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0 前言
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铝合金具有比强度高、密度低、易加工等优点, 广泛应用于汽车、船舶、航空航天等领域[1-4]。在我国铝合金年产量仅次于钢铁,相关研究表明,我国铝需求峰值将于2025年前后达到, 需求量将高达3 280~3 650万t,约占全球一半[5]。由此可见铝合金在我国拥有庞大的应用市场和极高的研究价值。然而铝合金表面硬度低,耐磨性差等缺点限制了其应用范围, 需要对其进行表面处理提高表面性能[6]。
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传统的铝合金表面改性技术如阳极氧化、喷涂、电镀法等有着涂层厚度不够,结合强度较差,耐磨性、耐蚀性提升有限等缺点。随着激光技术和表面改性技术的发展,激光熔覆技术应运而出。激光熔覆可以利用激光束使熔覆材料和基体表面熔化,并凝固形成与基体有着冶金结合的熔覆层,由此提高材料表面性能或者对其进行修复。作为一种较新的技术,激光熔覆相比传统表面改性技术拥有以下优点:适用材料体系广泛;快热急冷,熔覆层组织细化; 涂层稀释率小,与基体结合良好;基体热影响区较小;能量利用率高,工艺绿色环保等,所以铝合金激光熔覆拥有广阔的发展前景[7-8]。
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铝合金对激光束有强烈的反射效应,其反射率主要与激光波长呈反比,如对波长10.6 μm的CO2 激光器激光反射率高达90%,波长1.06 μm的Nd: YAG激光器激光吸收率是CO2 激光器激光吸收率的7倍。激光熔覆在铝合金中的应用与高品质大功率短波长激光器的发展密不可分[9]。表1列示了常用激光器的主要技术特征。
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表1 材料加工领域常见激光器主要技术特征[9]
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如图1所示,激光熔覆方法包括预置粉末法和同步送粉法,预置粉末法简单易行,但熔覆层质量较差且不适用于工业化生产;同步送粉法按送粉方式包含同步侧送粉和同轴送粉法,熔覆层质量较好,易于自动控制。如图2所示,激光熔覆熔覆层几何形貌通常包括熔覆层高度(H)、熔覆层宽度(D)、熔覆层深度(h)、润湿角( θ)以及稀释率(γ),组织区域通常包括熔覆层、熔合区(过渡区)、热影响区以及基体。想要获得成形良好、性能优异的高质量熔覆层,合适的熔覆材料和合理的熔覆工艺参数必不可少。熔覆材料的选择决定了熔覆层的性能,熔覆工艺参数直接影响熔覆后熔覆层几何形貌、组织和性能。激光熔覆工艺参数通常包含激光功率、扫描速度、光斑直径、搭接率、稀释率、送粉量(涂层厚度)。
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图1 激光熔覆示意图
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Fig.1 Schematic drawing of laser of cladding
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图2 激光熔覆作用区域示意图
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Fig.2 Schematic diagram of laser cladding area
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目前,铝合金激光熔覆层材料体系主要包括金属基合金和陶瓷增强复合材料,同时存在一些新兴材料,如非晶材料和高熵合金。熔覆材料形态主要有粉末态、丝状、片状等,工业上目前应用最广的是粉末态熔覆材料。本文主要从熔覆层材料体系角度对铝合金激光熔覆进行分类,阐述了铝合金在不同试验条件下熔覆粉末态材料的熔覆层成形和组织性能,最后对铝合金激光熔覆进行总结展望。
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1 金属基合金熔覆层(不包含陶瓷)
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激光熔覆熔覆层成分设计时,引入的合金元素必须与基体满足液态互溶、固态有限互溶或完全不溶的热力学条件,这样才能获得性能优异的熔覆层[10]。表2列举了过渡族金属在二元铝合金中平衡固溶度和快速凝固条件下的最大饱和固溶度。由此可以看出过渡族金属基本满足铝的合金化热力学条件,Mo和W等熔点(2 610℃和3 380℃)高于铝沸点(2 500℃),对这些元素直接进行铝合金激光熔覆非常困难,当前在铝合金激光熔覆中已经研究的金属基合金熔覆材料主要有Ni基、Al基、Cu基、Fe基、Co基等。
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表2 过渡族金属在二元铝合金中的固溶度及其金属间化合物[9]
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1.1 Ni基合金
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Ni基合金硬度高,耐磨性、耐蚀性、抗高温氧化性好,与铝基体拥有较好的润湿性能,在铝合金激光熔覆中取得了一些进展。
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WU等[11]在AlSi7Mg铝合金表面制备了无气孔、少裂纹的镍基熔覆层,发现熔覆层顶部由细小的NiAl等轴晶和呈网状分布的Ni3Al组成;熔覆层中部由(Ni, Cr, Fe)xCy 金属间化合物组成;熔覆层底部存在大量具有明显生长方向性的柱状 α-铝枝晶。熔覆层顶部和中部金属间化合物的生成及均匀分布显著提高了熔覆层的硬度和耐磨性。 LIANG等[12] 用CO2 激光器在Al-Si合金表面制备了NiCrBSi熔覆层,熔覆层中含有大量Ni3Al,涂层显微硬度最高可达1 200HV。此外,对铝-镍共晶体系成分进行分析,他们发现Cr、Si、B元素与Al形成的固溶体有助于提高铝合金的抗气蚀性。
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以上研究表明,铝-镍金属间化合物的生成可以显著提高熔覆层的硬度和耐磨性,但铝合金基体和Ni基熔覆材料的物理化学性能存在较大差异,熔覆层容易产生裂纹、气孔等组织缺陷,相关研究表明添加一定量的稀土可以改善该问题。
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WANG等[13-14] 在6063铝合金表面激光熔覆Ni60合金时在熔覆材料中添加了5%的稀土元素, 研究发现稀土的加入可以改善熔覆层凝固过程时熔池的流动性,净化熔池。如图3所示, 单纯熔覆Ni60合金粉末时熔覆层出现大量气孔和裂纹,添加一定量的稀土后,熔覆层气孔、裂纹缺陷得到明显改善,如图4所示添加稀土后熔覆层组织细化,没有明显气孔和偏析。 ZHANG等[15] 在6061铝合金表面制备了镍铜比4 ∶1的Ni基熔覆层,熔覆粉末中分别添加一定比例的稀土CeO2、Si、Co粉末。涂层顶部主要由等轴晶、枝晶和细小的等轴晶组成,熔覆层底部主要由长棒状晶粒、枝晶和一些颗粒组成。如图5和图6所示,在熔覆材料中分别加入CeO2、Si、Co粉后,归功于CeO2 的细化晶粒;Si和Co在涂层中的弥散强化作用,熔覆层硬度增加,平均摩擦因数降低。
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图3 6063铝合金表面熔覆Ni60+不同稀土熔覆层表面形貌[13]
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Fig.3 Surface morphology of Ni60 + different rare earth cladding layer on 6063aluminum alloy [13]
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图4 6063铝合金表面熔覆Ni60稀土熔覆层SEM [14]
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Fig.4 SEM morphology of the upper strengthening layer on the surface of 6063aluminum alloy [14]
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图5 6061铝合金表面熔覆镍铜+不同添加物复合涂层硬度分布[15]
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Fig.5 Hardness of nickel copper + different additives composite coating on 6061aluminum alloy [15]
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图6 6061铝合金表面熔覆镍铜+不同添加物复合涂层摩擦因数[15]
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Fig.6 Friction coefficient of nickel copper + different additives composite coating on 6061aluminum alloy [15]
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根据国内外研究现状表明,在激光热源作用下, 熔池温度场分布不均匀,导致熔覆层顶部和底部组织不同。 Ni基合金与Al基体有较好的相容性,Ni与Al生成的金属间化合物提高熔覆层硬度的同时也会明显增加其脆性,如何得到组织均匀、晶粒细小并合理控制脆硬相的生成成为铝合金表面激光熔覆镍基合金的关键。
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1.2 Al基合金
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激光熔覆热输入低、自动化程度高,适合用于金属修复技术。 Al基合金熔覆材料主要用于铝合金制品的激光熔覆修复中,为适应节约型经济,对铝合金进行激光熔覆修复技术研究显得尤为必要。
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MEINERT和BERGAN [16]最早对铝合金激光熔覆修复进行了报导,他们在6061和7075铝合金表面熔覆了4000系列铝合金,修复后的试件拉伸强度分别为原始6061-T6和7075-T651试件的61%和64%。 COTTAM等[17]研究了7075铝合金表面熔覆7075铝合金粉末,熔覆层硬度约为基体的80%。 CORBIN等[18]在6061-T6铝合金基体表面对6061铝合金粉末进行激光熔覆,熔覆层中出现的粗大且稀疏的 β′沉淀物,使其硬度低于基体,热影响区出现的细小而丰富的 β″沉淀物,使该部分硬度接近基体。张可召等[19]利用激光熔覆对5A06铝合金试样进行修复,修复区物相由 α 相、β 相和Al-Si共晶组织构成,存在气孔缺陷,强度塑性均低于母材。
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以上研究表明,铝合金修复技术中熔覆层性能普遍低于铝基体,铝合金激光熔覆修复时存在氢溶解度突变、合金元素烧蚀、粉末流通性差、易被氧化等问题。相关学者分别从送粉装置、工艺优化、焊后处理等方面对铝合金修复技术进行研究,以提升熔覆层质量。
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针对铝基粉末流动性差的问题, 周阳[20] 在2A12铝合金表面制备AlSi10Mg铝基熔覆层时设计了一种采用转盘式抽吸和螺旋叶轮推进相结合的新型送粉方式,同时开发交变磁场辅助激光熔覆技术, 实现气孔和夹杂物的可控分离,将气孔率成功控制在0.5%以内。在工艺优化方面, SONG [21] 等在2024铝合金基体表面熔覆7075AA粉末,研究了不同激光功率、激光扫描速度、激光熔覆长度、激光熔覆模式和激光熔覆角度下的温度场和残余应力场, 结果表明较高的激光功率或较低的激光扫描速度可以提高激光处理试样的疲劳寿命,这得益于激光熔覆过程产生的残余压应力。陈奥[22] 在对铸造铝合金进行激光熔覆修复时采用MSC.Marc软件对修复时改变激光扫描路径进行数值模拟,结果表明逐层扫描优于平行扫描,增加熔覆道数目可以明显改善熔覆层残余应力,如图7为扫描示意图。在焊后处理方面,YANG [23]等采用大功率二极管激光器修复ZL205A铝合金铸造缺陷,涂层的显微硬度(75HV) 明显低于基材(152HV),在535℃ 水中固溶处理11h后再进行175℃ 人工时效5h,涂层硬度上升到134HV。如图8所示,固溶处理后第二相开始溶解,原始晶界变得模糊,对图中标记位置进行ESEM能谱分析发现原始晶粒存在严重的铜元素偏析,固溶处理后涂层铜元素分布更加均匀。
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图7 铸造铝合金激光熔覆扫描模拟示意图[22]
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Fig.7 Scanning simulation of laser cladding on cast aluminum alloy [22]
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1.3 其他金属基合金
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铜和铝有较好的相容性和润湿性,铜基复合涂层热导率、耐磨性和耐腐蚀性较好,拥有优异的自润滑特性,采用铜基复合材料进行铝基体激光熔覆可以有效增强铝合金表面性能。
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图8 ZL205A激光熔覆修复熔覆层SEM图像[23]
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Fig.8 SEM image of laser cladding layer on ZL205A [23]
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KRUGER等[24]在AA2014铝合金表面制备Al-Cu-Si熔覆层,结果表明材料耐磨性与初生相关系密切,初生相为 α-Al的样品比初生相为 θ 相的样品硬度低但耐磨性更高,Si元素的添加有利于 θ 相的生成。崔妍等[25]在6061铝合金表面激光熔覆Cu、Fe、 Ni粉末制备了不同Fe含量的铜基复合熔覆层,发现FeAl、Fe3Al金属间化合物在铜合金熔覆层中均匀分布,熔覆层硬度在一定范围内随Fe含量增加而增加, 当Fe含量为15%时涂层耐磨性最佳,硬度为400~450HV,大约是铝基体的5倍。魏广玲[26]在6061铝合金表面制备CuNiFeCoSi铜基复合涂层,结果发现熔覆层中弥散分布着大量硬质颗粒增强相,产生弥散强化作用,涂层最大平均硬度580HV,约为铝基体的4.5倍,耐磨损能力明显提高。
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Fe基合金粉末具有较好的耐磨性,价格低廉容易获取,但自熔性不佳,耐蚀性提升有限,熔覆层易产生气孔。
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JEYAPRAKASH等[27] 在AA6061铝合金表面激光熔覆制备了FeCrMoVC(H13钢) 熔覆层,涂层结构包括大尺寸碳化物和马氏体,钒和钼形成的碳化物明显提高了涂层的硬度,涂层耐磨性相比基材提高了9倍,磨损后涂层表面粗糙度降低了三倍。 YE等[28]在ZL114A铝合金表面制备Fe-Al金属间化合物熔覆层,熔覆层显微硬度为614HV,比基体高5~6倍。王彦芳等[29] 在ZL101铝合金表面熔覆纯Fe粉和Al粉,涂层相结构为FeAl和Fe3Al,熔覆层与基体呈锯齿状结合,硬度比基体高7~8倍。MEI等[30]在Al-Si合金表面制备Fe基涂层,涂层处存在奥氏体、Cr7C3 和Cr23C6;在结合处存在 α-Al、 NiAl3、Fe2Al5 和FeAl2;在热影响区存在 α-Al和Si, 脆性金属间化合物的生成使涂层易于开裂。
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铝合金激光熔覆中金属基合金熔覆材料主要以自溶性合金粉末为主,在合金中加入Si、B等元素以改善合金粉末脱氧、造渣、除气等能力。当前铝合金激光熔覆中对Ni基合金和Al基合金熔覆材料的研究较多,前者与Al容易形成脆性化合物,熔覆层易产生裂纹气孔等缺陷,后者表面强化性能提升有限, 多用于激光熔覆修复领域。 Fe基、Cu基合金近些年研究较少,Fe基熔覆材料耐蚀性较差,自溶性不佳;Cu基合金本身硬度较低且应用市场较少。 Co基自溶合金作为常见的熔覆材料之一,拥有较好的高温性能,但本身价格昂贵,在铝合金激光熔覆研究中出现较少,故本文没有列举介绍。单纯加入合金元素进行强化,效果总是有限的,添加陶瓷硬质颗粒提高熔覆层硬度和耐磨性是铝合金激光熔覆的研究热点,下面将介绍铝合金表面熔覆陶瓷材料或陶瓷增强复合材料的研究现状。
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2 陶瓷增强复合材料熔覆层
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陶瓷材料具有硬度高以及高温性能、耐磨性、耐腐蚀性好等优点,铝合金激光熔覆中采用陶瓷材料或在金属基熔覆材料中添加陶瓷制成陶瓷增强复合材料能进一步提高铝合金表面性能[31]。表3为近些年国内外铝合金激光熔覆陶瓷增强复合材料的统计分析结果。
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喻保标[32]在AlSi5Cu1Mg铝合金表面激光熔覆Ni60+WC粉末,熔覆层显微硬度约为基体9~11倍, 3.5%NaCl溶液中腐蚀电位比基体提高了309.80mV,腐蚀电流密度约为基体的20.97%。作者发现WC颗粒与熔覆层Ni基合金发生了元素相互扩散现象,说明WC与Ni基金属间形成了良好的冶金结合。 YANG等[33] 在4032铝合金上制备了SiCp 颗粒增强铝-硅基复合涂层,并通过在SiCp 表面化学镀铜改善SiCp 与铝合金间的润湿性,SiCp 含量在一定范围内增加可以降低熔覆层的磨损。李琦[34] 等在A390铝合金表面激光熔覆时为解决NiCrAl涂层耐磨性提升有限的问题,在熔覆材料中添加一定量的TiC粉末,发现熔覆层中的TiC颗粒起到细晶强化、位错堆积强化、硬质相颗粒弥散强化的作用,涂层平均显微硬度676HV0.2,是A390铝合金基体的4倍。 LI等[35]在7075铝合金表面激光熔覆制备Ti/TiBCN涂层,涂层平均硬度519.4HV0.2, 是基体的4.3倍;涂层平均摩擦因数0.208,是基体的一半。如图9和10所示,相比单纯进行Ti粉末熔覆,在熔覆材料中添加一定比例的TiBCN陶瓷可以进一步提升涂层的耐磨性和耐蚀性,当TiBCN含量为15%时,耐磨性和耐蚀性达到最好。 HE等[36] 为提高铝合金摩擦部件的耐磨性,在7005铝合金表面制备了TiB2 陶瓷颗粒增强镍基合金复合涂层,如图11所示,陶瓷增强复合材料熔覆层显微硬度855.8HV0.5,比Ni基合金涂层高15.4%,是铝合金基体的6.7倍。
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图9 7075铝合金表面激光熔覆不同TiBCN含量熔覆层及基体磨损质量损失[35]
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Fig.9 Wear quality loss of cladding layer and substrate with different TiBCN content on 7075aluminum alloy [35]
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图10 7075铝合金表面激光熔覆不同TiBCN含量熔覆层及基体动电位极化曲线[35]
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Fig.10 Potentiodynamic polarization curves of cladding layer and substrate with different TiBCN content on 7075aluminum alloy [35]
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图11 7005铝合金表面激光熔覆熔覆层硬度分布[36]
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Fig.11 Hardness distribution of laser cladding layer on 7005aluminum alloy surface [36]
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陶瓷材料塑韧性较差、弹性模量较小、热导率低、熔点大等特点可能导致熔覆层出现裂纹、变形、剥落等问题,故在铝合金表面熔覆单一陶瓷的研究较少,通常制备与金属材料混合的陶瓷增强复合材料熔覆层。针对铝合金激光熔覆陶瓷材料熔覆困难的问题,除了从工艺参数优化的角度出发,还可以考虑调控熔覆材料成分;改善粉末特性;添加适当的过渡层;原位生成陶瓷增强相等。
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调控熔覆材料成分方面,RIQUELME等[37] 为解决铝合金表面激光熔覆SiCp 增强铝基复合涂层时SiCp 颗粒与Al反应生成有害化合物Al4C3 的问题, 通过添加不同合金元素改变Al4C3 的反应平衡以避免Al4C3 的形成。当Si含量较少时,熔覆层中出现针状Al4C3, 当Si含量大于40wt%时完全抑制Al4C3 的形成,同时观察出更多的SiC颗粒,这将大大提高熔覆层的硬度。
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改善粉末特性方面,KAMAAL等[38]针对铝合金激光高反射率限制材料熔覆效率;陶瓷材料熔覆困难等问题,研究了粉末卫星化工艺对6082-T6铝合金基体上熔覆Al-TiC粉末的影响,与直接混合熔覆材料相比,卫星化工艺后熔覆材料的熔覆效率和熔覆层中TiC的含量分别提高了29%和113%,熔覆层平均显微硬度提高了60%,磨损率降低了64%。图12为分别采用直接混合粉末和卫星化粉末后的熔覆层截面图,可见熔覆材料采用卫星化工艺后,熔覆层成形更好,TiC含量更多,分布更均匀。
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梯度涂层可以有效防止裂纹出现,添加过渡层可以防止熔覆层成分与性能出现突变。崔虎子[39] 利用Cu64Ni18Zn18 合金作为过渡层材料,在ZL101铝合金表面制备了成形良好、无裂纹的TiC/Ni基熔覆层,避免了熔覆材料与基体物理性能差异过大导致的熔覆层脱落等问题, 熔覆层硬度达到800HV0.3,是基体的13倍左右。
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图12 6082-T6铝合金激光熔覆Al-TiC不同粉末处理工艺后熔覆层横截面[38]
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Fig.12 Cross section of laser cladding Al-TiC coating on 6082-T6aluminum alloy by different powder treatment processes [38]
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原位生成陶瓷材料可以避免直接添加陶瓷增强材料基体与陶瓷颗粒润湿性不良的问题,且可以制备出增强颗粒更细小和分布更均匀的熔覆层。吴孝泉[40]对AlSi7Mg铝合金激光熔覆Al-Ti-C粉末原位生成TiC陶瓷增强复合熔覆层,熔覆层原位生成陶瓷增强相如图13所示,熔覆层中生成尺寸约为1 μm的TiC颗粒和尺寸为6~10 μm的Al3Ti强化相,熔覆层硬度最高可达824HV。
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Fig.13 Microstructure and morphology of Al3Ti/TiC reinforced cladding layer [40]
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3 新兴熔覆层
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传统的合金熔覆材料与铝基体性能差异较大, 导致铝合金激光熔覆难度增加,熔覆效果下降。表4列示了Al元素和一些金属熔覆材料的混合焓、熔点和比重,可以看出铝元素和其他金属元素混合焓较小,铝基体熔点低,熔覆稀释率大,基体中密度较小的铝元素容易过渡到熔覆层和熔覆层中的元素形成脆性化合物相,增加熔覆层开裂的倾向。如果熔覆材料的设计能考虑激光熔覆快速加热、快速冷却的特点,制备一些不容易产生脆性相的新兴熔覆层未尝不是一种思路。
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3.1 非晶材料
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非晶合金是在熔融材料凝固时抑制其形核过程,形成类似玻璃的长程无序、短程有序结构的合金材料,不存在空位、位错、堆垛层错等晶体缺陷,因而拥有高硬度、高耐磨性、高腐蚀性等优点[55]。激光熔覆拥有较快的冷却速度,使非晶材料应用于激光熔覆成为可能。
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SOHRABI等[56] 在AA2011-T6铝合金表面激光熔覆制备Zr基非晶熔覆层,研究了涂层结晶率与热输入的关系。如图14所示,较高激光功率下的熔覆层产生比其他试样更多的衍射峰,降低能量密度可以抑制晶体结晶,对于激光功率35W,搭接距离95 μm的试样,所获的熔覆层在XRD测试的检测分辨率中显示为非晶态。 Zr基非晶熔覆层耐磨性为铝合金基体的20倍。
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图14 不同工艺下Zr基非晶熔覆层的XRD结果[56]
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Fig.14 XRD results of Zr based amorphous cladding under different processes [56]
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非晶材料的形成与材料成分配比有关,获得高质量非晶熔覆层需要防止涂层出现偏析。于玮等[57]在ZL114铝合金表面利用光纤激光器熔覆Al-Ni-Y三相合金粉末研究铝合金激光熔覆非晶涂层的形成能力,发现熔覆层基本由块状暗色区域和较少的网状白亮区域组成。白亮区域的Ni、Y元素含量较多,暗色区域Ni、Y含量很低,晶界白亮区域元素与Al-Ni-Y系合金非晶形成能力最强的原子比Al85.8Ni9.1Y5.1 较为接近,但XRD结果表明并没有明显的非晶合金满反射包,说明在此试验条件下利用激光熔覆在铝合金表面制备非晶涂层仍有一定的难度,需要解决Ni、Y在熔覆层中的过渡问题。
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3.2 高熵合金
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高熵合金是指合金主元大于等于5,且每种元素按等摩尔或约等摩尔配比混合的合金体系,具有四种效应:高熵效应、晶格畸变效应、迟滞扩散效应和鸡尾酒效应, 通常硬度高、强度大、耐腐蚀性好[58]。高熵合金各组分一定条件下易形成FCC、 BCC等简单固溶体,这可以有效避免铝合金激光熔覆时涂层大量硬脆化合物的生成。
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石海等[59]采用CO2 激光器在铝材表面制备了Ni1.5Co1.5FeCrTi 0.2 高熵合金层,熔覆层主要物相结构为FCC相、Laves相和金属间化合物相,熔覆层表面硬度554HV,在0.5mol/L HNO3 溶液中耐蚀性优异。激光熔覆中铝基体的稀释可以参与到高熵合金的形成中, 但获得均匀的元素分布至关重要, SHON等[60] 在1100铝合金表面激光熔覆制备了FeNiCoCrAl高熵合金涂层,多层熔覆较高的激光输入能量可以使组分间均匀混合,从而在整个基体中形成均匀分布的高熵合金相,减少涂层中裂纹气孔等缺陷,提高涂层的耐腐蚀性。高熵合金的相结构与元素组成息息相关,通过调控熔覆材料成分配比可以得到不同相结构的熔覆层,李彦洲[61] 在5083铝合金表面激光熔覆形成了Al xCrFeCoNiCu高熵合金涂层。如图15所示,Al原子比小于0.5时,涂层主要是FCC1相;Al原子比升高后,涂层相是BCC1 +BCC2 + FCC1;Al原子比大于1时, 涂层中出现FCC2相,FCC1相消失。相结构的变化导致涂层的耐磨性发生改变,Al在一定范围内增加会使耐磨性增加,熔覆层磨损机制从黏着磨损+分层断裂转变为磨粒磨损+黏着磨损。
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图15 Al xCrFeCoNiCu高熵合金涂层XRD图谱[61]
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Fig.15 XRD patterns of Al xCrFeCoNiCu high entropy alloy coating [61]
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4 结论
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铝合金激光熔覆能有效改善铝合金表面性能, 或是对铝合金进行表面修复工艺。目前铝合金激光熔覆研究的熔覆材料涵盖金属基合金、陶瓷增强复合材料以及一些新兴材料,根据材料特性的区别,侧重提高铝合金的表面硬度,增强铝合金表面耐磨性或耐蚀性。然而由于铝合金激光熔覆中存在的固有难点:激光反射率高;熔覆层稀释率大,涂层成分易偏离设计的名义成分;易出现裂纹气孔缺陷;合金元素存在氧化和烧损等问题,使得铝合金激光熔覆主要还停留于试验阶段,未能大规模应用于实际工业生产当中。针对铝合金激光熔覆存在的问题,综合已有报道,目前解决方法主要为以下几方面:
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(1) 熔覆层材料的成分设计和控制。在传统成分设计的基础上,结合激光熔覆技术的工艺特点,设计出适合铝合金激光熔覆条件下的熔覆粉末体系。具体包括:发展新兴熔覆层;添加吸光剂增强激光吸收能力;添加稀土元素改善熔池流动能力;原位生成陶瓷材料;进行梯度涂层的研究与开发等。
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(2) 激光工艺参数的调控和其他辅助技术的研究与开发。对激光功率、扫描速度、送粉速率等激光工艺参数进行合理调控,建立合适的铝合金激光熔覆工艺参数窗口。同时引入电场、磁场、超声波振动等辅助技术,将激光熔覆与激光冲击、微锻压等技术进行复合,以有效改善残余应力的分布,抑制熔覆层裂纹气孔等问题,提高试样抗疲劳等综合性能。
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(3) 铝合金激光熔覆工程化应用。应用包括: 大功率短波长激光器的研发,提高铝合金激光熔覆能量密度和熔覆效率;铝合金激光熔覆数据库的建立,建立准确评价熔覆材料、工艺参数、组织性能等的标准及数据库,适应将来数字化、信息化的发展趋势。
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目前研究主要停留于熔覆层微观组织和力学性能变化,缺乏对微观组织变化机理和一般性规律的研究,然而随着技术的进步以及国内外学者在铝合金表面激光熔覆做出的研究贡献,激光熔覆技术有望成为铝合金表面处理、提高表面性能、进行零件修复的有效手段之一。
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摘要
激光熔覆通过激光加热使熔覆材料与基体形成冶金结合的高质量熔覆层,是一种有效的表面改性技术。 铝合金因其硬度低、耐磨性差导致其无法满足对表面性能要求较高的领域,限制了其更广阔的发展。 激光熔覆对铝合金表面改性有着很好的研究和应用价值,已获得国内外学者的密切关注。 目前,铝合金激光熔覆技术研究呈上升趋势,然而缺乏系统的综述介绍。 以熔覆层材料体系为核心,按照金属基合金、陶瓷增强复合材料和一些新兴材料进行分类,综述了铝合金激光熔覆的背景、工艺以及组织性能,并对铝合金表面激光熔覆发展前景进行了展望。
Abstract
Laser cladding is considered to be an effective surface modification technique, in which high quality cladding layer is formed between the cladding material and the substrate by laser heating. Because of its low hardness and poor wear resistance, aluminum alloy can not meet the requirements of high surface properties, which limits its broader development. Laser cladding has a good research and application value on surface modification of aluminum alloy, which has been paid close attention by scholars at home and abroad. At present, the research on laser cladding technology of aluminum alloy is on the rise, but there is no systematic review. In order to further enhance the application of laser cladding in the field of aluminum alloy welding, the research status of the microstructure and properties of aluminum alloy laser cladding was summarized, and the future research direction of aluminum laser cladding was prospected.
