抗磨涂层材料:激光熔覆耐磨涂层的工艺及应用

发布时间 | 2023-04-21 17:54 分类 | 粉体入门 点击量 | 1728
导读:​激光熔覆技术是指以不同的填料方式在被涂覆基体表面上放置选择的涂层材料,利用高能密度的激光束作热源,经激光辐照使之和基体表面一薄层同时熔化,并快速凝固后形成稀释度极低并与基体材料成...

激光熔覆技术是指以不同的填料方式在被涂覆基体表面上放置选择的涂层材料,利用高能密度的激光束作热源,经激光辐照使之和基体表面一薄层同时熔化,并快速凝固后形成稀释度极低并与基体材料成冶金结合的表面涂层,从而显著改善基体材料表面的耐磨、耐蚀、耐热、抗氧化及电器特性等的工艺方法。

激光熔覆技术涉及光、机、电、计算机、材料、物理、化学等多门学科,是材料表面改性技术的一种高新技术和重要方法。

激光熔覆耐磨涂层工艺

激光熔覆工艺与传统的表面熔覆工艺(例如喷焊、堆焊等)相比有很多优点:熔覆层与基材呈冶金结合,极大地提高了熔覆层与基材的结合强度:由于激光束光斑较小,加热速度极快,激光熔覆对基材的热影响区较小,因而引起的变形也小;同时由于激光的快速加热和冷却,使熔覆材料中的元素不易被基材稀释(稀释率一般为2%〜8%)。

根据熔覆材料的供给方式不同,激光熔覆工艺分为两类:预置式激光熔覆法和同步式激光熔覆法。


1、预置式激光熔覆法

将待熔覆的涂层粉料先通过粘结、喷涂、电镀、预置丝材或板材等方法预置在基材表面上,而后用激光束进行表面扫描,预覆层表面吸收激光能量使温度升高并熔化,同时通过热传导将表面热量向内部传递,使整个合金预覆层即一部分基材熔化,激光束离开后基材表面形成冶金结合的合金熔覆层。

2、同步式激光熔覆法

在激光束辐射基体材料表面产生熔池的同时,用惰性气体将熔覆材料(一般是合金粉末)直接送入激光熔池中实现熔覆,即设计专门的送料系统,在激光熔覆加热的同时将涂层粉料直接送入激光作用区,在激光的作用下涂层粉料和基体材料表面的一部分同时熔化,然后冷却结晶形成合金熔覆层,如下图所示。


1.聚焦镜筒;2.出光嘴;3.涂覆层;4.运动方向;5.工作台;6.试样;7.粉末输送管

同步式激光熔覆示意图

在同步式激光熔覆中,同步供料的方法很多。对于粉末类熔覆材料,常采用专用的送粉器将熔覆粉末送入熔池,一次完成激光熔覆过程。同步式激光熔覆法比预置式激光熔覆法更能保证熔覆层的质量,同时节约能源和工时,还可以对激光熔覆过程进行计算机控制,实现自动化。

为了减少熔覆层和基体在熔覆过程中产生应力、变形和开裂,有时还要在激光熔覆前对工件进行预热,在激光熔覆后进行后处理。这主要是根据基材与熔覆材料的特性以及工件的形状与尺寸等进行选择。

生产中常用火焰喷涂或者等离子喷涂将合金粉末喷涂于基材表面,获得厚度比较均匀、表面比较平整的预置层。热喷涂前一般要对基材熔覆表面进行除油、除锈和喷砂处理(也称预处理)。

激光熔覆是一个非常复杂的动态熔化过程,涉及热传导、对流、能量传递等问题,影响激光熔覆的工艺因素很多。尽管国内外学者进行了大量试验研究,也得出一些数学表达式,但在实际应用中,仍需通过试验确定最佳的工艺参数。

激光熔覆耐磨涂层材料与组织

1.基体材料

用于激光熔覆的基体材料和熔覆材料非常广泛。常用的基体材料有碳钢、合金钢、铸铁、铝合金、铜合金及钛合金等。

2.熔覆材料

常用的激光熔覆耐磨涂层材料主要有铁基、镍基、钻基自熔性合金材料,硬质陶瓷材料以及陶瓷与金属的复合材料等,熔覆材料多为粉末状态。

3.激光熔覆涂层组织

激光熔覆涂层组织包括底层、中间层和表层三部分。以镍基(Ni60)合金涂层为例分为底部、中部和表层的三部分组织,在合金层底部与基材之间有一条约20pm宽、沿界面平行的“亮带”(一般称为熔合带或结合带)。在激光熔覆过程中,合金粉末被熔化的同时,基材浅表层也被熔化,形成激光熔池。当激光束移开后,熔池底部的液相在基材的自身冷却作用下凝固。由于温度梯度很大,致使固/液相界面平行向前推进,从而形成平行于基体的薄带。在继续冷却过程中,液/固界面出现成分过冷现象,因而形成枝晶。继续凝固,剩余液相成分接近共晶成分,形成共晶组织。

激光覆涂层的耐磨性及其应用

镍基合金粉末适用于要求局部耐磨、耐热腐蚀及抗热疲劳的构件。钻基合金粉末适用于要求耐磨、耐蚀及抗热疲劳的零件。陶瓷涂层在高温下有较高的强度,热稳定性好,化学稳定性高,适用于要求耐磨、耐蚀、耐高温和抗氧化性的零件。在滑动磨损、冲击磨损和磨粒磨损严重的条件下,纯的镍基、钻基和铁基合金粉末已经满足不了使用工况的要求,因此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,对钢、钛合金及铝合金表面进行激光熔覆多种陶瓷或金属陶瓷涂层的研究工作正在开展。


激光熔覆合金粉

激光熔覆铁基合金粉末适用于要求局部耐磨而且容易变形的零件。目前已成功开展了在不锈钢、模具钢、可锻铸铁、灰口铸铁、铜合金、钛合金、铝合金及特殊合金表面钻基、镍基、铁基等自熔合金粉末及陶瓷相的激光熔覆。

近年十几年来,激光熔敷耐磨涂层处理技术得到了迅速的发展,目前已成为国内外激光表面改性研究的热点。激光熔敷技术具有很大的技术经济效益,广泛应用于机械制造与维修、汽车制造、纺织机械、航海与航天和石油化工等领域。


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作者:粉体圈

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