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激光熔覆缺陷的解决方案


        激光熔覆是指以不同的添料方式在被熔覆基体表面上放置被选择的涂层材料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,与基体成冶金结合的表面涂层,显著改善基层表面的耐磨、耐蚀、耐热、抗氧化及电气特性的工艺方法,从而达到表面改性或修复的目的,既满足了对材料表面特定性能的要求,又节约了大量的贵重元素。但在实际应用中我们发现激光熔覆出来的产品会有缺陷,本文意在分析激光熔覆的缺陷形成,并提供一定的建议。

    一、激光熔覆冶金结合的质量:熔覆层和基材的结合度理论上应该是致密、低稀释度、较窄的交互扩散带。而要达到这个要求需要除激光加工工艺和熔覆层厚薄相关外更取决于合金材料和基材材料的性质;良好的润湿性和自熔性可以获得理想的冶金结合。但是,熔覆层合金与基材材料的熔点差异过大,则形成不了良好的冶金结合。熔覆层合金熔点过高,熔覆层熔化小,表面光洁度下降,且基材表层过烧严重污染覆层;反之,涂层过烧,合金元素蒸发,收缩率增加,破坏了覆层的组织与性能。同时基材难熔,界面张力增大,涂层与基材间难免产生孔洞和夹杂。在激光熔覆过程中,在满足冶金结合时,应尽可能地减少稀释率,研究表明,对于不同的基材材料与搜层合金化时所能得到的最低稀释率并不相同,一般认为,稀释率保持在5%以下为宜。


   二、气孔。在激光熔覆层中气孔也是一种非常有害的缺陷,它不仅易成为熔覆层中的裂纹源,并且对要求气密性很高的熔覆层也危害极大,另外它也将直接影响熔覆层的耐磨、耐蚀性能。它产生的原因主要是,涂层粉末在激光熔覆以前氧化、受潮或有的元素在高温下发生氧化反应,在熔覆过程中就会产生气体。再者由子激光处理是一个快速熔化和凝固过程,产生的气体如果来不及排出,就会在涂层中形成气孔。此外还有多道搭接熔覆中的搭接孔洞、熔覆层凝固收缩时带来的凝固孔洞以及熔覆过程中某些物质燕发带来的气泡。


   一般说来,激光熔覆层中的气孔是难以避免的,但与热喷涂涂层相比,激光熔覆层的气孔明显减少。在激光熔覆过程中可以采用一些措施加以控制,常用的方法是严格防止合金粉末储运中的氧化,在使用前要烘干去湿及激光熔覆时要采取防氧化的保护措施,根据试验,选择合理的激光熔覆工艺参数等。


      三、激光熔覆过程中成分及组织不均匀。在激光熔覆过程中往往会产生成分不均匀,即所谓成分偏析以及由此带来的组织不均匀。产生成分偏析的原因很多。首先,在激光熔覆加热时,其加热速度极快从而会带来从基材到熔覆层方向上的极大的温度梯度。这一梯度的存在必然导致冷却时熔覆层的定向先后凝固,根据金属学知识可知先后凝固的熔覆层中必然成分不同。加之凝固后冷却速度也极快,元素来不及均匀化热扩散,从而导致成分不均匀即所谓成分偏析的出现。同时自然也就引起了组织的不均匀以及熔覆层性能的损害。这种成分偏析在激光熔覆中目前尚无法解决。其次,是由于熔池的对流而带来的成分偏析。由于激光辐射能量的分布不均,熔覆时必然要引起熔池对流,这种熔池对流往往造成覆层中合金元素宏观均匀化,因为熔他中物质的传输主要靠液体流动(即对流)来实现,同时熔池对流也将带来成分的徽观偏析。另外,由于合金的性质,如黏度、表面张力及合金元素间的相互作用都将对熔池的对流产生影响,故它们也必将对成分偏析造成影响。要完全消除激光熔覆中成分偏析是不可能的。但可以通过调整激光与熔覆金属的相互作用时间或者调整激光束类型改变熔池整体对流为多徽区对流等改变工艺参数的手段来达到适当抑制激光熔覆层的成分偏析,以便得到组织较为均匀的熔覆层,以满足设计的覆层性能。在多道搭接熔覆时,由于搭接区冷却速率以及被搭接处有非均质结晶形核,搭接区出现与非搭接区不同的组织结构,从而使多道搭接激光熔覆中组织不均匀。


      四、开裂及裂纹。激光熔覆技术自诞生以来,总的来讲未能使其得以真正推广应用。这主要因为激光熔覆中存在的最为棘手的问题是熔覆层的裂纹与开裂,并在很大程度上限制了这一技术的应用范围。激光熔覆裂纹产生的主要原因是由于激光熔覆材料和基材材料在物理性能上存在差异,加之高能密度激光束的快速加热和急冷作用,使熔覆层中产生极人的热应力。通常情况下,激光熔覆层的热应力为拉应力,当局部拉应力超过涂层材料的强度极限时,就会产生裂纹,由子激光熔覆层的枝晶界、气孔、夹杂处强度较低且易子产生应力集中,裂纹往往在这些地方产生。在激光熔覆材料方面,可以在熔覆层中加人低熔点的合金材料,这些都可以减缓涂层中的应力集中,降低开裂倾向。在激光熔覆层中尝试加人适盆的稀土,可以增加涂层韧性,使激光熔覆过程中熔覆层裂纹明显减少。这些措施虽然能解决一些问题,但还不能很好地解决钛合金熔覆的开裂、气孔和夹杂,因此开发研制适合钛合金熔覆的材料是很有必要的。在激光熔覆工艺方面,为了获得高质量的熔层,可进一步开发新型的激光熔覆技术,如梯度涂覆采用硬质相含量渐变涂覆的方法,可获得熔层内硬质相含量连续变化且无裂纹的梯度熔层,此外涂层前后进行合适的热处理等如采用预热和激光重熔的方法,也能有效防止熔覆层中裂纹和孔洞的产生。


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