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1、 设计（论文）专用纸摘 要激光熔覆是利用高能量激光束熔化涂层材料和薄层基体，形成一个无气孔、无裂纹并能和基体形成良好冶金结合的表面涂层，它己成为现代表面技术体系中的极具发展前途和颇具特色的新技术之一，并在“21世纪的再制造工程”中有着广阔的应用前景。 本文用GS-TFL6000A型横流式CO2激光器在45钢基体表面进行了Ni60CuMoW粉末的激光熔覆。研究了激光功率、扫描速度等工艺参数对激光熔覆涂层组织结构与性能的影响，借助光学显微镜、X射线衍射仪、显微硬度计和电化学腐蚀等仪器设备对不同功率和不同扫描速度下熔覆层的组织结构进行了观察和分析。研究结果表明：在激光功率P=2.83.2kW、扫描速
2、度V=500550mm/min、送粉速度M=8.5g/min的条件下，可得到熔覆层表面光滑致密、组织细小均匀、硬度高（大约是基体的23倍），且与基体实现了良好的冶金结合，耐腐蚀性好。关键词：激光熔覆；Ni60CuMoW合金；显微组织；显微硬度；耐蚀性能；ABSTRACTLaser cladding is used to form a kind of surface coating, which has a good metallurgical bonding with the substrate, without gas holes and crack, by using a high ene
3、rgy laser beam to melt coating material and a thin layer base metal. It has been becoming one of new techniques that have infinite development future and characteristic very much in the modern surface technique system, and bigger application foreground in remanufacturing engineering in the 21th cent
4、ury. In this paper, we have carried out laser cladding experiments of Ni60CuMoW powders on the surface of 45steel substrate by a GS-TFL6000A cross current type of CO2 laser apparatus. And the best parameters were found through optimizing it. The structures of cladding tissues were analyzed formed by
5、 deferent power and deferent scanning velocities. the microstructure，hardness，of laser cladding specimens were studied by using optical microscope , XRD, micro-hardness tester and the electrochemical corrosion. The results showed that under the cladding parameters of laser power of 2.83.2kW，scan vel
6、ocity of 500550 mm/s, powder feed rate of 8.5g/min，We cladding coatings with good surface quality, fine microstructure，high micro-hardness（its hardness is improved 2-3 times）, good metallurgically and good corrosion resistance.KeyWords: laser cladding; alloy of Ni60CuMoW； microstructure; micro-hardn
7、ess; corrosion resistance 设计（论文）专用纸目 录摘 要IABSTRACTII第1章 绪 论11.1 研究背景和意义11.2 激光加工技术特点与发展11.2.1 激光加工技术特点21.2.2 激光加工技术种类21.2.3 金属材料的激光表面改性31.3 激光熔覆技术简介41.3.1 激光熔覆技术特点及应用51.3.2 激光熔覆工艺71.3.3 熔覆材料的添加方式91.3.4 激光熔覆材料的选择101.3.5 激光熔覆层的质量控制131.3.6 激光熔覆技术的发展现状151.4 研究的主要内容16第2章 实验材料与方案172.1 实验材料172.1.1 基体材料172.
8、1.2 实验保护气体182.1.3 熔覆材料182.2 实验设备192.3 激光熔覆工艺方案202.4 熔覆层组织与性能测试分析212.4.1 熔覆层的组织结构212.4.2 熔覆层显微硬度分析222.4.3 熔覆层的腐蚀性能测试23第3章 实验结果与分析243.1 熔覆层的宏观形貌和微观组织243.1.1 熔覆层的宏观形貌243.1.2 熔覆层的微观组织263.1.3 X射线衍射分析熔覆层的物相组成323.2 熔覆层显微硬度测试323.3 电化学腐蚀353.3.1 工艺参数对熔覆层耐腐蚀性的影响373.3.2 熔覆层的耐腐蚀性能393.4 本章小结39第4章 结论与展望414.1 结 论41
9、4.2 展望42总结和体会43致 谢44参考文献45附录A 英语原文47附录B 中文翻译57第1章 绪 论1.1 研究背景和意义45钢是应用最为广泛的一种结构钢，综合性能较好，可用于众多领域。在航空、航天、海洋、石油化工及生物医学工程等领域中有着广泛的应用，随着工业技术的不断进步，其应用领域愈来愈广，应用量愈来愈大，适用条件变得愈来愈苛刻，对45钢性能要求也愈来愈高。但45钢耐磨性、耐腐蚀性能差，大大限制了45钢的应用范围。因此，提高45钢的耐磨性、耐腐蚀性能，对扩大45钢应用范围具有很重要的意义。为了提高45钢的耐磨性能，国内外材料工作者对45钢的表面改性技术进行了广泛的研究，如采用热处理、
10、化学镀、喷涂、溅射与沉积、激光熔覆、微弧氧化及离子注入等方法在45钢表面制备耐磨、耐腐蚀涂层。其中的激光熔覆是代表表面工程发展方向和水平的表面改性新技术之一，利用激光熔覆技术在45钢表面进行改性处理可得到与基材冶金结合，稀释率低，表面形貌良好的熔敷涂层。本课题的目的是选择适宜的激光熔覆合金粉末和激光熔覆工艺，改善45钢表面的力学性能和耐腐蚀性能，扩大45钢这一经济型材料的应用领域。1.2 激光加工技术特点与发展激光是二十世纪的重大发明之一，它具有巨大的技术潜力。美国科学家梅曼(T.H.Maiman)于1960年研究成功世界上第一台激光器以后，激光技术很快就在实际领域中得到应用。随着对有关基本理
11、论研究的不断深化以及各类激光器的不断问世与改进，其应用领域也不断拓宽，应用规模逐渐扩大，所获得的经济效益和社会效益更加显著。如今，激光技术己被广泛应用于工业、农业、医学、军工、科学研究等许多领域。激光技术的发展大大促进了多种学科、多种技术和多种生产水平的进步和提高，其影响之大，举世瞩目。1.2.1 激光加工技术特点众所周知，激光具有单色性、相干性和平行性三大特性，这些优异特性是普通光源难以比拟的，因此给激光加工带来了一些其它方法所不具备的特点1：1、由于激光加工具有非接触性、高能激光束的移动速度与能量均可调节等特点，可实现多种加工。2、能对多种金属、非金属加工，特别是可用来加工高硬度、高脆性及
12、高熔点材料。3、激光加工过程中无“刀具”磨损，无“切削力”作用于工件。4、激光加工过程中，激光束能量密度高、加工速度快，并且是局部加工，对激光照射部位没有或仅有极小影响。因此，激光加工造成的热影响区及工件热变形都很小，所需的后续加工量也较小。5、由于激光的高能性，通过透明介质可实现对密闭容器内工件的各种加工。6、由于激光束易于导向、聚焦可实现各方向变换，极易与数控系统配合而对复杂工件进行加工，因此，它又是一种极为灵活的加工方法。7、激光加工的生产效率高，加工质量稳定可靠，故有很好的经济效益和社会效益。1.2.2 激光加工技术种类激光应用于材料加工，解决了许多当前常规方法无法解决或很难解决的难题
13、，大大提高了工作效率和加工质量。目前，己成熟的激光加工技术包括激光焊接技术、激光打孔技术、激光切割技术、激光打标技术、激光去重平衡技术、激光蚀刻技术、激光微调技术、激光存储技术、激光划线技术、激光清洗技术、激光表面强化技术等。激光表面强化技术包括激光相变硬化技术、激光熔覆技术、激光表面合金化技术、激光退火技术、激光冲击硬化技术、激光强化电镀技术、激光上釉技术，这些技术对改变材料的机械性能、耐热性和耐腐蚀性等有重要作用2。1.2.3 金属材料的激光表面改性根据激光与金属材料表面作用时的激光功率密度、作用时间及方式不同，金属激光表面改性技术可分为激光相变硬化、激光熔融及激光表面冲击二类。在激光熔融
14、一类中包括：激光熔化-熔凝处理、激光表面合金化和激光表面熔覆等3-6，图1.1所示为金属激光表面处理方法的分类。图1.1金属激光表面处理方法的分类激光相变硬化主要应用于表面处理，与其它方法相比，有以下特点：1、激光光束能量高，对工件加热快，冷却快，淬硬层马氏体比较细，硬度比常规淬火高15% 20%。2、激光热处理中，由于冲击加热，有促进碳化物溶解的可能性，因而造成碳化物超细化。同时淬硬层中残余奥氏体密度增大，对获得超硬马氏体也有较大贡献。3、仅对工件表面一薄层金属加热，几乎不发生热变形，工件变形小，可省去校直及精磨工序，便于进行精密件局部表面淬火。4、能进行内孔、沟槽侧面及底部的淬火和复杂工件
15、的局部淬火。5、由于聚焦光束焦深相当大，可以允许工件表面有相当大的不平度，便于进行花键及齿轮的淬火。6、硬化深度和面积可以精密控制。7、激光淬火除薄件外，一般均可自冷淬硬，不用油、水等淬火剂。8、由于工艺简单，淬火时间短，可以将淬火工序安排在流水线内。激光表面熔凝处理的特点是表面有一层达到熔化状态，根据处理条件的不同，可分为如下几种：1、激光熔化淬火。单纯将表面用激光加热到熔化，然后自身冷却得到淬火组织，也可用于铸锭表面晶粒细化。2、激光合金化。在材料表面熔化的部分加入合金元素（可预先放置，可在加工同时加入），经过短暂的液态对流扩散而形成一层有一定均匀度的合金层，从而使表面获得耐磨、耐腐蚀、抗
16、氧化和耐热等特殊的性能。3、激光熔覆。其工艺过程与激光合金化相似，但差别是所加入的不是一种或几种元素，而是具有一定组成的合金粉末。粉末经熔凝处理而形成特殊合金，具有一定的高性能。后文将详细讨论激光熔覆的有关问题。4、激光非晶化。采用很高的激光功率和很快的扫描速度，使表面瞬时达到熔化温度并超激冷，而将液态时的各向同性保留到固态，使材料的机械性能、磁性、电气性质和耐蚀性能获得提高。1.3 激光熔覆技术简介激光熔覆技术是利用高能密度的激光使材料表面成分、组织结构和性能实现预期变化的高新技术，同时，它也是涉及光、机、电、计算机、材料、物理、化学等门学科领域的跨学科的高新技术。作为新兴的表面改性技术，它
17、的发展可以追溯到上世纪60年代。当时许多学者致力于在低熔点基体上熔覆耐磨材料，这些材料包括：钨及其碳化物，钼、铅、钛等及其碳化物和氧化铝，大部分采用等离子或火焰喷涂的方法，将熔覆材料预置在基体材料上，随后进行激光熔覆，并于1976年诞生了第一个论述高能激光熔覆的专利。由于技术上的问题，激光熔覆经历了发展相对缓慢的时期。进入上世纪80年代，激光熔覆技术得到了迅速发展。同时引起了国内外的普遍关注，纷纷投入人力，物力，财力进行研究。进入上世纪90年代以后更呈现出科学研究与应用开发蓬勃发展的大好局面。1.3.1 激光熔覆技术特点及应用与热喷涂、等离子喷涂、气相沉积、电镀、化学镀、堆焊等传统的表面改性技
18、术相比，激光熔覆技术具有如下特点7：1、适用的材料体系广泛，可对各种金属和陶瓷材料进行激光熔覆。2、可依据使用性能要求，进行涂层材料成分设计，选配不同熔覆材料体系，获得理想涂层。3、涂层稀释度低，受污染小，保证所设计涂层的性能。4、由于激光束能量密度高，激光熔覆加热和冷却速度很大，熔池熔体凝固速度快，因此，涂层组织能得到改善。5、对基体材料热影响小，基体热变形小，可以对成形工件进行选区激光熔覆处理。例如盲孔，沟槽等特殊部位均可使用激光进行处理。6、涂层厚度可调范围大，易于控制，且工艺灵活，易于实现自动化。7、可对报废工件进行修复处理。实验研究表明，激光熔覆生成的熔覆层具有平整的外观形貌、致密的
19、微观结构、与基材良好的冶金结合。这些特点都可极大提高激光熔覆处理后材料表面的耐腐蚀、耐磨损等性能。然而由于熔覆过程中所受影响因素众多，使得覆层质量难以控制，容易出现裂纹、气孔、变形、氧化烧损及成分的不均匀等缺陷，阻碍了其进一步发展。要在熔覆理论及工艺技术方面取得突破，仍然存在许多挑战性问题。在对国内金属材料表面激光改性调查的基础上，应该把工作研究重点放在改进激光熔覆层质量和熔覆工艺两方面，以求解决熔覆中存在的实际问题，推动激光熔覆技术的更广泛发展。激光熔覆技术经过几十年的发展，已经完全从实验室进入到了实际应用，在诸多领域中有着广泛的应用8-10。在汽车工业方面，最先采用激光熔覆技术的汽车零件的
20、是发动机排气门的密封锥形面熔覆Stellite合金。磨损试验表明，激光熔覆Stellite合金涂层的耐磨性能比基体材料提高了5倍。日本一家公司1988年公布了用同步送粉法激光熔覆排气门的专利，意大利菲亚特汽车发动机排气阀座的环形表面用 Stellite F合金激光熔覆。此外，在缸套、曲轴、活塞环、换向器、齿轮等零部件的热处理过程中，激光熔覆技术也得到了广泛的应用。在航天航空领域，航空发动机钛合金和镍基合金摩擦副的接触磨损是发动机使用和维修的一大难题，通过激光熔覆技术则可获得优质的涂层，为燃气涡轮发动机零件的修复开创了一个新局面。美国Westinghouse公司用该技术修复长1.2m的蒸汽机叶片
21、前端的水蚀。S. E. Huffman公司使用2个送粉器，双摄像视频计算机和定位精度0.013mm、重复精度0.0076mm的数控系统熔覆飞机发动机叶片和压缩机叶片。Pratt&Whitney公司用6kW激光器，在镍基合金汽轮机叶片上熔覆钻基合金，处理一片只需15s的时间。在模具方面，通过激光熔覆处理可改善工模具钢的表面硬度、耐磨性、高温硬度、抗疲劳等性能，从而不同程度上提高了工模具的使用寿命。如激光熔覆高温耐磨涂层在轧钢机导向板上，其寿命与普通碳钢导向板相比提高4倍以上；与整体4Cr5MoV1Si导向板相比轧钢能力提高一倍以上，减小了停机时间，提高了产品的产量和质量，降低了生产成本等。在轧辊
22、行业中，辊环是高速线材轧机的主要易损件之一，国内外几乎所有的高速线材轧机预精轧、精轧部分均使用硬质合金辊环。硬质合金辊环价格昂贵，贵重金属使用量大。采用激光熔覆技术在钢制轧辊坯的轧道表面熔覆一层厚度适当、性能优异的金材料，能制造出满足使用要求的热轧辊，取代目前广泛使用但价格昂贵的硬质合金粉末烧结轧辊，且制造过程无废物排放，环保节能。在快速成型方面，激光技术的发展使人们可以精确调节和控制高能光束，可实现对材料的精细转换、堆积和加工处理。由于激光技术和材料科学的发展，结合CAD技术，在传统制造工艺的基础上，开发了新的工艺即快速成型，该技术的实质是精密激光熔覆，是激光熔覆固有特性的反映。它可降低生产
23、费用，缩短生产周期。目前，该技术仍处于起步阶段。此外，激光熔覆在石油、热能动力等行业中也有着广泛的应用11。1.3.2 激光熔覆工艺激光熔覆获得良好熔覆层的关键在于选择合适的工艺参数。为了深入研究、开发和应用激光熔覆成形技术，必须认识和掌握激光熔覆的基础知识。激光熔覆也称激光熔敷或激光包覆，它通过在基材表面添加熔覆材料，并利用高能密度的激光束使之与基材表面薄层一起熔凝的方法，在基材表面形成与其为冶金结合的添加熔覆层，从而显著改善基体表面的耐磨、耐蚀、耐热、抗氧化以及电气特性等的工艺方法。在激光熔覆过程中，激光熔覆层的质量和性能除与熔覆材料的原始成分和粒度、基材的性能和成分密切相关外，还取决于熔
24、覆工艺参数及其熔覆材料的添加方式。工艺参数优化一直是激光熔覆技术中的主要研究课题。现有的研究结果表明，影响激光熔覆层宏、微观质量的熔覆工艺参数很多，例如激光功率P、光斑尺寸（束直径D或面积S）、激光扫描速度V、多道搭接系数a，以及不同填料方式确定的涂层材料添加参量（如预置厚度d或送粉速度M）等12。这些参数依据涂层材料体系、涂层性能要求不同而发生变化。但在激光单道熔覆过程中，激光器一旦选定，相应的光学系统特性也就确定了。激光熔覆层的质量主要靠调整激光功率P、激光束直D（本实验中的D=6mm）和扫描速度V三个参数来实现。国内外研究者在这方面做了大量工作，并提出了比能量的概念，比能量，即单位面积的
25、辐照能量，它可将功率密度和扫描速度等因素综合在一起考虑13，比能量可用下式表示： （1.1）式中，-比能量（kW. min） P-激光功率（kW） D-激光束直径（mm） V-扫描速度（mm/min）在激光熔覆过程中，稀释率作为评定激光熔覆层表面品质优劣的主要依据之一，其定义为涂层材料和熔化基体的混合引起的涂层合金成分变化14。Abbas等通过实验发现可用公式（1.2）来简化熔覆层稀释率: （1.2）式中，n-熔覆层稀释率h-基材熔深（mm）H-熔覆层高度（mm）大量研究表明，比能量减小有利于降低稀释率，同时它与粉末层厚度也有不同的依赖关系。当稀释率高时，熔覆层凝固后较平滑，与基层结合较好；稀
26、释率太低时，熔覆层凝固后为球形，与基层结合较差。稀释率与激光功率成正比，而与扫描速度和送粉速度成反比。熔覆层形貌与各工艺参数存在一定的关系。1、在扫描速度一定的情况下，随着送粉速度的增加，熔覆层厚度增加，熔覆层宽度变化不大，熔化基体深度减小。2、在送粉速度一定的情况下，随着扫描速度的增加，熔覆层厚度减小，熔覆层宽度减小，熔化基体深度减小。3、在扫描速度一定的情况下，随着送粉速度的增加，透光率下降，熔覆材料加热程度降低导致熔覆层组织趋于细化。4、在送粉速度一定的情况下，随着扫描速度的增加，熔覆层组织趋于细化15。由此，在熔覆过程中，为保证质量，必须保证以下三点，一是激光功率必须保证能够熔化基层；
27、二是稀释率必须保证能够使上层与下层紧密结合；三是激光束必须保证在穿过熔覆粉末后，能够有剩余能量到达基层。要保证以上三点，必须调整好激光功率P、扫描速度V、送粉速度M。熔覆条件不同，材料体系不同，各参数间的依赖关系不同，因此，激光熔覆工艺参数应该遵循界面良好熔化但稀释度最小的原则来选择16。1.3.3 熔覆材料的添加方式激光熔覆材料的供给方式可分为两大类：预置涂层法和同步送粉法。图1.2为不同形式送料方式示意图。 （a） （b） （c） （d）图1.2 激光熔覆的不同方法17 （a）预置涂层法 （b）浆料送入式激光熔覆 （c）注入粉末式激光熔覆 （d）送丝式激光熔覆预置法（图1.2（a）有粘结、
28、喷涂两种方式。粘结方法简单、灵活，不需任何设备。但粘结剂在熔覆过程中受热分解，会产生一定数量的气体，在熔覆层的快速凝固过程中，容易滞留在涂层内部形成气孔。预置式激光熔覆的主要工艺流程为：工件表面预处理预涂熔覆材料工件预热激光熔覆后热处理。表面预处理是清除掉基体工件表面的污物和氧化物，以免影响熔覆质量。常用的清理方法有溶剂清洗、喷砂、砂纸磨削等。工件的预热和后热处理是为了消除熔覆缺陷。同步送粉和预置粉末法相比，前者熔覆时合金粉末与基体表面被同时熔化，后者则是首先加热涂层表面，依赖热传导过程加热整个涂层。送粉式激光熔覆的主要工艺流程为：基体工件表面预处理工件预热送粉并激光熔覆后热处理17。送粉和激
29、光熔覆同步进行，在激光辐照的同时将熔覆材料送入激光辐照区域，需要专用的送粉设备18。该方法是激光熔覆技术的首选方法，国内外实际生产中采用较多。同步送粉方式有浆料送入式，粉末注入式和送丝式三种（如图1.2（b）（c）（d）。1.3.4 激光熔覆材料的选择目前国内外采用的激光熔覆材料主要是热喷涂或热喷焊类粉末材料，激光熔覆对粉末材料的选择是为了获得激光熔覆后所需要的使用性能，如耐磨、耐蚀、耐高温、抗氧化等特殊性能。激光熔覆粉末应能满足下列基本要求19：1、具有良好的固态流动性。粉末的流动性与粉粒的形状、粒度分布、表面状态及粉末的湿度等因素有关，球形粉末流动性最好。此外，粉末受潮时流动性差，使用时应
30、注意烘干。2、合适的热膨胀系数、导热性。应尽可能与基体材料相接近，以减少熔覆层中的残余应力。3、具有良好的润湿性。润湿性与表面张力有关，表面张力愈小，润湿角愈小，液态流动性愈好，易于得到平整光滑的熔覆层。4、应有良好的造渣、除气、隔气性能。合金粉末在熔化状态时应有良好的脱氧、除气能力，其脱氧产物应是比重小、熔点低的熔渣覆盖在液态金属表面，对表面其保护作用，以防止产生夹渣、气孔、氧化等缺陷。5、合金粉末的熔点不宜太高。粉末熔点愈低，愈易控制熔覆层的稀释率，所获得的熔覆层质量愈好；熔点愈低，液态流动性愈好，对获得平整光滑的熔覆层有利。常用激光熔覆合金粉末如下：1、自熔性合金粉末自熔性合金粉末是自身
31、能起熔剂作用的合金，即在熔化时合金本身有自脱氧性能和自造渣性能。目前国内外生产的自熔性合金粉末可分为镍基、钻基和铁基三大类，还有WC型自熔性合金粉末，是在上述三大类合金中加入一定量的高硬度WC颗粒制成的。（1）镍基自熔性合金粉。是最为典型的粉末，其熔点低、自熔性好，具有良好的韧性和耐冲击性能、耐热性能和抗氧化性能，耐金属间摩擦磨损和低应力磨粒磨损，其高温性能不如钻基合金粉。Ni基自熔性合金是运用Fe、Cr、Co、Mo、W等元素进行奥氏体固溶强化，运用Al、Ti等元素进行金属间化合物沉淀强化，运用B、Zr、Co等元素实现晶界强化。研究表明：C元素的加入可获得高硬度的碳化物，形成弥散强化相，提高熔
32、覆层的耐磨性；Si和B元素一方面作为脱氧剂和自熔剂，增加润湿性，另一方面通过固熔强化和弥散强化提高涂层的硬度和耐磨性；Cr元素固溶在Ni的面心立方晶体中，对晶体既起固溶强化作用，又对熔覆层起氧化钝化作用，从而提高了耐蚀性能和抗高温氧化性能，富余的Cr与C、B形成碳化铬和硼化铬硬质相，提高镍基合金的硬度和耐磨性20。（2）钻基自熔性合金粉末。这种粉末耐高温性能最好，耐震、抗蠕变、抗磨损、抗腐蚀性能都好。800时能保持可用的硬度，1080 时，还具有良好的抗氧化性能。（3）铁基自熔性合金粉末。它的最大优点就是成本低，但抗氧化性差，合金自熔性也较差，熔层内气孔夹杂较多，可用于要求不严格的场合。（4）
33、碳化钨型自熔性合金粉末.。在滑动磨损、冲击磨损和磨粒磨损严重的条件下，镍基、钻基、铁基自熔性合金已不能胜任，在上述合金中加2050碳化钨，可很大程度提高熔覆层硬度，其具有高的耐磨性和红硬性，又有一定的韧性。因此，在实际应用中，应根据使用要求合理选择自熔性合金粉末体系。2、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，其中又以氧化物陶瓷粉末（Al2O3和ZrO2）为主。由于陶瓷粉末具有优异的耐磨、耐蚀、耐高温和抗氧化特性，所以它常被用于制备高温耐磨耐蚀涂层和热障涂层。陶瓷材料虽然作为高温耐磨耐蚀涂层和热障涂层材料一直备受关注，但因陶瓷材料与基体金属的热膨胀系数、弹性模量及导热系数等差别
34、较大。这些性能的不匹配造成了涂层中出现裂纹和空洞等缺陷，在使用中将出现变形开裂、剥落损坏等现象21。3、复合粉末复合粉末主要是指碳化物、氮化物、硼化物、氧化物及硅化物等各种高熔点硬质陶瓷材料与金属混合或复合而形成的粉末体系。复合粉末可借助激光熔覆技术制备出陶瓷颗粒增强金属基复合涂层，它将金属的强韧性、良好的工艺性和陶瓷材料优异的耐磨、耐蚀、耐高温和抗氧化特性有机结合起来，是目前激光熔覆技术领域研究发展的热点22。复合粉末的主要有硬质耐磨复合粉末、减摩润滑复合粉末、耐高温和隔热复合粉末、耐腐蚀氧化复合粉末。在一些工况条件下（如滑动磨损、冲击磨损和磨粒磨损严重），纯的Ni基、Co基和Fe基合金粉末
35、已满足不了使用工况的要求，此时可在上述自熔性合金粉末中加入各种高熔点的碳化物、氮化物、硼化物和氧化物陶瓷颗粒，制成了金属复合涂层。在合金表面激光熔覆金属陶瓷复合涂层已经成为国内外学者研究的热点，目前已进行了钢、钛合金及铝合金表面激光熔覆多种陶瓷或金属陶瓷涂层的研究 23。4、其它合金粉末除以上几类激光熔覆粉末材料体系，目前已开发研究的熔覆材料体系还包括铜基、钛基、铝基、镁基、锆基、铬基以及金属间化合物基材料等24。这些材料多数是利用合金体系的某些特殊性质使其达到耐磨减摩、耐蚀、导电、抗高温、抗热氧化等一种或多种功能。另外，在合金粉末中加入稀土元素已成为一种发展趋势。如Ce、La、Y等稀土元素极
36、易与其它元素反应，生成稳定的化合物，在熔覆层凝固过程中可以作为结晶核心、增加形核率，并吸附于晶界阻止晶粒长大，细化枝晶组织。同时，稀土元素与硫、氧的亲和力极强，又是较强的内吸附元素，易存在于晶界，既强化晶界又净化晶界，在内氧化层前沿阻碍氧化过程继续进行，可明显提高高温抗氧化性能和耐腐蚀性能25。另外，稀土还可有效改善熔覆层的显微组织使硬质相颗粒形状得到改善并在熔覆层中均匀分布。尚丽娟等26在稀土对激光熔覆钴基自熔合金的改性方面做了深入研究，成功地采用稀土变质及激光熔覆工艺在20钢基体上获得了钴基自熔合金梯度组织涂层。结果表明，加入0.6的稀土后，获得的梯度涂层组织由亚共晶向共晶连续过渡，硬度比
37、原合金高12.3，耐磨性比未加稀土的涂层提高近2倍。研究发现，加入适量的稀土氧化物La2O3可有效改善激光熔覆复合层的显微组织，减少复合层中的裂纹、孔洞和夹杂，改善熔覆层中TiC颗粒的形状，同时，熔覆层的耐磨性和耐蚀性明显提高。1.3.5 激光熔覆层的质量控制高质量的激光熔覆层必须具有的条件，一是具有良好的宏观形貌，即光滑平整、没有明显表面裂纹；二是与基体结合的冶金金相组织晶粒细化，没有微观裂纹和大量的气孔；三是组织过渡平缓，硬度分布和元素成分分布合理27。影响激光熔覆层质量的因素有以下几点28：1、激光系统特性。光束模式，波长，输出特性，功率的稳定性及发散度等。2、材料特性。基底材料和熔覆材
38、料的热物理性质（熔点、导热率及线膨胀系数等），熔覆材料对激光的吸收率及熔覆材料对基底材料的润湿性等。3、激光熔覆工艺。熔覆材料的供给方式及供给量，激光熔覆工艺参数（激光输出功率，光斑尺寸，扫描速度），保护方式及多道熔覆的搭接率等。在激光熔覆时，主要是通过选择熔覆材料的供给方式、调节熔覆材料的供给量（送粉速度或预涂层厚度）、激光熔覆工艺参数及搭接率等达到控制熔覆层质量的目的。 激光熔覆层中常见缺陷有裂纹、气孔等，必须对其进行严格控制。1、裂纹及其控制熔覆层的开裂主要与激光参数、工艺处理条件、覆层材料、基体状况等因素有关。裂纹的产生原因主要是由于熔覆材料与基体材料在热物理性能方面存在差异，加之高能
39、密度激光束的快速加热和基体的激冷作用，使熔覆层中产生极大的热应力。当局部拉应力超过涂层材料的强度极限时，就会产生裂纹。由于熔覆层的枝晶界、气孔、夹杂处强度较低且易于产生应力集中，因此，裂纹往往在这些部位产生。单道激光熔覆层的裂纹多垂直于激光扫描方向，并且裂纹大致平行分布。多道搭接激光熔覆时，由于残余应力相互叠加，熔覆层开裂倾向更大，裂纹多呈网状分布。激光熔覆层的开裂敏感性主要取决于熔覆层中残余热应力的大小和熔覆层的抗开裂能力（韧塑性及抗拉强度）。选择具有与基体热膨胀系数相近的熔覆材料是防止熔覆层开裂的有效途径。优化工艺参数可以减少熔覆层中的裂纹。熔覆前进行预热、熔覆后进行回火29、设计改性梯度
40、层材料等可得到满足使用性能要求的无裂纹激光熔覆层。2、气孔及其控制气孔也是激光熔覆层中经常出现的缺陷。激光熔覆层中的气孔是由于在激光快速熔凝的条件下，熔池中的气体来不及逸出而形成的。但在激光熔覆时，由于激光熔池存在的时间极短，脱氧造渣过程进行不充分，使得熔体中有氧或氧化物残留，导致高温下碳与氧发生反应，生成CO或CO2气体。对于非自熔性合金，由于没有硼、硅元素的脱氧造渣，熔覆层中更易形成气孔。此外，在采用粘结法预置涂层材料时，若粘结剂选择不当，也可能在激光加热过程中产生气体，形成气孔。激光熔覆层中的气孔是难以完全避免的，但可采用一些措施加以控制。常用的方法有：严格防止合金粉末储运中的氧化，在使
41、用前要烘干去湿以及激光熔覆时要采取防氧化的保护措施等。大功率的宽带激光器在激光熔覆技术上的应用，虽然能解决一些问题，还不能很好的解决合金熔覆的开裂、气孔和夹杂。开发研制合适的合金熔覆材料、工艺理论和预置方法是非常必要的。1.3.6 激光熔覆技术的发展现状目前己经在钢、不锈钢、可锻铸铁、模具钢、铜合金、灰铸铁、铝合金及特殊合金表面进行了钻基、镍基、铁基等自熔合金粉末及陶瓷相的激光熔覆。其中，针对钢铁材料的研究较早，且比较成熟，并已在工业中获得应用。1978年，美国AVCO公司的EVERT实验室和METC公司相继发表文章报道他们的研究成果，由此推动了激光熔覆技术的发展。英国利物浦大学Stem教授在
42、激光熔覆研究方面也取得了很大进展。1979年日本日立公司公开了他们在激光熔覆汽轮机叶片上的应用专利。此后，许多工业国家纷纷投入了较多的人力物力从事这方面的研究，内容包括涂层表面质量、组织性能、机械性能、物理模型、数学模型等许多方面。我国的激光熔覆研究工作始于上世纪80年代初期。1981年，中科院长春光机所针对汽轮机叶片防蚀问题选用镍基自熔合金，在Cr13钢上进行了激光熔覆研究。随着我国大功率激光器的发展，到八十年代中期，上海光机所、华中理工大学、中科院金属研究所、哈尔滨工业大学、天津纺织工学院、重庆大学等单位相继开展了这方面的研究工作。到90年代初期，国内从事这方面研究的单位己达几十家之多，并
43、开展了深入细致的研究，在工业上获得了应用。如今，我国在激光熔覆方面的研究己达国际同期水平。目前激光熔覆技术已经取得一定的成果，正处于逐步走向工业化应用的起步阶段。今后的发展前景主要有以下几个方面：1、激光熔覆的基础理论研究。包括激光快速凝固行为的研究、裂纹的形成、扩展和控制方法、揭示材料微结构的形成演化机理及规律、丰富和发展快速凝固理论、相变理论和界面理论等等。2、料的设计与开发。在专用熔覆合金的设计方面取得了一定成果，但是尚未达到标准化和系统化的要求。功能梯度涂层的开发为解决裂纹问题提供了新思路，但是还存在一些问题。如难以精确控制涂层成分按理论设计变化等。3、覆设备的改进与研制。包括导光系统
44、的研制、涂层材料预置装置和工艺反馈控制系统设计。4、型的建立。激光熔覆过程中的应力场、流场和温度场是十分复杂的，目前大多数研究结果均是实验测定的，尚缺乏理论研究。5、覆的快速成型技术。该技术的实质是精密激光熔覆，是激光熔覆固有特性的反映。目前该技术还处于起步阶段。6、程控制的自动化。其中人们最感兴趣的是熔覆过程的模糊控制、神经网络控制和开发激光熔覆专家系统。1.4 研究的主要内容激光表面改性技术中的激光熔覆是利用高能密度的激光束所产生的快速熔凝过程，在基体表面形成与基体材料相互熔合的、具有完全不同成分与性能的合金涂层。因此熔覆合金粉末应具有良好的工艺性能，润湿性、固态流动性、造渣、除气、抗裂等
45、性能应尽量高；含氧量、合金熔点应尽量低。本课题研究拟采取“试验设计性能测试结果分析”的技术路线，优化工艺参数。主要研究内容如下：1、熔覆层材料的选择及激光熔覆工艺参数优化。通过对不同激光熔覆功率和扫描速度的宏观、微观质量研究，选择出适合激光熔覆工艺参数。2、研究熔覆层的微观组织结构。用金相显微镜、X射线衍射等对不同工艺参数下熔覆层的显微组织、物相组成等进行分析，揭示激光工艺参数对熔覆层微观组织的影响。3、测试激光熔覆层的显微硬度。测试激光熔覆层的维氏硬度，揭示其硬度与激光加工功率、扫描速度之间的关系，进一步优化工艺参数。4、检测激光熔覆层的耐腐蚀性能。测试不同工艺参数下熔覆层的腐蚀性能并与基体
46、比较，得出熔覆层耐腐蚀性能得以改善的理想工艺。第2章 实验材料与方案熔覆过程中的工艺参数对熔覆件的质量有很大的影响，激光熔覆工艺参数主要有激光功率、光斑直径、离焦量、送粉速度或预置厚度、扫描速度、熔池温度等，他们对熔覆层的稀释率、裂纹、表面粗糙度以及熔覆零件的致密性都有着很大影响，一个良好的熔覆层应该具有较低的稀释率、无开裂、无气孔、无火渣，使用时无脱落，熔覆层与基体呈冶金结合，性能均匀，外观平整，能满足预定的使用性能要求。在确定了本论文的研究目的与思路后，本章将详细介绍试验材料与试验方法，实验材料包括基体材料与熔覆材料，实验方法包括熔覆涂层的制备、检测分析与性能测试。2.1 实验材料2.1.1 基体材料实验基体材料选用45钢，尺寸长宽厚为100mm40mm6mm。实验进行之前，基体材料表面用用机械研磨或砂轮打磨掉氧化皮，再用砂纸打磨，增大表面光洁度，减少对激光的漫反射，然后再用乙醇、丙酮清洗吹干，置于烘箱中烘干，防止表面氧化。其化学组成如表2.1所示。 表2.1 45钢化学成分 CSiBFeCuCrMoWNi0.5-1.03.5-5.03.0-4.58.02-414-192-42-3余量通过对基体金相照片的观察分析，可以看出基体组织主要由片状珠光体和铁素体组成，白色为铁素体，构成网络状、条状分布，晶粒大小极不均匀。基材的显微组织如图2.1。 图2