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激光熔覆缺陷的解決方案


        激光熔覆是指以不同的添料方式在被熔覆基體表面上放置被選擇的涂層材料經激光輻照使之和基體表面一薄層同時熔化,并快速凝固后形成稀釋度極低,與基體成冶金結合的表面涂層,顯著改善基層表面的耐磨、耐蝕、耐熱、抗氧化及電氣特性的工藝方法,從而達到表面改性或修復的目的,既滿足了對材料表面特定性能的要求,又節約了大量的貴重元素。但在實際應用中我們發現激光熔覆出來的產品會有缺陷,本文意在分析激光熔覆的缺陷形成,并提供一定的建議。

    一、激光熔覆冶金結合的質量:熔覆層和基材的結合度理論上應該是致密、低稀釋度、較窄的交互擴散帶。而要達到這個要求需要除激光加工工藝和熔覆層厚薄相關外更取決于合金材料和基材材料的性質;良好的潤濕性和自熔性可以獲得理想的冶金結合。但是,熔覆層合金與基材材料的熔點差異過大,則形成不了良好的冶金結合。熔覆層合金熔點過高,熔覆層熔化小,表面光潔度下降,且基材表層過燒嚴重污染覆層;反之,涂層過燒,合金元素蒸發,收縮率增加,破壞了覆層的組織與性能。同時基材難熔,界面張力增大,涂層與基材間難免產生孔洞和夾雜。在激光熔覆過程中,在滿足冶金結合時,應盡可能地減少稀釋率,研究表明,對于不同的基材材料與搜層合金化時所能得到的最低稀釋率并不相同,一般認為,稀釋率保持在5%以下為宜。


   二、氣孔。在激光熔覆層中氣孔也是一種非常有害的缺陷,它不僅易成為熔覆層中的裂紋源,并且對要求氣密性很高的熔覆層也危害極大,另外它也將直接影響熔覆層的耐磨、耐蝕性能。它產生的原因主要是,涂層粉末在激光熔覆以前氧化、受潮或有的元素在高溫下發生氧化反應,在熔覆過程中就會產生氣體。再者由子激光處理是一個快速熔化和凝固過程,產生的氣體如果來不及排出,就會在涂層中形成氣孔。此外還有多道搭接熔覆中的搭接孔洞、熔覆層凝固收縮時帶來的凝固孔洞以及熔覆過程中某些物質燕發帶來的氣泡。


   一般說來,激光熔覆層中的氣孔是難以避免的,但與熱噴涂涂層相比,激光熔覆層的氣孔明顯減少。在激光熔覆過程中可以采用一些措施加以控制,常用的方法是嚴格防止合金粉末儲運中的氧化,在使用前要烘干去濕及激光熔覆時要采取防氧化的保護措施,根據試驗,選擇合理的激光熔覆工藝參數等。


      三、激光熔覆過程中成分及組織不均勻。在激光熔覆過程中往往會產生成分不均勻,即所謂成分偏析以及由此帶來的組織不均勻。產生成分偏析的原因很多。首先,在激光熔覆加熱時,其加熱速度極快從而會帶來從基材到熔覆層方向上的極大的溫度梯度。這一梯度的存在必然導致冷卻時熔覆層的定向先后凝固,根據金屬學知識可知先后凝固的熔覆層中必然成分不同。加之凝固后冷卻速度也極快,元素來不及均勻化熱擴散,從而導致成分不均勻即所謂成分偏析的出現。同時自然也就引起了組織的不均勻以及熔覆層性能的損害。這種成分偏析在激光熔覆中目前尚無法解決。其次,是由于熔池的對流而帶來的成分偏析。由于激光輻射能量的分布不均,熔覆時必然要引起熔池對流,這種熔池對流往往造成覆層中合金元素宏觀均勻化,因為熔他中物質的傳輸主要靠液體流動(即對流)來實現,同時熔池對流也將帶來成分的徽觀偏析。另外,由于合金的性質,如黏度、表面張力及合金元素間的相互作用都將對熔池的對流產生影響,故它們也必將對成分偏析造成影響。要完全消除激光熔覆中成分偏析是不可能的。但可以通過調整激光與熔覆金屬的相互作用時間或者調整激光束類型改變熔池整體對流為多徽區對流等改變工藝參數的手段來達到適當抑制激光熔覆層的成分偏析,以便得到組織較為均勻的熔覆層,以滿足設計的覆層性能。在多道搭接熔覆時,由于搭接區冷卻速率以及被搭接處有非均質結晶形核,搭接區出現與非搭接區不同的組織結構,從而使多道搭接激光熔覆中組織不均勻。


      四、開裂及裂紋。激光熔覆技術自誕生以來,總的來講未能使其得以真正推廣應用。這主要因為激光熔覆中存在的最為棘手的問題是熔覆層的裂紋與開裂,并在很大程度上限制了這一技術的應用范圍。激光熔覆裂紋產生的主要原因是由于激光熔覆材料和基材材料在物理性能上存在差異,加之高能密度激光束的快速加熱和急冷作用,使熔覆層中產生極人的熱應力。通常情況下,激光熔覆層的熱應力為拉應力,當局部拉應力超過涂層材料的強度極限時,就會產生裂紋,由子激光熔覆層的枝晶界、氣孔、夾雜處強度較低且易子產生應力集中,裂紋往往在這些地方產生。在激光熔覆材料方面,可以在熔覆層中加人低熔點的合金材料,這些都可以減緩涂層中的應力集中,降低開裂傾向。在激光熔覆層中嘗試加人適盆的稀土,可以增加涂層韌性,使激光熔覆過程中熔覆層裂紋明顯減少。這些措施雖然能解決一些問題,但還不能很好地解決鈦合金熔覆的開裂、氣孔和夾雜,因此開發研制適合鈦合金熔覆的材料是很有必要的。在激光熔覆工藝方面,為了獲得高質量的熔層,可進一步開發新型的激光熔覆技術,如梯度涂覆采用硬質相含量漸變涂覆的方法,可獲得熔層內硬質相含量連續變化且無裂紋的梯度熔層,此外涂層前后進行合適的熱處理等如采用預熱和激光重熔的方法,也能有效防止熔覆層中裂紋和孔洞的產生。


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