西安(An)科普電鍍有限公司

激光熔(Rong)覆技[Ji]術是(Shi)指以不(Bu)同的填料方式将所選塗層合金粉[Fen]末放置于基[Ji]體表面，利用高能激光束輻照，使之作用于基體表面，迅速(Su)熔化、擴展和凝固在基材(Cai)表面的過程，進而[Er]形成一[Yi]層與基底材[Cai]料相結合的覆蓋層。這個新生成的(De)覆蓋層(Ceng)能夠顯著改善甚[Shen]至再造基體材料，使[Shi]其能夠達到耐[Nai]磨損[Sun]、耐熱、耐腐蝕、抗氧化[Hua]及其(Qi)他目(Mu)标特性。

激光熔覆(Fu)技術是(Shi)一個複雜的物理、化學冶金過程，激光參數的(De)設置對熔覆層[Ceng]質[Zhi]量[Liang]的影響較[Jiao]大。除此之外，合金粉末(Mo)的選擇(Ze)也(Ye)是重要的因素。激光熔覆(Fu)合金粉末按照材料成分構成可(Ke)分為：自熔性合[He]金粉[Fen]末、複合粉[Fen]末和陶瓷粉末(Mo)。其中，自熔[Rong]性合金粉末的在(Zai)現實中[Zhong]研究與應[Ying]用(Yong).多。

一、自[Zi]熔性合金粉[Fen]末

自熔性合金粉末可以分為鐵基(Fe)、鎳[Nie]基(Ni)、钴基(Co)合金粉[Fen]末，其主要特點是含有[You]硼(B)和矽[Xi](Si)，因而具有自脫[Tuo]氧[Yang]和造渣性能;還含有較高的鉻，它們優[You]先與合金粉末中的氧和工件表面氧化物一起熔融生[Sheng]成低熔點(Dian)的硼矽[Xi]酸鹽等(Deng)覆蓋在熔池表面，防(Fang)止液态金屬(Shu)過度氧化，從(Cong)而改善熔體對(Dui)基體金屬(Shu)的潤濕能力，減少熔覆層中[Zhong]的夾雜和[He]含氧量，提高[Gao]熔覆層的工(Gong)藝成形性能，因而[Er]具有優異[Yi]的耐蝕[Shi]性和抗氧化性[Xing]。對碳鋼、不鏽鋼、合金鋼、鑄鋼等多種基[Ji]材有較好的(De)适應性(Xing)，能獲得氧化物含量低、氣孔率小(Xiao)的熔覆層(Ceng)。但對于含硫鋼，由(You)于硫的(De)存在，在交界[Jie]面處[Chu]易形成一種低熔[Rong]點(Dian)的脆性物相，使得覆層易(Yi)于剝[Bao]落，因此(Ci)應慎重選用[Yong]。

01　　鐵基(Ji)(Fe)自熔[Rong]性合金粉末

Fe基自熔性合(He)金粉(Fen)末适用于要求局部耐磨且容易變形的零件(Jian)，基(Ji)體多為鑄鐵和低(Di)碳鋼，其.大(Da)優點是材(Cai)料來[Lai]源廣泛、成本低(Di)且抗磨性能好。缺點是熔點高[Gao]、抗氧化性差，熔[Rong]覆層易開裂、易(Yi)産生[Sheng]氣(Qi)孔等。在鐵基合金粉末[Mo]成分中，通過調(Diao)整合金元素[Su]含[Han]量來調整塗層(Ceng)的硬度(Du)，并通過[Guo]添加其它元素改善熔覆層的[De]硬度、開裂敏感[Gan]性和殘餘奧氏體的含[Han]量，從而提高熔覆層的[De]耐(Nai)磨性和韌性。激光(Guang)熔覆用[Yong]的(De)鐵基(Ji)自熔(Rong)性合金粉末分為兩種類型：奧氏體不鏽鋼型和高(Gao)鉻鑄鐵型(Xing)。

鐵(Tie)基[Ji]合金粉末

近年來，有關激光熔覆的[De]研究，不少人圍繞鐵基粉末中加入其它(Ta)成分進行[Hang]實驗。結果表明，加入[Ru]稀土[Tu]改善了熔(Rong)覆(Fu)層表面鈍化(Hua)膜的[De]抗剝落能力，在不(Bu)同程度上減輕了(Le)材料(Liao)的腐(Fu)蝕失重[Zhong]，提高了熔覆層的[De]耐腐蝕能力。

02　　鎳基(Ni)自熔性合金粉末(Mo)

Ni基自熔性合金粉(Fen)末以其良[Liang]好[Hao]的潤濕性[Xing]、耐蝕性、高溫自(Zi)潤滑作用[Yong]和适(Shi)中的價格在激光(Guang)熔(Rong)覆材料中研究.多、應用.廣(Guang)。

鎳基合(He)金粉末

鎳基(Ni)自熔性合金粉末在滑動、沖擊磨損(Sun)和磨粒[Li]磨損嚴重的[De]條(Tiao)件下，單純的自熔性合[He]金粉已不能(Neng)勝任使用要求，此時可在自熔性合金(Jin)粉末中加入(Ru)各(Ge)種高熔點的碳化物、氮[Dan]化物、硼化物[Wu]和氧化物(Wu)陶瓷顆粒，制成金屬複合(He)塗(Tu)層。

03　　钴基(Co)自熔性合金粉末

钴基(Co)自[Zi]熔性[Xing]合金粉末(Mo)具有優良的耐熱、耐蝕、耐磨、抗(Kang)沖擊和抗高溫(Wen)氧化性(Xing)能，常被應用于石(Shi)化[Hua]、電力、冶金等工業(Ye)領域的耐磨耐[Nai]蝕(Shi)耐高溫(Wen)等場合。Co基(Ji)自熔(Rong)性合[He]金潤濕性好，其(Qi)熔[Rong]點較碳(Tan)化物(Wu)低，受熱後Co元(Yuan)素.先處于熔化狀(Zhuang)态，而合金凝固(Gu)時它[Ta].先與其它元(Yuan)素形成新的物相，對熔[Rong]覆層的強化極[Ji]為有(You)利。目前，钴基合[He]金所(Suo)用的合金(Jin)元素主要是鎳[Nie]、碳、鉻和鐵等。其中，鎳元素可以降低钴基合金熔覆層的熱膨脹系數，減小(Xiao)合[He]金的熔化溫度區間，有效(Xiao)防止[Zhi]熔覆層産生裂紋，提(Ti)高熔覆合金對基[Ji]體的潤(Run)濕性。

钴基合金(Jin)粉末

綜合[He]分析可以看出，Ni基或[Huo]Co基自(Zi)熔性合金粉末[Mo]體系具有良好[Hao]的自熔[Rong]性和耐蝕、耐磨、抗[Kang]氧化性(Xing)能，但價格較[Jiao]高;Fe基自熔性合金粉末雖(Sui)然便宜，但自熔性差，易開[Kai]裂和氧化。因此，在實際應用(Yong)中[Zhong]，應根據使用要求合(He)理選擇自熔性合金粉末[Mo]體系(Xi)。

二、複合粉末

複(Fu)合粉末主要是指碳化物、氮化物、硼化[Hua]物、氧(Yang)化物及矽化(Hua)物等各種高熔點硬質陶瓷材料與金屬混合或複(Fu)合而形成[Cheng]的粉末體系。複合粉[Fen]末可以(Yi)借助激(Ji)光熔(Rong)覆技(Ji)術制備[Bei]出陶瓷顆粒(Li)增強金屬基複[Fu]合塗層，将(Jiang)金屬的強[Qiang]韌性、良好(Hao)的工藝性[Xing]和陶瓷(Ci)材料優異的(De)耐磨、耐蝕、耐高溫和抗氧[Yang]化特[Te]性有機[Ji]結合起來，能在一定程度上使碳化物免受(Shou)氧化和分解，從而[Er]獲得具有很高[Gao]耐磨和硬度的塗層，這(Zhe)是(Shi)是目前激光熔覆技術領域[Yu]研究發展的熱點。其中，碳化物合金[Jin]粉末和氧化物合金粉末研究和應用.多，主要應用[Yong]于制[Zhi]備耐[Nai]磨(Mo)塗層。複合粉(Fen)末中的碳化物[Wu]顆粒可以直接加入激光熔池或者(Zhe)直接與金屬粉末混[Hun]合成混合粉末[Mo]，但更有效的是以包覆型粉末(如鎳[Nie]包碳[Tan]化物、钴包碳化物)的形式(Shi)加入。

鎳基碳化[Hua]鎢粉末[Mo]

在[Zai]激光熔覆[Fu]過程中，包覆型[Xing]粉末[Mo]的包覆金屬對芯核碳化物能(Neng)起到有效保護(Hu)、減弱高能激光(Guang)與碳化物[Wu]的直(Zhi)接作用，可有效(Xiao)減弱或避[Bi]免碳[Tan]化物發生燒損、失碳[Tan]、揮發等現(Xian)象。

三、陶瓷粉末(Mo)

陶瓷粉末(Mo)主要包括(Kuo)矽化物[Wu]陶瓷粉末和氧化(Hua)物陶瓷粉末，其中又以氧化物陶瓷[Ci]粉末(氧化鋁和氧化锆)為主[Zhu]。氧化锆比氧[Yang]化鋁陶瓷粉[Fen]末具有更低的熱[Re]導性和更好的熱抗震性能，因[Yin]而也常用于制(Zhi)備熱障塗層[Ceng]。由[You]于陶瓷粉末具有優異的耐磨、耐蝕、耐高溫和(He)抗氧化特性，所[Suo]以它常被用[Yong]于制備(Bei)高溫耐磨耐蝕塗層(Ceng)。目前，生物(Wu)陶瓷材料是研究的一個[Ge]熱點。

氧化锆陶(Tao)瓷粉

陶瓷粉末缺點：與基體金(Jin)屬的(De)熱膨脹系數[Shu]、彈性模量及[Ji]導熱系數等差[Cha]别較大，熔覆層[Ceng]易出現裂紋和孔洞(Dong)等缺陷，在使(Shi)用中容易出(Chu)現變形開裂、剝[Bao]落損壞等現象(Xiang)。

為了[Le]解決[Jue]純陶[Tao]瓷塗層中的裂紋及與金屬基[Ji]體的高強結合(He)，有(You)學者嘗試使用中[Zhong]間[Jian]過[Guo]渡層(Ceng)并在陶(Tao)瓷層中[Zhong]加入低熔點高膨脹系數的CaO、SiO2、TiO2等來降低内部應力，緩解了裂紋(Wen)傾向[Xiang]，但現有的研究[Jiu]表明，純陶[Tao]瓷塗層[Ceng]的裂紋和剝落問題并未得到很好解決，因此有待于進一步深(Shen)入研(Yan)究。

目前對激光(Guang)熔覆生物陶瓷材料的[De]研究主(Zhu)要集中在Ti基合金[Jin]、不鏽鋼等金屬表面進行激光熔覆的羟基磷灰石(Shi)(HAP)、氟磷灰[Hui]石以(Yi)及含Ca、Pr等生物陶瓷材料上。羟基[Ji]磷灰(Hui)石生物陶瓷具有(You)良好的生(Sheng)物相容(Rong)性，作為人體牙齒(Chi)早已受到國内外有關學者的廣泛重(Zhong)視。總體來說[Shuo]激光熔覆生物陶瓷(Ci)材料(Liao)的研究[Jiu]起步雖然較晚，但發(Fa)展(Zhan)非常迅速，是一個前景廣闊的研究方[Fang]向。

四、其他金屬粉末[Mo]

除以上幾類激(Ji)光熔覆粉(Fen)末材[Cai]料體系，目(Mu)前已開發研究的熔覆材[Cai]料體系還[Hai]包括(Kuo)：銅基、钛[Tai]基、鋁基、鎂基、锆基、鉻基以及金屬間化合物基材料等(Deng)。這些材料[Liao]多數是利用合金體系的某些[Xie]特殊性質使其(Qi)達到耐磨、減摩(Mo)、耐蝕、導電、抗高溫、抗熱氧化等[Deng]一種或多種功能。

1、銅基

銅基激(Ji)光熔[Rong]覆材料主要(Yao)包括Cu-Ni-B-Si、Cu-Ni-Fe-Co-Cr-Si-B、Cu-Al2O3、Cu-CuO等銅基[Ji]合金粉末及複(Fu)合粉末材料[Liao]。利(Li)用銅合金體系存在液相分離(Li)現象等冶金性[Xing]質，可以設計出激光熔覆(Fu)銅基自生複(Fu)合材料[Liao]的銅基複合粉末[Mo]材料。研究表(Biao)明，其激光熔(Rong)覆層中存在大量(Liang)的自[Zi]生硬質顆粒增強體，具有(You)良好的耐(Nai)磨性。單際國等利用(Yong)Cu與Fe具有液相分[Fen]離和母材與堆[Dui]焊材料的冶金反應特性，采用[Yong]激光熔覆制備了Fe3Si彌散分(Fen)布的銅基合[He]金複合[He]熔覆層。研究表[Biao]明：激光熔覆過程中，由母材熔化而進入[Ru]熔池的Fe元素與熔池中的Cu合金呈液相分離狀态(Tai);進(Jin)入溶池的Fe由于(Yu)密度小而上浮，上浮過程中與(Yu)熔池[Chi]中的Si反應(Ying)生(Sheng)成Fe3Si，Fe3Si在[Zai]激光熔[Rong]覆層中呈彌散[San]狀梯度分布于α-Cu基體中。

銅基合[He]金粉末

2、钛基

钛基熔覆材料主[Zhu]要用于改善[Shan]基體金屬材(Cai)料表面的生物(Wu)相容性、耐磨性或耐蝕性等。研究的(De)钛基激光熔[Rong]覆粉末材料主要[Yao]是純Ti粉、Ti6Al4V合金粉[Fen]末以(Yi)及[Ji]Ti-TiO2、Ti-TiC、Ti-WC、Ti-Si等钛基複合[He]粉末。張松等在氩氣(Qi)氛[Fen]環境下，在Ti6Al4V合金表(Biao)面激光[Guang]熔覆Ti-TiC複合塗[Tu]層，研究表明複合塗[Tu]層中(Zhong)原位自(Zi)生形成(Cheng)了微小的TiC顆粒[Li]，複合塗層具[Ju]有[You]優良的摩擦磨損性能。

钛基合(He)金粉(TC)

3、鎂基

鎂基熔覆[Fu]材料[Liao]主要用于鎂(Mei)合金表面的激光熔覆[Fu]，以提高鎂合金(Jin)表面的耐磨性[Xing]能和耐蝕性能。J.DuttaMajumdar等在普(Pu)通商用(Yong)鎂合(He)金上熔覆鎂基MEZ粉(Fen)末(成分：Zn：0.5%，Mn：0.1%，Zr：0.1%，RE：2%，Mg：Bal)。研究表明(Ming)，熔(Rong)覆[Fu]層顯微硬度由[You]HV35提高到HV 85～100，并且因為晶粒細化和金[Jin]屬間化合物的重(Zhong)新分布(Bu)，熔覆層在3.56wt%NaCl溶(Rong)液中的抗(Kang)腐蝕性能[Neng]比基體鎂(Mei)合金大大提高。

鎂基(Ji)合金粉

4、鋁基

SorinIgnat等(Deng)在[Zai]WE43和ZE41兩種鎂合金基(Ji)體上采用3kW的Nd∶YAG激(Ji)光器側向[Xiang]送粉熔覆鋁粉，得到了結合[He]性能良好的(De)熔覆[Fu]層。研究發現，塗(Tu)層硬度值達到HV0.05120～200，硬度(Du)提高的主(Zhu)要原因是Al3Mg2和Al12Mg17金(Jin)屬化合物的存[Cun]在。ZMei等在鎂基[Ji]ZK60/SiC基體上[Shang]激光熔覆(Fu)鋁基Al-Zn粉末，得到了冶金良好[Hao]的熔覆層。研(Yan)究表明，熔覆層腐蝕電位(Wei)比标(Biao)準試樣電位高300mV，而腐蝕電流則至少低3個數量級。

鋁基合金[Jin]粉末

5、锆基

在[Zai]純钛基體(Ti)上激光熔覆锆基ZrAlNiCu合金粉末，并對塗層進行了[Le]研究分析。發現[Xian]，塗層[Ceng]由具有高比強[Qiang]、高硬度的金屬間化(Hua)合(He)物(Wu)與少量的非晶[Jing]相構成，具有較好的力學性能;在ZrAlNiCu合金粉[Fen]末中(Zhong)添加2wt%B和2.75wt%Si，發現塗層中非晶含量增加(Jia)，硬(Ying)度升高，兩種塗層的.高[Gao]硬[Ying]度分别達到(Dao)HV909.6和HV1444.8。

锆基合金粉(Fen)

五、總[Zong]結：

不同熔[Rong]覆材料的(De)特點、價格以及熔覆[Fu]後(Hou)的性能差别較大，實際使用時可根據(Ju)不同(Tong)的加工(Gong)需求(Qiu)選擇不同性能的(De)合金(Jin)粉末。通過(Guo)激光将合(He)金(Jin)粉末熔覆在工件表面(激光熔覆)，可以在廉[Lian]價金[Jin]屬基材上制備出高性能的(De)合(He)金表面而不影響[Xiang]基體的性質，有效降低生産(Chan)成本，節約貴重稀有金屬(Shu)材[Cai]料。與堆焊、熱(Re)噴塗、電鍍等傳統表面處理技術相(Xiang)比，激光熔覆具有稀(Xi)釋度小、組織緻密、塗層與基體結合好、适合熔[Rong]覆材料多、粒[Li]度及含量變化大、加工(Gong)質量高[Gao]、可控性好(可[Ke]實現三維自動(Dong)加工(Gong))等優點。

目前主要應用于材料表面改性(如液壓立柱、軋[Zha]輥、齒輪、燃汽輪機葉片等)，産品表[Biao]面[Mian]修複(如因(Yin)磨損而失效的轉子、模具、軸承内孔等(Deng))，修(Xiu)複後[Hou]的部件強度可達原強度的90%以(Yi)上，且修複費用(Yong)不到産品換新成本的1/5，更重要(Yao)的是縮短(Duan)了維修[Xiu]時間，有效解決了大型企(Qi)業重大成套設備轉動部件快速搶修難題。

此外，對關鍵[Jian]部件表[Biao]面通過激光[Guang]熔(Rong)覆耐磨抗[Kang]蝕合(He)金，可以在零部件表(Biao)面不變形的情況下大大提高零部件的[De]使用壽命[Ming]。對模具表面進行激[Ji]光熔覆處理(Li)，不僅提高模具強度，還(Hai)可以降(Jiang)低(Di)2/3的[De]制造成本，縮[Suo]短4/5的[De]制[Zhi]造周期[Qi]。

總的[De]來說激光熔覆技術是一(Yi)項具有高科技含量的表[Biao]面改[Gai]性技術(Shu)與裝備維修技術，其研究(Jiu)和發展具有[You]重要的理論意(Yi)義和經濟[Ji]價值。

激光[Guang]熔覆材料是制約激[Ji]光熔覆技術發展和應用的主要因素。目(Mu)前在[Zai]研制激光熔(Rong)覆材料方面(Mian)雖取得了一定進展，但[Dan]與(Yu)按照設計的熔(Rong)覆件性能和應用要求定量地[Di]設計合金成分還存在[Zai]很長距[Ju]離，激光熔覆材料遠未形成(Cheng)系[Xi]列化和标準化(Hua)，尚需(Xu)要加大力度(Du)進行深入研究。