光信0802-56激光熔覆技術(shù)的評(píng)述與展望

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1、激光熔覆技術(shù)的評(píng)述與展望光信0802-56號(hào)高程成激光熔覆是一種新型的涂層技術(shù)，是涉及到光、機(jī)、電、材料、檢測(cè)與控制等多學(xué)科的高新技術(shù)，是激光先進(jìn)制造技術(shù)最重要的支撐技術(shù)，可以解決傳統(tǒng)制造方法不能完成的難題，是國(guó)家重點(diǎn)支持和推動(dòng)的一項(xiàng)高新技術(shù)。目前，激光熔覆技術(shù)已成為新材料制備、金屬零部件快速直接制造、失效金屬零部件綠色再制造的重要手段之一，已廣泛應(yīng)用于航空、石油、汽車、機(jī)械制造、船舶制造、模具制造等行業(yè)。為推動(dòng)激光熔覆技術(shù)的產(chǎn)業(yè)化，世界各國(guó)的研究人員針對(duì)激光熔覆涉及到的關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了系統(tǒng)的研究，已取得了重大的進(jìn)展。國(guó)內(nèi)外有大量的研究和會(huì)議論文、專利介紹激光熔覆技術(shù)及其最新的應(yīng)用：包括激光熔覆

2、設(shè)備、材料、工藝、監(jiān)測(cè)與控制、質(zhì)量檢測(cè)、過程的模擬與仿真等研究?jī)?nèi)容。但到目前為止，激光熔覆技術(shù)還不能大面積工業(yè)化應(yīng)用。分析其原因，這里有政府導(dǎo)向的因素、激光熔覆技術(shù)本身成熟程度的限制、社會(huì)各界對(duì)激光熔覆技術(shù)的認(rèn)可程度等因素。因此，激光熔覆技術(shù)欲實(shí)現(xiàn)全面的工業(yè)化應(yīng)用，必須加大宣傳力度，以市場(chǎng)需求為導(dǎo)向，重點(diǎn)突破制約發(fā)展的關(guān)鍵因素，解決工程應(yīng)用中涉及到的關(guān)鍵技術(shù)，相信在不遠(yuǎn)的將來，激光熔覆技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域及其強(qiáng)度將不斷的擴(kuò)大。下面介紹激光熔覆技術(shù)幾個(gè)發(fā)展的動(dòng)態(tài)，以饗讀者。激光熔覆的優(yōu)勢(shì)激光束的聚焦功率密度可達(dá)1010~12W/cm2，作用于材料能獲得高達(dá)1012K/s的冷卻速度，這種綜合特性不僅為材

3、料科學(xué)新學(xué)科的生長(zhǎng)提供了強(qiáng)有力的基礎(chǔ)，同時(shí)也為新型材料或新型功能表面的實(shí)現(xiàn)提供了一種前所未有的工具。激光熔覆所創(chuàng)造的熔體在高溫度梯度下遠(yuǎn)離平衡態(tài)的快速冷卻條件，使凝固組織中形成大量過飽和固溶體、介穩(wěn)相甚至新相，已經(jīng)被大量研究所證實(shí)。它提供了制造功能梯度原位自生顆粒增強(qiáng)復(fù)合層全新的熱力學(xué)和動(dòng)力學(xué)條件。同時(shí)激光熔覆技術(shù)制備新材料是極端條件下失效零部件的修復(fù)與再制造、金屬零部件的直接制造的重要基礎(chǔ)，受到世界各國(guó)科學(xué)界和企業(yè)的高度重視和多方面的研究。目前，利用激光熔覆技術(shù)可以制備鐵基、鎳基、鈷基、鋁基、鈦基、鎂基等金屬基復(fù)合材料。從功能上分類：可以制備單一或同時(shí)兼?zhèn)涠喾N功能的涂層如：耐磨損、耐腐蝕、耐

4、高溫等以及特殊的功能性涂層。從構(gòu)成涂層的材料體系看，從二元合金體系發(fā)展到多元體系。多元體系的合金成分設(shè)計(jì)以及多功能性是今后激光熔覆制備新材料的重要發(fā)展方向。最新的研究表明，在我國(guó)工程應(yīng)用中鋼鐵基的金屬材料占主導(dǎo)地位。同時(shí)，金屬材料的失效（諸如腐蝕、磨損、疲勞等）大多發(fā)生零部件的工作表面，需要對(duì)表面進(jìn)行強(qiáng)化。為滿足工件的服役條件而采用大塊的原位自生顆粒增強(qiáng)鋼鐵基復(fù)合材料制造，不僅浪費(fèi)材料，而且成本極高。另一方面，從仿生學(xué)的角度考察天然生物材料，其組成為外密內(nèi)疏，性能為外硬內(nèi)韌，且密—疏、硬—韌從外到內(nèi)是梯度變化的，天然生物材料的特殊結(jié)構(gòu)使其具有優(yōu)良的使用性能。根據(jù)工程上材料特殊的服役條件和性能的

5、要求，迫切需要開發(fā)強(qiáng)韌結(jié)合、性能梯度變化的新型表層金屬基復(fù)合材料。因此，利用激光熔覆的方法制備與基材呈冶金結(jié)合的梯度功能原位自生顆粒增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料不僅是工程實(shí)踐的迫切需要，也是激光表面改性技術(shù)發(fā)展的必然趨勢(shì)。激光熔覆技術(shù)制備原位自生顆粒增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料、功能梯度材料已有報(bào)道，但大部分停留在組織、性能分析，工藝參數(shù)的控制階段，增強(qiáng)相的尺寸、間距和所占的體積比還不能達(dá)到可控制的水平，梯度功能是通過多層涂覆形成的，不可避免地在層與層之間存在界面弱結(jié)合的問題，距離實(shí)用還有相當(dāng)長(zhǎng)的路。利用激光熔覆技術(shù)制備顆粒大小、數(shù)量、分布可控，強(qiáng)韌性適當(dāng)匹配，集梯度功能和原位自生顆粒增強(qiáng)為一體的金屬基表層復(fù)合材

6、料是今后重要的發(fā)展方向。研究?jī)?nèi)容涉及到：●熔覆材料成分、組織、性能設(shè)計(jì)的技術(shù)、手段和原理及其工藝實(shí)現(xiàn)的控制技術(shù)。●激光熔覆制備功能梯度原位自生顆粒增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料顆粒增強(qiáng)相析出、長(zhǎng)大和強(qiáng)化的熱力學(xué)和動(dòng)力學(xué)模型的建立?！耦w粒增強(qiáng)相形態(tài)、結(jié)構(gòu)、功能和復(fù)合的仿生設(shè)計(jì)和尺寸、數(shù)量、分布的控制技術(shù)。●涂層成分、組織和性能梯度控制的原理、關(guān)鍵因素和工藝方法的研究?！窈暧^、微觀界面的觀察、分析控制和表征；功能梯度原位自生顆粒增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料常規(guī)性能的分析和檢測(cè)以及不同工況下的磨損行為及失效機(jī)制。這些研究?jī)?nèi)容的突破，有可能解決涂層與基體相容性不匹配，易于產(chǎn)生裂紋的問題，促進(jìn)激光熔覆技術(shù)應(yīng)用領(lǐng)域的拓寬。激光

7、復(fù)合熔覆技術(shù)激光熔覆是由激光作為熱源，在基底上包覆一層性能極為優(yōu)良的合金層，其性能將依照所處理零件的具體要求而定。激光熔覆方法的優(yōu)點(diǎn)是覆層組織細(xì)密、性能優(yōu)異、熱應(yīng)力小、變形小以及無(wú)污染等。其缺點(diǎn)也是很明顯的：需要很高功率的激光器、單道搭接掃描不適宜大面積處理，難于實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化等。為解決這些難題，采用激光復(fù)合熔覆技術(shù)是有效的途徑之一，也是今后發(fā)展的重要方向。激光復(fù)合熔覆就是采用普通加熱方法，再加上激光