抗磨涂層材料：激光熔覆耐磨涂層的工藝及應用

發布時間 | 2023-04-21 17:54 分類 | 粉體入門點擊量 | 2919

導讀：?激光熔覆技術是指以不同的填料方式在被涂覆基體表面上放置選擇的涂層材料，利用高能密度的激光束作熱源，經激光輻照使之和基體表面一薄層同時熔化，并快速凝固后形成稀釋度極低并與基體材料成...

激光熔覆技術是指以不同的填料方式在被涂覆基體表面上放置選擇的涂層材料，利用高能密度的激光束作熱源，經激光輻照使之和基體表面一薄層同時熔化，并快速凝固后形成稀釋度極低并與基體材料成冶金結合的表面涂層，從而顯著改善基體材料表面的耐磨、耐蝕、耐熱、抗氧化及電器特性等的工藝方法。

激光熔覆技術涉及光、機、電、計算機、材料、物理、化學等多門學科，是材料表面改性技術的一種高新技術和重要方法。

激光熔覆耐磨涂層工藝

激光熔覆工藝與傳統的表面熔覆工藝（例如噴焊、堆焊等）相比有很多優點：熔覆層與基材呈冶金結合，極大地提高了熔覆層與基材的結合強度：由于激光束光斑較小，加熱速度極快，激光熔覆對基材的熱影響區較小，因而引起的變形也小；同時由于激光的快速加熱和冷卻，使熔覆材料中的元素不易被基材稀釋（稀釋率一般為2%?8%)。

根據熔覆材料的供給方式不同，激光熔覆工藝分為兩類：預置式激光熔覆法和同步式激光熔覆法。

1、預置式激光熔覆法

將待熔覆的涂層粉料先通過粘結、噴涂、電鍍、預置絲材或板材等方法預置在基材表面上，而后用激光束進行表面掃描，預覆層表面吸收激光能量使溫度升高并熔化，同時通過熱傳導將表面熱量向內部傳遞，使整個合金預覆層即一部分基材熔化，激光束離開后基材表面形成冶金結合的合金熔覆層。

2、同步式激光熔覆法

在激光束輻射基體材料表面產生熔池的同時，用惰性氣體將熔覆材料（一般是合金粉末）直接送入激光熔池中實現熔覆，即設計專門的送料系統，在激光熔覆加熱的同時將涂層粉料直接送入激光作用區，在激光的作用下涂層粉料和基體材料表面的一部分同時熔化，然后冷卻結晶形成合金熔覆層，如下圖所示。

1.聚焦鏡筒；2.出光嘴；3.涂覆層；4.運動方向；5.工作臺；6.試樣；7.粉末輸送管

同步式激光熔覆示意圖

在同步式激光熔覆中，同步供料的方法很多。對于粉末類熔覆材料，常采用專用的送粉器將熔覆粉末送入熔池，一次完成激光熔覆過程。同步式激光熔覆法比預置式激光熔覆法更能保證熔覆層的質量，同時節約能源和工時，還可以對激光熔覆過程進行計算機控制，實現自動化。

為了減少熔覆層和基體在熔覆過程中產生應力、變形和開裂，有時還要在激光熔覆前對工件進行預熱，在激光熔覆后進行后處理。這主要是根據基材與熔覆材料的特性以及工件的形狀與尺寸等進行選擇。

生產中常用火焰噴涂或者等離子噴涂將合金粉末噴涂于基材表面，獲得厚度比較均勻、表面比較平整的預置層。熱噴涂前一般要對基材熔覆表面進行除油、除銹和噴砂處理（也稱預處理）。

激光熔覆是一個非常復雜的動態熔化過程，涉及熱傳導、對流、能量傳遞等問題，影響激光熔覆的工藝因素很多。盡管國內外學者進行了大量試驗研究，也得出一些數學表達式，但在實際應用中，仍需通過試驗確定最佳的工藝參數。

激光熔覆耐磨涂層材料與組織

1.基體材料

用于激光熔覆的基體材料和熔覆材料非常廣泛。常用的基體材料有碳鋼、合金鋼、鑄鐵、鋁合金、銅合金及鈦合金等。

2.熔覆材料

常用的激光熔覆耐磨涂層材料主要有鐵基、鎳基、鉆基自熔性合金材料，硬質陶瓷材料以及陶瓷與金屬的復合材料等，熔覆材料多為粉末狀態。

3.激光熔覆涂層組織

激光熔覆涂層組織包括底層、中間層和表層三部分。以鎳基（Ni60）合金涂層為例分為底部、中部和表層的三部分組織，在合金層底部與基材之間有一條約20pm寬、沿界面平行的“亮帶”（一般稱為熔合帶或結合帶）。在激光熔覆過程中，合金粉末被熔化的同時，基材淺表層也被熔化，形成激光熔池。當激光束移開后，熔池底部的液相在基材的自身冷卻作用下凝固。由于溫度梯度很大，致使固/液相界面平行向前推進，從而形成平行于基體的薄帶。在繼續冷卻過程中，液/固界面出現成分過冷現象，因而形成枝晶。繼續凝固，剩余液相成分接近共晶成分，形成共晶組織。

激光熔覆涂層的耐磨性及其應用

鎳基合金粉末適用于要求局部耐磨、耐熱腐蝕及抗熱疲勞的構件。鉆基合金粉末適用于要求耐磨、耐蝕及抗熱疲勞的零件。陶瓷涂層在高溫下有較高的強度，熱穩定性好，化學穩定性高，適用于要求耐磨、耐蝕、耐高溫和抗氧化性的零件。在滑動磨損、沖擊磨損和磨粒磨損嚴重的條件下，純的鎳基、鉆基和鐵基合金粉末已經滿足不了使用工況的要求，因此在合金表面激光熔覆金屬陶瓷復合涂層已經成為國內外學者研究的熱點，對鋼、鈦合金及鋁合金表面進行激光熔覆多種陶瓷或金屬陶瓷涂層的研究工作正在開展。