鐳射熔覆技術的研究進展

介紹了鐳射熔覆技術的發展、應用、裝置及工藝特點，簡述了鐳射熔覆技術的國內外研究現狀，指出了激光表面改性技術存在的問題，展望了鐳射熔覆技術的發展前景。
  0引言
　　鐳射熔覆技術是20世紀70年代隨著大功率鐳射器的發展而興起的一種新的表面改性技術，是指激光表面熔敷技術是在鐳射束作用下將合金粉末或陶瓷粉末與基體表面迅速加熱並熔化,光束移開後自激冷卻形成稀釋率極低,與基體材料呈冶金結合的表面塗層,從而顯著改善基體表面耐磨、耐蝕、耐熱、抗氧化及電氣特性等的一種表面強化方法[1~3]。如對60#鋼進行碳鎢鐳射熔覆後，硬度最高達2200HV以上，耐磨損效能為基體60#鋼的20倍左右。在Q235鋼表面鐳射熔覆CoCrSiB合金後，將其耐磨性與火焰噴塗的耐蝕性進行了對比，發現前者的耐蝕性明顯高於後者[4]。

1　鐳射熔覆技術的裝置及工藝特點
目前應用於鐳射熔覆的鐳射器主要有輸出功率為1~10kW的CO2鐳射器和500W左右的YAG鐳射器。對於連續CO2鐳射熔覆,國內外學者已做了大量研究[1]。近年來高功率YAG鐳射器的研製發展迅速,主要用於有色合金表面改性。據文獻報道,採用CO2鐳射進行鋁合金鐳射熔覆,鋁合金基體在CO2鐳射輻照條件下容易變形,甚至塌陷[1]。YAG鐳射器輸出波長為1.06μm,較CO2鐳射波長小1個數量級,因而更適合此類金屬的鐳射熔覆。

同步注粉式激光表面熔覆處理示意圖[8]
鐳射熔覆按送粉工藝的不同可分為兩類:粉末預置法和同步送粉法。兩種方法效果相似,同步送粉法具有易實現自動化控制,鐳射能量吸收率高,無內部氣孔,尤其熔覆金屬陶瓷,可以顯著提高熔覆層的抗開裂效能,使硬質陶瓷相可以在熔覆層內均勻分佈等優點。
鐳射熔覆具有以下特點[2、9]：
*** 1*** 冷卻速度快***高達106 K/s***, 屬於快速凝固過程,容易得到細晶組織或產生平衡態所無法得到的新相,如非穩相、非晶態等。
*** 2***塗層稀釋率低***一般小於5%***,與基體呈牢固的冶金結合或介面擴散結合，通過對鐳射工藝引數的調整,可以獲得低稀釋率的良好塗層,並且塗層成分和稀釋度可控;
*** 3***熱輸入和畸變較小, 尤其是採用高功率密度快速熔覆時,變形可降低到零件的裝配公差內。
*** 4*** 粉末選擇幾乎沒有任何限制,特別是在低熔點金屬表面熔敷高熔點合金;
***5***熔覆層的厚度範圍大,單道送粉一次塗覆厚度在0.2~2.0 mm,
*** 6*** 能進行選區熔敷,材料消耗少,具有卓越的效能價格比;
*** 7*** 光束瞄準可以使難以接近的區域熔敷;
*** 8*** 工藝過程易於實現自動化。
很適合油田常見易損件的磨損修復。

2　鐳射熔覆技術的發展現狀
鐳射熔覆技術是—種涉及光、機、電、計算機、材料、物理、化學等多門學科的跨學科高新技術。它由上個世紀60年代提出,並於1976年誕生了第一項論述高能鐳射熔覆的專利。進入80年代,鐳射熔覆技術得到了迅速的發展,近年來結合CAD技術興起的快速原型加工技術,為鐳射熔覆技術又添了新的活力。
目前已成功開展了在不鏽鋼、模具鋼、可鍛鑄鐵、灰口鑄鐵、銅合金、鈦合金、鋁合金及特殊合金表面鈷基、鎳基、鐵基等自熔合金粉末及陶瓷相的鐳射熔覆。鐳射熔覆鐵基合金粉末適用於要求區域性耐磨而且容易變形的零件。鎳基合金粉末適用於要求區域性耐磨、耐熱腐蝕及抗熱疲勞的構件。鈷基合金粉末適用於要求耐磨、耐蝕及抗熱疲勞的零件。陶瓷塗層在高溫下有較高的強度,熱穩定性好,化學穩定性高,適用於要求耐磨、耐蝕、耐高溫和抗氧化性的零件。在滑動磨損、衝擊磨損和磨粒磨損嚴重的條件下,純的鎳基、鈷基和鐵基合金粉末已經滿足不了使用工況的要求,因此在合金表面鐳射熔覆金屬陶瓷複合塗層已經成為國內外學者研究的熱點,目前已經進行了鋼、鈦合金及鋁合金表面鐳射熔覆多種陶瓷或金屬陶瓷塗層的研究[1、10]。

3　鐳射熔覆存在的問題
評價鐳射熔覆層質量的優劣,主要從兩個方面來考慮。一是巨集觀上,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,能否提供所要求的效能。此外,還應測定表面熔覆層化學元素的種類和分佈,注意分析過渡層的情況是否為冶金結合,必要時要進行質量壽命檢測。
目前研究工作的重點是熔覆裝置的研製與開發、熔池動力學、合金成分的設計、裂紋的形成、擴充套件和控制方法、以及熔覆層與基體之間的結合力等。
目前鐳射熔敷技術進一步應用面臨的主要問題是:
① 鐳射熔覆技術在國內尚未完全實現產業化的主要原因是熔覆層質量的不穩定性。鐳射熔覆過程中,加熱和冷卻的速度極快,最高速度可達1012℃/s。由於熔覆層和基體材料的溫度梯度和熱膨脹係數的差異,可能在熔覆層中產生多種缺陷,主要包括氣孔、裂紋、變形和表面不平度[1]。
② 光熔敷過程的檢測和實施自動化控制。
③鐳射熔覆層的開裂敏感性，仍然是困擾國內外研究者的一個難題，也是工程應用及產業化的障礙[1、11]。目前，雖然已經對裂紋的形成擴進行了研究[1]，但控制方法方面還不成熟。

4 鐳射熔覆技術的應用和發展前景展望
進入20世紀80 年代以來, 鐳射熔敷技術得到了迅速的發展, 目前已成為國內外激光表面改性研究的熱點。鐳射熔敷技術具有很大的技術經濟效益,廣泛應用於機械製造與維修、汽車製造、紡織機械、航海[12]與航天和石油化工等領域。
目前鐳射熔覆技術已經取得一定的成果,正處於逐步走向工業化應用的起步階段。今後的發展前景主要有以下幾個方面:
***1***鐳射熔覆的基礎理論研究。
***2***熔覆材料的設計與開發。
***3***鐳射熔覆裝置的改進與研製。
***4***理論模型的建立。
***5***鐳射熔覆的快速成型技術。
***6***熔覆過程控制的自動化。