激(ji)光熔覆材料研究(jiu)現狀

激光熔覆(fu)(fu)(fu)技術(shu)(shu)可顯著改善金屬表面的耐(nai)磨、耐(nai)蝕、耐(nai)熱(re)、抗氧化等(deng)(deng)性能。與(yu)堆焊、熱(re)噴涂、電(dian)鍍等(deng)(deng)傳統(tong)表面處理(li)技術(shu)(shu)相比，它具有諸多優點(dian)，如(ru)適用的材料(liao)體(ti)(ti)系廣泛、熔覆(fu)(fu)(fu)層(ceng)稀釋率可控、熔覆(fu)(fu)(fu)層(ceng)與(yu)基(ji)體(ti)(ti)為冶(ye)金結合、基(ji)體(ti)(ti)熱(re)變形小、工(gong)藝易于(yu)實現自動化等(deng)(deng)。因此，20世紀80年(nian)代(dai)以來(lai)，激光熔覆(fu)(fu)(fu)技術(shu)(shu)得到了國(guo)內外的廣泛重視，并已在(zai)諸多工(gong)業領域獲得應用。

激(ji)(ji)(ji)光(guang)(guang)熔(rong)(rong)(rong)覆(fu)(fu)工藝和熔(rong)(rong)(rong)覆(fu)(fu)層(ceng)性能決(jue)定(ding)了激(ji)(ji)(ji)光(guang)(guang)熔(rong)(rong)(rong)覆(fu)(fu)技術(shu)的應用。激(ji)(ji)(ji)光(guang)(guang)熔(rong)(rong)(rong)覆(fu)(fu)層(ceng)的形(xing)成(cheng)過程(cheng)是一(yi)個復雜的物理(li)化學(xue)過程(cheng)和熔(rong)(rong)(rong)體快速凝(ning)固過程(cheng)。在(zai)此過程(cheng)中，影響激(ji)(ji)(ji)光(guang)(guang)熔(rong)(rong)(rong)覆(fu)(fu)層(ceng)成(cheng)形(xing)質(zhi)量和性能的因(yin)(yin)素(su)復雜，其中，激(ji)(ji)(ji)光(guang)(guang)熔(rong)(rong)(rong)覆(fu)(fu)材料(liao)是一(yi)個主要因(yin)(yin)素(su)。熔(rong)(rong)(rong)覆(fu)(fu)材料(liao)直接決(jue)定(ding)熔(rong)(rong)(rong)覆(fu)(fu)層(ceng)的服(fu)役性能，因(yin)(yin)此，自激(ji)(ji)(ji)光(guang)(guang)熔(rong)(rong)(rong)覆(fu)(fu)技術(shu)誕(dan)生以來，激(ji)(ji)(ji)光(guang)(guang)熔(rong)(rong)(rong)覆(fu)(fu)材料(liao)一(yi)直受到研(yan)(yan)究(jiu)開發和工程(cheng)應用人員的重視。為此，本文將對激(ji)(ji)(ji)光(guang)(guang)熔(rong)(rong)(rong)覆(fu)(fu)材料(liao)體系研(yan)(yan)究(jiu)和應用現狀進行綜述，為激(ji)(ji)(ji)光(guang)(guang)熔(rong)(rong)(rong)覆(fu)(fu)技術(shu)的深入研(yan)(yan)究(jiu)和推廣應用提供(gong)參考。

1　激光熔覆材料體系(xi)研究(jiu)現狀(zhuang)

按熔(rong)(rong)覆(fu)材(cai)料(liao)的(de)初始供應(ying)狀(zhuang)態,熔(rong)(rong)覆(fu)材(cai)料(liao)可(ke)分為(wei)粉(fen)(fen)末狀(zhuang)、膏狀(zhuang)、絲狀(zhuang)、棒狀(zhuang)和薄(bo)板狀(zhuang),其(qi)中應(ying)用**廣泛的(de)是粉(fen)(fen)末狀(zhuang)材(cai)料(liao)。按照材(cai)料(liao)成分構成,激光(guang)熔(rong)(rong)覆(fu)粉(fen)(fen)末材(cai)料(liao)主(zhu)要分為(wei)金(jin)屬粉(fen)(fen)末、陶瓷粉(fen)(fen)末和復合(he)粉(fen)(fen)末等。在金(jin)屬粉(fen)(fen)末中，自熔(rong)(rong)性合(he)金(jin)粉(fen)(fen)末的(de)研究與應(ying)用**多。

1.1自熔性(xing)合金粉末

自(zi)(zi)熔(rong)(rong)(rong)性(xing)(xing)合金(jin)粉(fen)末(mo)是(shi)指加入具有強烈(lie)脫氧(yang)和(he)(he)自(zi)(zi)熔(rong)(rong)(rong)作(zuo)用(yong)(yong)的(de)Si、B等元素的(de)合金(jin)粉(fen)末(mo)。在激光熔(rong)(rong)(rong)覆(fu)過(guo)程(cheng)中(zhong)，Si和(he)(he)B等元素具有造渣(zha)功(gong)能，它們(men)優(you)先與合金(jin)粉(fen)末(mo)中(zhong)的(de)氧(yang)和(he)(he)工件表(biao)面(mian)氧(yang)化物一(yi)起熔(rong)(rong)(rong)融生成低熔(rong)(rong)(rong)點(dian)(dian)的(de)硼(peng)硅酸鹽等覆(fu)蓋(gai)在熔(rong)(rong)(rong)池表(biao)面(mian)，防(fang)止液態金(jin)屬過(guo)度(du)氧(yang)化，從(cong)而改善熔(rong)(rong)(rong)體對基體金(jin)屬的(de)潤濕能力，減(jian)少熔(rong)(rong)(rong)覆(fu)層(ceng)中(zhong)的(de)夾雜(za)和(he)(he)含氧(yang)量(liang)，提高熔(rong)(rong)(rong)覆(fu)層(ceng)的(de)工藝(yi)成形性(xing)(xing)能。自(zi)(zi)開展激光熔(rong)(rong)(rong)覆(fu)技術研究以來，人們(men)****選用(yong)(yong)的(de)熔(rong)(rong)(rong)覆(fu)材(cai)料就是(shi)Ni基、Co基和(he)(he)Fe基自(zi)(zi)熔(rong)(rong)(rong)性(xing)(xing)合金(jin)粉(fen)末(mo)。這(zhe)幾類自(zi)(zi)熔(rong)(rong)(rong)性(xing)(xing)合金(jin)粉(fen)末(mo)對碳(tan)鋼(gang)、不銹(xiu)鋼(gang)、合金(jin)鋼(gang)、鑄鋼(gang)等多種(zhong)基材(cai)有較好(hao)的(de)適(shi)應性(xing)(xing),能獲得(de)氧(yang)化物含量(liang)低、氣孔率小(xiao)的(de)熔(rong)(rong)(rong)覆(fu)層(ceng)。但對于(yu)含硫鋼(gang)，由(you)于(yu)硫的(de)存在，在交界面(mian)處易(yi)形成一(yi)種(zhong)低熔(rong)(rong)(rong)點(dian)(dian)的(de)脆性(xing)(xing)物相(xiang)，使得(de)覆(fu)層(ceng)易(yi)于(yu)剝落，因(yin)此應慎重選用(yong)(yong)。

Ni基(ji)(ji)自(zi)熔(rong)(rong)性(xing)合(he)(he)金(jin)(jin)(jin)粉末(mo)(mo)以其良好的(de)潤濕性(xing)、耐(nai)蝕性(xing)、高溫自(zi)潤滑作用(yong)(yong)和適中(zhong)(zhong)的(de)價格在激(ji)(ji)光熔(rong)(rong)覆材料中(zhong)(zhong)研究(jiu)**多、應用(yong)(yong)**廣。它主要適用(yong)(yong)于局(ju)部要求(qiu)耐(nai)磨、耐(nai)熱(re)腐蝕及抗熱(re)疲勞的(de)構件,所(suo)需的(de)激(ji)(ji)光功(gong)率密度比熔(rong)(rong)覆鐵基(ji)(ji)合(he)(he)金(jin)(jin)(jin)的(de)略高。Ni基(ji)(ji)自(zi)熔(rong)(rong)性(xing)合(he)(he)金(jin)(jin)(jin)的(de)合(he)(he)金(jin)(jin)(jin)化(hua)原理是運用(yong)(yong)Fe、Cr、Co、Mo、W等元(yuan)(yuan)(yuan)素(su)(su)進(jin)行(xing)奧氏(shi)體固溶(rong)強化(hua)，運用(yong)(yong)Al、Ti等元(yuan)(yuan)(yuan)素(su)(su)進(jin)行(xing)金(jin)(jin)(jin)屬間化(hua)合(he)(he)物沉淀強化(hua)，運用(yong)(yong)B、Zr、Co等元(yuan)(yuan)(yuan)素(su)(su)實(shi)現晶界強化(hua)。Ni基(ji)(ji)自(zi)熔(rong)(rong)性(xing)合(he)(he)金(jin)(jin)(jin)粉末(mo)(mo)中(zhong)(zhong)各元(yuan)(yuan)(yuan)素(su)(su)的(de)選(xuan)擇正是基(ji)(ji)于以上原理，而(er)合(he)(he)金(jin)(jin)(jin)元(yuan)(yuan)(yuan)素(su)(su)添加量(liang)則依(yi)據合(he)(he)金(jin)(jin)(jin)成形性(xing)能和激(ji)(ji)光熔(rong)(rong)覆工藝進(jin)行(xing)確定。

Co基(ji)自(zi)熔(rong)性(xing)(xing)合金(jin)粉(fen)末具有(you)良好的(de)(de)高溫性(xing)(xing)能(neng)和耐(nai)蝕(shi)耐(nai)磨性(xing)(xing)能(neng),常被應用(yong)于石化(hua)(hua)、電力、冶金(jin)等(deng)工業領域(yu)的(de)(de)耐(nai)磨耐(nai)蝕(shi)耐(nai)高溫等(deng)場合。Co基(ji)自(zi)熔(rong)性(xing)(xing)合金(jin)潤濕(shi)性(xing)(xing)好,其熔(rong)點較碳化(hua)(hua)物低(di),受熱后Co元(yuan)素****處于熔(rong)化(hua)(hua)狀態,而合金(jin)凝固時它****與其它元(yuan)素形成新的(de)(de)物相，對熔(rong)覆(fu)層的(de)(de)強化(hua)(hua)極為(wei)有(you)利。目前，Co基(ji)合金(jin)所用(yong)的(de)(de)合金(jin)元(yuan)素主要是(shi)Ni、C、Cr和Fe等(deng)。其中，Ni元(yuan)素可以(yi)降低(di)Co基(ji)合金(jin)熔(rong)覆(fu)層的(de)(de)熱膨脹(zhang)系數(shu)，減小合金(jin)的(de)(de)熔(rong)化(hua)(hua)溫度區間(jian)，有(you)效(xiao)防止熔(rong)覆(fu)層產生裂紋,提高熔(rong)覆(fu)合金(jin)對基(ji)體的(de)(de)潤濕(shi)性(xing)(xing)。

Fe基(ji)(ji)自(zi)熔(rong)(rong)(rong)(rong)性(xing)(xing)合(he)(he)金(jin)(jin)粉(fen)末適用于要求局(ju)部耐(nai)磨且容易變形的(de)零(ling)件，基(ji)(ji)體(ti)多為鑄鐵和低(di)碳鋼，其(qi)****優(you)點是成(cheng)本(ben)低(di)且抗磨性(xing)(xing)能(neng)(neng)好。但是，與Ni基(ji)(ji)、Co基(ji)(ji)自(zi)熔(rong)(rong)(rong)(rong)性(xing)(xing)合(he)(he)金(jin)(jin)粉(fen)末相比，Fe基(ji)(ji)自(zi)熔(rong)(rong)(rong)(rong)性(xing)(xing)合(he)(he)金(jin)(jin)粉(fen)末存(cun)在(zai)自(zi)熔(rong)(rong)(rong)(rong)性(xing)(xing)較差、熔(rong)(rong)(rong)(rong)覆(fu)層易開裂(lie)、易氧(yang)化(hua)、易產生氣孔(kong)等(deng)缺(que)點。在(zai)Fe基(ji)(ji)自(zi)熔(rong)(rong)(rong)(rong)性(xing)(xing)合(he)(he)金(jin)(jin)粉(fen)末的(de)成(cheng)分設計上，通常采用B、Si及Cr等(deng)元(yuan)素來提高熔(rong)(rong)(rong)(rong)覆(fu)層的(de)硬(ying)度與耐(nai)磨性(xing)(xing)，用Ni元(yuan)素來提高熔(rong)(rong)(rong)(rong)覆(fu)層的(de)抗開裂(lie)能(neng)(neng)力。

1.2　陶瓷粉末

陶(tao)瓷(ci)(ci)粉末(mo)主(zhu)要包括硅化(hua)物陶(tao)瓷(ci)(ci)粉末(mo)和(he)氧化(hua)物陶(tao)瓷(ci)(ci)粉末(mo),其中又以氧化(hua)物陶(tao)瓷(ci)(ci)粉末(mo)(Al2O3和(he)ZrO2)為主(zhu)。由于陶(tao)瓷(ci)(ci)粉末(mo)具有優異(yi)的耐(nai)磨(mo)、耐(nai)蝕(shi)、耐(nai)高溫和(he)抗氧化(hua)特性，所以它常被(bei)用(yong)于制(zhi)備高溫耐(nai)磨(mo)耐(nai)蝕(shi)涂(tu)(tu)層和(he)熱(re)障涂(tu)(tu)層；另外，生物陶(tao)瓷(ci)(ci)材(cai)料也是目前研究的一個熱(re)點。

陶瓷(ci)材料(liao)雖然作為(wei)高(gao)溫耐磨耐蝕(shi)涂層(ceng)和(he)熱(re)障涂層(ceng)材料(liao)一直備受關注，但因陶瓷(ci)材料(liao)與基體金(jin)屬的(de)熱(re)膨(peng)脹系數、彈性模(mo)量及導熱(re)系數等差別較大，這些性能的(de)不匹配造成(cheng)了涂層(ceng)中出現裂(lie)紋和(he)空洞等缺陷，在使用中將出現變形開裂(lie)、剝落損壞(huai)等現象。

為了(le)解(jie)決(jue)純陶瓷(ci)涂層(ceng)(ceng)(ceng)中(zhong)的(de)裂(lie)紋及與(yu)金屬基體的(de)高強結(jie)合,有(you)學者嘗試使用中(zhong)間過渡層(ceng)(ceng)(ceng)并在(zai)陶瓷(ci)層(ceng)(ceng)(ceng)中(zhong)加入低熔(rong)點高膨脹系數的(de)CaO、SiO2、TiO2等來降低內部應力,緩(huan)解(jie)了(le)裂(lie)紋傾(qing)向，但現有(you)的(de)研(yan)究(jiu)表明，純陶瓷(ci)涂層(ceng)(ceng)(ceng)的(de)裂(lie)紋和剝落問題并未得到很好解(jie)決(jue)，因此有(you)待于進(jin)一(yi)步深入研(yan)究(jiu)。

目前(qian)對激(ji)光熔覆生(sheng)物(wu)陶瓷材(cai)料(liao)的(de)(de)研(yan)究主要集(ji)中在Ti基(ji)(ji)合金(jin)、不銹鋼等金(jin)屬表面進行激(ji)光熔覆的(de)(de)羥(qian)基(ji)(ji)磷灰石(shi)(HAP)、氟磷灰石(shi)以及含Ca、Pr等生(sheng)物(wu)陶瓷材(cai)料(liao)上。羥(qian)基(ji)(ji)磷灰石(shi)生(sheng)物(wu)陶瓷具有良好的(de)(de)生(sheng)物(wu)相容性，作(zuo)為人體牙齒早已受到國(guo)內(nei)外有關學者的(de)(de)廣泛重視(shi)。

激光熔覆生物陶瓷(ci)材料(liao)的研(yan)究起步雖然較晚,但發展非常迅速,是一個前(qian)景廣闊的研(yan)究方向。

1.3　復合粉末

復(fu)合(he)(he)(he)(he)粉(fen)(fen)(fen)(fen)末(mo)(mo)(mo)主要是指碳(tan)化(hua)(hua)物(wu)(wu)(wu)(wu)、氮(dan)化(hua)(hua)物(wu)(wu)(wu)(wu)、硼化(hua)(hua)物(wu)(wu)(wu)(wu)、氧(yang)(yang)化(hua)(hua)物(wu)(wu)(wu)(wu)及硅化(hua)(hua)物(wu)(wu)(wu)(wu)等(deng)(deng)各種高熔點硬質陶瓷材(cai)料(liao)與金(jin)(jin)(jin)(jin)屬(shu)混(hun)合(he)(he)(he)(he)或復(fu)合(he)(he)(he)(he)而形成(cheng)的(de)(de)粉(fen)(fen)(fen)(fen)末(mo)(mo)(mo)體系(xi)。復(fu)合(he)(he)(he)(he)粉(fen)(fen)(fen)(fen)末(mo)(mo)(mo)可以(yi)借助激光(guang)(guang)熔覆(fu)技術制備(bei)出陶瓷顆粒(li)(li)增強金(jin)(jin)(jin)(jin)屬(shu)基復(fu)合(he)(he)(he)(he)涂層，它將金(jin)(jin)(jin)(jin)屬(shu)的(de)(de)強韌性(xing)(xing)、良(liang)好的(de)(de)工藝性(xing)(xing)和(he)陶瓷材(cai)料(liao)優異(yi)的(de)(de)耐磨(mo)、耐蝕(shi)、耐高溫和(he)抗氧(yang)(yang)化(hua)(hua)特性(xing)(xing)有(you)機結合(he)(he)(he)(he)起來，是目(mu)前激光(guang)(guang)熔覆(fu)技術領域研究發展的(de)(de)熱點。目(mu)前應(ying)用和(he)研究較多(duo)的(de)(de)復(fu)合(he)(he)(he)(he)粉(fen)(fen)(fen)(fen)末(mo)(mo)(mo)體系(xi)主要包括:碳(tan)化(hua)(hua)物(wu)(wu)(wu)(wu)合(he)(he)(he)(he)金(jin)(jin)(jin)(jin)粉(fen)(fen)(fen)(fen)末(mo)(mo)(mo)(如(ru)WC、SiC、TiC、B4C、Cr3C2等(deng)(deng))、氧(yang)(yang)化(hua)(hua)物(wu)(wu)(wu)(wu)合(he)(he)(he)(he)金(jin)(jin)(jin)(jin)粉(fen)(fen)(fen)(fen)末(mo)(mo)(mo)(如(ru)Al2O3、ZrO2、TiO2等(deng)(deng))、氮(dan)化(hua)(hua)物(wu)(wu)(wu)(wu)合(he)(he)(he)(he)金(jin)(jin)(jin)(jin)粉(fen)(fen)(fen)(fen)末(mo)(mo)(mo)(TiN、Si3N4等(deng)(deng))、硼化(hua)(hua)物(wu)(wu)(wu)(wu)合(he)(he)(he)(he)金(jin)(jin)(jin)(jin)粉(fen)(fen)(fen)(fen)末(mo)(mo)(mo)、硅化(hua)(hua)物(wu)(wu)(wu)(wu)合(he)(he)(he)(he)金(jin)(jin)(jin)(jin)粉(fen)(fen)(fen)(fen)末(mo)(mo)(mo)等(deng)(deng)。其中，碳(tan)化(hua)(hua)物(wu)(wu)(wu)(wu)合(he)(he)(he)(he)金(jin)(jin)(jin)(jin)粉(fen)(fen)(fen)(fen)末(mo)(mo)(mo)和(he)氧(yang)(yang)化(hua)(hua)物(wu)(wu)(wu)(wu)合(he)(he)(he)(he)金(jin)(jin)(jin)(jin)粉(fen)(fen)(fen)(fen)末(mo)(mo)(mo)研究和(he)應(ying)用**多(duo)，主要應(ying)用于制備(bei)耐磨(mo)涂層。復(fu)合(he)(he)(he)(he)粉(fen)(fen)(fen)(fen)末(mo)(mo)(mo)中的(de)(de)碳(tan)化(hua)(hua)物(wu)(wu)(wu)(wu)顆粒(li)(li)可以(yi)直接加入(ru)激光(guang)(guang)熔池(chi)或者直接與金(jin)(jin)(jin)(jin)屬(shu)粉(fen)(fen)(fen)(fen)末(mo)(mo)(mo)混(hun)合(he)(he)(he)(he)成(cheng)混(hun)合(he)(he)(he)(he)粉(fen)(fen)(fen)(fen)末(mo)(mo)(mo)，但更有(you)效的(de)(de)是以(yi)包覆(fu)型(xing)粉(fen)(fen)(fen)(fen)末(mo)(mo)(mo)(如(ru)鎳包碳(tan)化(hua)(hua)物(wu)(wu)(wu)(wu)、鈷包碳(tan)化(hua)(hua)物(wu)(wu)(wu)(wu))的(de)(de)形式加入(ru)。

在激(ji)光熔覆過程中，包覆型粉末的(de)包覆金屬對芯核碳化物能(neng)起到(dao)有(you)效(xiao)保護、減弱高能(neng)激(ji)光與碳化物的(de)直接(jie)作(zuo)用，可(ke)有(you)效(xiao)減弱或避免(mian)碳化物發生(sheng)燒(shao)損、失碳、揮發等現象。

1.4　其它金(jin)屬(shu)體系材料(liao)

除以(yi)上(shang)幾(ji)類激光熔(rong)覆粉末材(cai)(cai)料(liao)體系,目(mu)前已開發研究的熔(rong)覆材(cai)(cai)料(liao)體系還包括銅基(ji)、鈦基(ji)、鋁基(ji)、鎂基(ji)、鋯基(ji)、鉻基(ji)以(yi)及金屬間化合物基(ji)材(cai)(cai)料(liao)等。這些(xie)材(cai)(cai)料(liao)多(duo)數是利(li)用合金體系的某些(xie)特殊性質使其達到(dao)耐(nai)磨減摩、耐(nai)蝕(shi)、導(dao)電、抗(kang)高溫、抗(kang)熱氧化等1種或(huo)多(duo)種功能(neng)。

銅(tong)基激光(guang)熔覆(fu)材(cai)料(liao)主(zhu)要包括Cu-Ni-B-Si、Cu-Ni-Fe-Co-Cr-Si-B、Cu-Al2O3、Cu-CuO等銅(tong)基合(he)金(jin)粉末及(ji)復(fu)(fu)合(he)粉末材(cai)料(liao)。利用銅(tong)合(he)金(jin)體系(xi)存在液相分(fen)離現象等冶金(jin)性質(zhi),可以設計出激光(guang)熔覆(fu)銅(tong)基自生復(fu)(fu)合(he)材(cai)料(liao)的(de)銅(tong)基復(fu)(fu)合(he)粉末材(cai)料(liao)。研(yan)究表明,其(qi)激光(guang)熔覆(fu)層中存在大(da)量(liang)的(de)自生硬質(zhi)顆(ke)粒增強體,具有良好的(de)耐(nai)磨性。

鈦基熔覆(fu)材料(liao)主(zhu)要用于(yu)改善(shan)基體金(jin)屬材料(liao)表面的生物(wu)相(xiang)容(rong)性(xing)、耐磨(mo)性(xing)或(huo)耐蝕(shi)性(xing)等(deng)。研究的鈦基激(ji)光熔覆(fu)粉(fen)末材料(liao)主(zhu)要是純Ti粉(fen)、Ti6Al4V合金(jin)粉(fen)末以及Ti-TiO2、Ti-TiC、Ti-WC、Ti-Si等(deng)鈦基復合粉(fen)末。

鎂(mei)基(ji)熔覆(fu)材(cai)料主(zhu)要用于鎂(mei)合金表面的激光(guang)熔覆(fu),以提高鎂(mei)合金表面的耐磨性能和耐蝕(shi)性能。

1.5　稀土在(zai)激光熔覆中(zhong)的應用

Ce、La、Y等稀土(tu)(tu)元(yuan)素(su)(su)極易(yi)與其它(ta)元(yuan)素(su)(su)反應，生成(cheng)穩定的(de)(de)化(hua)合物，在(zai)(zai)熔覆(fu)(fu)層(ceng)凝固(gu)過程中可以作為結(jie)晶核(he)心、增(zeng)加形核(he)率，并吸附(fu)于晶界阻(zu)止晶粒(li)長大，細化(hua)枝晶組(zu)織。同時,稀土(tu)(tu)元(yuan)素(su)(su)與硫、氧(yang)(yang)的(de)(de)親和(he)力極強，又是(shi)較強的(de)(de)內吸附(fu)元(yuan)素(su)(su)，易(yi)存在(zai)(zai)于晶界，既強化(hua)晶界又凈化(hua)晶界，在(zai)(zai)內氧(yang)(yang)化(hua)層(ceng)前(qian)沿阻(zu)礙氧(yang)(yang)化(hua)過程繼續(xu)進行(xing)，可明顯提高(gao)高(gao)溫(wen)抗氧(yang)(yang)化(hua)性能和(he)耐(nai)腐蝕性能。另外,稀土(tu)(tu)還(huan)可有效改(gai)善(shan)熔覆(fu)(fu)層(ceng)的(de)(de)顯微組(zu)織使硬(ying)質相顆粒(li)形狀得到改(gai)善(shan)并在(zai)(zai)熔覆(fu)(fu)層(ceng)中均勻分布。

2　激(ji)光熔覆(fu)層材料設(she)計的一般(ban)原(yuan)則

針對合理(li)(li)(li)的熔(rong)覆(fu)(fu)材(cai)料/基(ji)體金(jin)屬搭(da)配體系,通過優化激光熔(rong)覆(fu)(fu)工(gong)藝,可以獲(huo)(huo)得(de)****的熔(rong)覆(fu)(fu)層性(xing)能(neng)。若(ruo)材(cai)料體系搭(da)配不合理(li)(li)(li),則(ze)難以獲(huo)(huo)得(de)質量和(he)性(xing)能(neng)理(li)(li)(li)想的熔(rong)覆(fu)(fu)層。因(yin)此(ci),熔(rong)覆(fu)(fu)層材(cai)料的設計和(he)選(xuan)配對激光熔(rong)覆(fu)(fu)技術的工(gong)程應用至(zhi)關重要。在(zai)設計或(huo)選(xuan)配熔(rong)覆(fu)(fu)材(cai)料時(shi),一般要考(kao)慮(lv)以下幾(ji)個方面。

2.1　熱膨(peng)脹系(xi)數(shu)相(xiang)近原則

熔覆材料與基體(ti)金屬(shu)二者的熱(re)膨脹系(xi)數應盡可(ke)能接近。若兩者熱(re)膨脹系(xi)數差異太(tai)大,則熔覆層易產生(sheng)裂(lie)紋甚至剝落(luo)。

2.2　熔點相近原則

熔(rong)(rong)(rong)(rong)覆(fu)(fu)材(cai)料(liao)(liao)與基(ji)體(ti)金屬(shu)的熔(rong)(rong)(rong)(rong)點(dian)不(bu)能相差太大，否則(ze)難(nan)以(yi)(yi)形(xing)成與基(ji)體(ti)良(liang)(liang)好冶金結(jie)合且稀(xi)釋(shi)度(du)小的熔(rong)(rong)(rong)(rong)覆(fu)(fu)層(ceng)(ceng)。一般(ban)情況下，若(ruo)熔(rong)(rong)(rong)(rong)覆(fu)(fu)材(cai)料(liao)(liao)熔(rong)(rong)(rong)(rong)點(dian)過高，加熱時熔(rong)(rong)(rong)(rong)覆(fu)(fu)材(cai)料(liao)(liao)熔(rong)(rong)(rong)(rong)化(hua)(hua)少，則(ze)會(hui)使(shi)涂層(ceng)(ceng)表(biao)面(mian)粗(cu)糙度(du)高，或者由于基(ji)體(ti)表(biao)面(mian)過度(du)熔(rong)(rong)(rong)(rong)化(hua)(hua)導致熔(rong)(rong)(rong)(rong)覆(fu)(fu)層(ceng)(ceng)稀(xi)釋(shi)度(du)增大，熔(rong)(rong)(rong)(rong)覆(fu)(fu)層(ceng)(ceng)被嚴重污染(ran)；若(ruo)熔(rong)(rong)(rong)(rong)覆(fu)(fu)材(cai)料(liao)(liao)熔(rong)(rong)(rong)(rong)點(dian)過低，則(ze)會(hui)因熔(rong)(rong)(rong)(rong)覆(fu)(fu)材(cai)料(liao)(liao)過度(du)熔(rong)(rong)(rong)(rong)化(hua)(hua)而使(shi)熔(rong)(rong)(rong)(rong)覆(fu)(fu)層(ceng)(ceng)產生空洞和夾雜，或者由于基(ji)體(ti)金屬(shu)表(biao)面(mian)不(bu)能很好熔(rong)(rong)(rong)(rong)化(hua)(hua)，熔(rong)(rong)(rong)(rong)覆(fu)(fu)層(ceng)(ceng)和基(ji)體(ti)難(nan)以(yi)(yi)形(xing)成良(liang)(liang)好冶金結(jie)合。因而在激光熔(rong)(rong)(rong)(rong)覆(fu)(fu)中，一般(ban)選擇熔(rong)(rong)(rong)(rong)點(dian)與基(ji)體(ti)金屬(shu)相近的熔(rong)(rong)(rong)(rong)覆(fu)(fu)材(cai)料(liao)(liao)。

2.3　潤濕性原則

熔(rong)(rong)(rong)覆材(cai)料(liao)和基(ji)體(ti)金(jin)屬以(yi)及熔(rong)(rong)(rong)覆材(cai)料(liao)中高(gao)(gao)熔(rong)(rong)(rong)點(dian)陶(tao)瓷相(xiang)顆粒與(yu)基(ji)體(ti)金(jin)屬之間(jian)應當具有(you)良好的潤(run)濕性(xing)。為了提(ti)高(gao)(gao)高(gao)(gao)熔(rong)(rong)(rong)點(dian)陶(tao)瓷相(xiang)顆粒與(yu)基(ji)體(ti)金(jin)屬間(jian)的潤(run)濕性(xing),可(ke)(ke)以(yi)采取多種途徑：(1)事先對陶(tao)瓷顆粒進(jin)行表面(mian)處理(li)(li)，提(ti)高(gao)(gao)其表面(mian)能。常用的處理(li)(li)方法有(you)機械合金(jin)化(hua)、物理(li)(li)化(hua)學清洗、電化(hua)學拋光(guang)和包覆等。(2)在(zai)設計熔(rong)(rong)(rong)覆材(cai)料(liao)時適(shi)當加入某些合金(jin)元素。例如,在(zai)激光(guang)熔(rong)(rong)(rong)覆Cu+Al2O3混合粉末制備Al2O3/Cu熔(rong)(rong)(rong)覆涂層時,可(ke)(ke)在(zai)粉末體(ti)系中加入Ti以(yi)提(ti)高(gao)(gao)相(xiang)間(jian)潤(run)濕性(xing)；添(tian)加Cr等活性(xing)元素有(you)利于提(ti)高(gao)(gao)基(ji)體(ti)與(yu)顆粒之間(jian)的潤(run)濕性(xing)。另(ling)外，可(ke)(ke)以(yi)選擇適(shi)宜的激光(guang)熔(rong)(rong)(rong)覆工藝參數來提(ti)高(gao)(gao)潤(run)濕性(xing)，如提(ti)高(gao)(gao)熔(rong)(rong)(rong)覆溫度、降低覆層金(jin)屬液體(ti)的表面(mian)能等。

此外，針對同步送粉(fen)(fen)(fen)激光熔(rong)覆(fu)工(gong)藝(yi)，熔(rong)覆(fu)合金(jin)粉(fen)(fen)(fen)末(mo)(mo)(mo)還應遵循流動性(xing)原則，即(ji)合金(jin)粉(fen)(fen)(fen)末(mo)(mo)(mo)應具(ju)有良(liang)好的(de)固態流動性(xing)。粉(fen)(fen)(fen)末(mo)(mo)(mo)的(de)流動性(xing)與(yu)粉(fen)(fen)(fen)末(mo)(mo)(mo)的(de)形狀(zhuang)、粒(li)度(du)分布、表面狀(zhuang)態及粉(fen)(fen)(fen)末(mo)(mo)(mo)的(de)濕(shi)度(du)等因素有關。球形粉(fen)(fen)(fen)末(mo)(mo)(mo)流動性(xing)****。粉(fen)(fen)(fen)末(mo)(mo)(mo)粒(li)度(du)****在40~200μm范圍內，粉(fen)(fen)(fen)末(mo)(mo)(mo)過細(xi)，流動性(xing)差；粉(fen)(fen)(fen)末(mo)(mo)(mo)太粗，熔(rong)覆(fu)工(gong)藝(yi)性(xing)差。粉(fen)(fen)(fen)末(mo)(mo)(mo)受潮(chao)后流動性(xing)變差，使用時應保證粉(fen)(fen)(fen)末(mo)(mo)(mo)的(de)干燥性(xing)。

3　激光熔覆材料的應用現(xian)狀與展望

激(ji)光(guang)熔(rong)(rong)覆技(ji)術自誕生以來,在工業(ye)中已(yi)獲得了大量應(ying)用(yong)(yong)(yong)，解決了工程(cheng)中大量維修的(de)(de)難題(ti)。但是，激(ji)光(guang)熔(rong)(rong)覆材(cai)料一直(zhi)是制(zhi)約激(ji)光(guang)熔(rong)(rong)覆技(ji)術應(ying)用(yong)(yong)(yong)的(de)(de)重要(yao)因素。目前(qian)，激(ji)光(guang)熔(rong)(rong)覆材(cai)料存(cun)在的(de)(de)主要(yao)問(wen)題(ti)是：激(ji)光(guang)熔(rong)(rong)覆專(zhuan)用(yong)(yong)(yong)材(cai)料體系較少，缺(que)乏(fa)系列(lie)化的(de)(de)專(zhuan)用(yong)(yong)(yong)粉末材(cai)料，缺(que)少熔(rong)(rong)覆材(cai)料評價和應(ying)用(yong)(yong)(yong)標(biao)準。

多(duo)年來(lai)，激(ji)光(guang)熔(rong)(rong)覆(fu)所(suo)用(yong)(yong)的(de)(de)(de)粉末體(ti)系一直(zhi)沿用(yong)(yong)熱(re)(re)(re)噴(pen)(pen)(pen)涂(tu)(tu)粉末材料。眾多(duo)學(xue)者(zhe)研究指出，借(jie)助于熱(re)(re)(re)噴(pen)(pen)(pen)涂(tu)(tu)粉末進(jin)行激(ji)光(guang)熔(rong)(rong)覆(fu)是不(bu)(bu)科學(xue)的(de)(de)(de)。熱(re)(re)(re)噴(pen)(pen)(pen)涂(tu)(tu)粉末在設計(ji)時為(wei)了防止噴(pen)(pen)(pen)涂(tu)(tu)時由于溫(wen)度的(de)(de)(de)微小(xiao)變化(hua)而發生流淌(tang)，所(suo)設計(ji)的(de)(de)(de)熱(re)(re)(re)噴(pen)(pen)(pen)涂(tu)(tu)合(he)金(jin)成(cheng)分(fen)往往具有較寬的(de)(de)(de)凝固溫(wen)度區間(jian)，將這類合(he)金(jin)直(zhi)接應用(yong)(yong)于激(ji)光(guang)熔(rong)(rong)覆(fu)，則會因為(wei)流動性不(bu)(bu)好而帶來(lai)氣孔(kong)問題。另外，在熱(re)(re)(re)噴(pen)(pen)(pen)涂(tu)(tu)粉末中加(jia)入了較高(gao)含(han)量的(de)(de)(de)B和Si元素(su)，一方面降低了合(he)金(jin)的(de)(de)(de)熔(rong)(rong)點(dian)；另一方面作為(wei)脫氧劑(ji)還原金(jin)屬氧化(hua)物，生成(cheng)低熔(rong)(rong)點(dian)的(de)(de)(de)硼硅酸(suan)鹽，起(qi)到(dao)脫氧造渣作用(yong)(yong)。然(ran)而與熱(re)(re)(re)噴(pen)(pen)(pen)涂(tu)(tu)相比(bi)，激(ji)光(guang)熔(rong)(rong)池(chi)壽命較短，這種低熔(rong)(rong)點(dian)的(de)(de)(de)硼硅酸(suan)鹽往往來(lai)不(bu)(bu)及(ji)浮到(dao)熔(rong)(rong)池(chi)表面而殘(can)留(liu)在熔(rong)(rong)覆(fu)層(ceng)內，在冷卻(que)過程中形成(cheng)液態薄(bo)膜，加(jia)劇(ju)涂(tu)(tu)層(ceng)開裂,或(huo)者(zhe)使(shi)熔(rong)(rong)覆(fu)層(ceng)中產(chan)生夾(jia)雜。

針對以上問題，通常采取的(de)(de)(de)途徑主要包括以下(xia)幾種：(1)在通用(yong)(yong)的(de)(de)(de)熱噴涂粉末基(ji)礎上調(diao)整成分，降(jiang)低膨脹系(xi)數。在保(bao)證(zheng)使用(yong)(yong)性能(neng)(neng)的(de)(de)(de)要求下(xia)盡量降(jiang)低B、Si、C等元素(su)的(de)(de)(de)含量,減少在熔覆(fu)層及基(ji)材(cai)表面過渡層中產生(sheng)(sheng)裂(lie)紋的(de)(de)(de)可能(neng)(neng)性。(2)添(tian)加1種或幾種合金元素(su),在滿(man)足其使用(yong)(yong)性能(neng)(neng)的(de)(de)(de)基(ji)礎上，增(zeng)加其韌(ren)性相，提高(gao)覆(fu)層的(de)(de)(de)韌(ren)性，可以有(you)效抑制熱裂(lie)紋的(de)(de)(de)產生(sheng)(sheng)。(3)對基(ji)體材(cai)料進行預(yu)熱和后熱處理,能(neng)(neng)夠減少溫度(du)梯度(du)，降(jiang)低殘余(yu)熱應(ying)力，有(you)利于(yu)抑制裂(lie)紋的(de)(de)(de)發生(sheng)(sheng)。(4)在粉末材(cai)料中加入(ru)稀土元素(su)，能(neng)(neng)夠提高(gao)材(cai)料的(de)(de)(de)強(qiang)韌(ren)性。以上各種途徑雖然(ran)可以在一定程度(du)上改善(shan)涂層的(de)(de)(de)工藝性能(neng)(neng),但卻(que)改變(bian)不(bu)了激光驟(zou)熱急冷時(shi)產生(sheng)(sheng)的(de)(de)(de)內(nei)應(ying)力，并不(bu)能(neng)(neng)從(cong)根本上解決問題。因此(ci)，應(ying)從(cong)激光熔覆(fu)過程的(de)(de)(de)特(te)點出發，結合應(ying)用(yong)(yong)要求，研究(jiu)出適合激光熔覆(fu)的(de)(de)(de)專用(yong)(yong)粉末，這將成為激光熔覆(fu)研究(jiu)的(de)(de)(de)重要方向(xiang)之一。

激光(guang)熔(rong)(rong)覆(fu)(fu)技術是(shi)一(yi)項具有高(gao)科(ke)技含(han)量(liang)的表面(mian)(mian)改性(xing)技術與裝備(bei)維修技術,其研(yan)究(jiu)和發展(zhan)具有重(zhong)要(yao)(yao)的理論意(yi)義和經濟(ji)價值。激光(guang)熔(rong)(rong)覆(fu)(fu)材(cai)料(liao)是(shi)制約(yue)激光(guang)熔(rong)(rong)覆(fu)(fu)技術發展(zhan)和應(ying)用(yong)的主要(yao)(yao)因素。目前在(zai)研(yan)制激光(guang)熔(rong)(rong)覆(fu)(fu)材(cai)料(liao)方面(mian)(mian)雖取得了一(yi)定(ding)進展(zhan),但與按照設計的熔(rong)(rong)覆(fu)(fu)件性(xing)能(neng)和應(ying)用(yong)要(yao)(yao)求定(ding)量(liang)地(di)設計合(he)金成(cheng)分還存在(zai)很長距離,激光(guang)熔(rong)(rong)覆(fu)(fu)材(cai)料(liao)遠未形(xing)成(cheng)系(xi)列(lie)化和標準化,尚需要(yao)(yao)加大力(li)度進行深入(ru)研(yan)究(jiu)。