综述激光熔覆材料的若干问题_李春彦

综述激光熔覆材料的若干问题李春彦1　张　松1,2　康煜平1　刘常升2(1沈阳工业大学材料科学与工程学院,沈阳　110023)(东北大学,沈阳　110004) 提要:综合评述了激光熔覆材料的设计原则、体系分类,提出了激光熔覆材料应用中存在的主要问题及解决途径,并指出了熔覆材料的发展趋势。

关键词:激光熔覆,材料体系,复合涂层Comment on material system for laser claddingLi Chunyan1　Zhang Song1,2　Kang Y uping1　Liu ChangSheng2(1S chool of M aterials Science and Engineering,Shenyang Univers ity of Technology,Shenyang110023) Abstract:This paper describes the rul es of design,material system of the las er cladding materials.The main probl ems and the solutions of the laser cladding materials application are pres ented.The development tendency of cl adding materials is pointed out.Key words:laser cl adding material system,compos ite coatings1　引言激光熔覆技术是指在被涂覆基体表面上,以不同的添料方式放置选择的涂层材料,经激光辐照使之和基体表面薄层同时熔化,快速凝固后形成稀释度极低、与基体材料成冶金结合的涂层,从而显著改善基体材料表面的耐磨、耐蚀、耐热、抗氧化等性能的工艺方法〔1～9〕。

它是一种经济效益较高的表面改性技术,可以在低性能廉价钢材上制备出高性能的合金表面,以降低材料成本,节约贵重稀有金属材料〔10～12〕。

激光熔覆是一个复杂的物理、化学冶金过程,是一种对裂纹敏感的工艺。

在考察熔覆材料、扫描速度、激光功率、离焦量和基材等因素对裂纹敏感性的影响时,发现熔覆材料的影响排在首位。

激光熔覆技术从七十年代中期发展至今〔13〕,选择涂层材料仍是个关键的问题。

覆层材料的选择是否适当,将直接影响到激光熔覆层的使用性能及激光熔覆工艺。

为此本文将对激光熔覆材料的研究进展情况做一综合评述。

2　激光熔覆材料设计的一般原则激光熔覆材料要根据使用要求与基体的状况来选配〔14〕。

对于一定工作环境,对于某一基体而言,存在一最佳涂层合金〔15～17〕。

目前,对于涂层材料及基体材料的许多物理性质无法知道,因此如何去度量涂层材料与基材是否具有良好的匹配关系,成为激光熔覆技术的一个重点。

另外,在设计时,不能一味地追求涂层材料的使用性能,还要考虑涂层材料是否具有良好的涂覆工艺性,尤其是与基材在热膨胀系数、熔点等热物理性质上是否具有良好的匹配关系。

2.1　激光熔覆材料与基材热膨胀系数的匹配激光熔覆层中产生开裂、裂纹的重要原因之一是熔覆合金与基材之间的热膨胀系数的差异〔15,18,19〕,所以在选择涂层材料时首先要考虑涂层与基材在热膨胀系数上的匹配,考虑涂层与基材的热膨胀系数差异对涂层的结合强度、抗热震性能,特别是抗开裂性能的影响。

目前,大多数研究都是根据激光熔覆层与基材热膨胀系数的匹配原则进行熔覆材料的选择及成分设计的。

传统的观点认为,为防止涂层开裂和剥落,涂层和基材的热膨胀系数应满足同一性原则,即二者应尽可能地接近〔20,21〕,考虑到激光熔覆的工艺特点,基材和涂层的加热和冷却过程不同步,熔覆层的热膨胀系数在一定范围内越小,熔覆层对开裂越不敏感。

为此,文献〔19〕给出了激光熔覆层材料与基材热膨胀系数的匹配原则,即二者的相关参数应满足下式:σ2(1-γ)/(E·ΔT)<Δα<σ1(1-γ)/(E·ΔT)式中σ1、σ2分别为熔覆层与基材的抗拉强度;Δα为二者的热膨胀系数之差;ΔT是熔覆温度与室温的差值;E、γ分别为熔覆层的弹性模量和泊松比。

从上式可以看出,熔覆层的热膨胀系数并不是越小越好,而是需有一定的范围。

超出上述的范围,易在基材表面形成残余拉应力,甚至造成涂层和基材开裂。

吴新跃等选择了Fe基、Co基、Ni基三个系列十几种牌号的合金粉末,对34CrN i3M o合金调质钢进行了对比实验,结果选定了一种Co基合金粉末。

而Ni基合金及其它一些热喷涂不易发生裂纹的合金,反而在激光熔覆实验中不适用,作者认为这是所选择的合金粉末与基体的热膨胀系数之间的匹配性引起的〔15〕。

2.2　激光熔覆材料与基材熔点的匹配2001年12月8日收稿在激光熔覆技术中,需要对涂层材料关注的另一重要的热物理性质是其熔点。

熔覆合金与基体材料的熔点之间差异过大,形成不了良好的冶金结合。

若是熔覆材料熔点过高,加热时熔覆材料熔化少,会使得涂层表面粗糙度高且基体表层过烧,严重污染熔覆层〔22〕;反之,熔覆材料熔点过低,则使熔覆层过烧,且与基体间产生孔洞和夹杂,因而,力求采用相对于基体材料具有适宜熔点的涂层材料〔23〕。

2.3　激光熔覆材料对基材的润湿性除了考虑熔覆材料的热物理性能外,还应考虑其在激光快速加热下的流动性、化学稳定性,硬化相质点与粘结相金属的润湿性以及高温快冷时的相变特性等〔24〕。

熔覆过程中,润湿性也是一个重要的因素。

特别是要获得满意的金属陶瓷涂层,必须保证金属相和陶瓷相具有良好的润湿性〔25〕。

在提高润湿性方面,主要基于以下原则:(1)改善陶瓷粒子的表面状态和结构,即对熔覆用陶瓷颗粒进行表面处理,以提高其表面能。

常用的处理方法有机械、物理和化学清洗、电化学抛光和涂覆等。

如在Al基复合材料中,用Ag浸润于陶瓷表面形成胶状熔体而构成Ag涂层,而Ag与Al有很好的润湿性,从而形成了Al与陶瓷间良好的润湿与结合。

(2)改变基体的化学成分。

最有效的方法是向基体中添加合金元素,如在Cu/Al2O3体系中加入T i提高相间润湿性;在基体中添加活性元素Hf等也有利于提高基体与颗粒之间的润湿性。

(3)选择适宜的激光熔覆工艺参数,如提高熔覆温度,以降低覆层金属液体的表面能。

由以上可知,涂层的设计是很复杂的,其影响因素较多,所涉及的内容广泛,要综合加以考虑。

3　激光熔覆材料体系分类熔覆层材料的状态一般有粉末状、丝状、膏状等。

另外还可将金属板材、粉末冶金制品、钢带和焊条等作为熔覆材料〔26〕,其中合金粉末在激光熔覆技术中应用最为广泛。

合金粉末的种类有自熔性合金粉末和复合粉末。

3.1　自熔性合金粉末自熔性合金粉末是指合金中加入了具有强烈的脱氧作用和自熔剂作用的Si、B等元素的熔覆用合金材料。

在熔覆过程中Si、B等优先与合金粉末中的氧和工件表面的氧化物作用,生成低熔点的硼硅酸盐覆盖在表面,防止液态金属氧化,改善对基体的润湿能力〔27〕。

自开展激光熔覆研究以来,最先选用的涂层材料就是N i基、Co基和Fe其自熔合金,其主要出发点是为了提高一些工件的耐磨性及耐蚀性。

此外这几类自熔合金对碳钢、不锈钢、合金钢、铸铁和多种有色金属材料有着广泛而良好的润湿性,能获得与基体结合优良的致密涂层。

一直延续到现在,人们依然使用这些合金,并对其进行着更加深入的分析。

3.1.1　Ni基自熔性合金粉末N i基合金粉末以其良好的润湿性、耐蚀性、高温自润滑作用和适中的价格在激光溶覆技术中用得最为广泛〔28～34〕,它适用于局部要求耐磨、耐热腐蚀及抗热疲劳的构件。

N i基合金的合金化原理是运用M o、W、Cr、Co、Fe 等元素进行奥氏体固溶强化;运用Al、Ti、Nb、T a获得金属间化合物沉淀强化;添加B、Z r、Co等实现晶界强化。

激光熔覆N i基合金粉末时,其元素的选择正是基于以上强化原理来进行的,但考虑到激光熔覆工艺的特点,各元素的添加量有所差别。

徐有容等在奥氏体不锈钢等基体上激光熔覆Ni基硬面合金,选择的合金元素为Ni、Cr、Si、B、C,可以看出强化方式主要是固溶强化。

C的加入可以获得一定的碳化物,形成弥散强化相,进一步提高其耐磨性;Si、B的加入可以降低熔覆层的熔点,增加其润湿性〔30〕。

陈大明等选用了NiW C、N i55、Fe450和Stellite12合金粉末在Y4模具钢上进行对比实验,发现N i基合金硬度要高于其他两种合金,是因为其具有较高的含碳量和含硼量,能够形成过饱和固溶体强化和第二相强化〔35〕。

由于Ni基合金粉末的优良性质,在宽带激光熔覆实验中也得到了广泛的应用。

雒洪涛等以45钢为基材,利用振荡聚焦光束和自动送粉技术,熔覆Ni基合金粉末N i02,获得单道宽12mm以上,组织致密无缺陷的激光熔覆层〔36〕。

李刚在42CrM o基材表面激光熔覆N iCrBSi,由于Si的过饱和固溶强化,在Ni基体上以多种硼化物和碳化物的形式弥散析出,提高了基材的硬度和耐磨性〔37〕。

另外,对航空结构中常用的高强度钢30CrM nSiA进行激光熔覆Ni基粉末,也较大地提高了其抗断裂疲劳性能〔38〕。

近年来,以铝合金为基材,进行激光熔覆Ni基合金粉末的研究也较为广泛。

李现勤等采用商业用Ni-Cr-Al合金粉末,在经等离子喷涂后的Z L111合金表面进行激光熔覆,发现熔覆层中存在两种形态的非晶组织,呈现空间扭曲薄片的非晶组织主要存在于颗粒间的白色网状组织中,呈现杉叶状的组织主要存在于颗粒中〔39〕。

另外,N iCrSiB作为应用最为广泛的Ni基合金之一,通过增加其成分中N i的含量,可使裂纹率明显下降。

原因在于N i为强扩大奥氏体(r)相区元素,增加合金中Ni含量,会使韧性相(r相)增加,导致熔覆层的塑性增加;Ni含量的增加也会降低熔覆层的热膨胀系数,从而降低熔覆层的残余拉压力,减少裂纹率和缺陷的产生〔18,40～42〕。

笔者认为N i含量的增加过多将会损害涂层的硬度,也不是越多越好。

3.1.2　Co基自熔性合金粉末激光熔覆Co基合金粉末主要用于钢铁基合金基体上。

适用于要求耐磨、耐蚀和抗热疲劳的零件〔3,44〕。

Co基合金浸润性较好,其熔点较碳化物低,受热后Co 元素最先处于熔化状态,而在凝固时,它最先与其它元素结合形成新的物相,对熔覆层的强化极为有利〔45〕。

Co基合金的成分设计上,品种比较少,所用的合金元素主要是Cr、Fe、Ni和C,此外,添加B、Si以形成自熔合金。

张松等采用CO2激光器在2Cr13不锈钢表面熔覆Co基粉末,获得了具有优异抗高温腐蚀性能的熔覆层〔46,47〕。

在普通碳钢上激光熔覆Co基粉末时,加入了低熔点的Al,增加了熔池的流动性,抑制了熔覆层气孔的产生〔48〕。