等离子熔覆技术的研究现状及展望

科技创新导报2018 NO.32Science and Technology Innovation Herald工业技术

科技创新导报 Science and Technology Innovation Herald53①作者简介：姜波（1981—），男，汉族，山东泰安人，本科，工程师，研究方向：非标装备研发。DOI：10.16660/ki.1674-098X.2018.32.053激光熔覆技术研究现状与发展①姜波 李金朋(北京机科国创轻量化科学研究院有限公司 北京 100083)摘 要：本文介绍了激光熔覆技术的研究进展、应用及未来的发展方向。通过对比传统的金属表面强化和修复技术，强调了激光熔覆技术的特点；详细介绍了激光熔覆技术中用到的预置涂层法和同步送粉两种工艺方法，并讲解了熔覆材料体系、激光熔覆层的性能及在航空航天、汽车等工业领域内的应用； 最后提出了目前激光熔覆技术存在的关键问题和未来发展方向及趋势。关键词：激光熔覆 研究现状 工艺方法 工业应用中图分类号：TM621.3 文献标识码：A 文章编号：1674-098X(2018)11(b)-0053-02激光熔覆是指所选用的涂层材料通过不同方法添加到基材表面，利用高功率密度激光束使涂层材料和基材表面发生熔合、并快速凝固,从而形成耐磨、耐蚀、抗氧化的冶金结合的表面涂层。主要应用于激光修复再制造技术和增材成形技术等领域。1 激光溶覆技术特点及熔覆层性能在工业中应用，与堆焊、 热喷涂和等离子喷焊等传统表面强化技术相比，该技术具有以下优势：①涂层细晶致密均匀，涂层具有硬度较高，耐磨、耐蚀、抗氧化等特性；②熔覆层稀释率低（一般小于5%），对涂层的冲淡率低（一般5%~8%），与基体呈冶金结合，可形成较薄的涂层，降低涂层料成本；③激光熔覆热影响区（HAZ）区域小，变形小，保证了成形性和力学性能；④工艺可采用数字化、自动化控制，覆层均匀，质量稳定，可对难以接近的区域进行熔覆。熔覆涂层是由各种合金粉末和元素的组成，其组成成分的性质、含量和分布状态等特点，使得熔覆层有着良好的耐磨性能和耐蚀性能。这也是在工业中的应用和研究的关键原因。2 激光熔覆工艺方法(1)预置粉末法是通过喷涂或粘结等方法将材料预置于基体合金表面，进行激光束加热，涂覆层与基材表面熔化,熔化的合金快速凝固于基材表面, 形成冶金结合的合金熔覆层。(2)同步送粉（丝）法是通过送粉（丝）装置在激光熔覆的过程中同时将合金粉末（丝）送入熔池, 送粉（丝）与熔覆同步进行，快速形成合金熔覆层；预置粉末结构简单，实施容易，但预置粉末厚度和粘结剂很难控制；同步式送粉，熔覆层均匀，效率高，但送粉装置及粉末要求高。3 激光熔覆材料体系3.1 自熔性合金粉末自熔性合金粉末是指加入具有强烈脱氧和自熔作用的Si, B等元素的合金粉末[1]，Si, B元素能和多数合金元素(如Ni, Co, Fe等)形成低熔点共晶，并可防止液态金属过度氧化, 从而改善熔体对基体金属的浸润能力, 减少熔覆层中的夹杂和氧化物, 提升工艺成形性能。3.2 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,具有隔热、耐蚀、耐磨、抗高温等良好性能。常被用于制备高温耐磨耐蚀涂层和热障涂层。目前, 陶瓷涂层分为纯陶瓷涂层、纯陶瓷涂层、生物陶瓷涂层、反应自生陶瓷涂层[2]。3.3 复合粉末在Ni基、Co基、Fe基自熔性合金 粉末中加入碳化物、氮化物、硼化物、氧化物及硅化物等各种高熔点硬质化合物，与金属混合或复合而形成的粉末体系。该粉末具有金属的强韧性、良好的工艺性和化合物的耐磨、耐蚀、耐高温和抗氧化特性。4 激光熔覆技术工业领域应用4.1 航空航天领域航空航天是最早采用激光熔覆技术的领域。一方面直接用于零部件制造：例如用来制造应用较多的高比强度、耐热、耐疲劳和耐腐蚀新型钛合金零件。近年,A eroMet公司采用激光熔覆成形技术生产的三个Ti6A1-4V零件已经应用在实际飞行中。其中两个F-22上的全尺寸接头是疲劳寿命要求两倍, F/A-8E/F的翼根吊环是疲劳寿命要求4倍[3]。另一方面应用于零件表面改性和零件修复：例如在飞机叶轮叶片、飞船舱体、卫星制件放置平台等零部件表面改良和修复中都能够得到很好的应用。4.2 汽车领域在汽车工业应用中，最先采用激光技术主要用于切割，热处理，随着熔覆技术的发展，逐步发展到柔性增材制造技术。例如发动机的排气门的密封锥形面熔覆Stellite合金是最先采用该技术的汽车零件。意大利菲亚特汽车发动机排气阀座的环形表面和美国的汽车排气阀座都采用激光熔覆耐热合金[4]。目前北京机科国创轻量化科学研究院与广西玉柴合作，在发动机气门座环形表面进行耐磨耐高温合金的熔覆成形，也取得了阶段性成果。4.3 其他工业领域应用在煤碳铁矿行业，例如液压设备、发电机、球磨机、齿轮、洗煤设备等；在水泥建筑行业，例如破碎机主轴、风机主轴、电机转子轴、搅拌机、减速机齿轮轴等；在工程机械Copyright©博看网 . All Rights Reserved.科技创新导报2018 NO.32Science and Technology Innovation Herald工业技术

生　产　琐　猛’　等离子喷涂涂层激光熔覆处理技术的研究　等离子喷涂涂层激光熔覆技术是一种新型表面改性技术。对等离子喷涂的ＡＴ一１　３涂层进行了激　光熔覆处理，建立了连续移动三维瞬态激光熔覆等离子喷涂ＡＴ一１　３涂层温度场的计算模型，据此进　行了有限元优化分析。并用优化的熔覆工艺参数开展了相关的试验研究。获得了均匀、致密、与基　体结合力好的冶金成分熔覆层，熔覆后的涂层性能明显提高。　等离子喷涂是继火焰喷涂之后大力发展起来的一种　新型、多用途的精密喷涂方法。等离子喷涂具有超高温　特性，能够喷涂高熔点的涂层材料；涂层致密，粘结强　度高；涂层材料不易氧化。在基体材料表面采用等离子　喷涂工艺制备涂层，能够大幅度提高基体材料的耐磨、　耐蚀、抗氧化和热冲击性能。随着科学技术的发展，对　涂层材料性能的要求不断提高，与此同时，涂层的制备　工艺也要求不断地改进。另外，对涂层的组织结构、性　能和形成机理的研究也在逐步深入地进行。　激光熔覆是利用高能密度的激光束，使不同成分　和性能的合金与基体表面快速熔化，从而在基体表面　快速形成与基体具有完全不同的成分和性能的合金层　的凝固过程。　层的抗石击性能有很大改善，并且非常稳定。　２结论　（１】新工艺很容易实现，能行之有效地解决现　生产面临的问题。　■　吉林建筑工程学院　宋非非董云峰　●吉林大学曲兴田　１等离子喷涂原理　等离子喷涂是以等离子弧为热源的热喷涂。等离　子弧是一种高能束热源，电弧在等离子喷涂枪中受到　压缩，能量集中，离子束横截面的能量密度可以提高　到１０　～１Ｏ。Ｗ／ｃｍ　，弧柱中心温度可升高到１５　０００　—３３　０００　Ｋ。　图１为等离子喷涂原理图，图中右侧是等离子发　生器。钨极与前枪体之间有一段距离，电源的空载电　压加到喷枪上以后并不能立即产生电弧，接通并联在　前枪体与后枪体之间的高频电源后，钨极端部与前枪　体之间产生火花放电，工作气体经进气管进入，到达　弧柱区后，电弧便被引燃，切断高频电源，此时工作　（２）新工艺要求在电泳烘干室和中涂喷涂室之　间增加一道人工喷涂抗石击涂料的工序，导致成本增　加，因此综合考虑后，决定只在容易受到石击的车身　部位喷涂抗石击涂层即可。　圈　２０１　０年第５期　汽车Ｔ艺与材料ＡＴ＆Ｍ　ｌ　１　３　Ｉ

第２３卷第４期　２００９年１２月　上海工程技术大学学报　ＪＯＵＲＮＡＬ　ＯＦ　ＳＨＡＮＧＨＡＩ　ＵＮＩＶＥＲＳＩＴＹ　ＯＦ　ＥＮＧＩＮＥＥＲＩＮＧ　ＳＣＩＥＮＣＥ　Ｖ０１．２３　Ｎｏ．４　Ｄｅｃ．２００９　

文章编号：ｌ００９　４４４Ｘ（２００９）０４—０３７４—０５　

激光多层熔覆技术的研究现状及发展　

吴培桂，张光钧　

（上海工程技术大学材料工程学院，上海２（）１６２１））　

摘要：对激光多层熔覆成形温度场、激光快速熔凝条件下凝固规律、不同基体材料上的激光多层　

熔覆、激光多层熔覆工艺和激光多层熔覆层耐磨性及其应用等激光多层熔覆技术的最新研究进　

展作了介绍，并对今后激光多层熔覆技术研究工作的重点，提出了想法．　

关键词：激光多层熔覆；工艺参数；功能梯度材料　

中图分类号：ＴＧ　１７８　文献标志码：Ａ　

Ｓｔａｔｕｓ　ａｎｄ　Ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ　ｏｆ　Ｍｕｌｔｉ—ｌａｙｅｒ　Ｌａｓｅｒ　Ｃｌａｄｄｉｎｇ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ　

ＷＵ　Ｐｅｉ—ｇｕｉ，ＺＨＡＮＧ　Ｇｕａｎｇ—ｊｕｎ　

Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅ　ｌａｔｅｓｔ　ｒｅｓｅａｒｃｈ　ｐｒｏｇｒｅｓｓ　ｏｆ　ｍｕｌｔｉ—ｌａｙｅｒ　ｌａｓｅｒ　ｃｌａｄｄｉｎｇ　ｆｏｒｍｉｎｇ　ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ　ｆｉｅｌｄ，ｔｈｅ　ｓｏｌｉｄｉ—　

ｆｉｃａｔｉｏｎ　ｌａｗｓ　ｕｎｄｅｒ　ｌａｓｅｒ　ｒａｐｉｄ　ｍｅｌｔｉｎｇ，ｍｕｌｔｉ—ｌａｙｅｒ　ｌａｓｅｒ　ｃｌａｄｄｉｎｇ　ｏｎ　ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ　ｂａｓｅ　ｍａｔｅｒｉａｌｓ，ｍｅｔｈｏｄｓ　ｏｆ　

ｍｕｌｔｉ—ｌａｙｅｒ　ｌａｓｅｒ　ｃｌａｄｄｉｎｇ，ｗｅａｒ　ｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ　ｏｆ　ｍｕｌｔｉ—ｌａｙｅｒ　ａｎｄ　ｉｔｓ　ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ　ｗｅｒｅ　ｉｎｔｒｏｄｕｃｅｄ．Ｍｏｒｅｏｖｅｒ，　

ｔｈｅ　ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ　ｔｒｅｎｄｓ　ｏｆ　ｍｕｌｔｉ——ｌａｙｅｒ　ｌａｓｅｒ　ｃｌａｄｄｉｎｇ　ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ　ａｎｄ　ｉｔｓ　ｒｅｌａｔｅｄ　ｒｅｓｅａｒｃｈ　ｆｉｅｌｄ　ｗｅｒｅ　ｄｅ——　

２０１３年４月　第４１卷第７期　机床与液压　

ＭＡＣＨＩＮＥ　ＴＯＯＬ＆ＨＹＤＲＡＵＵＣＳ　Ａｐｒ．２０１３　Ｖｏ１．４１　Ｎｏ．７　

ＤＯＩ：１０．３９６９／ｊ．ｉｓｓｎ．１００１—３８８１．２０１３．０７．０５４　

激光熔覆技术研究现状及展望　

王斌修，李成彪　

（青岛理工大学机械工程学院，山东青岛２６６０３３）　

摘要：通过研究激光熔覆技术的现状，综述了激光表面熔覆的特点、工艺方法、材料体系以及当前存在的问题，并展　

望其应用前景和未来的研究重点。　关键词：激光熔覆；工艺方法；裂纹　中图分类号：ＴＧ６６５　文献标识码：Ａ　文章编号：１００１—３８８１（２０１３）７—１９２—３　

Ｒｅｓｅａｒｃｈ　Ｓｔａｔｕｓ　ａｎｄ　Ｐｒｏｓｐｅｃｔｓ　ｏｆ　Ｌａｓｅｒ　Ｃｌａｄｄｉｎｇ　

ＷＡＮＧ　Ｂｉｎｘｉｕ．ＬＩ　Ｃｈｅｎｇｂｉａｏ　

（Ｃｏｌｌｅｇｅ　ｏｆ　Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｑｉｎｇｄａｏ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｃａｌ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｑｉｎｇｄａｏ　Ｓｈａｎｄｏｎｇ　２６６０３３，Ｃｈｉｎａ）　

Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｒｏｕｇｈ　ｒｅｓｅａｒｃｈｉｎｇ　ｓｔａｔｕｓ　ｏｆ　ｌａｓｅｒ　ｃｌａｄｄｉｎｇ，ｔｈｅ　ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ，ｐｒｏｃｅｓｓ　ｍｅｔｈｏｄｓ，ｍａｔｅｒｉａｌ　ｓｙｓｔｅｍ　ａｎｄ　ｅｘｉｓｔｉｎｇ　ｐｒｏｂ－　

ｌｅｍｓ　ｏｆ　ｌａｓｅｒ　ｃｌａｄｄｉｎｇ　ｗｅｒｅ　ｉｎｔｒｏｄｕｃｅｄ．Ｔｈｅ　ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ　ｐｒｏｓｐｅｃｔ　ａｎｄ　ｔｈｅ　ｒｅｓｅａｒｃｈ　ｆｏｃｕｓ　ｉｎ　ｔｈｅ　ｆｕｔｕｒｅ　ｗｅｒｅ　ｆｏｒｅｃａｓｔｅｄ．　Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：Ｌａｓｅｒ　ｃｌａｄｄｉｎｇ；Ｐｒｏｃｅｓｓ　ｍｅｔｈｏｄ；Ｃｒａｃｋ　

激光熔覆技术是材料表面改性技术中的一种重要　

方法，它利用高能激光束（１０　～１０　Ｗ／ｃｍ　），将具　

有不同成分、性能的材料与基材表面快速熔化、扩展