激光熔覆技术及其界面问题发展评述

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1、第18卷第2期金属热处理学报Vol.18No.21997年6月TRANSACTIONSOFMETALHEATTREATMENTJune1997激光熔覆技术及其界面问题发展评述李文关振中(中国科学院长春光学精密机械研究所)摘要介绍了激光表面熔覆技术特点及近期研究进展,讨论了激光熔覆的界面行为、现存问题及发展趋势。关键词激光熔覆界面结构评述激光熔覆适用于局部易磨损、剥蚀、氧化及腐蚀的零部件,它主要有以下优点:界面为冶金结合;组织极细;覆层成分及稀释度可控;覆层厚度较大;热畸变小;易实现选区熔覆,工艺过程易实现自动化。在激光表面处理技术中,激光

2、熔覆已成为较为活跃的研究领域。近年来结合CAD技术兴起的快速原型加工(RapidPrototyping)技术,为激光熔覆又注入了新的活力,使之表现出更加强劲的发展势头。1激光熔覆研究的新进展有关激光熔覆技术的研究报导散见于各种实验报告、学术论文、会议文献及综合评[1～10]论,研究内容可归纳为工艺、设备及理论三方面。111工艺研究11111基材与熔覆材料成分系列已经开发的基材主要有碳钢和合金钢、镍基高温合金、铝、[11]铸铁及超级合金,熔覆材料主要包括陶瓷和合金两大系列。近年来,Grassmam在Ti、Ni、Fe[12]基合金上熔覆了Zr

3、O2与Y2O3混合粉末,为提高弹性模量还添加了TiC粉粒;Wang等在[13]Mg基合金上熔覆了Mg27Al73,Mg53Al47等粉末;Ayrault等在热塑聚合物上熔覆了陶瓷[14][15]涂层;Xiao等在钢材上熔覆了铅铜粉末;杨永强等在热模具上熔覆了WC和MCrAlY(M[53]为Ni,Co)合金粉末;王茂才等在Cu基材上熔覆了PdCuSi合金非晶态覆层。近年来,随工[16]艺研究的深化,获得复合覆层以致梯度功能涂层已成为值得注意的研究方向。欧阳家虎等[17]在45钢上熔覆了TiNp/镍基复合耐磨层,裴宇韬等在2Cr13钢基体上涂

4、覆了ZrO2与Ni[18]合金的混合粉末,形成了分层复合覆层。Haude采用水溶胶系统熔覆碳化物,可得到较厚又[19]非常致密的复合涂层。Abboud等分别在Ni和Fe基合金上熔覆镍铝涂层和铁铝涂层,得到了三层厚达4mm的功能梯度涂层。11112工艺控制及革新影响覆层质量的主要因素是材料参数和工艺参数。工艺参数主要本文收到日期:1996年7月15日初稿,1996年10月28日修改稿本文联系人:李文,男,1965年6月生,博士后,吉林省长春市(130022)长春大学机械学院金工教研室吉林省自然科学基金资助项目46金属热处理学报第18卷包括激

5、光功率P,光斑半径r0,光束作用时间t(或扫描速度v1)和送粉速度v2。这两类参数互相影响,但从实际生产的角度讲,可以认为只有工艺参数可控。一般情况下,对于自送粉激[20]光熔覆过程,工艺参数的选取可分为三种情况:①v1和v2高,P低。因激光能量偏低,基体只能局部熔化,熔化层与基体结合不牢。②v1和v2低,P高。因激光能量过高,熔覆层严重稀释。③适中的v1、v2和P。覆层质量良好,与基体结合牢固。近来,很多研究者深入研[21]究了各工艺参数对覆层质量影响的细节,得到了许多有价值的结果。陈新等在P不变的条件下,研究了r0、功率密度Q、v1与

6、覆层极限厚度之间的关系,发现较大的厚度对应着较大[22]的P、较小的r0和v1。Pelletier等发现,在P和v2给定时,粉末沉积量M与覆层交接面积S成正比,而且随t的增加,在t和v1给定时,S随v1线性增加。在t和v1给定时,v2的3影响较复杂。初始阶段,S与v2成比例,超过一临界值v2,则先注入粉末有屏蔽作用。徐有[23]容等在熔覆Stellite硬质合金的研究中发现,在其它参数不变的条件下,v1提高,基体相γ(Co、Cr)过饱和固溶度随之增大,碳化物析出较少。v1降低,合金层中M7C3析出量随之增[24][25]加,耐磨性提高。张

7、松的研究也发现,以不同v1处理后的15MnV组织不同。窦建清和[26]Jasim的研究发现,v1与残余应力和覆层裂纹萌生有很大关系。上述研究工作表明,工艺参数对覆层质量的影响是极其复杂的。因此在控制工艺参数时,应根据设备能力,以传热分析数理模型为指导,结合熔覆材料和基材的特点,通过具体试验确定最佳工艺参数组合。同时应注意吸纳其它新技术对旧工艺加以改造,以不断开发新工艺。近年来兴起的快速原型加工(简称RP)技术便是一个突出的例子。RP就是直接由CAD图形通过激光熔覆制造出金属、树脂和石蜡的原型实体。在一定时间里,通过自动控制的粉末/激光束中

8、心喷嘴逐层熔覆制成零件,整个涂层仍具有熔覆均匀和晶粒细小的特点。如果最后堆积成的零件内部的性能在所有方向都是均匀的,则此原型甚至可替代铸件,但与传统制造方法相比,在一定条件下,工艺周期及费用将