激光熔覆技術(shù)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(jīng)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(jié)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(shù)涉及光、機(jī)、電、計算機(jī)、材料、物理、化學(xué)等多門學(xué)科，是材料表面改性技術(shù)的一種高新技術(shù)和重要方法。

激光熔覆耐磨涂層工藝

激光熔覆工藝與傳統(tǒng)的表面熔覆工藝（例如噴焊、堆焊等）相比有很多優(yōu)點：熔覆層與基材呈冶金結(jié)合，極大地提高了熔覆層與基材的結(jié)合強(qiáng)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(qū)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(jù)熔覆材料的供給方式不同，激光熔覆工藝分為兩類：預(yù)置式激光熔覆法和同步式激光熔覆法。

1、預(yù)置式激光熔覆法

將待熔覆的涂層粉料先通過粘結(jié)、噴涂、電鍍、預(yù)置絲材或板材等方法預(yù)置在基材表面上，而后用激光束進(jìn)行表面掃描，預(yù)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(dǎo)將表面熱量向內(nèi)部傳遞，使整個合金預(yù)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(jié)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(chǎn)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(xiàn)熔覆，即設(shè)計專門的送料系統(tǒng)，在激光熔覆加熱的同時將涂層粉料直接送入激光作用區(qū)，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(jié)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(yù)置式激光熔覆法更能保證熔覆層的質(zhì)量，同時節(jié)約能源和工時，還可以對激光熔覆過程進(jìn)行計算機(jī)控制，實現(xiàn)自動化。

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

生產(chǎn)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(yù)置層。熱噴涂前一般要對基材熔覆表面進(jìn)行除油、除銹和噴砂處理（也稱預(yù)處理）。

激光熔覆是一個非常復(fù)雜的動態(tài)熔化過程，涉及熱傳導(dǎo)、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(nèi)外學(xué)者進(jìn)行了大量試驗研究，也得出一些數(shù)學(xué)表達(dá)式，但在實際應(yīng)用中，仍需通過試驗確定最佳的工藝參數(shù)。

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(zhì)陶瓷材料以及陶瓷與金屬的復(fù)合材料等，熔覆材料多為粉末狀態(tài)。

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(jié)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(dāng)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(jìn)，從而形成平行于基體的薄帶。在繼續(xù)冷卻過程中，液/固界面出現(xiàn)成分過冷現(xiàn)象，因而形成枝晶。繼續(xù)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(yīng)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(gòu)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(qiáng)度，熱穩(wěn)定性好，化學(xué)穩(wěn)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(yán)重的條件下，純的鎳基、鉆基和鐵基合金粉末已經(jīng)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(fù)合涂層已經(jīng)成為國內(nèi)外學(xué)者研究的熱點，對鋼、鈦合金及鋁合金表面進(jìn)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。

激光熔覆合金粉

激光熔覆鐵基合金粉末適用于要求局部耐磨而且容易變形的零件。目前已成功開展了在不銹鋼、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鉆基、鎳基、鐵基等自熔合金粉末及陶瓷相的激光熔覆。

近年十幾年來，激光熔敷耐磨涂層處理技術(shù)得到了迅速的發(fā)展，目前已成為國內(nèi)外激光表面改性研究的熱點。激光熔敷技術(shù)具有很大的技術(shù)經(jīng)濟(jì)效益，廣泛應(yīng)用于機(jī)械制造與維修、汽車制造、紡織機(jī)械、航海與航天和石油化工等領(lǐng)域。

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