激光熔覆材料的研究進展

0激光熔覆的作用激光填充是一種先進的表面改性技術(shù)。它是一種利用高性能激光束在表面上添加材料和基礎(chǔ)設(shè)施表面的層析成像，具有特殊的功能和低稀釋率，以及結(jié)合著金屬絲的涂層。激光熔覆可以在低成本的材料上制備高性能的表面,因此可以降低能耗,節(jié)約成本。由于激光熔覆形成的是冶金結(jié)合,因而比其他方法(例如熱噴涂,電沉積等)的結(jié)合強度高。這種特殊的涂層可以使材料表面具有好的耐磨、耐腐蝕、潤滑及抗氧化能力,也可以形成一些功能涂層,同時保持基材好的韌性及強度。另外,對于一些非晶合金而言,由于它兼有玻璃和金屬的特性而具有很好的耐腐蝕性,其制備需要足夠低的冷卻溫度和足夠快的冷卻速度,激光熔覆具備這樣的條件,并且與傳統(tǒng)急冷技術(shù)相比,激光熔覆具有低成本、高效率的優(yōu)點。激光熔覆在材料加工方面的應(yīng)用有兩個重要特點:一是激光熔覆過程中冷卻速率較高,有助于某些有益元素的固溶,且得到的涂層材料結(jié)構(gòu)均勻致密。二是可以使兩種材料發(fā)生冶金結(jié)合,而不受平衡相圖的限制。對熔覆材料的要求為:(1)涂層與基體材料熔點相近,保證涂層與基材的結(jié)合具有最小的稀釋率;(2)應(yīng)避免在界面處形成脆性化合物以保證界面的結(jié)合強度;(3)熔覆材料和基材都應(yīng)具有一定的延展性來補償熔覆過程的熱應(yīng)力。該條件可以保證不會因為熱應(yīng)力而沿著熔覆層形成裂紋。(4)要遵循涂層與基體材料的熱膨脹系數(shù)相近原則和潤濕性原則。目前已經(jīng)成功實現(xiàn)在不銹鋼、模具鋼、可鍛鑄鐵、灰鑄鐵、銅合金、鈦合金、鋁合金及特殊合金表面激光熔覆鈷基、鎳基、鐵基等自熔合金粉末及陶瓷相。其中,Ni基自熔合金粉末因其良好的潤濕性、耐蝕性、耐磨性和自潤滑作用及適中的價格在激光熔覆材料中研究最多、應(yīng)用最廣。文中對不同金屬基材表面激光熔覆Ni基涂層以改善材料性能的研究進展進行了分類綜述。1激光焊接ni基涂層的耐磨性1.1納米碳化物及微量元素的含量對涂層的影響Ni基涂層的耐磨性常通過添加陶瓷等硬質(zhì)相來改善。Lu等通過激光熔覆的方法在奧氏體不銹鋼AISI321上沉積了含有Ni–Mo–Si,由Mo2Ni3Si組成的初生樹枝晶及晶間Mo2Ni3Si/NiSi共晶組成的無缺陷的硅化物涂層以改善其耐磨性能。結(jié)果表明,隨著接觸應(yīng)力及摩擦速度增加,覆層質(zhì)量損失幾乎不變,覆層表面光滑未表現(xiàn)出黏著特征,而不銹鋼的磨損率卻隨之迅速增加。李養(yǎng)良等研究表明,由于熔覆層與基體良好的冶金結(jié)合,以及基體與涂層元素固溶強化和碳化物等析出相的強化作用,在45鋼基體上熔覆Ni基合金時,激光熔覆層磨損量約為基體的1/3。由于外加陶瓷相(如WC、TiC、Cr3C2、TiN、SiC、ZrO2、Al2O3、SiO2)與基體金屬的熱物性參數(shù)差異很大,相容性較差,界面會因形成不良反應(yīng)物和附著物而使強度和韌性降低,容易成為裂紋源。在重載荷作用下,陶瓷顆粒有可能剝離金屬基體。而原位自生增強相與金屬基體相容性較好,并且其均勻彌散分布可起到強韌化涂層的作用。因此,楊森等利用預(yù)置涂層法對3種不同成分的合金粉在45號鋼表面進行了一系列激光表面熔覆試驗。TiC顆粒在激光熔覆過程中由石墨和鈦原位反應(yīng)生成。由于TiC的密度較鎳基合金小,因此在熔池中會發(fā)生上浮,導(dǎo)致熔池底部TiC顆粒較少,涂層顯微硬度呈梯度分布,最大約為基材顯微硬度的3.5倍。激光輻照作用下常會發(fā)生碳化物的溶解,進而導(dǎo)致涂層性能的改變。為此,通過優(yōu)化激光加工工藝制備高性能含碳化物的Ni基涂層成為研究熱點。Wu等通過優(yōu)化激光工藝參數(shù)(主要是激光功率)制備了Ni基WC復(fù)合涂層。結(jié)果表明,由于WC的生成自由能較低,WC傾向于溶解于熔池中。并且激光功率越大,WC溶解的量越多,同時稀釋率越大,進而導(dǎo)致脆性相的析出,在此過程中還會有更多的WC沉于涂層的底部。而當(dāng)工藝參數(shù)選擇適當(dāng)時,WC顆粒部分溶解,在涂層中均勻分布,由于表面高含量的硬質(zhì)相WC的存在以及WC與Ni基體的較強結(jié)合,添加WC硬質(zhì)相的化合物涂層與單一的Ni基合金涂層相比,耐磨性得到了顯著的改善。而Wang等以TiC為增強相,研究了AISI4140鉻鉬合金鋼基材表面激光熔覆TiC顆粒增強的Ni基合金化合物涂層。結(jié)果表明,在激光熔池中出現(xiàn)了TiC顆粒的部分溶解。之所以選擇TiC作為增強相是因為TiC能提供高載荷下一定的韌性,并保持穩(wěn)定,而且TiC密度低,潤濕性好,硬度高,耐磨性好。比較而言,某些硬質(zhì)相(如WC)高溫會發(fā)生化學(xué)反應(yīng),并且有脆性第二相形成,進而導(dǎo)致耐磨性能的下降。激光輻照下硬質(zhì)陶瓷相的分解有時也是有益的。Zhang等的研究結(jié)果顯示,在Ni–Cr3C2的激光熔覆層中Cr3C2的部分分解導(dǎo)致基體中富含C和Cr,并且固化結(jié)構(gòu)中存在較多的Cr7C3、M23(C,B)6以及CrB,其耐磨性相比Ni基合金得到了顯著提高。史華忠等以鎳基合金作為粘結(jié)相,在45鋼表面熔覆了SiCP/Ni基合金復(fù)合涂層,并且研究了SiCp在激光輻照作用下的分解、燒損和溶解現(xiàn)象。熔覆后顯微硬度得到顯著提高,高硬度的獲得是因為SiCP溶解后,熔覆層中生成了硅化物、碳化物及馬氏體。雖然添加陶瓷顆?？善饛娀饔?但陶瓷顆粒常導(dǎo)致涂層組織形貌改變,因此需通過工藝參數(shù)的優(yōu)化來獲得高質(zhì)量涂層。李強等采用激光熔覆技術(shù)在AISI1045鋼上制備碳化物/Ni基合金復(fù)合涂層,并從稀釋率(目前通行的控制標準認為稀釋率小于10%是合理的)和外觀質(zhì)量兩項評價標準出發(fā),指出激光熔覆Ni基合金涂層以及30%(體積分數(shù))TiC、WC和SiC顆粒增強Ni基合金復(fù)合涂層的工藝優(yōu)化方法。Pei等指出,對于純Ni基涂層而言,工藝參數(shù)除了對厚度有影響外,對鍵合區(qū)的微結(jié)構(gòu)沒有顯著影響,而添加TiN、SiC或ZrO2等陶瓷顆粒到Ni基合金中可改變鍵合區(qū)的微結(jié)構(gòu)。另外,Ni可與某些金屬形成金屬間化合物而改善涂層的耐磨性能。典型代表為Ni–Al系金屬間化合物涂層材料,并以其中的NiAl和Ni3Al最具高溫競爭力。激光熔覆Ni–Al系涂層能形成大量Ni–Al硬質(zhì)金屬間化合物,并且枝晶組織細密,可極大改善熔覆層的耐磨性。Xu等在不銹鋼基材上制備了WC增強的Ni3Al金屬間化合物涂層,涂層的顯微硬度較高,從而增加了其耐磨性方面的應(yīng)用。Chen和Wang激光熔覆了TiC增強的NiAl–Ni3Al化合物涂層,其室溫及高溫耐磨性都得到了改善。1.2顯微硬度和厚度銅具有良好的導(dǎo)電導(dǎo)熱性,然而高溫下低強度及差的耐磨性卻限制了它的應(yīng)用。為此,Liu等在Cu基材上激光熔覆Ni1015合金來改善其耐磨性,涂層的顯微硬度約為Cu基材的3倍。作者在Ni基合金中加入少量銅,這一方面會使基材與涂層的熱膨脹系數(shù)及熔點差距減小;另一方面,因為Ni和Cu有相同的面心立方結(jié)構(gòu),很容易形成固溶體,使基材與涂層形成冶金結(jié)合。這兩方面的因素都會使界面裂紋及孔洞減少,結(jié)合更牢固,而涂層強度的增加會促進耐磨性能的提高。Zhang等在Cu表面激光熔覆Ni基合金,涂層由γ–Ni固溶體,一些碳化物和硅化物組成,顯微硬度約為基材的5倍,耐磨性得到較大的改善。1.3復(fù)合涂層的顯微硬度和耐久性鈦合金因其密度低、比強度高、熱膨脹系數(shù)小、優(yōu)異的高溫力學(xué)性能和耐蝕性能而在近年受到重視,但是鈦合金也由于存在摩擦因數(shù)高、耐磨性差等缺點而使其應(yīng)用受到了限制。為此,許多研究者采用激光熔覆的方法在鈦表面制備高性能耐磨涂層,并獲得了較好的效果。耿林等采用CO2激光器,在Ti–6Al–4V合金表面分別制備了NiCrBSi和NiCoCrAlY兩種激光熔覆鎳基合金涂層。這兩種鎳基涂層中均能產(chǎn)生固溶強化和細晶強化效應(yīng)。而NiCrBSi涂層主要還存在TiB2、TiC、CrB、Ni3B和Ti3Al等高硬度增強相的第二相強化作用,NiCoCrAlY涂層以固溶強化和細晶強化為主。這些強化因素使得兩種鎳基涂層的硬度及耐磨性比鈦合金提高很多。不少研究中以含Ti的陶瓷相為增強相來改善鈦基材的耐磨性。孫榮祿等采用激光熔覆技術(shù)在TC4合金表面制備出以TiN顆粒為增強相的NiCrBSi涂層,由于熔覆層中存在大量的TiN顆粒,起到了支撐和保護基體的作用,同時,由于涂層中含有Cr,Fe,Si,Ti等多種合金元素而使熔覆層存在多種強化作用,進而保證了涂層的高強度和良好的韌性。Sun等還對各研究結(jié)果進行分析后指出,陶瓷的種類和數(shù)量以及粘結(jié)相的特征控制著陶瓷金屬復(fù)合涂層的顯微結(jié)構(gòu)和性質(zhì)。并在Ti–6Al–4V合金表面分別進行激光熔覆TiC和TiC+NiCrBSi粉末。結(jié)果顯示,對于TiC涂層,隨著激光比能的增加,稀釋效應(yīng)增加,從而造成熔覆層顯微硬度的降低。而對于TiC+NiCrBSi涂層,隨著激光比能以及TiC含量的增加,顯微硬度均呈增加趨勢。Dong等通過激光熔覆TiC和Ti2Ni3Si增強的Ti2Ni3Si/NiTi合金來改善TA15鈦合金的耐磨性能。1.4微結(jié)構(gòu)及顯微硬度鋁合金具有比強度高、熱導(dǎo)性好、耐腐蝕及容易成型、價格低廉等優(yōu)點而被廣泛用于民用及航空領(lǐng)域,然而因其差的耐磨性而受到一定的限制。通過激光熔覆可以改善鋁合金的耐磨性能。目前已經(jīng)成功地在鋁合金表面熔覆鎳基合金、銅基合金及其添加陶瓷相的復(fù)合材料,也有將陶瓷粉末(如Si、WC、B4C、Al2O3及MoS2等)直接熔覆于鋁合金表面。而添加陶瓷相的Ni基涂層由于其良好的耐磨性能而得到了廣泛應(yīng)用。王冬濤等采用激光熔覆技術(shù)在鋁合金表面制備出與基底結(jié)合良好的SiC顆粒增強的Ni基合金復(fù)合涂層,SiC顆粒所起的彌散強化作用以及激光熔覆過程中快速凝固產(chǎn)生的固溶強化作用使熔覆層的顯微硬度和耐磨性均比鋁合金有顯著的提高。梁工英等對ZA111鋁合金表面的Ni–WC等離子噴涂層進行激光重熔,結(jié)果顯示,大部分WC在此過程中分解并重新以碳化物的形式析出,由于其彌散分布,耐磨性約為等離子噴涂層的1.75倍,基材的2.83倍。Ni和Cr常被用做增強元素來提高鋁合金表面激光熔覆層的硬度。例如Ni–Cr–B–Si合金熔點低,易與Al基材形成冶金結(jié)合,且涂層硬度較高,因此,Wong等采用5kWCO2激光器在AlSi8Cu1Mg鋁合金基材上進行了兩種熱噴涂層Ni–Cr–B–Si和Ni–Cr–B–Si+WC的激光重熔,結(jié)果表明,耐磨性為熱噴涂層的2倍,熔覆區(qū)的非晶以及超晶態(tài)結(jié)構(gòu)是熔覆層顯微硬度和耐磨性提高的主要原因。由于WC的密度較大,容易在激光熔覆過程中沉到熔池底部,相比較而言,激光熔覆Ni–Cr–B–Si涂層比Ni–Cr–B–Si+WC涂層顯示更好的耐磨性。但目前鋁合金表面激光熔覆主要存在表面易被氧化、對激光吸收率低、裂紋和氣孔的出現(xiàn)及熔覆硬質(zhì)合金層的結(jié)合強度等問題。只有通過正確選擇工藝參數(shù)及材料體系,才能得到理想熔覆層。2金屬基復(fù)合材料的磨損行為金屬基潤滑涂層兼有金屬基體良好的耐磨性、韌性及潤滑劑好的潤滑性。摩擦磨損行為決定于金屬基體的組成、微結(jié)構(gòu)、潤滑劑的種類、體積分數(shù)、大小及分布。Ni–基合金常被用于金屬基體,而層狀結(jié)構(gòu)固體(石墨,硫化物,六方BN等)、軟金屬、氟化物、無機鹽等由于特殊的結(jié)構(gòu)而被用作固體潤滑劑。2.1納米顆粒及涂層的制備潤滑性較好的層狀固體其結(jié)晶結(jié)構(gòu)一般為:原子緊密地排列在一層一層的平面內(nèi),同一層面上原子間的相互作用力很強,而相鄰層面上的原子間則比較弱。因此層與層之間容易滑動。其中,常用的潤滑劑有石墨、硫化物、六方BN等。應(yīng)麗霞等利用激光重熔等離子噴涂層的方法,在9Cr18不銹鋼表面制備了由Ni包TiB2和Ni包石墨超細微粉組成的金屬陶瓷自潤滑復(fù)合涂層。結(jié)果表明,激光重熔層的摩擦學(xué)性能較等離子噴涂層和基體不銹鋼都得到了很大的改善,石墨潤滑膜的形成是摩擦因數(shù)減小的主要原因,其磨損形式主要為磨粒磨損,而等離子噴涂層主要為剝落和黏著磨損。Wang等采用YAG激光器在中碳鋼表面制備了Ni基WS2涂層。利用高能球磨制備納米Ni包亞微米級WS2粉末來阻止激光熔覆過程中WS2的氧化、反應(yīng)、蒸發(fā),并改善WS2與Ni60基體的潤濕性。結(jié)果表明:激光熔覆Ni60–WS2涂層的摩擦因數(shù)比Ni45–WS2–CaF2及Ni60涂層低,并且抗磨損能力也比激光熔覆Ni60高3倍。Zhang等在1Cr18Ni9Ti不銹鋼基體上通過激光熔覆的方法制備了Ni/h–BN復(fù)合涂層,在與對偶Si3N4對磨時,由于h–BN的高溫潤滑作用,室溫至800℃均保持較低的摩擦因數(shù)和磨損率,但在600~800℃范圍內(nèi),隨著溫度升高,涂層的強度降低,磨損率呈上升趨勢。2.2自潤滑涂層用潤滑劑適合作為固體潤滑劑的軟金屬有Au、Ag、Pb、Zn、Sn、In等,因其剪切強度較低而具有較好的潤滑性能。但在空氣中暴露時間長,表面上的軟金屬易于氧化,尤其是Ag。Au雖不易氧化,但在與對偶材料或底材接觸時會因其與某些金屬的親和性而發(fā)生擴散或而影響其摩擦性能。激光熔覆技術(shù)制備自潤滑涂層時,常利用多種潤滑劑的協(xié)同潤滑作用。而Ag?？勺鳛閺?fù)合涂層中的低溫段潤滑劑使用。俞友軍等在激光熔覆NiCr/Cr3C2–Ag–BaF2/CaF2金屬基高溫自潤滑耐磨覆層過程中采用Ag及BaF2/CaF2共晶分別作為低溫和高溫潤滑劑。文中采用Si3N4陶瓷球作為對偶材料,結(jié)果顯示,從室溫到300℃之間,Ag有效地發(fā)揮潤滑作用;在室溫階段,覆層的摩擦因數(shù)較高,這是由于Ag與Si3N4陶瓷球之間的潤濕性較差,不能形成較好的連續(xù)潤滑膜,而且室溫條件下BaF2/CaF2共晶未發(fā)生脆–韌性轉(zhuǎn)變,從而使覆層在室溫下有一個相對較大的摩擦因數(shù)。而隨著溫度升高,覆層的摩擦因數(shù)迅速減小,200℃時達到一個較低的數(shù)值,這是由于隨著溫度升高,Ag受熱變軟,與Si3N4陶瓷球的潤濕性得到改善,從而形成較好的潤滑膜。2.3顯微組織的影響氟化鋇、氟化鈣等堿土金屬以及稀土元素的氟化物都可以作為潤滑劑,并且具有較寬的使用溫度范圍。劉秀波等以CaF2為潤滑劑,在γ–TiAl合金表面激光熔覆Ni–Cr–C–CaF2高溫自潤滑耐磨涂層。雖然優(yōu)化了工藝參數(shù),選用了較低的激光能量密度,但由于CaF2的熔點和密度較低,且與金屬基體界面相容性較差,因此從顯微組織看出CaF2在一定程度上發(fā)生了上浮、分解和蒸發(fā)。因此,該作者在其它文獻中,使用Ni–P化學(xué)鍍包覆CaF2以減少上述現(xiàn)象的發(fā)生,制得了具有良好的自潤滑和耐磨效果的NiCr–Cr3C2–40%CaF2復(fù)合涂層。2.4潤滑潤滑作用激光熔覆制備的潤滑涂層在與對偶材料摩擦的過程中,常由于生成無機鹽如某些鎢酸鹽、硫酸鹽和碳酸鹽等而起到潤滑作用。例如,喬曉勇采用激光熔覆的方法制備亞微米級固體自潤滑涂層,選用WS2+CaF2作為潤滑劑,經(jīng)研究發(fā)現(xiàn),一定條件下反應(yīng)會生成CaSO4,在600℃時展現(xiàn)了良好的潤滑性能。3激光焊接ni基涂層的耐腐蝕性3.1特殊涂層腐蝕全世界每年因腐蝕而不能使用的金屬件占產(chǎn)量的15%,其中因腐蝕而報廢的鋼鐵設(shè)備約相當(dāng)于年產(chǎn)量的30%。而不銹鋼用于軍事裝備中也常由于其耐腐蝕性差而影響使用壽命。因此對不銹鋼耐腐蝕性的研究具有重要的意義。激光熔覆可以在低成本的鋼板表面熔覆各種復(fù)合涂層以及金屬間化合物而獲得高性能的表面。Zhang等選用馬氏體不銹鋼作為基材,研究了兩種添加陶瓷相的Ni基涂層的腐蝕磨損行為。結(jié)果表明,含Cr3C2的Ni基涂層腐蝕磨損比含WC的低,這是由于未溶解的WC硬質(zhì)相分布在硬的基體中,容易在腐蝕應(yīng)力的作用下在顆粒與基體的界面處形成微裂紋,并且當(dāng)裂紋與腐蝕介質(zhì)接觸時,會在裂紋內(nèi)部形成微電池,從而使涂層在實際應(yīng)用中出現(xiàn)缺陷。此外,文中指出腐蝕磨損率不僅與顯微硬度而且與涂層的韌性有關(guān)。NiAl和Ni3Al金屬間化合物被廣泛應(yīng)用于高溫結(jié)構(gòu)材料,但實際應(yīng)用中常由于差的室溫延展性和韌性而受到限制。有研究采用固溶強化、沉淀強化、細晶強化等方法來緩解。MuthukannanDuraiselvam等采用激光熔覆的方法制備了NiAl–Ni3Al金屬間化合物涂層及TiC和WC增強的金屬間化合物涂層來增加AISI420馬氏體不銹鋼的抗液體沖蝕性。此外,添加碳納米管可改善鎳基激光熔覆層的耐蝕性。周笑薇等在A3鋼表面進行了添加碳納米管的Ni60合金的激光熔覆試驗。結(jié)果表明,添加碳納米管的鎳基激光熔覆層耐腐蝕性能優(yōu)于純Ni60激光熔覆層。碳納米管一方面使熔覆層更加致密起到鈍化作用,另一方面,通過反應(yīng)生成碳化物,因其彌散作用而使腐蝕坑的長大受阻。這兩方面的原因使涂層的耐腐蝕性得到提高。3.2u2004鎂合金涂層的耐腐蝕性由于鎂的低密度、高比強度、好的熱傳導(dǎo)性、高的空間穩(wěn)定性、好的電磁屏蔽特性和可加工性以及可循環(huán)性等特點,在汽車和航空航天方面有著較為巨大的潛在應(yīng)用價值。但是差的耐腐蝕性成為其實際應(yīng)用中的主要障礙之一。通過鎂合金表面激光熔覆可以改善其耐腐蝕性。Yue等在鎂合金基材表面熔覆了多層涂層Ni/Cu/Al來改善鎂的耐腐蝕及耐磨性。結(jié)果表明最表層的Ni層主要由Ni的固溶體組成,耐腐蝕及耐磨性很好。Cu在Ni中的完全固溶使電化學(xué)反應(yīng)達到最小化,對達到耐腐蝕性的目的是很重要的?？赡芨匾氖荖i相在最頂層可以形成有多層結(jié)構(gòu)的特殊保護鈍化層。而Druska等研究了激光熔覆多層Ni/Cu合金,也發(fā)現(xiàn)類似結(jié)果。在鎂合金表面激光熔覆Al合金將會提高鎂合金的耐腐蝕性,而Cu的添加將會增加Al合金的腐蝕電位。因此Gao等通過激光熔覆Al–Cu以及Al–Si合金來提高鎂合金的耐腐蝕性能。前者耐腐蝕性的提高是由于生成了致密的Al2O3,后者是因為添加多種合金元素形成鎂的金屬間化合物Mg2Al3和Mg17Al12,并且與處理前相比,晶粒細化也使耐蝕性得到進一步的增強。Subramanian等通過在表面形成Zr的鈍化層的方法來改善其耐腐蝕性。Huang等在鎂合金表面激光熔覆無定形化合物Cu47Ti34Zr11Ni8/SiC,因為涂層中無定型相的存在,耐蝕性得到提高。但是當(dāng)熔覆材料選擇不夠恰當(dāng)時常會導(dǎo)致裂紋和孔隙的出現(xiàn),進而導(dǎo)致鎂合金的耐腐蝕性變差。M.Hazra等在MRI153M鎂合金上激光熔覆Al+Al2O3,激光處理后耐腐蝕性降低了1~2個數(shù)量級,這主要是由于裂紋和空隙的出現(xiàn)。因此,提高耐腐蝕性的關(guān)鍵因素是獲得有一個無缺陷的覆層。文中指出,增加原始粉末Al+Al2O3中Al的含量可能會使覆層中裂紋和孔隙增加。4激光焊接ni基層形成的形狀根據(jù)激光熔覆的方式不同,Ni基涂層主要由單層熔覆、多層梯度熔覆及原位合成等方法來制備。4.1單涂層激光熔覆制備Ni基涂層目前多采用的是單層多組分熔覆的方法,舉不勝舉,這里不做贅述。4.2納米ti6al4v鈦合金表面織構(gòu)及涂層熔覆層順序要考慮熔點及導(dǎo)熱系數(shù)等的差別。作為過渡層必須具備的條件是:(1)與基材形成韌性相界面;(2)覆層成分能在其表面很好地熔覆。對于各涂層的稀釋情況,可以用Chan等提出的傳質(zhì)模型來表示:S=(dσ/dT)qR/ηVk。其中,S為表面張力值。當(dāng)S很小(S≤45000)時,由于熔池的壽命較短,傳質(zhì)受到限制,并且熔池的均勻性將不會得到保證。Liu等指出,由于直接在Al表面熔覆Ni基合金會在界面形成NixAly脆性相,雖然Ni3Al可以通過與B微合金化及與Fe,Mn宏觀合金化形成韌性相,但是要求此時Al濃度需要維持在24%左右,這在激光熔覆的界面中是不能保證的。因此該作者采用在中間添加一層Cu或青銅過渡層的方式使銅與Ni形成固溶體,避免NixAly脆性相的形成。為了改善Ti6Al4V鈦合金表面耐磨性能和抗高溫氧化性能,梁城等用CO2激光在Ti6Al4V鈦合金表面進行激光熔覆Ni基梯度涂層。梯度涂層由過渡層和表面層構(gòu)成,其中,過渡層采用純Ni粉,表面層采用Ni60合金粉末,獲得了無氣孔和裂紋的熔覆層。熔覆表面層顯微硬度顯著提高,過渡層顯微硬度呈明顯的梯度變化。4.3原位碳化物相的制備通過外加增強相來強化涂層常會由于其與基體的潤濕性較差而導(dǎo)致界面結(jié)合強度降低,進而導(dǎo)致整體強化效果的減弱。而原位自生的增強相是從金屬基體中通過放熱反應(yīng)原位生成,表面無污染,從而可以避免上述現(xiàn)象的發(fā)生。為了改善鋁合金的耐磨性,常添加碳化物及其他的難熔相來使激光熔覆層得到增強。然而碳化物粉末由于在激光作用下會分解導(dǎo)致增強效應(yīng)的消失。而原位合成碳化物相成為一種較好的選擇。Zhong等將純的元素粉末W、石墨及Ni送入激光誘導(dǎo)熔池中,并通過原位反應(yīng)合成了WC/Ni硬合金涂層。H.C.Man等通過添加純元素Ti、C、W來進行原位合成陶瓷相。而且這種方法可以選用較低的激光能量,因為TiC和WC的合成為放熱反應(yīng),反應(yīng)潛熱可以增加熔池的溫度。Yang等在碳鋼基材表面制備了含各種比例TiC顆粒的Ni基覆層。并指出目前大部分增強相都是直接加入到涂層中,當(dāng)顆粒表面不夠清潔時,裂紋可能沿界面擴展。而原位合成的增強相可能與基體有更好的相容性,并且界面更清潔。5熔覆層開裂問題的解決方法制約激光熔覆技術(shù)應(yīng)用的問題之一是激光熔覆材料。激光熔覆一直以來都是沿用熱噴涂粉末材料,而專用材料體系較少。對激光熔覆專用粉末的研制將成為激光熔覆研究的重要方向之一。激光熔覆過程中另一問題是孔洞和裂紋的出現(xiàn)。導(dǎo)致孔洞出現(xiàn)的原因很多,例如:保護氣在熔池中的