激光熔覆_图文讲解

一、激光熔覆的原理
激光溶覆是利用高能激光束辐照，通过迅速熔化、扩展和凝固，在基材表面熔覆一层具有特殊物理、化学或力学性能的材料，构成一种新的复合材料，以弥补基体所缺少的高性能。

能充分发挥二者的优势，克服彼此的不足。

可以根据工件的工况要求，熔覆各种（设计）成分的金属或非金属，制备耐热、耐蚀、耐磨、抗氧化、抗疲劳或具有光、电、磁特性的表面覆层。

通过激光熔覆，可在低熔点材料上熔覆一层高熔点的合金，亦可使非相变材料
（AI 、Cu 、Ni 等）和非金属材料的表面得到强化。

在工件表面制备覆层以改善表面性能的方法很多，在工业中应用较多的是堆焊、热喷涂和等离子喷焊等，与上述表面强化技术相比，激光熔覆具
有下述优点：
（1 ）熔覆层晶粒细小，结构致密，因而硬度一般较高，耐磨、耐蚀等性能
亦更为优异。

（2 ）熔覆层稀释率低，由于激光作用时间短，基材的熔化量小，对熔覆层的冲淡率低（一般仅为 5％-8%），因此可在熔覆层较薄的情况下，获得所要求的
成分与性能，节约昂贵的覆层材料。

（3 ）激光熔覆热影响区小，工件变形小，熔覆成品率高。

（4 ）激光熔覆过程易实现自动化生产，覆层质量稳定，如在熔覆过程中熔覆厚度可实现连续调节，这在其他工艺中是难以实现的。

由于激光熔覆的上述优点，它在航空、航天乃至民用产品工业领域中都有较广阔的应用前景，已成为当今材料领域研究和开发的热点。

激光熔覆技术应用过程中的关键问题之一是熔覆层的开裂问题，
尤其是大工件的熔覆层，裂缝几乎难以避免，为此，研究者们除了改进设备，探索合适工艺，还在研制适合激光熔覆工艺特点的熔覆用合金粉末和其他熔覆材
料。

二、激光熔覆工艺方法
激光熔覆工艺方法有两种类型：
1、二步法（预置法）
该法是在激光熔覆处理前，先将熔覆材料置于工作表面，然后采用激光将其熔化，冷凝后形成熔覆层。

预置熔覆材料的方式包括：
（1 ）预置涂覆层：通常是应用手工涂敷，最为经济、方便、它是用粘结剂将熔覆用粉末调成糊状置于工件表面，干燥后再进行激光熔覆处理。

但此法生产效率低，熔覆厚度不一致，不宜用于大批量生产。

（2 ）预置片：将熔覆材料的粉末加入少量粘结剂模压成片，置于工件需熔覆部位，再进行激光处理。

此法粉末利用率高，且质量稳定，适宜于一些深孔零件，如小口径阀体，采用此法处理能获得高质量涂层。

2、一步法（同步法）
这是在激光束辐照工件的同时向激光作用区送熔覆材料的工艺，
它又有两种方/法。

同步送粉法：使用专用喷射送粉装置（见图）将单种或混合粉末送入熔池，控制粉末送入量和激光扫描速度即可调整熔覆层的厚度。

由于松散的粉末对激光的吸收率大，热效率高，可获得比其他方法更厚的熔覆层，容易
实现自动化。

国外实际生产中采用较多。

同步送丝法：此法工艺原理虽与同步送粉法相同，但熔覆材料是预先加工成丝材或使用填充丝材。

此法便利且不浪费材料，更易保证熔覆层的成分均匀性，尤其是当熔覆层是复合材料时，不会因粉末比重或粒度大小的不同而影响覆层质量，且通过对丝材进行预热的精细处理可提高熔覆速率。

但是丝材表面光滑，对激光的反射较强，激光利用率相时较低；此外，线材制造过程较
复杂，且品种规格少。

激光熔覆材料
激光熔覆的合金体系主要有铁基合金、镍基合金、钴基合金和金属陶瓷等。

激光熔覆铁基合金适用于要求局部耐磨且容易变形的零件。

铁基合金涂层酌基材采用铸铁和低碳钢；熔覆镍基合金适合于要求局部耐磨、耐热腐蚀零件，所需的激光功率密度比熔覆铁基合金的略高；钴基合金涂层适合于要求耐磨，耐蚀和抗热疲劳的零件；陶瓷涂层在高温下有较高的强度，且热稳定性好、化学稳定性高，适用于耐磨、耐蚀、耐高温和抗氧化性的零件。

此外，还开发了铜基合金、银基合金、非晶态和准晶涂层。

1、镍基合金
镍基合金的合金化原理是运用钼、钨、铬、铁、钴等元素进行奥氏体固熔强化；运用Al、Ti 、Nb 、Ta 等获得金属问化合物γ′ 相沉淀强化；添加 B、Zr 、Co 等元素实现现晶界强化。

激光熔覆镍基合金粉末的合金元素选择也是基于以上几个方面来选择的，但考虑到激光熔覆工艺的特点，合金元素的添加量有所差别。

此外，研究表明，添加稀土元素对镍基高温合金稳定性有利、对合金高温抗氧化性、耐硫腐蚀等也均有重要作用。

添加一定量
的碳化物可显著提高涂层耐磨性。

激光熔覆钴基合金主要用于铜和铁基合金基体上，关于钴基合金的成分设计，品种较少，所用元素主要有 Cr、W、Fe 、Ni 和C ，此外添加 B、Si以形成自熔合金。

3、熔覆层增强颗粒
增强颗粒在激光熔覆中将发生分解、析出及长大，这些对熔覆层的微观组织形态有/很大影响，从而影响最佳性能。

熔覆层选用的增强颗粒，其性质可分为三种类型：金属键类、共价键类和离子键类。

熔覆所用基材广泛，有碳钢、合金钢、铸铁、铝合金、铜合金、镍基高温合金等，但对于一定工作环境下，对某一基体而言，存在最佳的合
金涂层，因此，必须相互合理匹配。

激光熔覆防开裂对策
抑制激光熔覆的开裂对开拓激光熔覆技术的生产应用具有现实意义，目前所采用
的抑制熔覆开裂的方法主要有：
（1）调整应力状态，尽可能降低拉应力
预热和熔覆后续处理：对熔覆的基体材料和熔覆粉末进行一定温度预热，可降低激光处理中的热应力，有利于抑制熔覆裂纹的产生。

预热的实质是降低温度梯度，所以，如果在满足使用性能要求的前提下，适当降低熔覆材料的熔点，这对抑制熔覆层的开裂也无疑是有利的。

激光熔覆后进行后续处理的目的是降低或消除其残余应力，这可以避免熔覆层在使用过程中由于外界因素的诱导而产生裂纹。

关于退火处理对消除激光熔覆层的残余拉应力不能一概而论，只有对那些熔覆材料具有较低热膨胀系数的熔覆系统才有益，因为只有当熔覆层有较低的热膨胀系数时，退火后熔覆层中才产生较大的压应力，压应力在许多的情况是有益的。

与此相反，当基材具有较低的热膨胀系数时，退火后冷到室温时，会在熔覆
层中产生比原来更大的拉应力。

（2）添加合金元素，提高熔覆层抗开裂能力
合金化增加韧性相：对激光熔覆层通过添加某种或几种合金元素，在满足其使用性能的基础上，增加其韧性相，提高覆层的韧性，对抑制热裂纹的产生是一种有效的方法。

研究表明，在Ni-Cr-B-Si 合金中分别加入3% （质量分数）的FeV 、FeTi 、FeSi 合金，熔覆层中韧性相（γ 相）明显增加，同时熔覆层开裂敏感性显著下降；Ni 基合金中加入Ni 、Co 能降低合金熔覆层开裂的敏感性，这主要是使熔覆层γ 中韧性相增加，同时熔覆层组织由共晶组织向非共晶组织变化，而树枝状非共晶组织可以降低熔覆层开
裂敏感性。

3、优化工艺方法和参数，尽可能减少熔覆层开裂
针对具体熔覆材料体系和使用要求，可采用不同的改进途径，减少熔覆层开裂，特别在激光熔覆较厚的陶瓷涂层时，由于熔覆层材料与基体之间在性能上的大差
异，更易导致熔覆层孔洞或变形开裂。

激光熔覆工业应用
激光熔覆在现代工业中已显示出明显的经济效益，应用范围涉及许多工业领域，主要有以下
几个方面：
1、航空航天工业
航空航天工业是首先吸取激光熔覆的优点，用于生产的部门。

它不仅用于加工零部/件，亦用于修理方面。

1981年美国首先将激光熔覆技术用于强化 RB-21侦察轰炸机的喷气发动机涡轮叶片，在铸造的 Ni基合金涡轮叶片上用 2kWCO2激光，配合同步送粉技术熔覆一层三元合金获得成功。

据报导，虽然激光熔覆的费用很高，但比原来采用电弧焊技术的制造成本低 85%。

由于激光技术先进，热影响区小，产品质量好、成品率高，而且可省略熔覆后磨削加工，并大量节约昂贵的硬化材料、经济效益十分显著。

在修理方面采用激光熔覆修复被磨损的 H型涡轮机叶片因为技术要求修复层必须是冶金结合，不允许任何机械连结方法。

由于制造涡轮机叶片的Ni基合金对热裂纹极敏感，一般的熔覆技术应用受到限制，只有采用能量大、作用时间短的激光熔覆技术，可以获得光滑平整的表面，且生产效
率高。

2、汽车制造工业
在美国采用激光熔覆技术 AlSl4130钢制的管道闸阀和 410钢制阀板熔覆Co 基合金和 WC。

由于激光熔覆加热速度快，冷却速度高，工件变形小，加工余量小，并能获得高的沉积硬化效果、硬度高、耐磨性好，无疏松等缺陷，而且熔覆层与基材为冶金结合等，深受用户欢迎，此外还用于化工设备某些不锈钢部件熔覆Ni- 台金（Ni5%、Cr50%）获得良好的耐高温、耐蚀性能，以及用于油田抽油泵易磨损、腐蚀部件的表面强化。

3、热能动力工业
用于汽轮机末级叶片抗汽蚀和高温腐蚀疲劳，电站锅炉阀门密封面抗高温腐蚀介质/冲蚀、磨损表面强化，代替手工堆焊或等离子喷焊以提高生产效率，降低材料耗量，进一步提高使用性能。