嗨!刷脸时代看看激光熔复非晶涂层给我们什么样面子

非晶合金2022-06-26 19:10:17


激光熔覆(laser cladding),是指在基体材料表面以不同的添料方式放置熔覆材料,利用高能量密度激光束辐照加热,将熔覆材料和基体表面薄层同时熔化,经快速凝固成形,在基材表面形成具有特殊性能涂层的一种新型表面改性技术。


预置式激光熔覆


同步式激光熔覆


一、激光熔覆技术的发展现状

国际上,以美国、德国、日本为代表的发达国家激光熔覆技术发展速度惊人,特别是在航空、电力、船舶及石油等大型制造领域基本完成了用激光加工工艺对传统加工工艺的更新换代,已经进入了“光制造”时代。


我国在激光器技术方面与国外的差距较大,缺少独有的核心技术。在激光熔覆技术的应用过程中,需要解决的关键问题主要是大面积、高厚度、高性能熔覆层的裂纹问题,这就对激光熔覆工艺以及粉末材料提出了更高的要求。


二、激光熔覆技术的优势

激光熔覆技术具有以下显著优势与特点:

(1)激光熔覆时可对基体产生较小的热影响区,工件变形较小。

(2)熔覆层与基体材料之间可实现冶金结合,且熔覆材料稀释率较低。

(3)熔覆层晶粒细小、结构致密,能够获得较高的硬度和耐磨、抗腐蚀等性能。

(4)可以做到选择性局部细微修复,有效降低修复成本。

(5)粉末材料体系适应性比较高,大多数的常规及特种金属粉末材料都可熔覆到金属零件表面。


三、激光熔覆技术的应用情况

(1)航空航天领域 

大型钛合金构件的激光熔覆成形,是目前激光熔覆技术最显著的成就之一。


(2)石油勘探领域 

在石油化工行业,由于设备处于长期的恶劣工作环境中,更容易使零部件产生严重腐蚀、剧烈磨损现象。


(3)煤炭开采领域 

在煤矿行业中,由于工作环境苛刻,对煤矿开采机械零部件的性能要求较高。因此,采用激光熔覆技术进行液压立柱的强化有很大市场,也是国家支持的环境友好、循环利用的高新技术,可替代传统的电镀工艺。


(4)模具修复领域

利用激光熔覆的方法可实现对模具的修复,一般采用大功率CO2激光器作为热源,适用于体积较大、磨损面积较大的模具修复,以及像钢铁轧辊一类的大型工件的修复。


四、激光熔覆制备非晶涂层

激光熔覆制备非晶涂层是近三十年发展起来的一种新工艺,1987年首次报道了激光熔覆非晶涂层。近30年来,国内外学者对激光熔覆非晶涂层进行了大量的探索研究,主要集中在涂层的成分设计、制备工艺参数优化、涂层组织与性能等方面。


与其他非晶涂层制备技术相比,利用激光熔覆法所制备的非晶涂层存在明显的优势,如涂层中裂纹和气孔等缺陷较少、涂层稀释率低、熔覆层的尺寸控制精度高且尺寸不受限等,该技术适用于制备所有非晶涂层体系且生产效率高易实现工业化应用,故目前已成为制备非晶涂层的主要新型方法之一。


1、激光熔覆非晶涂层的材料体系

激光熔覆的材料体系主要包括基体材料和熔覆材料两大类。基体材料有低碳钢、中碳钢、不锈钢和铸铁等钢铁材料以及铝合金、镁合金和钛合金等有色材料。熔覆粉末材料体系主要集中于具有较大玻璃形成能力的块体非晶合金成分体系,主要包括Fe基、Zr基、Ni基、Cu基、Pd基及 Fe-Ni基等。


2、激光熔覆非晶涂层的性能特点

将非晶合金与激光熔覆技术有机结合,可极大提高工件表面的硬度、耐磨、耐热、耐腐蚀及耐疲劳等综合力学性能。


(1)高硬度

采用激光熔覆技术制备的非晶涂层中含有非晶相和硬质相,因此硬度显著提高。


(2)高抗腐蚀性

科学家利用激光熔覆技术在AISI1045钢上制备Fe基非晶涂层,最大厚度为1.2mm,硬度高达1270HV,并具有良好的耐蚀性。在碳钢表面利用激光熔覆技术制备获得的Fe基非晶-纳米晶复合涂层,在650℃的Na2SO4+K2SO4熔融盐中具有良好的耐热腐蚀性能。


(3)高耐磨损性

科学家在304L不锈钢上激光熔覆制备Fe基非晶复合涂层。结果表明涂层由晶相和非晶相组成,非晶含量随沉积层数增加而增大,非晶相的显微硬度明显高于晶相,耐磨性因非晶相的存在而显著提高。


3、存在的问题及发展趋势

由于激光熔覆条件下非晶相与晶体相的共存形式及形成机制还不清楚,涂层中非晶相与晶体相对性能影响的协同机制还不清晰。


今后利用激光熔覆技术制备非晶涂层研究可主要集中在以下几个方面:


(1)激光熔覆非晶涂层的成分设计和控制方面

要想制备高质量的非晶熔覆涂层必须在块体非晶合金成分设计的基础上,结合激光熔覆技术本身的工艺特点,设计出适合激光熔覆条件下形成的非晶合金体系成分。

添加微合金化元素/增强相也是进一步提高激光熔覆非晶涂层性能的有效途径之一。


(2)激光熔覆非晶涂层的工艺设计和优化方面

激光熔覆工艺参数与非晶涂层组织,特别是涂层中的非晶含量有较大关系。


(3)其他方面

①基础理论研究。深入研究非晶相与晶体相的共存形式及形成机制, 探讨激光熔覆非晶涂层的模型建立。

②大面积/体积非晶复合涂层的制备。结合3D打印技术,开发大面积/体积非晶复合涂层,满足特殊工况条件下材料的使用。

③非晶复合涂层表面功能化。目前的研究主要集中在涂层的力学性能,如硬度、耐磨、耐蚀等性能。结合去合金化、表面修饰等制备功能化的非晶复合涂层也将是一个主要的发展方向。


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