综述：激光熔覆的研究与发展现状（3）
时间：2022-07-14 13:46 来源：长三角G60激光联盟 作者：admin 阅读：次
4 激光熔覆应用
液晶由于其低稀释率和与基体良好的冶金结合，被广泛应用于航空航天、化工机械等领域。它不仅可以形成具有良好耐磨性、耐腐蚀性和耐高温氧化性等性能的表面增强涂层，而且有利于我们修复机械零件。
激光熔覆处理示意图。
4.1. 功能性涂料
根据涂层的功能，一般可分为耐磨涂层、自润滑涂层、耐腐蚀涂层、耐高温氧化涂层和生物亲和性涂层。
4.1.1. 耐磨性和自润滑涂层
近年来，随着航空航天和核能的发展，对高温、重载等极端恶劣条件下零件的耐磨性提出了更高的要求。因此，通过LC在零件表面制备耐磨自润滑涂层是一种经济高效的方法。目前耐磨涂层的研究重点是向金属或合金中添加具有足够硬度和耐磨性的陶瓷增强颗粒，通常包括两类：第一类是氧化物陶瓷，如Al2O3、ZrO2、TiO2等；第二种是非氧化物陶瓷，如WC、TiC、ZrN、SiN、TiB、TiSi等。在高温条件下，液体润滑剂的作用会大大减弱，自润滑涂层通常会向金属或合金中添加固体润滑剂。常用的固体润滑剂一般可分为三类：第一类是层状固体，包括石墨、氢氮化硼和硫化物；二是氟化物；第三种是软金属。
由于层状固体中原子的层状排列，添加层状固体润滑剂可以改善涂层的润滑效果。同一层中的原子间作用力较大，而不同层中的原子间作用力较小。层间容易发生相对滑动，因此涂层具有良好的自润滑性能。图14是三种涂层在25°C和600°C下的表面磨损形貌。在25°C下，可以在C1、C2和C3的磨损表面上观察到凹槽、剥落和硬质相。由于固体润滑剂的作用，C1、C2和C3的磨损表面上的沟槽数量逐渐减少，涂层在400°C时具有良好的自润滑性能。然而，当温度上升到600°C时，C1、C2、C3的磨损表面有明显的分层和间歇性釉层。因此，需要进一步研究以提高高温下自润滑涂层的有效性。在Ti-Ni/TiN/TiW、TiC-Ti、NiCrBSi、Ni60-TiC中添加WS2可以显著提高涂层的耐磨性和自润滑性。
图14 C1、C2和C3磨损表面的SEM结果。
添加氟化物基固体润滑剂的涂层由于在500℃下发生脆-韧转变而具有自润滑性。由于摩擦过程中的热软化，软金属降低了涂层的摩擦系数。
4.1.2. 耐高温氧化和耐腐蚀涂层
在航空航天、石化等领域，零件经常处于高温高压等恶劣环境中。因此，在零件表面制备耐高温氧化和耐腐蚀的涂层非常重要，它可以提高零件的使用寿命，降低零件的生产成本。许多学者已经开发出各种材料涂层，可抵抗高温氧化和腐蚀。
氧化物陶瓷和金属间化合物由于其良好的耐高温氧化性能，被广泛用于制备高温抗氧化涂层。研究表明，当添加3.0%的LaB6时，涂层微观结构细化，第二增强相的分布均匀，添加LaB6的涂层的凝固过程如图15所示。粉末立即液化到高于2500°C的高温熔池中。La2O3首先成核并长大，当熔池温度降至约2200°C时，TiB相沉淀。当温度进一步降低时，TiB、β-Ti、，Ti3Al在882℃左右的凝固过程中发生β-α转变。涂层在室温下由α-Ti+TiB+Ti3Al+La2O3组成。涂层耐高温氧化性能的提高是氧化铝的临界铝含量降低，氧化物颗粒细化。此外，原位纳米晶体的形成降低了涂层的氧分压。然而，涂层的稀释率较大，因此涂层的质量需要进一步提高。
图15 凝固过程的描述和相关的Al-B-Ti三元相图。
常用于耐蚀涂层的材料为铬基、镍基、钴基自熔合金，具有颗粒增强相，如Al2O3、SiC或B4C。该涂层具有优异的耐高温和耐腐蚀性。图16是在HCl和3.5 wt%NaCl溶液中记录的样品的动电位阳极极化曲线。可以看出，随着x的增加，涂层的耐蚀性先增加后降低，当x=1.5时，耐蚀性最好。元素偏析也影响涂层的耐腐蚀性。
图16 记录在样品上的电位动态阳极极化曲线。
4.1.3. 生物陶瓷涂层
生物医学金属材料由于其良好的机械性能和耐腐蚀性，被广泛用于人体硬组织的修复或更换。然而，它们通常是生物惰性材料。虽然生物活性陶瓷具有良好的生物活性和相容性，但其自身的脆性结构、低强度和低韧性限制了其在骨承载部位的应用。因此，利用液相色谱法在生物医用金属表面制备具有良好生物活性的生物陶瓷涂层，可以综合金属材料和生物陶瓷材料的优点，具有良好的应用价值。目前，生物陶瓷中常用的材料有羟基磷灰石（HA或HAP）、氟磷灰石（FA或FAP）、13-磷酸三钙（13-TCP）等。
熔覆区横截面的SE-SEM图像清楚地识别了由表层和中间层组成的双层结构。
目前，生物涂料的研究主要集中在以碳酸钙和羟基磷灰石为原料原位合成羟基磷灰石涂层和羟基磷灰石涂层。研究表明，涂层主要为双层结构，上层主要由原位合成的羟基磷灰石相和从基体扩散的钛相组成。下层主要由富钛镍钛金属间化合物组成。涂层表面的球形和层状羟基磷灰石使细胞粘附、结合和生长更快，这也提高了涂层的耐腐蚀性。随着激光注量的变化，涂层的弹性模量在6-30GPa的范围内变化，这与人体骨骼的力学性能基本相似。然而，它只分析了激光强度对涂层微观结构和性能的影响，因此扫描速度等基本工艺参数有待进一步研究。
4.2. 修复部分
目前，LC主要用于航空发动机叶片、齿轮、轴和其他长期暴露在高温、高压或重负载下的机械零件的高性能维修。修复的主要目标是恢复工件的设计形状和性能。LC作为一种新的修复和表面成形技术，为改善受损结构的结构和性能提供了新的途径，从而大大降低了受损零件的更换成本。
航空发动机叶片和涡轮叶片经常在高温、高压和外部冲击的恶劣环境中工作。承受热应力和机械应力，容易发生疲劳损伤、蠕变失效、裂纹等。Kaierle等人基于镍基高温合金CMSX-4和PWA 1426涡轮叶尖，结合LC和激光重熔。通过合理的LC工艺参数，在涡轮叶片的平面和顶部形成了尺寸显著的单晶和定向凝固组织，为单晶叶片的修复提供了一定的依据。然而，叶片后缘和其他零件的工艺参数需要进一步研究。
断齿修复过程：（a）断齿模型切片，（b）第一层断齿模型切片的形状，（c）使用激光熔覆的再制造齿，（d）后处理后的再制造齿。
Rottwinkel等人对单晶叶片裂纹和其他损伤的LC和重熔修复进行了研究。通过模拟温度场确定实现定向温度梯度的工艺参数，并通过实验进行验证。通过改变激光功率来确定每个单熔覆层的理想单位能量输入，然后在五种不同形状的CMSX-4熔覆轨迹上进行测试，以评估其有效性。然而，LC和重熔相结合修复叶片前缘和后缘需要进一步研究。
Penaranda等人提出了一种用于叶尖修复的自适应LC工艺参数优化方法，该方法考虑了叶片的实际几何形状，并将激光功率作为最有效的工艺参数。研究发现，修复可变几何形状叶尖所需的激光功率可以直接从方程中获得。Ti6Al4V压气机叶片的LC修复实验验证了该方法的合理性和准确性。Boß等人对多晶航空材料Rene 80进行了LC和铣削修复，研究发现，过程模拟显示了模拟铣削力和表面形貌与测量值的一致性。然而，该模型对于不同材料的通用性需要进一步研究。
试样类型。
铁路钢轮盘等重型机械设备的零件在工作过程中经常承受较大的交变载荷，其表面容易发生塑性变形、裂纹、磨损。Seo等人分析了轨道轮盘表面钨铬钴合金21、铬镍铁合金625和哈氏合金C三层覆层的磨损和滚动接触疲劳特性。熔覆层的磨损分别减少了83%、42%和29%。钨铬钴合金21具有最好的耐磨性，但当考虑包层边界磨损和循环疲劳时，哈氏合金C包层具有最佳性能。
Zhu等人通过双盘试验，分析了316L、410和420不锈钢作为轨道轮盘覆层材料的磨损和滚动接触疲劳特性。研究发现，随着覆层材料硬度的增加，磨损量减少。在没有LC的表面上出现了小的表面裂纹，包层和基板之间的深裂纹开始沿着最大剪切应力出现在表面下方的边界扩展。然而，在未来的研究中，还需要对铁路车轮维修零件的剪切强度和弯曲强度等力学性能进行测试。同时，为了使修复后的铁路轮毂更好地用于实践，应进行大滑移率或纯滑移实验。
样品制备过程示意图。
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