引 言

與傳統的表面處理技術, 如堆焊、噴鍍等相比, 激光熔覆技術具有如下一些優點:熔覆層與基體為牢固的冶金結合;屬于快速凝固過程, 容易得到細晶組織或產生平衡態所無法得到的新相;可以獲得低稀釋率的良好覆層;熱變形和熱影響區小;自動化程度高等。正因為如此, 激光熔覆技術獲得了國內外的普遍重視。

激光熔覆技術的研究已有近30年的歷史, 盡管有關的理論和試驗性質的研究很多, 但這項技術并未在實際工業生產中得到廣泛的應用, 最重要的原因在于激光熔覆層容易開裂, 熔覆層硬度高時尤為如此。由于激光熔覆和熱噴涂對所用合金粉末性能要求不同, 當前解決熔覆層裂紋問題最重要也最切實際的方法是研制激光熔覆專用合金粉末。筆者評述了激光熔覆專用鐵基合金粉末的研制現狀, 提出了成分與組織設計的新思想。

1 防止激光熔覆層開裂主要措施存在的問題

國內外諸多學者曾經對熔覆層裂紋的形成機理進行了深入細致地研究。與此同時, 一些專家提出了若干解決方法, 但這些方法都存在一些問題。

(1) 預熱及后熱。

這種方法被公認為有利于抑制熔覆層裂紋的產生。但是, 該方法并不能從根本上解決開裂問題, 而且有一些不利影響: 可使覆層組織粗化, 晶粒增大, 硬度降低, 從而使耐磨和耐腐蝕性能下降; 因為需要加熱和保溫設備, 增大了生產成本, 這對于大型零部件的激光熔覆而言尤為明顯; (c) 增加了工序, 降低了生產效率, 惡化了勞動條件; 對于大型零部件而言, 長時間的預熱容易導致表面氧化, 降低熔覆性能;  當基材具有較低的熱膨脹系數, 熔覆層進行退火處理后冷卻到室溫時, 會產生比原來更大的拉應力, 更容易導致開裂等。

(2) 合金化增加韌性相。

對激光熔覆層通過添加鎳和鈷等韌性相合金元素, 提高覆層韌性, 對抑制裂紋的產生是一種有效的方法。然而通過添加韌性相元素來抑制覆層開裂, 也會有一些副作用, 如:覆層的硬度下降, 降低了熔覆層的使用性能等。

(3) 優化工藝參數。

激光熔覆工藝參數與熔覆單位面積內的裂紋數目存在極為復雜的關系[8], 但總的來說, 調整工藝參數用來抑制熔覆層的開裂其作用是有限的。

(4) 采用功能梯度涂層 (FGM) 或過渡涂層。

盡管功能梯度材料的原理已被廣泛接受, 亦有人采用這種方法獲得了無裂紋的優質涂層，但這種方法也存在很大的問題, 如難以精確控制涂層成分按理論設計變化、技術復雜、成本較高、生產效率較低等， 并且有人認為這種方法對抑制熔覆層開裂無效。

可見, 現有消除裂紋的主要措施盡管有一定的效果, 但并未從根本上解決這一問題。

2 激光熔覆與熱噴涂用合金粉末性能的異同

為了徹底解決激光熔覆層的裂紋問題, 必須針對激光熔覆的熱物理冶金特點, 深刻理解激光熔覆用的合金粉末應具有的性能?，F在激光熔覆用的材料基本上是沿用熱噴涂用的自熔合金粉末, 或在自熔合金粉末中加入一定量的WC和TiC等金屬陶瓷顆粒。熱噴涂與激光熔覆有著許多相近似的物理和化學過程, 它們對所用合金粉末的性能要求也有很多相近之處,如:合金粉末具有脫氧、還原、造渣、除氣、濕潤金屬表面、良好的固態流動性、適中的粒度、含氧量要低等性能。然而激光熔覆與熱噴涂對所用合金粉末的性能要求也有一些不同之處, 如: (1) 熱噴涂時為了便于用氧乙炔焰熔化, 也為了噴熔時基材表面無熔化變形, 合金粉末應具有熔點較低的特性, 然而根據金屬材料的物理性能, 絕大多數熔點較低的合金具有較高的熱膨脹系數, 根據熔覆層裂紋形成機理, 這些合金也具有較大的開裂傾向; (2) 熱噴涂時為了保證合金在熔融時有適度的流動性, 使熔化的合金能在基材表面均勻攤開形成光滑表面,  合金從熔化開始到熔化終了應有較大的溫度范圍, 但在激光熔覆時, 由于冷卻速度快, 枝晶偏析是不可避免的, 熔覆合金熔化溫度區間越大,熔覆層內枝晶偏析越嚴重, 脆性溫度區間也越寬, 熔覆層的開裂敏感性也越大; (3) 與熱噴涂相比, 激光熔池壽命較短, 一些低熔點化合物如硼硅酸鹽往往來不及浮到熔池表面而殘留在涂層內, 在在冷卻過程中形成液態薄膜, 加劇涂層開裂。

3 研制激光熔覆專用鐵基合金粉末的必要性

正是由于激光熔覆與熱噴涂對所用合金粉末性能要求存在較大的差距, 導致采用現有熱噴涂用自熔合金粉末進行激光熔覆時熔覆層容易產生裂紋, 熔覆層硬度要求高時這種現象特別明顯, 如果為了提高硬度等熔覆層的性能而在自熔合金粉末中加入金屬陶瓷顆粒,則由于陶瓷相與熔覆合金及基材的熱物性參數相差大, 界面容易存在不良反應, 更促進了裂紋的產生。以上原因決定了解決裂紋問題的巨大困難性, 也導致目前消除裂紋的措施未能從根本上解決裂紋問題?？梢? 從改進熱噴涂用自熔合金粉末成分方面入手, 對于消除熔覆層裂紋來說應該是最為重要的。

相比較于鎳基和鈷基合金而言, 鐵基合金不僅因涂層與基體成分接近, 界面結合牢固, 而且成本低, 易于研究和推廣應用, 因此, 研制激光熔覆專用鐵基合金粉末具有很大的價值, 這也會為以后研制激光熔覆專用鎳基和鈷基合金粉末積累經驗。

4 激光熔覆專用鐵基合金粉末的研制現狀

事實上, 一些學者已提出了針對激光熔覆的特點設計合金粉末, 近幾年來, 有關激光熔覆專用鐵基合金粉末的研究活動成績斐然。NAGARATHNAM等設計了Fe-Cr-W-C合金粉末, 覆層組織為細小的初生奧氏體枝晶和枝晶間奧氏體與M7C3碳化物共晶, 顯微硬度高達約HV820。譚文等用鐵粉、石墨粉、硅粉、硼粉、稀土氧化物和CaF2按一定比例均勻混合制成熔覆用粉, 研究了熔覆層組織、潤濕性和裂紋的變化規律。陳俐等對激光熔覆用的鐵基模具鋼合金進行了設計, 研究了硼和硅含量的變化對激光熔覆工藝性的影響。宋武林在現有的商用熱噴涂用鐵基自熔合金基礎上分別添加不同含量的Ni, Mo, Co, Nb, 研究了不同合金元素對激光熔覆層開裂敏感性和表面硬度等幾個問題的影響。賈俊紅等的研究表明:在Fe-C-Si-B熔覆粉末中添加一定比例的Ti粉能有效減少熔覆層的裂紋。趙海云[采用自行設計的Fe-Cr-C-W-Ni合金粉末, 獲得了表面成形良好, 無氣孔和裂紋的熔覆層, 覆層洛氏硬度高達約HRC60。ZHANG等人采用預置激光熔覆技術, 在中碳鋼基體表面上熔覆 (2.4%Zr+1.2%Ti+15%WC) /FeCSiB合金粉末, 制備出原位析出的顆粒增強金屬基復合材料。武曉雷等制備了與45#鋼基材結合良好的大厚度鐵基非晶合金層, 并分析了非晶形成機制。

上述研究結果無疑是很有意義的, 但還需要就以下一些問題做深入的研究。

(1) 硬度問題。

如宋武林得到的最優鐵基合金熔覆層硬度為HRC44, 這不能滿足高度耐磨的使用要求。

(2) 成本問題。

宋武林得到的最優鐵基合金粉末中鈷含量的質量分數為10%, 鎳含量的質量分數為16%, 趙海云熔覆用的粉末中Ni, Mo和W等合金元素的含量其質量分數高達40%, 賈俊紅熔覆用的粉末中也添加了相當比例的Ni, Mo, Co, Ti, 顯然,鈷和鎳等貴重合金元素在粉末中的比例過大顯著增加了成本。

(3) 徹底消除裂紋問題。

如譚文得到的熔覆層盡管晶粒細小, 與基材潤濕性好, 顯微硬度可高達1050HV^0.2, 但依然存在少量裂紋。

(4) 實際應用問題。

盡管有少數研究者[18,19,20,22]獲得了高硬度 (≥HRC60) 和無裂紋的熔覆層, 毫無疑義, 這是令人鼓舞的進步, 但應指出的是, 他們的研究基本上是在實驗室條件下進行的, 這與實際的生產和工作條件有一定差別: (a) 在激光熔覆生產過程中, 由于體積不同導致的熱容相差懸殊, 大中型零部件表面的激光熔池冷卻速度遠大于實驗室條件下小試樣表面的激光熔池冷卻速度, 因而會在激光光斑周圍形成更高的溫度梯度, 而且因為大中型零部件的制造與修復需要熔覆處理的面積較大或是形狀復雜, 由于應力疊加和難以釋放, 導致熔覆層有更大的殘余應力和裂紋傾向, 同時由于體積問題, 大中型零部件難以預熱和后熱, 這也加劇了其熔覆層開裂傾向;  大中型零部件在使用過程中, 遭受到可能的拉伸、彎曲、扭轉、沖擊、疲勞等各種應力的復合作用, 這種復雜的疊加應力在實驗室條件下是難以模擬的。以上兩點決定了實際生產和使用條件下的大中型零部件熔覆層除了和實驗室條件下的小試樣熔覆層一樣具有高的強度和硬度外, 還應具有比后者更為優良的塑韌性以防止在熔覆生產過程和零部件使用過程中覆層的開裂。

顯然, 激光熔覆專用鐵基合金粉末的研究活動還需要進一步地進行。

5激光熔覆專用鐵基合金粉末成分與組織設計的新思想

盡管有關激光熔覆專用鐵基合金粉末的研究活動較多, 但應用的粉末絕大多數為“高碳共晶”合金粉末, 其成分與組織設計思想為:粉末碳含量較高, 一般質量分數為3.4%~6%, 位于共晶點或其附近, 利用共晶點合金凝固區間較窄和晶粒小, 韌性好的特點以提高熔覆涂層抗開裂的能力;覆層組織具有兩相組成的特征, 即其中一相為韌性較好的奧氏體或鐵素體, 另一相為大量形狀細小、彌散分布的高硬度合金碳化物強化相。正如前所述, 按這種思想設計的鐵基粉末取得了一些進步, 但也還存在著一些問題。根據金屬學和斷裂力學的理論,合金中高的碳含量 (4.3%左右) 和大量彌散分布的高硬度碳化物盡管會使合金有高的硬度, 但另一方面也有可能損害其塑韌性, 同時在實踐上, 迄今為止似乎尚未見到在商業生產中使用“高碳共晶” Fe基合金粉末對大中型零部件成功進行激光熔覆加工的報道。故目前不能斷言這種設計思想已經取得了徹底成功。筆者認為, 激光熔覆層的裂紋問題深刻體現了材料高硬度與高韌性之間的矛盾, “高碳共晶”的設計思想對于激光熔覆專用鐵基合金粉末來說未必是最佳的。為解決材料高硬度與高韌性這一對矛盾, 筆者認為“低碳包晶”的設計思想也許更好, 即粉末碳含量低 (質量分數為0.2%左右) , 位于包晶點附近, 合金凝固溫度范圍窄, 晶粒細小, 韌性好, 熔覆涂層主要應為強度和韌性都比較好的板條馬氏體, 抗開裂的能力強。筆者根據這種思想設計和制作了鐵基合金粉末，其熔覆組織經檢驗為:隱晶馬氏體+殘余奧氏體+少量彌散分布的合金碳化物, 熔覆層硬度可高達HRC62, 無裂紋, 且不需預熱和后熱。

最近, 筆者采用這種自制鐵基合金粉末成功修復了廣東省珠江鋼廠一支大型德國制造的軋輥。軋輥表面化學成分 (質量分數) 大致為:0.09%C, 0.66%Si, 1.53%Mn, 29.68%Cr, 9.13%Ni, 其余為Fe。這支軋輥由于軋鋼事故造成表面多處嚴重損傷, 必須進行修復才能正常工作。由于軋輥Cr和Ni含量高, 體積大 (?870mm×2160mm) , 表面硬度高 (大約為HRC58), 損傷部分表面積大 (最大處約為10000mm2) , 損傷處也較深 (最深處約為40mm) , 并且損傷部分形狀復雜。若采用常規焊接方法堆焊一層和軋輥表面硬度相當的合金層, 則修復部位極易產生裂紋而剝落失效, 而且按常規焊接方法一般要求焊前預熱、層間保溫和焊后回火等, 對于軋輥這樣的大型零部件不僅嚴重惡化了勞動條件, 而且還顯著提高工藝成本。筆者對其進行激光熔覆修復 (未采用預熱和后熱等措施) 后, 軋輥工作正常, 長時間軋制過程中未出現裂紋和表面剝落現象, 直至其自然損壞。這為廠家挽回了巨大的損失, 取得了良好的經濟效益, 也證明了“低碳包晶”這種激光熔覆專用鐵基合金粉末的成分與組織設計思想完全有可能成功解決裂紋問題。

6 激光熔覆技術的應用前景

激光熔覆技術的發展主要受到如下兩個方面因素的制約: (1) 大功率激光器的價格與性能; (2) 激光熔覆層本身的質量, 主要是裂紋問題。就前者而言, 可以欣喜地看到, 這幾年來, 大功率激光器的價格在不斷下降, 品種日益豐富, 性能亦在不斷提高。毫無疑問, 隨著激光器技術的發展, 這一變化趨勢將繼續保持下去, 這為激光熔覆技術的深入研究和大規模工業應用提供了良好的前提。至于后者, 可以相信, 在科研工作者的共同努力下, 必將徹底解決這一問題, 這會為激光熔覆技術的推廣應用奠定堅實的基礎。

盡管目前激光熔覆技術的廣泛應用還存在一定的困難, 但完全有理由相信, 在不遠的將來, 激光熔覆技術可以大步走出實驗室, 廣泛應用于生產實際, 從而真正展示其優越的特性, 成為最重要的表面處理技術之一。

摘自：激光熔覆專用鐵基合金粉末的研究進展，中國知網