激光熔覆与激光合金化

(2) 复合粉末 在滑动、冲击磨损和磨粒磨损严重的条件下，单纯的Ni基、Co基、 Fe基自熔性合金己不能胜任使用要求，此时可在上述的自熔性合金粉 末中加入各种高熔点的碳化物、氮化物、硼化物和氧化物陶瓷颗粒， 制成了金属复合涂层。 复合粉末包括自粘性复合粉末和碳化物复合粉末。它们按照结构 可以分为包覆型和非完全包覆型，其区别在于芯核粉末是否被包覆粉 末包住。包覆型由于芯核粉末受到包覆粉末的保护，可以避免在高温 时发生部分元素的氧化烧损、挥发等现象。按照功能分又可以分为硬 质耐磨复合粉末(如Co/WC，Ni/WC)、耐高温复合粉末、耐腐蚀抗氧化 复合粉末、减磨润滑复合粉末等。
激光熔覆与激光合金化
一、激光熔覆
1、激光熔覆技术
激光熔覆亦称激光包覆或激光熔敷，是材料表面改性技术的一种 重要方法，它是利用高能激光束(104-106W/cm2)在金属表面辐照，通过 迅速熔化、扩展和迅速凝固，冷却速度通常达到102-104℃/s，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，从而构成一种 新的复合材料，以弥补机体所缺少的高性能，这种复合材料能充分发 挥两者的优势，弥补相互间的不足。对于某些共晶合金，甚至能得到 非晶态表层，具有极好的抗腐蚀性能。
(二) 熔覆材料的分类及特点 激光熔覆采用的材料主要是热喷涂类材料和热喷焊类材料，这些
材料包括自熔性合金材料、碳化物弥散或者复合材料、陶瓷材料等， 这些材料具有优异的耐磨、耐腐蚀性能，并通常以粉末的形式使用， 熔覆时采用火焰喷焊。
(1) 自熔性合金材料 自熔性合金材料按基体不同可分为镍基合金、钴基合金和铁基 合金。其主要特点是都含有硅和硼，所以具有自我脱氧和自我造渣 的性能，这就是所谓的自熔剂。 自熔性合金材料原理是合金被重熔时，硅和硼分别形成Si02和 B202，并在熔覆层表面形成薄膜。这种薄膜一方面能防止合金中的 元素被氧化，另一方面又能与这些元素的氧化物形成硼化酸熔渣，
激光熔覆根据工件的工况要求，熔覆各种设计的成分的金属或者 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。与工业中常用的堆焊、热喷涂和等离子喷焊等相比， 激光熔覆有着下列优点：
① 熔覆热影响区小，工件变形小，熔覆成品率高； ② 涂层晶粒细小，结构致密，所以其硬度一般相对比较高，耐磨 损、耐腐蚀等性能也比较好； ③ 由于激光作用时间短(ns级)，熔覆层稀释率低，基材的熔化量 比较小，对熔覆层的冲淡率相对低(常规为5%-8%)，因此可在熔覆层比 较薄的情况下，获得所要求的成分和性能，从而节约昂贵的覆层材料； ④ 高达106℃/s的冷却速度使凝固组织细化，甚至产生新性能的 组织结构超弥散相、非晶相等； ⑤ 激光熔覆过程易实现自动化生产，且覆层质量稳定。
① 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。
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Ti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 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A1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。
通常激光重熔覆层工艺都希望得到如下结果： a）结合强度高，即要求界面处涂层与基体有良好的冶金结合； b）重熔层平整、缺陷少，即要求重熔层熊充分熔合、脱氧，变得 均匀密实； c）涂层不被基体稀释或仅有轻微的稀释，以保持涂层材料特有的 高强度或者说要求避免基体和涂层的混合。
2、激光熔覆材料
(一) 激光熔覆材料设计的一般原则 (1) 激光熔覆材料与基材线膨胀系数的匹配 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
(2) 激光熔覆材料与基材熔点的匹配 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。
(能外，还应考虑其在激光快速
加热下的流动性、化学稳定性，硬化相质点与新结相金属的润湿 性以及高温快冷时的相变特性等。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。在提高润湿性方面，主要基于以 下原则：
基材之间的线膨胀系数的差异，所以在选择涂层材料时首先要考 虑涂层与基材在线膨胀系数上的匹配，考虑涂层与基材的线膨胀 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线膨胀系数 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，涂层和基材的线膨胀系数应满足同一性 原则，即二者应尽可能地接近，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，熔覆层的线膨胀系数在一定 范围内越小，熔覆层对开裂越不敏感。
从而获得氧化物含量相对低、气孔率少的熔覆层。自熔性合金材料 的硬度与合金的含硼量和含碳量有关，硬度随着硼、碳含量的增加 而增高，这是因为硼和碳与合金中的镍、铬等元素形成了硬度极高 的硼化物和碳化物。铁基合金适用于局部耐磨损且容易变形的零件。 铁基合金涂层的基材采用铸铁和低碳钢；镍基合金适合于局部耐磨、 耐热腐蚀的零件，所需要的激光功率密度也比熔覆铁基合金的高； 钴基合金涂层适合于要求耐磨耐腐蚀和抗疲劳的零件。自熔性合金 对基材有较大的适应性，可用于碳钢、合金钢、不锈钢以及铸铁等 多类材料。自熔性合金材料的粉末分类及其特点见下表。
自粘性复合粉末是指在热喷涂的过程中，粉末自己产生的放热反 应驱使涂层和基材表而形成良好结合的一类热喷涂材料。
碳化物复合粉末是由碳化物硬质合金作为粘结相所组成的粉末体 系，包括(Co/Ni)/WC和(NiCr，NiCrAl)/Cr3C2等系列，这些材料具有 很高的硬度和良好的耐磨性，其中(Co/Ni)/WC适合于低温的工作条件， 而(NiCr,NiCrAl)/Cr3C2系列则适合于高温工作环境。