粉末中加入碳化物、氮化物、硼化物、氧化物及硅化物等各种高熔点硬质化合物，与金属混合或复合而形成的粉末体系。

该粉末具有金属的强韧性、良好的工艺性和化合物的耐磨、耐蚀、耐高温和抗氧化特性。

4 激光熔覆技术工业领域应用
4.1 航空航天领域
航空航天是最早采用激光熔覆技术的领域。

一方面直接用于零部件制造：例如用来制造应用较多的高比强度、耐热、耐疲劳和耐腐蚀新型钛合金零件。

近年,A eroMet公司采用激光熔覆成形技术生产的三个Ti6A1-4V零件已经应用在实际飞行中。

其中两个F-22上的全尺寸接头是疲劳寿命要求两倍, F/A-8E/F的翼根吊环是疲劳寿命要求4倍[3]。

另一方面应用于零件表面改性和零件修复：例如在飞机叶轮叶片、飞船舱体、卫星制件放置平台等零部件表面改良和修复中都能够得到很好的应用。

4.2 汽车领域
在汽车工业应用中，最先采用激光技术主要用于切割，热处理，随着熔覆技术的发展，逐步发展到柔性增材制造技术。

例如发动机的排气门的密封锥形面熔覆Stellite 合金是最先采用该技术的汽车零件。

意大利菲亚特汽车发动机排气阀座的环形表面和美国的汽车排气阀座都采用激光熔覆耐热合金[4]。

目前北京机科国创轻量化科学研究院与广西玉柴合作，在发动机气门座环形表面进行耐磨耐高温合金的熔覆成形，也取得了阶段性成果。

4.3 其他工业领域应用
在煤碳铁矿行业，例如液压设备、发电机、球磨机、齿轮、洗煤设备等；在水泥建筑行业，例如破碎机主轴、风机主轴、电机转子轴、搅拌机、减速机齿轮轴等；在工程机械
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行业，例如齿轮轴、柱塞、刹车盘、发动机缸体、曲轴铁路机务段发动机箱体等，还有水利、印刷、造纸、食品等行业，只要有易损件、磨损件和腐蚀件，都可用到激光熔覆技术，从新修复或者改良，节约了设备突入成本，提高使用寿命。

5 激光熔覆技术技术难题
5.1 工艺参数的不确定性因素
激光熔覆技术工艺参数决定激光熔覆涂层宏观力学性能、微观组织结构，对熔覆层的性能起着确定性作用，其参数主要包括激光功率p、光斑大小、扫描速度v、预热温度、多道搭接的搭接率或多层叠加的停光时间、涂层材料的添加方式和保护方式等关键因素，并且许多因素之间
相互影响相互制约[5]。

目前各类机构工艺参数的选择方法还是以试验归纳为主，所以数据库的建立和数据共享，是推进工艺参数的研究的关键一步。

5.2 熔覆层中的裂纹缺陷
在熔覆区域被瞬间加热和涂层的快速冷凝过程中，产生熔覆层与基体之间梯度温差。

由于涂层材料与基体材料的收缩率存在差异，温度差和收缩率的不同造成涂层与基体体积收缩不一致，所以涂层受冷态基体的约束，产生拉应力。

当局部拉应力超过材料的强度极限时，就会产生裂纹。

对于如何预防裂纹现象，国内外许多学者[6]，进行了深入研究并提出预热及后热的方法。

该方法可有效抑制熔覆层裂纹的产生，也存在不利因素，影响加工质量，所
以裂纹问题的研究任重而道远。

6 结语
随着科技的发展，很多方面已进入实际工业应用阶段,
虽然处于工业应用的初步阶段，但未来有着巨大的发展前景。

今后主要研究方向：(1)采用有效手段，从根本上上解决裂纹问题；(2)工艺参数及成果数据库的建立；(3)新生材料的研究开发及材料体系的建立；(4)熔覆技术理论体系建立；(5)实验和实际应用相结合。

参考文献
[1] 董世运,马运哲,徐滨士,等.激光熔覆材料研究现状[J].
材料导报,2006,20(6):5-9.[2] 黄伟容,肖泽辉．激光熔覆陶瓷涂层的研究现状[Ｊ].表面技术,2009,38(4):57-58．
[3] 刘珍峰,李正佳.激光熔覆技术在航空工业中的应用[J].航空精密制造技术,2007,43(1):37-40.
[4] 黄瑞芬,罗建民,王春琴.激光熔覆技术的应用及其发展[J].兵器材料科学与工程,2005,28(4):57-58.
[5] 孙会来,赵方方,林树忠,等.激光熔覆研究现状与发展趋势[J].激光杂志,2008,29(1):84.[6] 宋武林．激光熔覆层开裂行为及抑制方法的研究[D].武汉：华中理工大学，1996．
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平，从操作方面尽可能避免裂纹的产生。

2.3 构建完善的质量检验与维护体系
裂纹的出现无疑会大大增加锅炉危害，为有效减少裂纹的出现，应对其加强质量检验与日常维护。

首先，加强锅炉生产过程中的质量检验。

相关单位应制定合理的管理制度，加强对锅炉制作流程以及生成程序的严格检验，以保证锅炉在生产过程的质量检验是有效的。

质量检验作为锅炉检验的最终环节与预防裂纹产生的关键环节，相关人员必须按照有关参考标准进行严格检验，以提升质量检验的效率与质量，保证产品的质量。

其次，在锅炉使用过程中，做好及时检验与定期检查工作。

对于一些不可避免的裂缝，相关工作人员应采取有效的措施尽可能降低裂缝问题带来的影响，并在解决问题的过程中不断积累相关经验，增强自身在紧急状况下的应对能力；锅炉是一种高温设备，在日常运行过程中会产生高温，工作人员需对其运转状态进行密切关注，或者采用交替工作制度，防止锅炉长时间处于高温高压的状态，这样锅炉就有一段停机时间，可释放应力，在停机期间，维修人员也可对其进行检查，以便锅炉及高压管道的使用寿命得以延长；按规定的时间落实日常检查与维护工作，以便提早发现裂纹产生的一些迹象，然后重点对其进行定期检查，如有必要可更换相关零件，做到早发现早预防，避免引起安全事故，同时，在检查过程中，务必做到全面、细致、有效，保证各项工作能有序进行，减少裂缝问题出现的可能性；做好锅炉内壁的清洁工作，及时将内壁的杂质进行清除，避免因局部受热不均而产生裂缝；定期对管道老化进行检验，由于压
力管道常处于恶劣环境，很容易降低管道材质的耐用性，
所以，需及时对压力管道进行检验，检验内容包括力学性能、冲击韧性等，然后结合检验结果进行分析，科学评估材料耐用性的变化情况、管道的剩余使用期限等。

3 结语
综上所述，锅炉压力容器压力管道裂纹是企业今后需重点关注的问题，常见的裂纹问题主要有蠕变裂纹、疲劳裂纹与应力腐蚀裂纹等。

如果这些裂纹不能得到及时且有效的处理，会影响锅炉的正常运行，并且会存在很大安全隐患，甚至引起爆炸。

因此，在锅炉压力容器压力管道检验过程中，必须做好提前预防工作，通过对锅炉压力容器压力管道的生产制作加强管理、提升工作人员的技能操作水平、构建完善的质量检验与维护体系等措施进行有效改进，尽可能减少裂缝的出现，从而提升锅炉的运行效率以及运行的安全水平，保证工业生产能顺利进行。

参考文献
[1] 易志刚.锅炉压力容器压力管道检验中的裂纹问题[J].当代化工研究,2018(9):158-159.
[2] 崔黎阳.锅炉压力容器压力管道检验中的裂纹问题研究[J].山东工业技术,2018(5):5.
[3] 王贵谦,王起亮.浅谈锅炉压力容器压力管道检验的裂纹问题[J].中国新技术新产品,2018(1):71-72.
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