激光熔覆技術(shù)是指以不同的填料方式將所選涂層合金粉末放置于基體表面，利用高能激光束輻照，使之作用于基體表面，迅速熔化、擴(kuò)展和凝固在基材表面的過程，進(jìn)而形成一層與基底材料相結(jié)合的覆蓋層。這個(gè)新生成的覆蓋層能夠顯著改善甚至再造基體材料，使其能夠達(dá)到耐磨損、耐熱、耐腐蝕、抗氧化及其他目標(biāo)特性。
激光熔覆技術(shù)是一個(gè)復(fù)雜的物理、化學(xué)冶金過程，激光參數(shù)的設(shè)置對熔覆層質(zhì)量的影響較大。除此之外，合金粉末的選擇也是重要的因素。激光熔覆合金粉末按照材料成分構(gòu)成可分為：自熔性合金粉末、復(fù)合粉末和陶瓷粉末。其中，自熔性合金粉末的在現(xiàn)實(shí)中研究與應(yīng)用最多。
一、自熔性合金粉末
自熔性合金粉末可以分為鐵基(Fe)、鎳基(Ni)、鈷基(Co)合金粉末，其主要特點(diǎn)是含有硼(B)和硅(Si)，因而具有自脫氧和造渣性能;還含有較高的鉻，它們優(yōu)先與合金粉末中的氧和工件表面氧化物一起熔融生成低熔點(diǎn)的硼硅酸鹽等覆蓋在熔池表面，防止液態(tài)金屬過度氧化，從而改善熔體對基體金屬的潤濕能力，減少熔覆層中的夾雜和含氧量，提高熔覆層的工藝成形性能，因而具有優(yōu)異的耐蝕性和抗氧化性。對碳鋼、不銹鋼、合金鋼、鑄鋼等多種基材有較好的適應(yīng)性，能獲得氧化物含量低、氣孔率小的熔覆層。但對于含硫鋼，由于硫的存在，在交界面處易形成一種低熔點(diǎn)的脆性物相，使得覆層易于剝落，因此應(yīng)慎重選用。
01 鐵基(Fe)自熔性合金粉末
Fe基自熔性合金粉末適用于要求局部耐磨且容易變形的零件，基體多為鑄鐵和低碳鋼，其最大優(yōu)點(diǎn)是材料來源廣泛、成本低且抗磨性能好。缺點(diǎn)是熔點(diǎn)高、抗氧化性差，熔覆層易開裂、易產(chǎn)生氣孔等。在鐵基合金粉末成分中，通過調(diào)整合金元素含量來調(diào)整涂層的硬度，并通過添加其它元素改善熔覆層的硬度、開裂敏感性和殘余奧氏體的含量，從而提高熔覆層的耐磨性和韌性。激光熔覆用的鐵基自熔性合金粉末分為兩種類型：奧氏體不銹鋼型和高鉻鑄鐵型。
鐵基合金粉末
近年來，有關(guān)激光熔覆的研究，不少人圍繞鐵基粉末中加入其它成分進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。結(jié)果表明，加入稀土改善了熔覆層表面鈍化膜的抗剝落能力，在不同程度上減輕了材料的腐蝕失重，提高了熔覆層的耐腐蝕能力。
02 鎳基(Ni)自熔性合金粉末
Ni基自熔性合金粉末以其良好的潤濕性、耐蝕性、高溫自潤滑作用和適中的價(jià)格在激光熔覆材料中研究最多、應(yīng)用最廣。
鎳基合金粉末
鎳基(Ni)自熔性合金粉末在滑動(dòng)、沖擊磨損和磨粒磨損嚴(yán)重的條件下，單純的自熔性合金粉已不能勝任使用要求，此時(shí)可在自熔性合金粉末中加入各種高熔點(diǎn)的碳化物、氮化物、硼化物和氧化物陶瓷顆粒，制成金屬復(fù)合涂層。
03 鈷基(Co)自熔性合金粉末
鈷基(Co)自熔性合金粉末具有優(yōu)良的耐熱、耐蝕、耐磨、抗沖擊和抗高溫氧化性能，常被應(yīng)用于石化、電力、冶金等工業(yè)領(lǐng)域的耐磨耐蝕耐高溫等場合。Co基自熔性合金潤濕性好，其熔點(diǎn)較碳化物低，受熱后Co元素最先處于熔化狀態(tài)，而合金凝固時(shí)它最先與其它元素形成新的物相，對熔覆層的強(qiáng)化極為有利。目前，鈷基合金所用的合金元素主要是鎳、碳、鉻和鐵等。其中，鎳元素可以降低鈷基合金熔覆層的熱膨脹系數(shù)，減小合金的熔化溫度區(qū)間，有效防止熔覆層產(chǎn)生裂紋，提高熔覆合金對基體的潤濕性。
鈷基合金粉末
綜合分析可以看出，Ni基或Co基自熔性合金粉末體系具有良好的自熔性和耐蝕、耐磨、抗氧化性能，但價(jià)格較高;Fe基自熔性合金粉末雖然便宜，但自熔性差，易開裂和氧化。因此，在實(shí)際應(yīng)用中，應(yīng)根據(jù)使用要求合理選擇自熔性合金粉末體系。
二、復(fù)合粉末
復(fù)合粉末主要是指碳化物、氮化物、硼化物、氧化物及硅化物等各種高熔點(diǎn)硬質(zhì)陶瓷材料與金屬混合或復(fù)合而形成的粉末體系。復(fù)合粉末可以借助激光熔覆技術(shù)制備出陶瓷顆粒增強(qiáng)金屬基復(fù)合涂層，將金屬的強(qiáng)韌性、良好的工藝性和陶瓷材料優(yōu)異的耐磨、耐蝕、耐高溫和抗氧化特性有機(jī)結(jié)合起來，能在一定程度上使碳化物免受氧化和分解，從而獲得具有很高耐磨和硬度的涂層，這是是目前激光熔覆技術(shù)領(lǐng)域研究發(fā)展的熱點(diǎn)。其中，碳化物合金粉末和氧化物合金粉末研究和應(yīng)用最多，主要應(yīng)用于制備耐磨涂層。復(fù)合粉末中的碳化物顆?？梢灾苯蛹尤爰す馊鄢鼗蛘咧苯优c金屬粉末混合成混合粉末，但更有效的是以包覆型粉末(如鎳包碳化物、鈷包碳化物)的形式加入。
鎳基碳化鎢粉末
在激光熔覆過程中，包覆型粉末的包覆金屬對芯核碳化物能起到有效保護(hù)、減弱高能激光與碳化物的直接作用，可有效減弱或避免碳化物發(fā)生燒損、失碳、揮發(fā)等現(xiàn)象。
三、陶瓷粉末
陶瓷粉末主要包括硅化物陶瓷粉末和氧化物陶瓷粉末，其中又以氧化物陶瓷粉末(氧化鋁和氧化鋯)為主。氧化鋯比氧化鋁陶瓷粉末具有更低的熱導(dǎo)性和更好的熱抗震性能，因而也常用于制備熱障涂層。由于陶瓷粉末具有優(yōu)異的耐磨、耐蝕、耐高溫和抗氧化特性，所以它常被用于制備高溫耐磨耐蝕涂層。目前，生物陶瓷材料是研究的一個(gè)熱點(diǎn)。
氧化鋯陶瓷粉
陶瓷粉末缺點(diǎn)：與基體金屬的熱膨脹系數(shù)、彈性模量及導(dǎo)熱系數(shù)等差別較大，熔覆層易出現(xiàn)裂紋和孔洞等缺陷，在使用中容易出現(xiàn)變形開裂、剝落損壞等現(xiàn)象。
為了解決純陶瓷涂層中的裂紋及與金屬基體的高強(qiáng)結(jié)合，有學(xué)者嘗試使用中間過渡層并在陶瓷層中加入低熔點(diǎn)高膨脹系數(shù)的CaO、SiO2、TiO2等來降低內(nèi)部應(yīng)力，緩解了裂紋傾向，但現(xiàn)有的研究表明，純陶瓷涂層的裂紋和剝落問題并未得到很好解決，因此有待于進(jìn)一步深入研究。
目前對激光熔覆生物陶瓷材料的研究主要集中在Ti基合金、不銹鋼等金屬表面進(jìn)行激光熔覆的羥基磷灰石(HAP)、氟磷灰石以及含Ca、Pr等生物陶瓷材料上。羥基磷灰石生物陶瓷具有良好的生物相容性，作為人體牙齒早已受到國內(nèi)外有關(guān)學(xué)者的廣泛重視?？傮w來說激光熔覆生物陶瓷材料的研究起步雖然較晚，但發(fā)展非常迅速，是一個(gè)前景廣闊的研究方向。
四、其他金屬粉末
除以上幾類激光熔覆粉末材料體系，目前已開發(fā)研究的熔覆材料體系還包括：銅基、鈦基、鋁基、鎂基、鋯基、鉻基以及金屬間化合物基材料等。這些材料多數(shù)是利用合金體系的某些特殊性質(zhì)使其達(dá)到耐磨、減摩、耐蝕、導(dǎo)電、抗高溫、抗熱氧化等一種或多種功能。
1、銅基
銅基激光熔覆材料主要包括Cu-Ni-B-Si、Cu-Ni-Fe-Co-Cr-Si-B、Cu-Al2O3、Cu-CuO等銅基合金粉末及復(fù)合粉末材料。利用銅合金體系存在液相分離現(xiàn)象等冶金性質(zhì)，可以設(shè)計(jì)出激光熔覆銅基自生復(fù)合材料的銅基復(fù)合粉末材料。研究表明，其激光熔覆層中存在大量的自生硬質(zhì)顆粒增強(qiáng)體，具有良好的耐磨性。單際國等利用Cu與Fe具有液相分離和母材與堆焊材料的冶金反應(yīng)特性，采用激光熔覆制備了Fe3Si彌散分布的銅基合金復(fù)合熔覆層。研究表明：激光熔覆過程中，由母材熔化而進(jìn)入熔池的Fe元素與熔池中的Cu合金呈液相分離狀態(tài);進(jìn)入溶池的Fe由于密度小而上浮，上浮過程中與熔池中的Si反應(yīng)生成Fe3Si，F(xiàn)e3Si在激光熔覆層中呈彌散狀梯度分布于α-Cu基體中。
銅基合金粉末
2、鈦基
鈦基熔覆材料主要用于改善基體金屬材料表面的生物相容性、耐磨性或耐蝕性等。研究的鈦基激光熔覆粉末材料主要是純Ti粉、Ti6Al4V合金粉末以及Ti-TiO2、Ti-TiC、Ti-WC、Ti-Si等鈦基復(fù)合粉末。張松等在氬氣氛環(huán)境下，在Ti6Al4V合金表面激光熔覆Ti-TiC復(fù)合涂層，研究表明復(fù)合涂層中原位自生形成了微小的TiC顆粒，復(fù)合涂層具有優(yōu)良的摩擦磨損性能。
鈦基合金粉(TC)
3、鎂基
鎂基熔覆材料主要用于鎂合金表面的激光熔覆，以提高鎂合金表面的耐磨性能和耐蝕性能。J.DuttaMajumdar等在普通商用鎂合金上熔覆鎂基MEZ粉末(成分：Zn：0.5%，Mn：0.1%，Zr：0.1%，RE：2%，Mg：Bal)。研究表明，熔覆層顯微硬度由HV35提高到HV 85～100，并且因?yàn)榫Я＜?xì)化和金屬間化合物的重新分布，熔覆層在3.56wt%NaCl溶液中的抗腐蝕性能比基體鎂合金大大提高。
鎂基合金粉
4、鋁基
SorinIgnat等在WE43和ZE41兩種鎂合金基體上采用3kW的Nd∶YAG激光器側(cè)向送粉熔覆鋁粉，得到了結(jié)合性能良好的熔覆層。研究發(fā)現(xiàn)，涂層硬度值達(dá)到HV0.05120～200，硬度提高的主要原因是Al3Mg2和Al12Mg17金屬化合物的存在。ZMei等在鎂基ZK60/SiC基體上激光熔覆鋁基Al-Zn粉末，得到了冶金良好的熔覆層。研究表明，熔覆層腐蝕電位比標(biāo)準(zhǔn)試樣電位高300mV，而腐蝕電流則至少低3個(gè)數(shù)量級。
鋁基合金粉末
5、鋯基
在純鈦基體上激光熔覆鋯基ZrAlNiCu合金粉末，并對涂層進(jìn)行了研究分析。發(fā)現(xiàn)，涂層由具有高比強(qiáng)、高硬度的金屬間化合物與少量的非晶相構(gòu)成，具有較好的力學(xué)性能;在ZrAlNiCu合金粉末中添加2wt%B和2.75wt%Si，發(fā)現(xiàn)涂層中非晶含量增加，硬度升高，兩種涂層的最高硬度分別達(dá)到HV909.6和HV1444.8。
鋯基合金粉
五、總結(jié)：
不同熔覆材料的特點(diǎn)、價(jià)格以及熔覆后的性能差別較大，實(shí)際使用時(shí)可根據(jù)不同的加工需求選擇不同性能的合金粉末。通過激光將合金粉末熔覆在工件表面(激光熔覆)，可以在廉價(jià)金屬基材上制備出高性能的合金表面而不影響基體的性質(zhì)，有效降低生產(chǎn)成本，節(jié)約貴重稀有金屬材料。與堆焊、熱噴涂、電鍍等傳統(tǒng)表面處理技術(shù)相比，激光熔覆具有稀釋度小、組織致密、涂層與基體結(jié)合好、適合熔覆材料多、粒度及含量變化大、加工質(zhì)量高、可控性好(可實(shí)現(xiàn)三維自動(dòng)加工)等優(yōu)點(diǎn)。
目前主要應(yīng)用于材料表面改性(如液壓立柱、軋輥、齒輪、燃汽輪機(jī)葉片等)，產(chǎn)品表面修復(fù)(如因磨損而失效的轉(zhuǎn)子、模具、軸承內(nèi)孔等)，修復(fù)后的部件強(qiáng)度可達(dá)原強(qiáng)度的90%以上，且修復(fù)費(fèi)用不到產(chǎn)品換新成本的1/5，更重要的是縮短了維修時(shí)間，有效解決了大型企業(yè)重大成套設(shè)備轉(zhuǎn)動(dòng)部件快速搶修難題。
此外，對關(guān)鍵部件表面通過激光熔覆耐磨抗蝕合金，可以在零部件表面不變形的情況下大大提高零部件的使用壽命。對模具表面進(jìn)行激光熔覆處理，不僅提高模具強(qiáng)度，還可以降低2/3的制造成本，縮短4/5的制造周期。
總的來說激光熔覆技術(shù)是一項(xiàng)具有高科技含量的表面改性技術(shù)與裝備維修技術(shù)，其研究和發(fā)展具有重要的理論意義和經(jīng)濟(jì)價(jià)值。
激光熔覆材料是制約激光熔覆技術(shù)發(fā)展和應(yīng)用的主要因素。目前在研制激光熔覆材料方面雖取得了一定進(jìn)展，但與按照設(shè)計(jì)的熔覆件性能和應(yīng)用要求定量地設(shè)計(jì)合金成分還存在很長距離，激光熔覆材料遠(yuǎn)未形成系列化和標(biāo)準(zhǔn)化，尚需要加大力度進(jìn)行深入研究。
此文感謝資料提供：賽億快速制造、智匯設(shè)計(jì)機(jī)器人