激光熔覆技术:研究应用的路还有多长?

来源:中国航空报    关键词:激光熔覆,研究应用,激光技术,    发布时间:2018-11-14

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        随着现代科学技术和工业不断发展,零部件的工作环境越来越趋于复杂化,表面性能的要求也越来越高,因此零件报废率大大增加。通常由于表面失效而报废的零件主要有转子叶片、辊轴类零件、齿轮类零件、接头类零件等。在零部件整体性能满足工况的条件下,仅为表面损伤的零部件都是可以修复。如果能对因误加工或服役损伤而致使报废的零件进行修复,不仅能够挽回巨大的经济和时间损失,还可以提高资源的利用率,也符合中国可持续发展的战略。

  激光技术是与原子能、半导体及计算机齐名的20世纪四大科技发明之一。由于激光具有方向性好、能量密度高、单色性好和相干性强等一系列优点,因此特别适用于材料加工。激光加工技术就是利用激光束与物质相互作用的特性对材料(包括金属与非金属)进行切割、焊接、表面处理、打孔及微加工等的一门加工技术,是集光学、机械学、冶金学、电子学、计算机学等为一体的高技术,发展非常迅速,其应用范围也日趋广阔。
 
  激光熔覆技术是激光加工技术的一个重要的应用方面,是一种新型的材料加工与表面改性技术,涉及物理、冶金、材料科学等领域。其研究历史可追溯到20世纪70年代。1974年Gnanamuthu最先提出并申请了激光熔覆一层金属于金属基体的熔覆方法专利;进入80年代,激光熔覆技术已经发展成为表面工程、摩擦学、应用激光等领域的前沿性课题,可以在低成本钢板上制成高性能表面,代替大量的高级合金,以节约贵重、稀有的金属材料,提高材料的综合性能,降低能源消耗,适用于局部易磨损、剥蚀、氧化及腐蚀等零部件,受到了国内外的普遍重视;到90年代后,相关科学研究与应用开发得到快速发展。
 
  当今国内外对激光熔覆的研究大致从以下几个角度出发:一是激光熔覆的机理研究;二是激光熔覆工艺及其组织性能的研究;三是激光熔覆的应用研究。现对激光熔覆的各方面研究发展状况作以介绍,并指出其存在的主要问题及其今后的发展方向。
 
  1.激光熔覆的机理研究
  激光熔覆是一个动态熔化过程,熔池尺寸小,不仅存在着传热现象,而且也存在着对流、质量传递等,它们直接影响熔池的宏观形貌、偏析、组织和成分的均匀性及其他物理冶金性能,因此研究激光熔覆加热理论,搞清激光熔覆过程中的热传导、对流及质量传递等问题,对于弄清激光熔覆理论具有重要意义。
 
  2.激光熔覆工艺及其组织性能的研究
  激光熔覆工艺方法有两种类型:
  (1)一步法(同步法)
  该方法为在激光束辐照工件的同时向激光作用区送熔覆材料的工艺,它又有两种方法。
  ①同步送粉法:使用专用喷射送粉装置将单种或混合粉末送入熔池,控制粉末送入量和激光扫描速度即可调整熔覆层的厚度。由于松散的粉末对激光的吸收率大,热效率高,可获得比其他方法更厚的熔覆层,容易实现自动化。国外实际生产中采用较多。
  ②同步送丝法:此法工艺原理虽与同步送粉法相同,但熔覆材料是预先加工成丝材或使用填充丝材。此法便利且不浪费材料,更易保证熔覆层的成分均匀性,尤其是当熔覆层是复合材料时,不会因粉末比重或粒度大小的不同而影响覆层质量,且通过对丝材进行预热的精细处理可提高熔覆速率;但是丝材表面光滑,对激光的反射较强,激光利用率相时较低。此外,线材制造过程较复杂,且品种规格少。

 (2)二步法(预置法)
  该法是在激光熔覆处理前,先将熔覆材料置于工作表面,然后采用激光将其熔化,冷凝后形成熔覆层。预置熔覆材料的方式包括:
  ①预置涂覆层:通常是应用手工涂敷,最为经济、方便,它是用粘结剂将熔覆用粉末调成糊状置于工件表面,干燥后再进行激光熔覆处理。此法生产效率低,熔覆厚度不一致,不宜用于大批量生产。
  ②预置片:将熔覆材料的粉末加入少量粘结剂模压成片,置于工件需熔覆部位,再进行激光处理。此法粉末利用率高,且质量稳定,适宜于一些深孔零件,如小口径阀体,采用此法处理能获得高质量涂层。
 
  3.激光熔覆的应用研究
  激光熔覆技术是一种经济效益很高的新技术,它可以在廉价金属基材上制备出高性能的合金表面而不影响基体的性质,降低成本,节约贵重稀有金属材料。因此,世界上各工业先进国家对激光熔覆技术的研究及应用都非常重视。
  应用于激光熔覆的激光器主要有CO2激光器和固体激光器(主要包括碟片激光器、光纤激光器和二极管激光器,老式灯泵浦激光器由于光电转化效率低、维护繁琐等问题已逐渐淡出市场)。对于连续CO2激光熔覆,国内外学者已做了大量研究。高功率固体激光器的研制发展迅速,主要用于有色合金表面改性。据文献报道,采用CO2激光进行铝合金激光熔覆,铝合金基体在CO2激光辐照条件下容易变形,甚至塌陷。固体激光器,特别是碟片激光器输出波长为1.06μm,较CO2激光波长小1个数量级,因而更适合此类金属的激光熔覆。
 
  激光熔覆具有以下特点:
  (1)冷却速度快(高达106K/s),属于快速凝固过程,容易得到细晶组织或产生平衡态所无法得到的新相,如非稳相、非晶态等;
  (2)涂层稀释率低(一般小于5%),与基体呈牢固的冶金结合或界面扩散结合,通过对激光工艺参数的调整,可以获得低稀释率的良好涂层,并且涂层成分和稀释度可控;
  (3)热输入和畸变较小,尤其是采用高功率密度快速熔覆时,变形可降低到零件的装配公差内;
  (4)粉末选择几乎没有任何限制,特别是在低熔点金属表面熔敷高熔点合金;
  (5)熔覆层的厚度范围大,单道送粉一次涂覆厚度在0.2~2.0mm;
  (6)能进行选区熔敷,材料消耗少,具有卓越的性能价格比;
  (7)光束瞄准可以使难以接近的区域熔敷;
  (8)工艺过程易于实现自动化。
 
  目前,激光熔覆在应用过程中也存在一些问题。评价激光熔覆层质量的优劣,主要从两个方面来考虑:一是宏观上,考察熔覆道形状、表面不平度、裂纹、气孔及稀释率等;二是微观上,考察是否形成良好的组织,能否提供所要求的性能。此外,还应测定表面熔覆层化学元素的种类和分布,注意分析过渡层的情况是否为冶金结合,必要时要进行质量寿命检测。
 
  激光熔敷技术进一步应用面临的主要问题是:
  (1)激光熔覆技术在国内尚未完全实现产业化的主要原因是熔覆层质量的不稳定性。激光熔覆过程中,加热和冷却的速度极快,最高速度可达1012℃/s。由于熔覆层和基体材料的温度梯度和热膨胀系数的差异,可能在熔覆层中产生多种缺陷,主要包括气孔、裂纹、变形和表面不平度。
  (2)光熔敷过程的检测和实施自动化控制。
  (3)激光熔覆层的开裂敏感性,该问题仍然是困扰国内外研究者的一个难题,也是工程应用及产业化的障碍,虽然已经对裂纹的形成扩展进行了研究,但控制方法方面还不成熟。