激光熔凝技术的应用.doc

激光熔覆技术研究进展及其工业应用激光熔覆是通过在基材表面添加熔覆材料，并运用高能密度激光束辐照加热，使熔覆材料和基材表面薄层发生熔化，并快速凝固，从而在基材表面形成冶金结合的熔覆层⋯。因激光熔覆具有应用灵活、耗能小，热输入量较低，引起的热变形较小，不需要后续加工或加工量很小，减少公害等优点，近十年来激光熔覆技术在材料表面改性方面受到高度的重视。2激光熔覆的材料体系自激光熔覆技术开发应用以来，最先应用和研究最广的涂层材料是自熔合金。在此基础上，根据服役条件和更加严格的性能规定，在自熔合金中加人各种高熔点的碳化物(TiC，SiC，BC，WC)、氮化物、硼化物和氧化物陶瓷颗粒，形成了复合涂层甚至纯陶瓷涂层]。2．1自熔性合金材料自熔性合金粉末是指加入具有强烈脱氧和自熔作用的Si，B等元素的合金粉末，这两种元素能和大多数合金元素(如Ni，co，Fe等)形成低熔点共晶，使合金熔点减少，并在激光熔覆过程中，可防止液态金属过度氧化，从而改善熔体对基体金属的润湿能力，减少熔覆层中的夹杂和含氧量，提高熔覆层的工艺成形性能。目前国内外生产的自熔合金粉可分为Ni基，co基和Fe基3大类。这几类自熔性合金粉末对碳钢、不锈钢、合金钢、铸钢等多种基材有较好的适应性，能获得氧化物含量低、气孔率小的熔覆层。M基自熔性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熔覆材料中研究最多、应用最广。它重要合用于局部规定耐磨、耐热腐蚀及抗热疲劳的构件。Ni基合金以含Ni量一般不超过70％，重要添加cu，Cr，Mo，W，Si，B，Mn等，以适应各种不同化学性质的工作介质。。的规定。Co基自熔性合金粉末具有良好的高温性能和耐腐蚀、耐磨捐性能，常被应用于石化、电力、冶金等工业领域的耐磨耐蚀耐高温等场合。目前，co基合金所用的添加元素重要是Ni，C，Cr，Fe等。其中，Ni元素可以减少Co基合金熔覆层的热膨胀系数，减少合金的熔化温度区间，有效防止熔覆层产生裂纹，提高熔覆合金对基体的润湿性。co与cr生成稳定的固溶体，在此基础上弥散分布着各种碳化物和硼化物，导致合金具有更高的耐磨损、耐腐蚀和抗氧化的能力¨。Fe基自熔性合金粉末合用于规定局部耐磨且容易变形的零件，基体多为铸铁和低碳钢，其最大优点是成本低且抗磨性能好。但是，与Ni基、co基自熔性合金粉末相比，Fe基自熔性合金粉末存在自熔性较差、熔覆层易开裂、易氧化、易产气愤孔等缺陷。综合分析看出，Ni基或co基自熔性合金粉末体系具有良好的自熔性和耐腐蚀、耐磨损、抗氧化性能，但价格较高；Fe基自熔性合金粉末虽然便宜，但自熔性差，易开裂和氧化。凶此，在实际应用中，应根据使用规定合理选择自熔性合金粉末体系。2．2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基自熔性合金已不能胜任使用要求，此时可在上述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，制成金属复合涂层。在激光熔覆技术中广泛采用的高熔点陶瓷材料重要有碳化物合金粉末(如WC，SiC，TiC，BC，CrC，等)、氧化物合金粉末(如A1O，，Zr2O，，TiO。等)、氮化物合金粉末(TiN，SiN等)、硼化物合金粉末、硅化物合金粉末等。其中，碳化物合金粉末和氧化物合金粉末研究和应用最多，重要应用于制备耐磨涂层。复合粉末中的碳化物颗粒可以直接加入激光熔池或者直接与金属粉末混合成混合粉末，但更有效的是以包覆型粉末(如镍包碳化物、钴包碳化物)的形式加入。在激光熔覆过程中，包覆型粉末由于芯核粉末受到包覆粉末的保护，可有效减弱或避免碳化物发生烧损、失碳、挥发等现象。在低碳马氏体不锈钢上激光熔覆添加CrC，和WC颗粒的镍基粉末，发现前者中Cr，c颗粒完全溶解，熔覆层组织由包覆一M，C，共晶的奥氏体枝晶组成，后者熔覆层组织由弥散分布的不完全溶解WC颗粒增强体组成。张维平等副用激光熔覆在中碳钢表面原位合成硬质陶瓷颗粒增强金属基复合材料涂层，该涂层由粘结金属基体和弥散分布于其中的稳定和亚稳定硬质颗粒增强相组成，相对于中碳钢基体强化效果显著。研究表白，涂层中存在细晶强化、硬质颗粒弥散强化、固溶强化和位错堆积强化等强化机制。3激光熔覆层的性能3．1耐磨性能在自熔合金粉末中加入WC，TiC，SiC，BC，TiN等各种高熔点的超硬陶瓷颗粒激光熔覆后形成的复合涂层中，由Mc，，M，C等自由碳化物或硼化物相强硬化的合金相与极硬的硬质相匹配，使熔覆层的硬度和耐磨性得到了显著提高¨。斯松华等们在16Mn钢上熔覆Ni基Bc复合粉末，发现添加的B。c颗粒对激光熔覆涂层也起到了细晶强化、固溶强化及第二相强化的增强作用，激光熔覆Ni—Bc复合合金粉末涂层的硬度和耐磨性都明显高于Ni60涂层。激光熔覆层的耐磨性能主要取决于熔覆层各组成相的性质、含量及分布