陳冠秀， 安立周， 王 碩， 錢 坤， 譚業(yè)發(fā)

（陸軍工程大學(xué) 野戰(zhàn)工程學(xué)院， 江蘇 南京 210007）

0 引言

隨著科技與制造業(yè)的飛速發(fā)展， 人們對(duì)機(jī)械設(shè)備的工作性能提出了更高的要求。 由于機(jī)械設(shè)備往往需要在高溫、強(qiáng)載、高壓等惡劣環(huán)境條件下長(zhǎng)期穩(wěn)定運(yùn)行，極易造成零部件磨損、腐蝕、氧化等表面損傷，嚴(yán)重影響零部件的使用壽命，阻礙機(jī)械設(shè)備的工作效率、安全性和可靠性[1]。 因而，通過運(yùn)用表面工程技術(shù)對(duì)機(jī)械零部件表面進(jìn)行表面改性和表面強(qiáng)化處理，以提高其使用性能，延長(zhǎng)服役壽命和安全可靠性，一直是廣大科研人員研究的重點(diǎn)。新興起的激光熔覆技術(shù)[2]能在不影響零件基體性能的前提下，在基體表面形成一層耐高溫、硬度高、耐疲勞等功能的熔覆層，從而提高機(jī)械設(shè)備的綜合性能，為機(jī)械設(shè)備的穩(wěn)定運(yùn)行提供安全、可靠的保證[3]。

1 激光熔覆技術(shù)的原理與特點(diǎn)

1.1 基本原理

激光熔覆技術(shù)以高能密度（104～106W/cm2）的激光束為熱源，并在惰性氣體的保護(hù)下，按照設(shè)定的掃描軌跡，將激光束照射于同步送出或預(yù)先涂敷在基體表面的材料（以粉末為主）上，使熔覆材料和基體表層迅速熔化，快速凝固，最終形成與基體具有冶金結(jié)合特性的功能性涂層，從而顯著改善基體表層特性[4-6]。

1.2 特點(diǎn)

相比于其他表面強(qiáng)化技術(shù)（堆焊、熱噴涂、電鍍等），激光熔覆技術(shù)具有以下優(yōu)點(diǎn)[7-9]：

（1）凝固過程熔池冷卻速度快（102～106℃/s），熔覆層組織為典型快速凝固組織，以柱狀枝晶和等軸晶為主，而當(dāng)選用特定材料體系時(shí)則有可能得到非晶相、超彌散相、亞穩(wěn)相等新相，且晶粒細(xì)小、致密，缺陷少，有助于提升熔覆層性能。

（2）熔覆過程中激光束的能量密度和能量利用率高，升溫速度快，熱循環(huán)時(shí)間短（0.001s～0.01s），熱量輸入少，對(duì)基體產(chǎn)生的熱畸變和熱損害程度低，基體形變程度小、性能穩(wěn)定。

（3）熔覆材料選擇種類多，搭配多樣性，可以根據(jù)不同需求選擇不同材料、改變材料成分或混合多種材料，使得熔覆層性能優(yōu)異[10]。

2 激光熔覆技術(shù)的研究現(xiàn)狀

2.1 材料體系

激光熔覆作為一種集成了材料、物理、化學(xué)、光電和自動(dòng)化控制等學(xué)科的綜合性表面強(qiáng)化技術(shù)， 在熔覆過程中會(huì)受到多種因素的影響， 其中熔覆材料的影響排在首位[6，9]。 由于熔覆材料直接決定了熔覆層的性能，所以自激光熔覆問世以來， 熔覆材料的研究便受到廣大學(xué)者的關(guān)注。 目前常見的熔覆材料包括自熔性合金粉末和硬質(zhì)顆粒增強(qiáng)合金復(fù)合粉末[11]。

2.1.1 自熔性合金粉末

自熔性合金粉末是指在了鐵、鈷、鎳及其他有色金屬合金粉末中加入硅、硼元素，使其在熔覆過程中具有自行脫氧造渣和強(qiáng)烈自熔作用，即自熔性[12]。 在激光熔覆過程中，Si、B 等元素易與粉末中的氧發(fā)生反應(yīng)生成SiO2、B2O等氧化物， 并在熔融狀態(tài)下與其他氧化物反應(yīng)生成熔點(diǎn)低的硼硅酸鹽，從而降低熔覆材料的熔點(diǎn)[13]。 同時(shí)，生成的硼硅酸鹽和氧化物會(huì)以薄膜態(tài)覆蓋于熔池表面， 避免熔池內(nèi)其他元素與氧接觸，防止熔池中液相過度氧化，提高液相流動(dòng)性，促使熔池中雜質(zhì)溢出，降低熔覆層中的含氧量和夾雜物含量，提高熔池對(duì)基體的潤(rùn)濕能力，進(jìn)而提升熔覆層的成型功能[14]。

（1）鐵基自熔性合金粉末。 Fe 基自熔性合金粉末由于其極高的性價(jià)比、 優(yōu)良的機(jī)械性能和與鋼材基體優(yōu)異的界面潤(rùn)濕性，主要用于溫度要求低、易變性和局部磨損性差的零件[15]。 比如應(yīng)用于石油鉆桿、礦山機(jī)械、機(jī)械工程等易磨損零部件。

張曉等[16]通過采用SEM 和XRD 技術(shù)研究了LC3530鐵基粉末熔覆層的性能，結(jié)果表明，熔覆層組織主要是細(xì)小、致密的等軸晶，且硬度分布均勻，約為基體（254.1HV）的2.5 倍，在摩擦磨損試驗(yàn)中，熔覆層的磨損量和磨損系數(shù)遠(yuǎn)低于基體，分別是基體的0.14 和0.5。 Chen 等[17]在純鈦基體上制備了鐵基涂層， 利用AISI52100 鋼球進(jìn)行了摩擦磨損性能測(cè)試。結(jié)果表明：制備的鐵基涂層平均硬度和平均磨損率分別為860.4HV0.2，2.0×10-6mm3/（N·m），遠(yuǎn)低于純鈦基體，表明涂層有較好的硬度和摩擦性能。

（2）鈷基自熔性合金粉末。 Co 基自熔性合金粉末憑借著其高溫時(shí)較好的機(jī)械性能和耐磨損、耐腐蝕性能，主要應(yīng)用于機(jī)械、電力和航空等領(lǐng)域，如汽輪機(jī)的葉片和燃料噴嘴、核電廠的閥座和航空航天器內(nèi)的高溫耐磨零件[18-19]。

邵延凡等[20]通過制備Co 基合金涂層來提高不銹鋼基體的性能， 發(fā)現(xiàn)涂層內(nèi)部組織以樹枝晶為主并且向涂層內(nèi)部生長(zhǎng)，在涂層底部存在少量的平面晶和胞狀晶。Fu等[21]采用激光熔覆技術(shù)制備無鈷鎳鉻基涂層， 并通過XRD 進(jìn)行物相觀察。 結(jié)果表明，熔覆層的初生相為Ni 基固溶體，其主要有M7C3和M23C6碳化物。

（3）鎳基自熔性合金粉末。與Fe 基合金相比，Ni 基合金具有更好的延展性和塑性，并以其高強(qiáng)度、優(yōu)異的耐磨、耐蝕和耐高溫性能以及低于Co 基合金的價(jià)格，成為激光熔覆中研究和應(yīng)用最廣泛的材料，比如應(yīng)用于渦輪葉片、模具、刃具、閥桿閥座和液壓活塞桿等零件的修復(fù)[22-23]。

周志杰[24]通過制備Ni60A 鎳基合金涂層來提高20Cr13不銹鋼的表面性能， 并對(duì)涂層的宏觀形貌和微觀組織進(jìn)行研究。結(jié)果表明，涂層表面連續(xù)完整，無斷裂、燒蝕等缺陷；涂層組織主要以柱狀晶和樹枝晶為主，在涂層底部，有一條平面晶組織組成的明顯白亮帶。 Liu 等[25]在銅基體上制備了Ni1015 鎳基合金涂層， 并對(duì)其微觀結(jié)構(gòu)進(jìn)行了分析。 結(jié)果表明，涂層表面光滑、均勻、連續(xù)，與基體結(jié)合良好，且界面完整無缺陷。 在鎳基合金中加入銅后，涂層與基體二者之間的熱膨脹系數(shù)和熔點(diǎn)接近， 導(dǎo)致快速冷卻時(shí)應(yīng)力較低。

（4）其他自熔性合金粉末。 除上述三種合金外，Cu基、Ti 基、Al 基分別憑借各自的特點(diǎn)，如Cu 基合金良好的塑性、導(dǎo)熱性和導(dǎo)電性[26]，Ti 基合金優(yōu)良的比強(qiáng)度、生物相容性和耐腐蝕性[27]，Al 基合金的高塑性、輕質(zhì)和易成型性[28]，應(yīng)用于激光熔覆的多種場(chǎng)合。 崔澤琴等[29]采用激光熔覆技術(shù)在AZ31B 鎂合金表面制備了Cu-Ni 合金，發(fā)現(xiàn)熔覆層與基體結(jié)合良好，且界面完整幾乎無缺陷，硬度分布均勻（75HV0.05），高于基體的45HV0.05。 Liu 等[30]研究了在TA2鈦合金表面激光熔覆的Ti-Ni 熔覆層， 結(jié)果表明熔覆層內(nèi)存在NiTi、NiTi2和NiTi3等金屬間化合物，顯著提升了熔覆層的抗氧化性，其硬度約為721HV0.2，是基體的4.56 倍。 靳坤等[31]利用激光熔覆在AZ91D 鎂合金表面制備了Al-Ti-Ni/C 熔覆層，發(fā)現(xiàn)熔覆層的硬度為284.5HV，是基體的3.9倍，腐蝕電位增加了332mV，腐蝕電流密度減小了63.27%。

2.1.2 硬質(zhì)顆粒增強(qiáng)合金復(fù)合粉末

為了進(jìn)一步提升熔覆層的性能，具有優(yōu)良耐磨性、耐蝕性和耐高溫性的硬質(zhì)顆粒是廣大學(xué)者優(yōu)先考慮的增強(qiáng)材料，如TiN[32]、SiC[33]和WC[34]等。然而，由于硬質(zhì)顆粒的熱物理性能與基體的相差很大， 不滿足相容性和潤(rùn)濕性原則， 所以純硬質(zhì)顆粒熔覆層易出現(xiàn)與基體結(jié)合不牢固以及裂紋、孔隙等缺陷，無法有效發(fā)揮熔覆層性能[35]。 而將硬質(zhì)顆粒增強(qiáng)合金復(fù)合粉末作為熔覆材料可以解決上述問題。 通過以自熔性合金為基材，硬質(zhì)顆粒為增強(qiáng)相，既可以發(fā)揮硬質(zhì)顆粒的優(yōu)良性能， 又能夠結(jié)合自熔性合金的良好成型性和塑韌性，進(jìn)而避免上述缺陷的產(chǎn)生[36]。

（1）TiC 顆粒增強(qiáng)合金復(fù)合粉末。劉建仁等[37]在12Cr1MoV合金鋼制備了不同含量的TiC/NbC 復(fù)合涂層， 并進(jìn)行了相關(guān)測(cè)試。 結(jié)果表明，隨著Ti/Nb 比例的下降，TiC 逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)镹bC，涂層的組織變得致密，晶粒向等軸晶轉(zhuǎn)化，涂層硬度變大。 當(dāng)Ti/Nb 比為1∶1 時(shí)， 涂層綜合性能最好。Quan[38]研究了原位TiC 增強(qiáng)Co 基復(fù)合涂層的組織和性能，結(jié)果表明：涂層中主要有Cr23C6、TiC、Co3Ti 等物相，隨著TiC 顆粒含量的增加，涂層的組織更加細(xì)小均勻，涂層內(nèi)等軸晶的數(shù)量越來越多。當(dāng)TiC 含量為30wt.%時(shí)，涂層的顯微硬度增幅最高為35.7%。

（2）WC 顆粒增強(qiáng)合金復(fù)合粉末。 Yan 等[39]在PH13-8Mo 鋼基體上激光熔覆制備了NiCrBSi-WC 復(fù)合涂層，并分析、測(cè)試了涂層的組織和摩擦性能。 結(jié)果表明，涂層中含有大量二次碳化物和γ -（Ni，F(xiàn)e）固溶體，包括W2C，Ni3B 和M23C6。熔覆區(qū)、結(jié)合區(qū)、熱影響區(qū)和基體的平均顯微硬度分別為1008HV0.2、842HV0.2、386HV0.2、356HV0.2。 在摩擦試驗(yàn)中，涂層有較好的摩擦學(xué)性能，其摩擦系數(shù)和磨損率均為最佳。 樊增彬[40]通過對(duì)WC/Ni 基合金涂層的試驗(yàn)、分析，發(fā)現(xiàn)采用單道激光熔覆時(shí)，涂層表面無明顯缺陷；而在多道搭接時(shí)，涂層外表面出現(xiàn)明顯裂紋；當(dāng)涂層的稀釋率在5%左右時(shí)，涂層與基體結(jié)合最好。

（3）SiC 顆粒增強(qiáng)合金復(fù)合粉末。 段曉溪等[41]研究了不同尺寸的SiC 顆粒對(duì)316L 熔覆層的影響， 結(jié)果表明，10%納米SiC 顆粒含量的熔覆層性能最好，其顯微硬度分別比316L 和含有微米SiC 的熔覆層高227HV、100HV。摩擦試驗(yàn)中，10%納米SiC 顆粒含量的熔覆層摩擦性能最好，其摩擦系數(shù)與磨損量最低。 Li 等[42]通過激光熔覆Ti+SiC 熔覆層來提高TC4 合金的性能，結(jié)果表明，熔覆層內(nèi)除了Ti、SiC 還有反應(yīng)生成的TiC、Ti5Si3；當(dāng)SiC 含量增加至20wt.%時(shí)，和基體（摩擦系數(shù)0.45，磨損深度15.5μm，顯微硬度350HV）相比，熔覆層硬度高達(dá)900HV，摩擦系數(shù)和磨損深度僅為0.1 和0.35μm。

2.2 工藝參數(shù)

激光熔覆的目的是改善基體的性能，因此，熔覆層的質(zhì)量就顯得至關(guān)重要。 激光熔覆的工藝參數(shù)會(huì)直接影響熔覆層的組織形態(tài)、幾何特性、物相分布和綜合性能等，進(jìn)而對(duì)熔覆層的成型質(zhì)量產(chǎn)生確定性作用。因此，很有必要對(duì)掃描速度、 光斑直徑和激光功率等工藝參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，來制備性能優(yōu)良的熔覆層[9，13]。

2.2.1 激光功率

激光功率的大小決定了熔池的最高溫度， 進(jìn)而影響熔池的存在時(shí)間和形狀尺寸。激光功率過低，會(huì)導(dǎo)致熔池的溫度比熔覆材料的熔點(diǎn)低，熔池內(nèi)存在未熔融顆粒，熔覆層內(nèi)易產(chǎn)生組織不均勻、氣孔和局部球化等現(xiàn)象。并且低激光功率難以使基體表層熔化， 導(dǎo)致熔覆層的結(jié)合強(qiáng)度較低，難以與基體形成冶金結(jié)合界面，易在外部載荷的作用下脫落。 而激光功率過高則會(huì)導(dǎo)致熔覆材料過熔甚至產(chǎn)生氣化現(xiàn)象，熔覆層與基體間的稀釋作用更加嚴(yán)重，導(dǎo)致材料的利用率降低。

Han 等[43]采用不同激光功率在316L 不銹鋼表面制備了鎳基WC 涂層，并觀察了涂層的微觀結(jié)構(gòu)。 結(jié)果表明：隨著激光功率從2500W 增加到3500W，涂層顯微組織逐漸細(xì)化；當(dāng)激光功率為4000W 時(shí)，涂層顯微組織變粗大，出現(xiàn)燒蝕現(xiàn)象。 姚芳萍等[44]通過研究不同激光功率對(duì)鎳基涂層的影響， 發(fā)現(xiàn)涂層表面的缺陷 （裂紋、氣孔等）隨著激光功率的增大越發(fā)明顯；1600W 時(shí)的樹枝晶數(shù)量比1400W 時(shí)的明顯增加，且以針狀樹枝晶為主。

2.2.2 掃描速度

掃描速度的大小決定了熔覆材料的加熱時(shí)間， 進(jìn)而影響熔池的存在時(shí)間。掃描速度過低，熔覆材料加熱時(shí)間長(zhǎng)，熔池液相保溫時(shí)間增加，導(dǎo)致凝固速度變慢，進(jìn)而導(dǎo)致冷卻速度減小，使晶粒生長(zhǎng)充分，從而形成組織粗大的晶體，對(duì)熔覆層的性能產(chǎn)生不利影響[45]。 而掃描速度過高，熔覆材料的加熱時(shí)間和熔池存在時(shí)間變短，熔覆材料可能未完全熔化， 導(dǎo)致熔覆層與基體的界面結(jié)合情況變差，容易造成脫落。

Li 等[46]為了研究掃描速度對(duì)涂層稀釋率和微觀組織的影響規(guī)律，制備了Ti/TiBCN 復(fù)合涂層，發(fā)現(xiàn)涂層的稀釋率與掃描速度成反比趨勢(shì)：掃描速度增大稀釋率下降。涂層的微觀結(jié)構(gòu)基本上是相同的，與掃描速度關(guān)系不大，主要由AlTi-Al3Ti 相，TiBCN 相、TiB2相、TiN 相、TiC 相組成。涂層的微觀組織在掃描速度為7mm/s 時(shí)最佳，幾乎無缺陷。 郭士銳等[47]研究了掃描速度對(duì)鈷基合金涂層的影響，結(jié)果表明，涂層的微觀組織隨掃描速度的增加逐漸變得細(xì)小， 而硬度和耐磨性能隨掃描速度的增加出現(xiàn)先增強(qiáng)后降低的變化規(guī)律； 涂層硬度與耐磨性在掃描速度為15mm/s 時(shí)最佳。

2.2.3 光斑直徑

光斑直徑大小會(huì)通過影響到單位面積下熔覆材料所吸收的激光能量， 產(chǎn)生與激光功率和掃描速度類似的作用效果，進(jìn)而直接影響熔池的存在。 光斑直徑過小，表明激光束照射下的熔覆材料升溫速度更快，最高溫度更高，熔池面積變小，與周圍未熔化材料之間的溫度梯度變大，會(huì)導(dǎo)致熔覆層稀釋率高，孔隙和裂紋數(shù)量多。光斑直徑過大，會(huì)帶來如材料未完全熔化、熔覆層組織粗大、結(jié)合強(qiáng)度和性能不足等不良影響。

付福興等[48]通過在40Cr 基體上激光熔覆Ni60 粉末來研究激光光斑直徑對(duì)裂紋的影響。研究表明，激光光斑直徑會(huì)影響裂紋的產(chǎn)生，熔覆層裂紋的數(shù)量和開裂程度會(huì)隨激光光斑直徑的增大逐步變多變大。 當(dāng)激光光斑為4mm時(shí)，熔覆層的成型質(zhì)量最好，裂紋數(shù)量最少，開裂程度最低。 于克東等[49]研究了離焦量對(duì)TiCoNiCrFe 高熵合金涂層組織和性能的影響，發(fā)現(xiàn)涂層主要以枝狀晶為主，隨著離焦量的增加，在枝晶間析出一種白色金屬間化合物，致使枝狀晶逐漸細(xì)化。 涂層的顯微硬度隨離焦量的增大出現(xiàn)先增加后減小的變化，其最高硬度（為400.5HV）出現(xiàn)在離焦量為15mm 時(shí)。

3 結(jié)束語

激光熔覆技術(shù)在我國經(jīng)過多年發(fā)展已趨于成熟，取得了數(shù)千項(xiàng)科技成果，大量運(yùn)用于工業(yè)生產(chǎn)中，為傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)升級(jí)、優(yōu)化產(chǎn)品質(zhì)量提供了新方法[49]。 雖然激光熔覆技術(shù)已日趨完善，但仍然存在部分問題需亟待解決。

（1）開發(fā)熔覆材料的專用體系。熔覆材料是影響激光熔覆技術(shù)發(fā)展的決定性因素，一直以來，激光熔覆由于缺少屬于自己的專用粉末材料， 常用熱噴涂材料代替進(jìn)行激光熔覆，但這不能滿足激光熔覆技術(shù)的要求，反而會(huì)造成熔覆層因?yàn)榱鲃?dòng)性不好而產(chǎn)生氣孔、 開裂、 夾雜等問題，影響熔覆層質(zhì)量。

（2）研制新型設(shè)備。研發(fā)功率大、壽命高、體積小和便于攜帶的激光熔覆設(shè)備， 進(jìn)一步減少環(huán)境因素對(duì)設(shè)備的影響以適應(yīng)規(guī)模化生產(chǎn)和加工，提高生產(chǎn)效率；加強(qiáng)控制系統(tǒng)的優(yōu)化，使其更為精確，并逐步實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化和一體化的生產(chǎn)方式。

（3）開發(fā)新工藝。 鑒于目前激光熔覆技術(shù)存在的氣孔、成分及組織不均勻、開裂及裂紋等缺陷，可以考慮開發(fā)激光熔覆與其他激光增材制造技術(shù)的復(fù)合新技術(shù)， 匯集兩種技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)克服各自存在的問題，實(shí)現(xiàn)“1+1>2”的效果，不斷擴(kuò)大激光熔覆技術(shù)的應(yīng)用前景。