激光熔覆技术研究进展.pdf
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1、第 1 期激光熔覆技术研究进展王明明1,2,刘伟1,2,伏利1,2,张磊1,2,陈小明1,2(1.水利部产品质量标准研究所,浙江 杭州310012;2.浙江省水利水电装备表面工程技术研究重点实验室,浙江 杭州310012)冶 金 与 材 料Metallurgy and materials第 44 卷 第 1 期2024 年 1 月Vol.44 No.1Jan.2024摘要:文章综述了激光熔覆技术的研究进展,内容涉及激光熔覆的基本原理、材料选择、工艺参数控制、设备配置以及工业应用等方面。激光熔覆因其热影响区小、结合强度高等特点,在材料表面性能提升方面展示出巨大应用前景。文章概述了激光熔覆材料的选
2、择准则、金属/陶瓷/复合材料的研发状况,解析了激光/扫描/气体保护参数的优化策略,讨论了激光器/喷嘴/控制系统等设备的发展方向,并列举了航空航天、汽车、冶金等领域中的应用实例。激光熔覆技术与装备的进一步创新,将推动该技术在减少生命周期成本、提升产品可靠性等方面的重要作用。关键词:激光熔覆;工艺参数;设备配置;工业应用基金项目:水利部重大科技项目(SKS-2022113)。作者简介:王明明(1985),男,内蒙古赤峰人,主要从事表面腐蚀防护、水利机械及其再制造方面的研究工作。激光熔覆技术是利用高功率激光作为热源,使熔覆材料熔化后沉积在被覆材料表面,生成熔覆层的技术。与传统的熔覆技术相比,激光熔覆
3、具有热影响区小、结合强度高、对被覆材料几乎无需预处理等优点,可实现局部精确修复。激光熔覆层与基体间具有梯度结构,有利于减轻热应力和残余应力,提高结合强度。激光熔覆技术自 20 世纪 60 年代提出以来,随着激光技术和材料科学的发展,已成为表面工程领域应用广泛的一项关键技术。与气炬熔覆相比,激光熔覆热影响区窄、残余应力小,对基体的热影响很小。与等离子喷涂相比,激光熔覆层与基体之间焊接牢固,结合强度高。与电子束熔覆相比,激光熔覆可以进行非真空操作,并易于实现自动化。总体来说,激光熔覆综合了熔覆过程中激光的高功率密度、准直性强、控制灵活性高等优点,使其在材料表面改性方面优势明显。激光熔覆技术可以在金
4、属或非金属材料表面形成特定成分和性能的覆层,实现赋予材料表面独特的抗磨性、抗腐蚀性、抗氧化性、抗高温性、抗疲劳性等多功能,极大扩展了材料的应用范围。激光熔覆技术已广泛应用于航空航天、汽车、模具、冶金、机械、化工、光伏、生物医疗等众多工业领域,对提高产品性能和寿命意义重大。1激光熔覆材料研究1.1激光熔覆材料的选取与特点选择合适的熔覆材料对获得优质熔覆层至关重要。一般需要优良的激光吸收性能,并考虑材料的熔点、密度、扩散性、残余应力等参数。常用材料包括金属粉末(钴基、镍基等)、陶瓷粉末(氧化铝、碳化硅等)以及由上述材料制成的预合金化合物或混合物。也可使用不同材料设计出功能梯度材料。熔覆材料除了激光
5、吸收性能好外,还需要熔点适中、稳定性高、与基体有良好的润湿性和冶金耦合性。金属熔覆材料可提供良好的延展性和致密性,而陶瓷熔覆材料具备高硬度和化学稳定性。通过合理选择材料可以获得兼具多种性能的复合熔覆层。1.2激光熔覆材料的功能与性能通过选用不同的激光熔覆材料,可获得优异的高硬度抗磨损性能、抗腐蚀性能、抗热疲劳性能、抗氧化性能、耐高温性能、生物相容性等,赋予被覆材料表面综合优异的性能。熔覆层性能与材料组成及成分的量级、激光工艺参数等因素密切相关。如选择WxC-NiCrBSi等金属陶瓷复合材料可以获得既具备金属延展性,又具备陶瓷高硬度的抗磨熔覆层咱1暂。采用 Inconel 718 合金熔覆材料可
6、获得高温抗蚀和抗氧化的熔覆层咱2暂。氮化硼熔覆材料可提供非常高的表面硬度。钛合金熔覆材料可获得优异的生物相容性熔覆层。1.3激光熔覆材料的研究现状与发展趋势激光熔覆的材料成分是影响熔覆涂层性能很重要的一个因素,随着工程零件应用环境越来越复杂、恶劣,要求涂层的功能越来越多样,性能越来越优异,因此单一涂层材料已不能满足应用要求,涂层材料的复合成为人们解决这一问题的非常重要的途径咱3-4暂遥目前激光熔覆材料配方常用的有:自熔性合金材料、碳化物弥散或复合材料、复合陶瓷材料等咱5暂。这类材73冶金与材料第 44 卷料拥有优秀的耐磨、耐蚀、耐高温等性能,在冶金、海洋装备、航空航天、核电等领域得到广泛应用,
7、因此激光熔覆材料配方的研究得到国内外学者的密切关注。国际上,传统金属熔覆材料如镍基、钴基、钛基合金的研究较为成熟,当前正致力于开发高温合金和功能梯度材料咱6暂。传统陶瓷类熔覆材料如氧化铝、氮化硅性能较为稳定,现有研究探索高温抗氧化的陶瓷复合物。金属-陶瓷复合熔覆材料的研究较多咱7暂,其拥有金属韧性与陶瓷硬度的优势,也有将生物活性材料用于医疗领域的尝试咱8暂。欧美日韩等技术先进国家对激光熔覆技术研究较早。其中,德国弗劳恩霍夫激光技术研究所开展了各类金属材料如钛合金、铝合金、铬合金等的激光熔覆基础研究;美国奥克里奇国家实验室致力于开发高效低成本的激光熔覆系统;日本的众多企业,如住友重机械、三菱重工
8、等也从事激光增材制造设备的研发与生产。国内传统金属熔覆材料应用较广,自 2010 年后,研究机构和高校如北京航空航天大学、西北工业大学和中国科学院沈阳自动化研究所等在激光熔覆技术上取得较大进展。目前重点关注工业应用,开展了航空发动机叶片翻新、金属功能梯度材料、金属间化合物涂层等方面的研究,部分技术已达到国际先进水平。各地企业如深圳光韵激光等也在稳步发展。目前,陶瓷熔覆材料国产化取得一定进展,但距高性能材料还有差距;复合熔覆材料研究起步较晚,正在由模拟向自主设计发展。展望未来,国内外激光熔覆材料正从传统向创新方向发展。研究重点正在从单一材料向复合材料,特别是金属陶瓷复合材料方向发展,以获得更优异
9、的综合性能。同时也在开发适用于特殊环境下的新型熔覆材料,如高温抗氧化合金、生物相容材料等。2激光熔覆工艺研究2.1激光熔覆工艺的基本原理激光照射熔覆材料形成熔池,熔融的熔覆材料通过毛细作用渗入被覆材料表面,然后进行快速凝固,实现材料之间的熔融黏结。熔覆过程可以分为预处理、熔覆、后处理三个阶段,预处理包括清洗基体,提高表面粗糙度等,熔覆阶段是形成覆层的关键步骤,后处理包括热处理消除残余应力等。2.2激光熔覆工艺的影响因素与优化方法激光熔覆工艺主要影响因素有激光参数、扫描速度、喷嘴参数、气体保护等。激光熔覆过程参数的调控与优化策略是获得优质熔覆层的关键。针对主要的过程参数,研究者提出许多有效的调节
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