激光熔覆金属表面改性研究进展_下_

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1、中 国 表 面 工 程 年 第 期 总 第 期激 光 熔 覆 金 属 表 面 改 , 生 研 究 进 展 吓哈 尔 滨 工 业 大 学 张 大 伟 雷 廷 权 李 强摘 要 接 上 期 继 续 综 合 评 述 了 激 光 熔 覆 金 属 表 面 改 性 的 研 究 进 展 情 况 、 主 要 内 容 包 括 抗 氧 沁 险 、 热 障 性 能抗 气 蚀 与 冲 蚀 磨 损 以 及 激 光 熔 覆 应 用 , 并 指 出 了 目 前 存 在 的 问 题 及 今 后 努 力 的 方 向 。关 键 词 激 光 熔 覆 表 面 改 性 涂 层 性 能学 科 码抗 氧 化 性金 属 的 抗 氧 化 性

2、是 保 证 零 部 件 在 高 温 下 能持 久 工 作 的 重 要 条 件 。 耐 高 温 的 抗 氧 化 涂 层在 火 箭 发 动 机 和 工 业 汽 轮 机 以 及 热 交 换 装 置 等高 温 部 件 上 , 有 着 非 常 广 泛 的 应 用 。激 光 熔 覆 、 、 并 在 其 中 加 入 氧 活性 稀 土 元 素 或 , 以 改 善 材 料 的 高 温 氧 化 行 为 ,是 一 个 很 重 要 的 研 究 领 域 吕 。 镍 基 高 温 合 金的 抗 氧 化 性 可 以 通 过 一 一 川 一 保 护 性 涂 层 加以 改 善 , 该 涂 层 在 氧 化 时 可 形 成 富 的

3、氧化 膜 。 由 于 膜 具 有 挥 发 性 小 、 生 长 动 力学 缓 慢 、 通 过 该 膜 扩 散 极 小 , 以 及 在 高 温 氧 化性 气 氛 中 有 较 大 惰 性 , 因 而 是 一 种 很 好 的 保 护性 氧 化 膜 。 虽 然 , 膜 对 基 体 合 金 的 附 着力 较 差 , 但 通 过 添 加 象 这 样 的 活 性 元 素 可 以改 善 它 的 附 着 力 。 如 下 几 方 面 的 机 理 可 以 解 释稀 土 元 素 的 加 入 , 对 膜 与 合金 附 着 力 的 有 益 影 响 吕 形 成 机 械 式 钉 扎点 , 以 将 膜 铆 固 于 基 体 上 与

4、 微 量 元 素 如的 相 互 作 用 可 形 成 高 温 相 , 并 限 制 在 膜 与基 体 界 面 上 的 偏 析 的 弥 散 物 作 为 过 量空 位 的 陷 阱 , 以 抑 制 空 位 在 膜 与 金 属 界 面 上 聚集 , 优 先 析 出 在 界 面 上 , 可 增 加 膜 与 基体 的 结 合 力 氧 化 物 的 形 核 是 发 生 在 膜 与金 属 的 界 面 上 , 而 不 是 在 膜 内 部 通 过 改变 组 织 可 提 高 膜 的 可 塑 性 通 过 形 成 过 渡 氧 化层 , 还 可 减 少 膜 与 基 体 热 膨 胀 上 的 差 别 。 此 外 ,添 加 到 镍

5、基 高 温 合 金 中 , 可 抑 制 丫 的 粗 化 过程 而 导 致 较 高 的 温 度 抗 力 。 尽 管 对 稀 土 元 素 改善 高 温 性 能 机 理 方 面 还 存 有 争 议 , 但 的 加入 尤 其 是 以 细 小 弥 散 的 形 式 分 布 时 确 实能 提 高 超 耐 热 合 金 部 件 在 高 温 下 的 服 役 寿 命 。收 搞 一 一 修 回 一 一等 人 , 在 合 金 上 激 光 熔 覆】 一 一 一 合 金 粉 末 。 等 温 氧 化 实 验 表 明 , 熔覆 层 比 基 体 具 有 较 低 的 增 重 速 率 , 在时 , 比 工 业 镍 基 高 温 合 金

6、 有 较 好 的 抗氧 化 性 能 。 抗 氧 化 性 的 改 善 , 至 少 部 分 是 由 于形 成 了 大 量 的 透 入 未 氧 化 基 材 中 的 富 氧 化 钉的 作 用 。 氧 化 时 形 成 的 富 氧 化 铝 膜 对 抗 氧 化 性的 改 善 也 起 到 了 有 利 作 用 。等 人 ” 使 用 一 激光 器 熔 覆 了 一 一 与 氧 化 错 的 复 合 涂 层 。 涂层 组 织 是 由 与 , 和 组 成 的 固 溶 体以 及 叭 , 恻 , 余 下 为 和 的金 属 间 化 合 物 丫 相 。 在 正 常 凝 固 条 件下 , 经 长 时 间 时 效 热 处 理 , 基

7、 合 金 中 仅 有 丫相 。 然 而 丫 相 的 存 在 是 由 于 稀 释 作 用 在 熔 覆层 中 存 在 着 的 影 响 。 因 为 可 以 置 换相 中 的 和 , 在 达 到 一 定 浓 度 时 , 在合 金 中 起 着 如 这 样 稀 土 元 素 的 作 用 ,也 即 它 的 加 入 提 高 了 沉 淀 的 活 化 能 或 驱动 力 。 在 这 些 条 件 下 , 丫 沉 淀 相 的 可 能 成 分 将是 。 以 这 种 方 式 产 生 的 合 金 , 将 比相 应 的 高 温 合 金 有 更 高 的 耐 氧 化 性 能 。 、 。是 含 有 少 量 、 、 、 、 、 的一 一

8、 高 温 合 金 , 其 满 足 使 用 强 度 的 工 作 温度 约 , 理 论 上 可 达 。 然 而 , 在 此 温度 下 其 抗 氧 化 性 却 大 为 减 小 。 为 了 改 善合 金 在 苛 刻 条 件 下 的 抗 氧 化 行 为 。等 人 在 。 。 合 金 上 激 光 熔 覆 一 一一 一 复 合 涂 层 , 错 的 加 入 可 增 加 氧 化 膜 的 附着 力 并 适 于 替 代 较 昂 贵 的 稀 土 元 素 。 结 果 表明 未 经 激 光 涂 覆 的 合 金 , 在下 表 面 发 生 一 般 性 氧 化 , 而 经 激 光 涂 覆后 表 面 氧 化 微 乎 其 微 。

9、抗 氧 化 性 的 改 善 是 由 于激 光 熔 覆 金 属 表 面 改 性 研 究 进 展 张 大 伟 等在 合 金 表 面 形 成 了 氧 化 层 而 减 少 了 氧 向 合 金内 的 迁 移 , 并 且 促 进 了 在 层 下 的 氧化 层 的 生 长 , 因 而 成 为 阻 止 氧 内 扩 散 的 一 道 屏障 。 在 氧 化 过 程 中 , 错 复 合 涂 层 起 着 双 重 作 用一 是 增 强 合 金 表 面 氧 化 层 的 结 合 力 二 是 阻 止合 金 元 素 的 外 扩 散 。为 了 改 善 不 锈 钢 模 具 的 耐 磨 性 、 耐 氧 化 和耐 蚀 性 , 川 等 人

10、 在 马 氏 体 不 锈 钢上 激 光 熔 覆 粉 末 。 对 基 材 和 熔 覆 层 的 循环 氧 化 试 验 图 表 明 未 激 光 处 理 的 基 材 在最 初 氧 化 时 试 样 增 重 缓 慢 , 而 在 之 后 , 由 于氧 化 层 的 剥 落 试 样 重 量 急 剧 减 少 而 激 光 熔 覆铬 碳 化 合 物 的 试 样 增 重 极 其 缓 慢 并 趋 于 稳 定表 明 该 激 光 熔 覆 层 具 有 优 越 的 抗 氧 化 性 能 。 这是 由 于 熔 覆 层 中 存 在 大 量 的 铬 碳 化 合 物 和 在 表面 形 成 致 密 的 铬 氧 化 膜 的 缘 故 。 稳 定

11、 的 铬 氧 化膜 阻 止 了 氧 向 合 金 化 区 的 渗 透 并 防 止 了 重 复热 循 环 中 表 面 层 的 剥 落 。 在 、 下 的等 温 氧 化 试 验 图 表 明 未 处 理 的 基 材 由于 表 面 层 氧 化 和 氧 通 过 多 孔 氧 化 层 连 续 向 基 体渗 入 使 试 样 重 量 大 为 增 加 而 表 面 熔 覆 铬 碳化 合 物 的 试 样 , 除 最 初 时 有 某 些 增 重 外 , 几 乎维 持 在 重 量 不 变 的 水 平 上 。 含 大 量 和化 合 物 以 及 高 量 的 熔 覆 层 比 未 处 理 基 材 的抗 氧 化 性 提 高 约 倍

12、。 同 时 尽 管 加 热 到 并 等 温 但 熔 覆 层 的 硬 度 下 降 不 多 其耐 磨 性 也 获 得 了 很 大 改 善 。此 外 , 有 许 多 文 献 也 涉 及 到 高 温 激 光 涂 层 夕如 一 复 合 涂 层 或 具 有 高 温 摩 擦 应 用 的一 一 和 一 一 一 等 涂 层 ” “ ” , 。 住 。黔、云阅将鬓。 。 一 一一 未 瀚 “ 一一 一 动 之 宁 立一 一 一 一 一 一 一一 , 百一 一 二 二 , 洲 日厂 叮日护 令 一 令 令 今比亏泛阅任彰时 间 若 小等 辨 高 氧 化图 激 光 熔 覆 涂 层 的 循 环 氧 化 和 等 温 氧

13、化试 验 结 果一 、 一 一 一热 障 性 能作 为 热 障 、 耐 磨 和 耐 蚀 的 氧 化 错 和 氧 化 铝涂 层 已 引 起 了 工 业 界 的 很 大 关 注 。 以 陶 瓷 为基 体 的 热 障 涂 层 具 有 优 异 的 抗 氧 化 、 耐 热 腐 蚀 、抗 机 械 冲 蚀 性 能 , 并 可 减 少 基 体 的 温 度 , 减 少由 于 绝 热 而 引 起 的 热 疲 劳 , 还 可 降 低 对 空 冷 的要 求 , 已 广 泛 应 用 于 燃 烧 器 部 件 的 抗 氧 化 和 抗热 疲 劳 , 以 及 用 于 绝 热 和 保 护 燃 气 涡 轮 发 动 机中 重 要 的

14、 空 冷 机 械 零 件 , 以 延 长 其 使 用 寿 命 ,提 高 热 机 效 率 ” 。 现 行 的 火 焰 喷 涂 和 等 离 子 喷涂 是 制 备 陶 瓷 涂 层 的 常 用 热 喷 涂 方 法 , 然 而 喷涂 时 基 体 也 被 加 热 到 很 高 的 温 度 而 发 生 较 大 的热 影 响 区 并 且 涂 层 中 产 生 的 孔 隙 、 熔 渣 夹 杂 、微 裂 纹 和 较 差 的 层 间 结 合 力 , 对 涂 层 的 高 温 性能 也 会 产 生 不 利 的 影 响 。 由 于 激 光 熔 覆 可 以 产生 高 质 量 的 陶 瓷 涂 层 因 而 对 等 离 子 或 火

15、焰 喷涂 层 再 进 行 激 光 重 熔 , 或 直 接 对 基 体 上 的 粉 末进 行 激 光 熔 覆 获 得 的 热 障 涂 层 正 日 益 受 到 重视 。 很 明 显 一 步 激 光 熔 覆 法 , 要 比 等 离 子 喷涂 后 再 激 光 重 熔 的 两 步 法 的 工 艺 简 便 。 大 部 分的 热 障 涂 层 都 包 括 抗 氧 化 的 金 属 粘 结 层 和 绝 热的 陶 瓷 涂 层 。 金 属 粘 结 层 起 着 避 免 基 体 腐 蚀 和氧 化 , 以 及 减 少 基 体 与 涂 层 间 的 热 膨 胀 不 匹 配性 的 双 重 作 用 。 近 年 来 对 激 光 熔

16、覆 火 焰 喷 涂和 等 离 子 喷 涂 层 的 热 障 涂 层 已 进 行 了 很 多 的 研究 , , 卜 , 。 与 喷 涂 层 相 比 , 激 光 熔 覆 层 的 组 织 细化 、 表 面 光 洁 度 提 高 、 显 微 硬 度 增 加 , 但 涂 层表 面 容 易 开 裂 。 通 过 向 熔 池 中 喷 射 颗 粒 ,可 形 成 光 滑 、 致 密 、 裂 纹 少 的 一 , 又 共 晶组 织 的 强 化 复 合 涂 层 洲 , 或 者 采 用 复 合 体 系八曰门幻日只只,二工中 国 表 面 工 程 年 第 期 总 第 期一 一 和 一 一 的 激 光 熔 覆涂 层 ” , 也 可 获 得 类 似 效 果 。等 人 在 高 温 合 金 和合 金 上 激 光 熔 覆 热 障 涂 层 。 合 金 有较 高 的 抗 蠕 变 、 疲 劳 和 氧 化 性 能 , 被 广 泛 应 用于 高 温 条 件 下 工 作 的 汽 轮 机 叶 片 , 而合 金