激光熔敷(激光熔覆如何改善产品表面性能)

Posted 2023-06-01

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激光熔敷(激光熔覆如何改善产品表面性能)

激光熔覆是一种表面改性技术，又叫激光熔敷或激光包覆，采用高能量激光作为热源，合金粉末作为焊材，通过激光与合金粉末同步作用于金属表面，快速熔化形成熔池，再快速凝固形成致密、均匀并且厚度可控的冶金结合层。可显著改善金属表面的耐磨、耐蚀、耐热、抗氧化等性能。

　　激光熔覆是一个复杂的物理、化学冶金过程，激光参数的设置对熔覆层质量的影响较大。除此之外，合金粉末的选择也是重要的因素。

　　激光熔覆合金粉末按照材料成分构成，主要分为自熔性合金粉末、复合粉末和陶瓷粉末。其中，自熔性合金粉末的研究与应用最多。

　　一、自熔性合金粉末

　　自熔性合金粉末可以分为铁基(Fe)、镍基(Ni)、钴基(Co)合金粉末，其主要特点是含有硼和硅，因而具有自脱氧和造渣性能;还含有较高的铬，因而具有优异的耐蚀性和抗氧化性。对碳钢、不锈钢、合金钢、铸钢等多种基材有较好的适应性，能获得氧化物含量低、气孔率小的熔覆层。

　　01　　铁基(Fe)自熔性合金粉末

　　铁基自熔性合金粉末最大优点是材料来源广泛、成本低且抗磨性能好。缺点是熔点高、抗氧化性差，熔覆层易开裂、易产生气孔等。在铁基合金粉末成分中，通过调整合金元素含量来调整涂层的硬度，并通过添加其它元素改善熔覆层的硬度、开裂敏感性和残余奥氏体的含量，从而提高熔覆层的耐磨性和韧性。

　　02　　镍基(Ni)自熔性合金粉末

　　镍基(Ni)自熔性合金粉末在滑动、冲击磨损和磨粒磨损严重的条件下，单纯的自熔性合金粉已不能胜任使用要求，此时可在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，制成金属复合涂层。

　　03　　钴基(Co)自熔性合金粉末

　　钴基(Co)自熔性合金粉末具有优良的耐热、耐蚀、耐磨、抗冲击和抗高温氧化性能，常被应用于石化、电力、冶金等工业领域。目前，钴基合金所用的合金元素主要是镍、碳、铬和铁等。其中，镍元素可以降低钴基合金熔覆层的热膨胀系数，减小合金的熔化温度区间，有效防止熔覆层产生裂纹，提高熔覆合金对基体的润湿性。

　　二、复合材料

　　复合材料主要是指碳化物、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，可分为(Co、Ni)/WC等系列。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，能在一定程度上使碳化物免受氧化和分解，从而获得具有很高耐磨和硬度的涂层。

　　三、陶瓷材料

　　陶瓷材料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(氧化铝和氧化锆)为主。氧化锆比氧化铝陶瓷粉末具有更低的热导性和更好的热抗震性能，因而也常用于制备热障涂层。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。

不同熔覆材料的特点、价格以及熔覆后的性能差别较大，实际使用时可根据不同的加工需求选择不同性能的合金粉末。通过激光将合金粉末熔覆在工件表面(激光熔覆)，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，有效降低生产成本，节约贵重稀有金属材料。与堆焊、热喷涂、电镀等传统表面处理技术相比，激光熔覆具有稀释度小、组织致密、涂层与基体结合好、适合熔覆材料多、粒度及含量变化大、加工质量高、可控性好(可实现三维自动加工)等优点。目前主要应用于材料表面改性(如液压立柱、轧辊、齿轮、燃汽轮机叶片等)，产品表面修复(如因磨损而失效的转子、模具、轴承内孔等)，修复后的部件强度可达原强度的90%以上，且修复费用不到产品换新成本的1/5，更重要的是缩短了维修时间，有效解决了大型企业重大成套设备转动部件快速抢修难题。

　　端口内孔激光修复

　　此外，对关键部件表面通过激光熔覆耐磨抗蚀合金，可以在零部件表面不变形的情况下大大提高零部件的使用寿命。对模具表面进行激光熔覆处理，不仅提高模具强度，还可以降低2/3的制造成本，缩短4/5的制造周期。

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