激光熔覆技术的工艺领域
已经成功地在不锈钢、模具钢、可锻铸铁、灰铸铁、铜合金、钛合金、铝合金和特种合金上进行了自熔性合金粉末和陶瓷相的激光熔覆。激光熔覆铁基合金粉末适用于要求局部耐磨、易变形的零件。镍基合金粉适用于要求抗局部磨损、抗热腐蚀和抗热疲劳的部件。钴基合金粉适用于要求耐磨、耐腐蚀、抗热疲劳的零件。陶瓷涂层强度高,热稳定性好,高温下化学稳定性高,适用于要求耐磨、耐腐蚀、耐高温、抗氧化的零件。在严重的滑动磨损、冲击磨损和磨粒磨损条件下,单纯的镍基、钴基和铁基合金粉末已不能满足工况要求,因此在合金表面激光熔覆金属陶瓷复合涂层成为国内外学者研究的热点,利用激光熔覆技术在钢铁、钛合金和铝合金表面制备多种陶瓷或金属陶瓷涂层。
激光熔覆的应用主要在两个方面,即耐腐蚀性(包括高温耐腐蚀性)和耐磨性。它的应用范围很广,如内燃机气门和气门座的密封面,水、气或蒸汽分离器的激光熔覆等。
同时可以提高材料的耐磨性和耐腐蚀性,可以采用钴基合金(如Co-Cr-Mo-Si系)进行激光熔覆。在基体的相组成范围内,Co3Mo2SI硬质金属间相的存在可以保证耐磨性,而Cr提供了耐腐蚀性。评价激光熔覆层的质量主要从两个方面考虑。首先,从宏观上考察了熔覆通道的形状、表面粗糙度、裂纹、气孔和稀释率;其次,从微观的角度,可以考察是否能形成良好的组织,是否能提供所需的绩效。此外,还应确定表面熔覆层中化学元素的种类和分布,分析过渡层是否为冶金结合,必要时进行质量寿命试验。
研究重点是熔覆设备的研发、熔池动力学、合金成分设计、裂纹形成、扩展和控制方法、熔覆层与基体的结合力。
激光熔覆技术进一步应用面临的主要问题是:
①激光熔覆技术在我国尚未完全产业化的主要原因是熔覆质量不稳定。在激光熔覆过程中,加热和冷却的速度极快,最高可达1012℃/s,由于熔覆层与基体材料的温度梯度和热膨胀系数不同,熔覆层中可能出现各种缺陷,主要包括气孔、裂纹、变形和表面粗糙度。
(2)光包层过程的检测和自动控制。
③激光熔覆层的裂纹敏感性仍然是国内外研究人员的难题,也是工程应用和产业化的障碍。虽然已经研究了裂纹的形成和扩展,但是控制方法仍然不成熟。20世纪80年代以来,激光熔覆技术发展迅速,已成为国内外激光表面改性研究的热点。激光熔覆技术具有巨大的技术和经济效益,广泛应用于机械制造与维修、汽车制造、纺织机械、航海航天、石油化工等领域。
激光熔覆技术已经取得了一些成果,正处于工业化应用的初级阶段。未来的发展前景主要包括以下几个方面:
(1)激光熔覆的基础理论研究。
(2)覆层材料的设计和开发。
(3)激光熔覆设备的改进和发展。
(4)理论模型的建立。
(5)激光熔覆快速成型技术。
(6)包覆过程控制的自动化。