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        隨著工業(yè)的迅猛發(fā)展，鈑金加工的重要作用逐漸凸顯，激光加工由于其靈活性好、精度高、速度快、熱影響小、易于編程及實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于鈑金切割、焊接及熔覆等領(lǐng)域。

　　目前激光表面改性處理技術(shù)正逐漸被廣泛運(yùn)用迅速成長(zhǎng)為一個(gè)嶄新的行業(yè)。我國(guó)有數(shù)萬(wàn)億元的裝備在服役之中，每年因其關(guān)鍵零部件的腐蝕、磨損，使設(shè)備停產(chǎn)、報(bào)廢造成的損失占國(guó)民經(jīng)濟(jì)總產(chǎn)值的3%~5%。激光表面改性技術(shù)在工業(yè)生產(chǎn)中易損易耗零部件的表面強(qiáng)化與制造方面發(fā)揮了重要作用。我國(guó)經(jīng)過(guò)幾個(gè)五年國(guó)家科技攻關(guān)計(jì)劃，使該技術(shù)已在多個(gè)領(lǐng)域得到了應(yīng)用。

　　早在20世紀(jì)80年代初，英國(guó)Rolls Royce公司采用激光熔敷技術(shù)對(duì)RB211渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)殼體結(jié)合部位進(jìn)行硬面熔敷，取得了良好效果。國(guó)內(nèi)早于上世紀(jì)就已經(jīng)在凹輥表面實(shí)現(xiàn)激光熔敷的商業(yè)應(yīng)用，現(xiàn)已將熔敷技術(shù)應(yīng)用到航天、船舶、燃機(jī)和機(jī)車、能源等領(lǐng)域。CO2激光器由于波長(zhǎng)長(zhǎng)、吸收率低、體積大，采用此激光器進(jìn)行激光表面處理耗能較大。

　　對(duì)零部件表面進(jìn)行激光改性，相當(dāng)于使其穿上了一層防護(hù)鎧甲，大大提高了工件的使用壽命。激光表面改性技術(shù)主要包括激光表面相變硬化，激光重熔強(qiáng)化，激光合金強(qiáng)化，激光熔敷強(qiáng)化等。激光熔敷亦稱激光包覆，是一種新的表面改性技術(shù)，它通過(guò)在基材表面添加熔敷材料，并利用高能激光束使其與基材表面一起熔凝，從而形成與基體冶金結(jié)合的熔敷層。由于熔敷層的稀釋度較小，保證了原熔敷材料的優(yōu)異性能?；谋砻嫒鄯蠛髮?huì)構(gòu)成一種全新的復(fù)合材料，它顯著增強(qiáng)了基材的表面性能，依據(jù)工件的服役環(huán)境，通過(guò)選擇不同的熔敷材料可以制備耐熱、耐蝕、耐磨、抗氧化或抗疲勞等表面保護(hù)熔敷層，靈活方便，大大縮減了工件的制造成本。激光表面改性被應(yīng)用于軸輥、汽車模具、齒輪等部件的表面防護(hù)、相變熱處理及熔覆處理和修復(fù)，采用激光熔敷技術(shù)表面強(qiáng)化制造的零部件不僅性能上超出傳統(tǒng)工藝制造的零件，同時(shí)由于材料及加工的優(yōu)勢(shì)，生產(chǎn)成本降低20%~40%，生產(chǎn)周期也縮短80%左右。在今天倡導(dǎo)綠色再制造和節(jié)能環(huán)保的環(huán)境下，可以預(yù)見激光熔敷將具有廣闊的市場(chǎng)前景。

　　激光熔覆( 亦稱激光堆焊) 是指以不同的添加方法在被熔覆的基體上放置選擇的涂層材料，經(jīng)高能密度激光束輻照加熱，使之和基體表面熔化，并快速凝固，從而在基材表面形成與其為冶金結(jié)合的表面涂層的工藝過(guò)程。激光熔覆具有如下優(yōu)點(diǎn)：

　　1) 激光束的能量密度高， 加熱速度快，對(duì)基材的熱影響較小，引起工件的變形??；

　　2) 控制激光的輸入能量，可將基材的稀釋作用限制在極低的程度(一般為2%-8%)，從而保持了原熔覆材料的優(yōu)異性能；

　　3) 激光熔覆涂層與基材之間結(jié)合牢固(冶金結(jié)合)，且熔覆涂層組織細(xì)小。這些特點(diǎn)使得激光熔覆技術(shù)近十年來(lái)在材料表面改性方面受到高度的重視。

　　大面積激光熔覆工藝方法主要有兩種：多道搭接和多層疊加，即從橫向和縱向兩個(gè)方向進(jìn)行的加工處理。多層疊即先在基體上進(jìn)行第一次熔覆，然后在熔覆后的涂層上進(jìn)行二次粉末預(yù)置，待粉末干燥后進(jìn)行第二次熔覆，按此方式繼而完成多層熔覆，不同層可以預(yù)置不同的粉末，從而達(dá)到不同的預(yù)期效果。  1、激光熔覆工藝

　　1.1、激光熔覆材料體系

　　(1) 自熔性合金粉末：可分為鎳基自熔合金、鈷基自熔合金和鐵基自熔合金，其主要特點(diǎn)是含有硼和硅，具有自脫氧和造渣能力， 即自熔性。自熔合金的硬度與合金含硼量和含碳量有關(guān)，隨硼、碳含量的增加而提高，這是由于硼和碳與合金中的鎳、鉻等元素形成硬度極高的硼化物和碳化物的數(shù)量增加所致。

　　(2) 碳化物復(fù)合粉末體系：由碳化物硬質(zhì)相與金屬或合金粘結(jié)相組成，主要有(Co、Ni)/WC和(NiCr、NiCrAl) Cr3C2等系列。這類粉末中的粘結(jié)相能在一定程度上使碳化物免受氧化和分解。碳化物復(fù)合粉末作為硬質(zhì)耐磨材料，具有很高的硬度和良好的耐磨性， 其中(Co、Ni)/WC 系適應(yīng)于低溫(<560℃)的工作條件，而(NiCr，NiCrAl)/Cr3C2系適用于高溫工作環(huán)境。此外，(Co、Ni)/WC復(fù)合粉還可與自熔性合金粉末一起使用。

　　(3) 氧化物陶瓷粉末：具有優(yōu)良的抗高溫隔熱、耐磨、耐蝕等性能，主要分為氧化鋁和氧化鋯兩個(gè)系列， 而后者比前者具有更低的熱導(dǎo)率和更好的抗熱震性能，因而廣泛用作熱障涂層材料。

　　1.2、激光熔覆工藝種類

　　激光熔覆的工藝可以分為兩種：一種是激光處理前供給添加材料，即粉末預(yù)置法；另一種是激光處理過(guò)程中同步供給添加材料，即同步送粉法。粉末預(yù)置激光熔覆是將材料事先放置于基體材料表面的熔覆部位，然后采用激光束輻射掃描熔化，熔覆材料可以采用粉末、絲材或板材的形式加入，其中，以粉末的形式最為常用。絕大多數(shù)研究采用粉末預(yù)置方式。預(yù)置涂層式激光熔覆的主要工藝流程為：基體熔覆表面預(yù)處理、預(yù)置涂層材料、預(yù)熱、激光熔化、后熱處理。同步送粉式激光熔覆是將熔覆材料直接送入激光束中，使供料和激光熔覆同時(shí)完成。熔覆材料的加入方法主要是以粉末的形式送入，有時(shí)也會(huì)采用線材和板材的形式進(jìn)行同步送料。對(duì)于熔覆面積比較大的零件可采用同步送粉法。此種方法送粉量可以調(diào)節(jié)，同步送粉器可以連續(xù)工作，因而熔覆效率高，適用于實(shí)際生產(chǎn)中大批零件的表面激光熔覆。同步送粉式激光熔覆的主要工藝流程為：基體熔覆表面預(yù)處理、送料激光熔化、后熱處理。

　　1.3、激光熔覆工藝參數(shù)

　　激光熔覆工藝參數(shù)主要包括激光功率P、光斑尺寸(直徑D或面積S)、激光掃描速度V、多道搭接的搭接率或多層疊加的停光時(shí)間、涂層材料的添加方式和保護(hù)方式等。上述工藝參數(shù)是決定激光熔覆涂層宏觀力學(xué)性能、微觀組織結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵因素。目前工藝參數(shù)的選擇是以試驗(yàn)歸納為主，文獻(xiàn)研究了寬帶激光熔覆工藝參數(shù)對(duì)梯度生物陶瓷涂層顯微組織與燒結(jié)性的影響。結(jié)果表明，當(dāng)D、V 不變時(shí)，隨著P 增加，涂層的致密度逐漸下降，孔隙率逐漸增大。試驗(yàn)表明，粉末的種類、數(shù)量和粒度不同，激光熔覆的工藝參數(shù)變化很大。　1.4、激光熔覆涂層的性能

　　(1) 耐磨性能

　　激光熔覆涂層的耐磨性能主要取決于熔覆層各組成相的性質(zhì)、含量及分布狀態(tài)等。研究結(jié)果表明，激光熔覆Ni基WC涂層的耐磨性與WC顆粒的種類和含量有關(guān)。由單晶WC組成的涂層的耐磨性能明顯低于同樣粒度及含量下由鑄造WC和燒結(jié)WC顆粒組成的涂層的耐磨性能。單晶WC含量在35%時(shí)熔覆層具有最佳的耐磨性能，過(guò)高的WC含量降低熔覆涂層的耐磨性能。而對(duì)鑄造WC顆粒，含量增加時(shí)涂層的耐磨性能亦增加。報(bào)道了Ti-6Al-4V合金表面激光熔覆BN+NiCrCoAlY涂層的顯微硬度和耐磨性能，熔覆涂層的硬度隨BN含量的增加而增大，顯微硬度在800-1200 HV之間，與時(shí)效硬化和激光表面熔凝的鈦合金相比，激光熔覆層的磨損率降低了1-2個(gè)數(shù)量級(jí)。Abbas在En3b鋼表面激光熔覆Stellite6和Stellite6+SiC涂層，其磨損試驗(yàn)表明，激光熔覆Stellite6合金涂層的耐磨性能比基底材料提高5倍；在Stellite6合金中加入10%的SiC后，其耐磨性能比Stellite6合金涂層增加2倍。Ayers利用激光熔化鋁合金和鈦合金表面并注入TiC和WC陶瓷粒子，磨粒磨損試驗(yàn)結(jié)果表明，在鋁合金表面注入TiC粒子，可使其耐磨性能提高7-38倍；在Ti-6Al-4V合金表面注入TiC和WC粒子可使其耐磨性能提高7-13倍。通過(guò)向鎳基合金涂層中添加SiC顆粒提高了熔覆涂層的耐磨性和硬度，其原因是部分SiC顆粒發(fā)生了分解，增加了熔覆涂層中碳和硅的含量，使熔覆層在激光加熱后的快速冷凝過(guò)程中形成了高硬度的Fe7C3、Fe0.79C0.12Si0.09等化合物，這些高硬度相的彌散強(qiáng)化作用與合金元素的固溶強(qiáng)化作用使熔覆涂層表面具有極高的硬度；另一方面，鎳基自熔合金在復(fù)合涂層中起著粘結(jié)相的作用，使涂層在具有高硬度的同時(shí)還具有一定的韌性，這對(duì)熔覆涂層的耐磨性能的改善也是大有裨益的。激光熔覆金屬-陶瓷復(fù)合涂層的硬度和耐磨性能除與陶瓷相種類、粒度和分布有關(guān)外，還與激光熔覆工藝參數(shù)密切相關(guān)。對(duì)A3鋼表面激光熔覆Fe+WC金屬陶瓷復(fù)合涂層顯微硬度的研究表明，由于WC的溶解使粘結(jié)金屬中W的含量顯著增加，對(duì)提高粘結(jié)金屬的硬度有利；同時(shí)掃描速度越慢，熔覆涂層的稀釋率也就越高，稀釋率的提高又使粘結(jié)金屬的顯微硬度降低。因此，存在最佳的掃描速度值而使熔覆層具有最高的硬度。

　　(2) 耐蝕性能

　　WangA H等利用YAG激光器對(duì)SiC增強(qiáng)ZK60(Mg-6%Zn-0.5%Zr)鎂基復(fù)合材料熔覆Al-Si合金，使復(fù)合材料極化曲線出現(xiàn)明顯的鈍化，腐蝕電位有很大的提高，腐蝕電流密度明顯降低。胡乾午對(duì)Mg-SiC復(fù)合材料噴涂銅合金，然后用2 kW- Nd：YAG激光器進(jìn)行激光熔覆，熔覆后表層Cu60Zn40合金與Mg-SiC基體熔合良好，激光熔覆試樣的腐蝕電位Ecorr比未處理的提高3.7倍，其相對(duì)腐蝕電流密度Jcorr降低約22倍。2、激光熔覆工藝存在的問(wèn)題

　　評(píng)價(jià)激光熔覆層質(zhì)量的優(yōu)劣，主要從兩個(gè)方面來(lái)考慮。一是宏觀上，考察熔覆道形狀、表面不平度、裂紋、氣孔及稀釋率等；二是微觀上，考察是否形成良好的組織，能否提供所要求的性能。此外，還應(yīng)測(cè)定表面熔覆層化學(xué)元素的種類和分布，注意分析過(guò)渡層的情況是否為冶金結(jié)合，必要時(shí)要進(jìn)行質(zhì)量壽命檢測(cè)。目前研究工作的重點(diǎn)是熔覆設(shè)備的研制與開發(fā)、熔池動(dòng)力學(xué)、合金成分的設(shè)計(jì)、裂紋的形成、擴(kuò)展和控制方法、以及熔覆層與基體之間的結(jié)合力等。

　　裂紋是大面積激光熔覆技術(shù)中最棘手的問(wèn)題。裂紋產(chǎn)生的主要原因是熔覆層中存在的殘余應(yīng)力，包括熱應(yīng)力、組織應(yīng)力和約束應(yīng)力。由于激光束的快速加熱，使得熔覆層完全熔化而基體微熔，熔覆層和基體材料間產(chǎn)生很大的溫度梯度，在隨后的快速凝固過(guò)程中，形成的溫度梯度和熱膨脹系數(shù)的差異造成熔覆層與基體體積收縮不一致，而且一般而言，熔覆層的收縮率大于基體材料，熔覆層受到周圍環(huán)境(處于冷態(tài)的基體) 的約束，因此在熔覆層中形成拉應(yīng)力。當(dāng)局部拉應(yīng)力超過(guò)材料的強(qiáng)度極限時(shí)，就會(huì)產(chǎn)生裂紋。實(shí)際上固態(tài)金屬在冷卻的過(guò)程中還受到由于基體材料中馬氏體相變而引起的組織應(yīng)力的影響。但是由于在快速凝固過(guò)程中，各處的體積收縮極大的不同時(shí)性，因此熱應(yīng)力的影響占主導(dǎo)地位。

　　此外，裂紋的產(chǎn)生也受到熔覆過(guò)程中工藝參數(shù)、熔覆層和基體材料、熔覆層厚度以及處理工藝等多種因素的影響。激光加熱冷卻速度極快，熔池存在的時(shí)間極短，使得熔覆層中存在的氧化物，硫化物和其它雜質(zhì)來(lái)不及釋放出來(lái)，很容易形成裂紋源；熔覆層在瞬間凝固結(jié)晶，晶界位錯(cuò)、空位增多，原子排列極不規(guī)則，凝固組織的缺陷增多，同時(shí)熱脆性增大，塑韌性下降，開裂敏感性增大，熔覆層越厚，上述情況就越明顯；自熔性合金元素B 和Si 能夠生成硬質(zhì)相，其含量越大，形成裂紋的傾向越嚴(yán)重；此外，B 在Fe 及Ni 中的溶解度均為零，因此析出物聚集于晶界易引起裂紋。鐘敏霖等對(duì)NiCrBSi 合金在送粉激光熔覆條件下裂紋形成的因素進(jìn)行了研究，趙海鷗等人的研究表明，激光熔覆的多道搭接和重疊多次熔覆均會(huì)增大熔覆層的裂紋敏感性，激光熔覆前試樣進(jìn)行預(yù)熱和單道熔覆后的回火去應(yīng)力均會(huì)顯著降低裂紋敏感性；董世運(yùn)等發(fā)現(xiàn)在熔覆層與基體界面交界處存在宏觀裂紋，在熔覆層頂層存在微裂紋，且界面處和熔覆層頂部產(chǎn)生了最嚴(yán)重的應(yīng)力集中。

　　3、激光熔覆技術(shù)前景展望

　　激光熔覆技術(shù)是一種新興的表面處理技術(shù)，有著很大的發(fā)展前景。為拓寬激光熔覆技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域，以下工作應(yīng)進(jìn)一步研究：

　　(1) 研究大功率、高壽命和小型化的激光裝置。①研制適用于大功率激光的光學(xué)器件材料②提高電源的穩(wěn)定性和壽命③大功率激光裝置的小型化。

　　(2)熔覆工藝探索研究熔覆層產(chǎn)生殘余應(yīng)力和裂紋的機(jī)理，尋找出有效的解決方法。梯度功能涂層的開發(fā)為解決裂紋問(wèn)題提供了新思路。采用在基底材料和熔覆層之間設(shè)置韌性良好的中間層的方法來(lái)緩解熔覆層中的殘余應(yīng)力能獲得無(wú)裂紋的熔覆層。

　　(3)基礎(chǔ)理論研究從凝固動(dòng)力學(xué)、結(jié)晶學(xué)和相變理論出發(fā)，系統(tǒng)研究激光快速凝固行為，揭示材料微結(jié)構(gòu)的形成、演化機(jī)理及其規(guī)律；研究熔池的溫度場(chǎng)分布， 熔池流的對(duì)流機(jī)制，冷凝時(shí)熔覆層內(nèi)發(fā)生的組織變化過(guò)程及其規(guī)律，進(jìn)而完善加工工藝參數(shù)。