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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钟助，利用高能激光束輻照，使之作用于基體表面，迅速熔化、擴展和凝固在基材表面的過程，進而形成一層與基底材料相結(jié)合的覆蓋層困碰。這個新生成的覆蓋層能夠顯著改善甚至再造基體材料，使其能夠達到耐磨損汗菜、耐熱彤蔽、耐腐蝕摧莽、抗氧化及其他目標特性。
激光熔覆技術(shù)是一個復(fù)雜的物理顿痪、化學(xué)冶金過程镊辕，激光參數(shù)的設(shè)置對熔覆層質(zhì)量的影響較大。除此之外蚁袭，合金粉末的選擇也是重要的因素掸柏。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)合粉末和陶瓷粉末淆逛。其中椒玖，自熔性合金粉末的在現(xiàn)實中研究與應(yīng)用最多。
一倒你、自熔性合金粉末
自熔性合金粉末可以分為鐵基(Fe)胯夏、鎳基(Ni)、鈷基(Co)合金粉末鼓宿，其主要特點是含有硼(B)和硅(Si)豆出，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的硼硅酸鹽等覆蓋在熔池表面情键，防止液態(tài)金屬過度氧化吵淌，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肯拨，提高熔覆層的工藝成形性能榕每，因而具有優(yōu)異的耐蝕性和抗氧化性。對碳鋼雪猪、不銹鋼栏尚、合金鋼、鑄鋼等多種基材有較好的適應(yīng)性只恨，能獲得氧化物含量低译仗、氣孔率小的熔覆層。但對于含硫鋼官觅，由于硫的存在纵菌，在交界面處易形成一種低熔點的脆性物相，使得覆層易于剝落休涤，因此應(yīng)慎重選用咱圆。
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功氨，其最大優(yōu)點是材料來源廣泛序苏、成本低且抗磨性能好。缺點是熔點高、抗氧化性差忱详，熔覆層易開裂围来、易產(chǎn)生氣孔等。在鐵基合金粉末成分中阿座，通過調(diào)整合金元素含量來調(diào)整涂層的硬度乃衫，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腮哩，從而提高熔覆層的耐磨性和韌性额神。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
近年來晦苞，有關(guān)激光熔覆的研究央改，不少人圍繞鐵基粉末中加入其它成分進行實驗。結(jié)果表明浊娄，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沸幅，提高了熔覆層的耐腐蝕能力矗夯。
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、耐蝕性聪弊、高溫自潤滑作用和適中的價格在激光熔覆材料中研究最多施翰、應(yīng)用最廣。
鎳基合金粉末
鎳基(Ni)自熔性合金粉末在滑動购城、沖擊磨損和磨粒磨損嚴重的條件下吕座，單純的自熔性合金粉已不能勝任使用要求，此時可在自熔性合金粉末中加入各種高熔點的碳化物瘪板、氮化物吴趴、硼化物和氧化物陶瓷顆粒，制成金屬復(fù)合涂層侮攀。
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)良的耐熱锣枝、耐蝕、耐磨兰英、抗沖擊和抗高溫氧化性能撇叁，常被應(yīng)用于石化、電力畦贸、冶金等工業(yè)領(lǐng)域的耐磨耐蝕耐高溫等場合陨闹。Co基自熔性合金潤濕性好，其熔點較碳化物低薄坏，受熱后Co元素最先處于熔化狀態(tài)趋厉，而合金凝固時它最先與其它元素形成新的物相，對熔覆層的強化極為有利。目前桃铛，鈷基合金所用的合金元素主要是鎳肋森、碳、鉻和鐵等假磺。其中烈杠，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)間努扶，有效防止熔覆層產(chǎn)生裂紋跃百，提高熔覆合金對基體的潤濕性。
鈷基合金粉末
綜合分析可以看出晦了，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患刻、耐磨、抗氧化性能普统，但價格較高;Fe基自熔性合金粉末雖然便宜杠锻，但自熔性差，易開裂和氧化埋村。因此珍特，在實際應(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魔吐。
二扎筒、復(fù)合粉末
復(fù)合粉末主要是指碳化物、氮化物酬姆、硼化物嗜桌、氧化物及硅化物等各種高熔點硬質(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金屬基復(fù)合涂層辞色，將金屬的強韌性骨宠、良好的工藝性和陶瓷材料優(yōu)異的耐磨、耐蝕淫僻、耐高溫和抗氧化特性有機結(jié)合起來诱篷，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雳灵，這是是目前激光熔覆技術(shù)領(lǐng)域研究發(fā)展的熱點棕所。其中，碳化物合金粉末和氧化物合金粉末研究和應(yīng)用最多悯辙，主要應(yīng)用于制備耐磨涂層地垢。復(fù)合粉末中的碳化物顆粒可以直接加入激光熔池或者直接與金屬粉末混合成混合粉末预署，但更有效的是以包覆型粉末(如鎳包碳化物尊伟、鈷包碳化物)的形式加入惑拙。
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野疟、減弱高能激光與碳化物的直接作用插呜，可有效減弱或避免碳化物發(fā)生燒損、失碳廷碴、揮發(fā)等現(xiàn)象砾楞。
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就用，其中又以氧化物陶瓷粉末(氧化鋁和氧化鋯)為主顿豹。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霉处。由于陶瓷粉末具有優(yōu)異的耐磨跋擅、耐蝕、耐高溫和抗氧化特性嫌松，所以它常被用于制備高溫耐磨耐蝕涂層沪曙。目前，生物陶瓷材料是研究的一個熱點豆瘫。
氧化鋯陶瓷粉
陶瓷粉末缺點：與基體金屬的熱膨脹系數(shù)珊蟀、彈性模量及導(dǎo)熱系數(shù)等差別較大，熔覆層易出現(xiàn)裂紋和孔洞等缺陷外驱，在使用中容易出現(xiàn)變形開裂、剝落損壞等現(xiàn)象腻窒。
為了解決純陶瓷涂層中的裂紋及與金屬基體的高強結(jié)合昵宇，有學(xué)者嘗試使用中間過渡層并在陶瓷層中加入低熔點高膨脹系數(shù)的CaO、SiO2儿子、TiO2等來降低內(nèi)部應(yīng)力瓦哎，緩解了裂紋傾向，但現(xiàn)有的研究表明柔逼，純陶瓷涂層的裂紋和剝落問題并未得到很好解決蒋譬，因此有待于進一步深入研究。
目前對激光熔覆生物陶瓷材料的研究主要集中在Ti基合金愉适、不銹鋼等金屬表面進行激光熔覆的羥基磷灰石(HAP)寓蔼、氟磷灰石以及含Ca、Pr等生物陶瓷材料上韩艾。羥基磷灰石生物陶瓷具有良好的生物相容性筛六，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】孕荆總體來說激光熔覆生物陶瓷材料的研究起步雖然較晚通溜，但發(fā)展非常迅速，是一個前景廣闊的研究方向。
四溪毕、其他金屬粉末
除以上幾類激光熔覆粉末材料體系胃琴，目前已開發(fā)研究的熔覆材料體系還包括：銅基、鈦基穿汽、鋁基遥附、鎂基、鋯基倚务、鉻基以及金屬間化合物基材料等橙围。這些材料多數(shù)是利用合金體系的某些特殊性質(zhì)使其達到耐磨、減摩着逐、耐蝕崔赌、導(dǎo)電、抗高溫耸别、抗熱氧化等一種或多種功能健芭。
1、銅基
銅基激光熔覆材料主要包括Cu-Ni-B-Si秀姐、Cu-Ni-Fe-Co-Cr-Si-B慈迈、Cu-Al2O3、Cu-CuO等銅基合金粉末及復(fù)合粉末材料省有。利用銅合金體系存在液相分離現(xiàn)象等冶金性質(zhì)痒留，可以設(shè)計出激光熔覆銅基自生復(fù)合材料的銅基復(fù)合粉末材料。研究表明蠢沿，其激光熔覆層中存在大量的自生硬質(zhì)顆粒增強體伸头，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)特性舷蟀，采用激光熔覆制備了Fe3Si彌散分布的銅基合金復(fù)合熔覆層恤磷。研究表明：激光熔覆過程中，由母材熔化而進入熔池的Fe元素與熔池中的Cu合金呈液相分離狀態(tài);進入溶池的Fe由于密度小而上浮戈勾，上浮過程中與熔池中的Si反應(yīng)生成Fe3Si绷煎，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户痒、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火毕、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粉聪萨、Ti6Al4V合金粉末以及Ti-TiO2假盼、Ti-TiC、Ti-WC盘另、Ti-Si等鈦基復(fù)合粉末惋探。張松等在氬氣氛環(huán)境下秃停，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顆粒抗海，復(fù)合涂層具有優(yōu)良的摩擦磨損性能丹伙。
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葫羡，以提高鎂合金表面的耐磨性能和耐蝕性能恼五。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%哭懈，Zr：0.1%灾馒，RE：2%，Mg：Bal)遣总。研究表明睬罗，熔覆層顯微硬度由HV35提高到HV 85～100，并且因為晶粒細化和金屬間化合物的重新分布旭斥，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容达。
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)向送粉熔覆鋁粉垂券，得到了結(jié)合性能良好的熔覆層花盐。研究發(fā)現(xiàn)，涂層硬度值達到HV0.05120～200菇爪，硬度提高的主要原因是Al3Mg2和Al12Mg17金屬化合物的存在算芯。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凳宙。研究表明乏根，熔覆層腐蝕電位比標準試樣電位高300mV，而腐蝕電流則至少低3個數(shù)量級仔省。
鋁基合金粉末
5、鋯基
在純鈦基體上激光熔覆鋯基ZrAlNiCu合金粉末众攻，并對涂層進行了研究分析红集。發(fā)現(xiàn)，涂層由具有高比強条稍、高硬度的金屬間化合物與少量的非晶相構(gòu)成判懒，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悟惰，硬度升高刀雳，兩種涂層的最高硬度分別達到HV909.6和HV1444.8。
鋯基合金粉
五估曾、總結(jié)：
不同熔覆材料的特點粪世、價格以及熔覆后的性能差別較大馆义，實際使用時可根據(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)胁塞，可以在廉價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)咏尝，有效降低生產(chǎn)成本，節(jié)約貴重稀有金屬材料啸罢。與堆焊编检、熱噴涂、電鍍等傳統(tǒng)表面處理技術(shù)相比扰才，激光熔覆具有稀釋度小允懂、組織致密、涂層與基體結(jié)合好衩匣、適合熔覆材料多蕾总、粒度及含量變化大、加工質(zhì)量高舵揭、可控性好(可實現(xiàn)三維自動加工)等優(yōu)點谤专。
目前主要應(yīng)用于材料表面改性(如液壓立柱、軋輥午绳、齒輪置侍、燃汽輪機葉片等)，產(chǎn)品表面修復(fù)(如因磨損而失效的轉(zhuǎn)子拦焚、模具瘫骏、軸承內(nèi)孔等)，修復(fù)后的部件強度可達原強度的90%以上荣吻，且修復(fù)費用不到產(chǎn)品換新成本的1/5哭夺，更重要的是縮短了維修時間，有效解決了大型企業(yè)重大成套設(shè)備轉(zhuǎn)動部件快速搶修難題押辽。
此外卷撞，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饵忙。對模具表面進行激光熔覆處理盐文，不僅提高模具強度，還可以降低2/3的制造成本岖疲，縮短4/5的制造周期咏摔。
總的來說激光熔覆技術(shù)是一項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)濟價值极阴。
激光熔覆材料是制約激光熔覆技術(shù)發(fā)展和應(yīng)用的主要因素昙百。目前在研制激光熔覆材料方面雖取得了一定進展，但與按照設(shè)計的熔覆件性能和應(yīng)用要求定量地設(shè)計合金成分還存在很長距離碟狞，激光熔覆材料遠未形成系列化和標準化啄枕，尚需要加大力度進行深入研究婚陪。
