激光熔覆技術(shù)的發(fā)展

激光熔覆技術(shù)的發(fā)展

1等離子熔覆法表面焊接技術(shù)是堆焊技術(shù)的延伸。通過合理的工藝，在盡可能低的稀釋率下，焊接材料的融化，形成金屬絲，并獲得具有良好性能的表面焊接層。表面熔覆技術(shù)綜合了表面涂層技術(shù)和復(fù)合材料技術(shù)的優(yōu)勢(shì),可以根據(jù)零部件的不同需求,以較低的成本在材料表層制備出滿足高耐磨性要求的、以陶瓷顆粒為增強(qiáng)相的復(fù)合材料,既能充分發(fā)揮基體材料的強(qiáng)韌性優(yōu)勢(shì),又能在表面獲得極高的耐磨性,并且耐磨層和基體為冶金結(jié)合,從而使整體性能獲得大幅度提高。表面熔覆方法很多,如激光熔覆、等離子熔覆、感應(yīng)熔覆、氧乙炔熔覆以及氬弧熔覆等。其中激光熔覆始于20世紀(jì)70年代,該工藝可獲得較厚的涂覆層,易實(shí)現(xiàn)選區(qū)熔覆,且熱變形小,覆層成分及稀釋率可控。但也有其顯著缺點(diǎn):如設(shè)備昂貴,投資較高;熔覆前的準(zhǔn)備工作量大,工藝條件復(fù)雜;對(duì)工件和工藝要求高,成本高,不易在施工現(xiàn)場(chǎng)操作,生產(chǎn)環(huán)境要求高等。另外適用于激光熔覆的材料的范圍有限,目前大部分是沿用熱噴涂材料,不能充分發(fā)揮激光處理的特性。目前,激光熔覆基本停留在試驗(yàn)研究階段。等離子熔覆技術(shù)是以聯(lián)合型或轉(zhuǎn)移型等離子弧為熱源,熔化焊絲或者合金粉末作為填充金屬來制備熔敷層。與其他方法相比,等離子弧弧柱穩(wěn)定,溫度高,熱量集中,規(guī)范參數(shù)可調(diào)性好,熔敷效率高,可通過參數(shù)調(diào)節(jié)獲得熔深淺而熔寬寬的熔敷層,符合表面工程的基本要求,但其缺點(diǎn)是設(shè)備成本高、噪音大、紫外線強(qiáng),產(chǎn)生臭氧污染,不符合可持續(xù)發(fā)展的先進(jìn)加工技術(shù)要求。熱噴涂法是通過火焰、電弧或等離子體等熱源,將某種線材或粉末狀的材料加熱至熔化或半熔化狀態(tài),并加速形成高速熔滴噴向基體,形成涂層,從而對(duì)材料表面性能等進(jìn)行強(qiáng)化或再生,起到保護(hù)作用。熱噴涂法有許多優(yōu)點(diǎn):可供噴涂的材料很多,如陶瓷、金屬、塑料、玻璃及混合物,也可以將不同的材料組成的涂層重疊,形成復(fù)合涂層;用被噴涂的構(gòu)件尺寸不受限制;可自由選擇涂層厚度;如采用高溫火焰噴射,對(duì)被噴涂構(gòu)件的熱影響和熱變形小。噴涂設(shè)備簡單,可直接將設(shè)備搬至現(xiàn)場(chǎng)噴涂,操作工序少,效率高,涂層形成速度快。但噴涂法涂層與基體的結(jié)合強(qiáng)度不高(30~50MPa),而且局部高溫容易使材料的微觀結(jié)構(gòu)變化而影響涂層性能,而且作業(yè)環(huán)境差,粉塵污染嚴(yán)重,噴涂材料利用率低。而氬弧熔覆技術(shù)相對(duì)于以上幾種熔覆技術(shù)而言,具有其獨(dú)有的特點(diǎn)。2弧熔覆技術(shù)近年來,隨著氬弧焊接工藝的研究開發(fā),給電弧熱源用于熔覆帶來了新的生機(jī)。氬弧熔覆不同于激光熔覆、氧-乙炔火焰熔覆、等離子熔覆和感應(yīng)熔覆等表面熔覆技術(shù),氬弧熱量集中,能量密度介于自由電弧和壓縮弧之間,而且一般實(shí)行手工操作,靈活性高。采用氬弧熔覆制備的涂層在加熱冷卻過程中無氧化燒損現(xiàn)象。氬弧熔覆技術(shù)同樣可以有效地提高熔覆材料的表面硬度,改善材料表面耐磨性,而且具有投資和運(yùn)行費(fèi)用低、操作方便、結(jié)合牢固等優(yōu)點(diǎn)。氬弧熔覆主要有合金焊絲氬弧直接熔入法、預(yù)涂合金粉末氬弧直接熔入法和合金元素間接熔入法。氬弧熔覆有較多優(yōu)點(diǎn):熔池在氬氣的保護(hù)作用下,合金元素?zé)龘p很少,因而是一種主要的熔覆方法,此方法不僅可使表面強(qiáng)化而且能得到較大的熔深。熔覆時(shí),電極和電弧區(qū)及熔化金屬都處于氬氣保護(hù)中,隔離了空氣對(duì)熔化金屬的有害作用,減少了熔池中合金元素的燒損和氧化損失;同時(shí)其設(shè)備價(jià)格較為低廉且操作方便,使得氬弧熔覆表面強(qiáng)化技術(shù)易于普及。而且氬弧熔覆對(duì)一些激光熔覆難以實(shí)現(xiàn)的大件,如高壓閥閥座等、基體形狀復(fù)雜、野外作業(yè)的現(xiàn)場(chǎng)熔覆等可望采用氬弧熱源進(jìn)行熔覆。氬弧熔覆技術(shù)是一種實(shí)用性很強(qiáng)的表面強(qiáng)化技術(shù),目前在生產(chǎn)中已得到應(yīng)用。3涂層的顯微硬度和相對(duì)耐磨性王旭將不同比例的Ni35B和SiC粉涂覆于Q235鋼基體上,然后采用氬弧進(jìn)行熔覆。結(jié)果表明,工藝相同的條件下,組織結(jié)構(gòu)隨成分變化而變化,SiC含量從高到低變化過程中,熔覆層顯微組織逐漸細(xì)化,加入SiC的合理比例為70%。熔覆層組織形態(tài)主要是枝晶和網(wǎng)狀或球狀合金化合物。熔覆層表面硬度達(dá)55HRC,斷面顯微硬度1050HV,熔覆層中只有γ-Ni(Me)、Ni5Si2、Ni3Si等相。唐琳琳等利用正交試驗(yàn)法,經(jīng)方差分析優(yōu)化合金粉末配比,采用鎢極氬弧熔敷法制備了Fe基熔敷層。熔敷材料為工業(yè)用鈦鐵、釩鐵粉、鉻鐵粉和石墨,將不同配比的合金粉末與一定量的水玻璃混合,涂覆于經(jīng)過預(yù)處理的Q235鋼基體上。經(jīng)金相顯微鏡,硬度測(cè)試表明:熔敷層中原位形成的顆粒尺寸細(xì)小,均勻彌散地分布在Fe基體中。所得涂層與基體不是機(jī)械結(jié)合,而是呈良好的冶金結(jié)合,且無氣孔和裂紋等缺陷。同時(shí)最高硬度值可達(dá)780HV左右,約為基體的4倍。楊皓宇等采用氬弧熔覆技術(shù),在45鋼表面制備出WC顆粒增強(qiáng)的耐磨復(fù)合涂層。XRD結(jié)果表明,熔覆層組織呈現(xiàn)出垂直于結(jié)合界面逆熱擴(kuò)散方向的特點(diǎn),具有典型的定向凝固特征,熔覆層底部枝晶向基體延伸。部分WC顆粒彌散于熔覆層,熔覆層的顯微硬度分布呈梯度變化,表層最高可達(dá)1277.1HV0.1,過渡區(qū)硬度也高于基體,熔覆層的耐磨性大約是基體(45鋼)的6倍。王永東等采用膠水將鉬粉、硅粉的混合粉末調(diào)成糊狀涂覆于Q235鋼基體上,經(jīng)100℃×2h烘干,再利用氬弧熔覆技術(shù)在基材表面原位合成了FeMoSi/Fe3Si金屬硅化物復(fù)合涂層,組織分析和性能測(cè)試表明:涂層組織均勻、致密、無氣孔、裂紋等缺陷,涂層與基體之間為冶金結(jié)合,并且復(fù)合涂層有FeMoSi和Fe3Si相生成,涂層顯微硬度達(dá)1000HV0.2,復(fù)合涂層的相對(duì)耐磨性是基體Q235鋼的近11倍。王永東等以Fe粉、Ti粉和B粉為原料,利用氬弧熔覆技術(shù)在Q235鋼基材表面制備出TiB/FeB增強(qiáng)Fe基復(fù)合涂層,結(jié)果分析表明:涂層組織均勻、致密、無氣孔、無裂紋,達(dá)到了冶金結(jié)合。TiB、FeB顆粒相均勻彌散分布于α-Fe基體中,復(fù)合涂層的顯微硬度最高達(dá)1100HV0.2,耐磨性是基體的12倍左右。汪選國將不同配比的高碳鉻鐵、低碳鉻鐵、鉬鐵、釩鐵、鎢鐵、錳鐵、硅鐵、鐵粉、稀土的合金粉末混合均勻后用水玻璃調(diào)勻涂敷在Q235基體的表面,然后將其烘干。但需要注意的是要加入一定的溶劑以清除合金粉末和基體表面的氧化膜,并起造渣作用,保護(hù)液態(tài)金屬不被氧化。再用鎢極氬弧對(duì)涂層進(jìn)行加熱,所得涂層與基體為冶金結(jié)合,耐磨覆層中基體的硬度為500~960HV,碳化物的硬度為1400~1700HV,覆層的耐磨性是基體的5.8倍。王永東等利用氬弧熔覆技術(shù)將Ti粉、C粉、WC和Ni60A粉熔覆于Q235鋼基體表面。經(jīng)SEM和XRD分析表明,涂層的組織由熔覆層,結(jié)合帶和基體三部分組成,其中復(fù)相涂層由TiC、(Ti,W)C、Cr23C6顆粒相和基體γ-Ni組成,涂層的平均硬度約為1100HV,且硬度分布均勻,是基體的4倍,相對(duì)耐磨性是基體Q235鋼的近13倍。史曉萍等以WC、SiC和Ni60A粉為原料,采用氬弧熔覆技術(shù)在Q345鋼基體表面制備出WC+γ-Ni5Si2增強(qiáng)Ni基復(fù)合涂層。結(jié)果表明,熔覆層與基體呈良好的冶金結(jié)合,無氣孔、裂紋等缺陷。涂層表面顯微硬度是基體的4倍以上,可達(dá)1200HV0.2,耐磨性明顯優(yōu)于基體和Ni60A涂層,氬弧熔覆涂層的耐磨性是基體的12倍。王振廷等將質(zhì)量比Zr∶Ti∶B4C∶Fe=6∶6∶8∶3的混合粉末采用氬弧熔覆技術(shù)在Q235鋼基體上制備涂層,結(jié)果表明,熔覆層內(nèi)部組織均勻,涂層與基體為良好的冶金結(jié)合,涂層由ZrC、TiB2和α-Fe組成,涂層的顯微硬度均值為14GPa,耐磨性是Q345D鋼的18倍。李剛等研究了熔覆速度對(duì)氬弧熔覆鐵基合金涂層組織及性能的影響。利用氬弧熔覆技術(shù),在廉價(jià)的Q235鋼材表面制備了鐵基合金涂層,涂層成分除Fe外為W∶Cr∶B∶Ni∶Si=2∶20∶2∶5∶2.5。在工作電流一定的情況下,適當(dāng)提高熔覆速度,可使熔覆層組織獲得有效的細(xì)化,獲得較好的耐磨性;熔覆速度增加,涂層合金的硬度增加,采用256mm/min熔覆速度時(shí),熔覆層硬度可達(dá)到820HV,耐磨性最好。4增強(qiáng)ni3si/ni基復(fù)合涂層氬弧熔覆Ni基復(fù)合涂層是氬弧熔覆技術(shù)中研究及應(yīng)用最多的熔覆涂層。劉宗德等用氬弧熔覆法在鎳基高溫合金基體上原位反應(yīng)合成了Mo∶B原子比為0.8~1.2的Mo-Ni-B系三元硼化物熔覆層。XRD分析表明,熔覆層主要由M3B2硬質(zhì)相和Ni、Mo等金屬或合金形成的粘結(jié)相組成。反應(yīng)界面結(jié)合良好,Mo-Ni-B系熔覆層的顯微硬度為700~800HV,為基體的2.5倍左右;腐蝕深度0.19~0.93m/h,耐蝕性為1級(jí)。當(dāng)Mo∶B=1.0時(shí)耐蝕性最佳。李炳等研究了氬弧熔覆工藝參數(shù)對(duì)Ni60+WC系熔覆層組織和耐磨性的影響。結(jié)果表明,熔覆工藝發(fā)生變化時(shí),其顯微組織和硬度以及耐磨性發(fā)生了明顯的變化,當(dāng)輸入電流為85A、熔覆速度為8mm/s時(shí),熔覆Ni60及Ni60+WC(含量在50%以下)系合金層,與輸入電流為130A、熔速為4mm/s相比,其耐磨性可提高20%左右。郝建軍等以Ni60A和鑄造WC混合合金粉末為原料,其中鑄造WC占40%,采用預(yù)置法在Q235普通碳素鋼上制備了WC增強(qiáng)鎳基涂層,采用直流正接對(duì)試樣進(jìn)行搭接燒熔,道次重疊率為30%~50%,鎢極直徑2mm,電流150A,電壓20V,鎢極移動(dòng)速率60mm/min,熔覆后放入保溫箱中緩冷。結(jié)果表明,熔覆層組織致密,基體、熔合區(qū)、熔覆層三者之間晶界連續(xù)。熔覆層組織中同時(shí)存在亞共晶組織、共晶組織和過共晶組織,這三種組織的有機(jī)結(jié)合,耐磨性優(yōu)于65Mn淬火鋼。王永東等利用氬弧熔覆技術(shù)以質(zhì)量分?jǐn)?shù)為20%SiC和80%Ni60A的合金粉末為原料在Q235鋼基體上制備陶瓷涂層。結(jié)果表明。熔覆層由γ-Ni、M7C3和彌散分布的Ni3Si枝晶組成,并且組織均勻、致密、無氣孔、裂紋,涂層與基體之間為冶金結(jié)合。涂層的平均硬度約為1100HV0.2,耐磨性是基體的13倍左右。王永東等以碳粉、鈮粉和Ni60A粉為原料,利用氬弧熔覆技術(shù)在Q345鋼基材表面原位合成了NbC增強(qiáng)Ni基復(fù)合涂層。結(jié)果表明,復(fù)合涂層由γ-Ni、Cr23C6、NbC和α-Fe相組成,涂層與基材間的結(jié)合為完全的冶金結(jié)合,過渡區(qū)無氣孔和裂紋等缺陷。涂層的平均硬度約為1000HV0.2,向基體方向逐漸降低,呈梯度分布。在常溫干滑動(dòng)磨損條件下耐磨性明顯優(yōu)于基體,約為Q345鋼的11倍。李文虎等將鈦粉、鎳粉、硅粉和羥基鐵粉為原料,采用氬弧熔覆技術(shù)制備了TiC-Ni3Si/Ni基復(fù)合涂層。分析表明,復(fù)合涂層的主要物相為TiC、Ni3Si和γ-Ni(Fe);在熔覆界面處,熔覆層組織與基體組織結(jié)合界面比較緊密、完整,基體與覆層的熔合較好,無缺陷,實(shí)現(xiàn)了冶金結(jié)合;平均顯微硬度9.457GPa,為鋼基體平均顯微硬度的4.78倍;常溫干磨損是基體室溫磨損量的11.84%。李炳等分別將Ni60、Ni60加不同含量WC及Ni60+30%WC加不同含量Nb的粉末采用氬弧熔覆技術(shù)在4Cr13鋼上制備涂層。發(fā)現(xiàn)加入WC和Nb的涂層組織明顯細(xì)化,硬度和耐磨性隨WC含量的增加而提高,Ni60熔覆層顯微硬度600HV,而Ni60+30%WC熔覆層硬度可達(dá)900HV,磨損量是原來的1/7。而Nb多數(shù)存在于先共晶析出的合金共熔體中,從而Nb含量的增加對(duì)硬度和耐磨性影響不是很大。張傳明等采用氬弧熔覆工藝在Q235鋼基體上獲得了鎳基合金熔覆層。將F102Fe合金粉末用水玻璃調(diào)成料漿均勻涂覆于經(jīng)過預(yù)處理的Q235鋼基體上。結(jié)果表明:在熔透的情況下,增大電流或減少熔覆層的厚度,組織由共晶向亞共晶方向發(fā)展;在相同的組織條件下,增大電流可使合金組織粗化,隨之熔覆層的硬度下降,工作電流為60A時(shí),顯微硬度720HV,而工作電流為100A時(shí),顯微硬度下降為530HV,耐蝕性也降低,但塑性有所改善。而當(dāng)合金組織細(xì)密、枝品相比率較小時(shí)涂層通常具有良好的力學(xué)性能和耐腐性能。5納米結(jié)構(gòu)材料的其它應(yīng)用農(nóng)業(yè)機(jī)械的工作環(huán)境比較惡劣,很多農(nóng)機(jī)部件在其使用過程中會(huì)有不同的磨損,其中農(nóng)機(jī)刀具對(duì)耐磨性的要求較高,犁鏵在農(nóng)業(yè)耕作過程中,與土壤、砂石、根茬等相互接觸摩擦,磨損非常嚴(yán)重,使犁鏵碎土能力下降,入土性能變壞,耕深穩(wěn)定性變差,從而增加了作業(yè)成本,影響效率。郝建軍等研究了氬弧熔覆Ni60A耐磨層在農(nóng)機(jī)刀具上的應(yīng)用。將Ni60A自熔合金粉末與水玻璃按比例配好,均勻涂敷于Q235鋼基體上,烘干后采用直流正接進(jìn)行搭接熔燒,然后置于保溫箱中緩冷至室溫。結(jié)果表明:涂層與基體形成了冶金結(jié)合,從界面到熔覆層表面依次為粗大的樹枝晶、較細(xì)的樹枝晶和細(xì)小的無方向晶粒。磨損試驗(yàn)時(shí)對(duì)磨材料選用830℃淬火和540℃回火的65Mn鋼,熔覆涂層的耐磨性有所提高。當(dāng)熔覆層應(yīng)用于農(nóng)機(jī)刀具時(shí),分別選用上述實(shí)驗(yàn)方法修復(fù)的廢棄甩刀和用65Mn新制甩刀進(jìn)行對(duì)比。磨損試驗(yàn)表明,修復(fù)甩刀熔覆層結(jié)合良好,無剝落和脫皮,而65Mn甩刀上有明顯的劃痕和犁溝。修復(fù)每把甩刀費(fèi)用低,卻將甩刀的壽命延長2~4倍?？梢?熔覆法修復(fù)甩刀不僅延長了甩刀的使用壽命,減少了換刀次數(shù),節(jié)省農(nóng)時(shí),還降低了成本。郝建軍等也研究了氬弧熔覆原位合成Ni基耐磨層在犁鏵上的應(yīng)用。利用氬弧熔覆技術(shù),在廉價(jià)的碳鋼表面原位合成了TiC/Ni基復(fù)合材料涂層。合金粉末選質(zhì)量百分比分別為75%Ni基自熔合金粉、20%純Ti粉和石墨粉,其中純Ti粉和石墨按TiC的化學(xué)配位比1∶1進(jìn)行配比,并在合金粉中加入5%的CaF2,以增加