激光熔覆涂层增韧改性方法的研究进展 魏新龙, 付二广, 戴凡昌, 班傲林, 吴多利, 张 超(扬州大学 机械工程学院, 江苏 扬州 225127)作为一种新型的表面涂层技术,激光熔覆是利用高能激光束来熔化材料,冷却后形成熔覆层,熔覆层与基体形成冶金结合,改变基体材料表面性质[1]与其他表面涂层技术,如超音速火焰喷涂、等离子喷涂和磁控溅射等方法相比,激光熔覆技术具有稀释率小、畸变小、快速产生凝固组织、熔覆材料广泛、便于自动化控制等特点,应用前景非常广泛[2-4]激光熔覆涂层表面获得高强度、高硬度的同时,表面韧性却通常会急剧下降,涂层表面容易出现裂纹、孔隙等问题缺陷为此,本文阐述了激光熔覆涂层韧性差导致裂纹的原因以及影响因素,综述了裂纹等缺陷产生的原因,影响熔覆层韧性的因素以及如何改善涂层表面质量、增加涂层韧性减少裂纹的方法,即通过改变熔覆粉体组成合理设计熔覆材料、增加过渡层、优化激光熔覆工艺参数、预热和后处理熔覆层、激光重熔、外加能场辅助等多种方法来增加涂层韧性,并且简要说明了优势和缺点,为深入研究激光熔覆涂层增韧改性方法提供相关参考1 激光熔覆涂层韧性降低的原因及影响1.1 熔覆层韧性降低的原因1.1.1 应力通常熔覆材料与基体由于热膨胀系数差异很大,在熔覆过程中极易产生内应力。
熔覆过程是快速熔化和快速凝固的过程,在这个过程会有温度梯度差,就会有各种应力的产生,如由于材料的温度梯度和热膨胀系数不同使熔覆层收缩不均产生的热拉应力、金属在冷却过程中由于相变引起的组织应力,以及由于温度梯度差导致熔覆层收缩时挤压未收缩部分所产生的约束应力[5-6]内应力有热应力、组织应力和约束应力,热应力是主要应力[7]激光熔覆过程中由于抗断裂韧性远小于产生的热拉应力是裂纹产生的主要原因[8],当热应力超过材料的强度极限时就会形成裂纹[9]Wang等[10]研究表明,激光熔覆镍基碳化硅涂层中高体积的铬硼化物和碳化物的不均匀分布,从而产生过大热应力,是产生裂纹的主要原因激光熔覆过程中容易在晶界处生成脆性化合物,这些脆性化合物与熔覆层的热膨胀系数相差较大,从而导致应力在晶界处集中,由于韧性降低容易导致开裂[11]熔覆过程中也会形成位错,当位错滑移碰到硬质相颗粒时,应力也会在此集中,当应力大于熔覆层断裂韧性时就会出现裂纹研究发现,当激光熔覆功率、扫描速率等参数变化时,会导致熔覆层晶粒尺寸过大,应力过于集中,裂纹就不可避免地产生[12]Xu等[13]在激光熔覆研究中发现,应力集中在石墨尖端,产生的微裂纹也是从石墨尖端开始的。
如图1所示,应力集中而导致涂层裂纹形成[14],图1(b)是图1(a)中矩形框的局部放大从图1中明显看出,Fe-Al激光熔覆涂层上大裂纹横穿熔覆道,放大后还能看到更小裂纹的存在,严重影响了熔覆层质量图1 激光熔覆Fe-Al涂层裂纹形貌[14]Fig.1 Crack morphologies of laser clad Fe-Al coating[14]1.1.2 熔覆过程中的缺陷熔覆过程中也会产生气孔、微裂纹等微小缺陷,关于气孔的存在可能是高能激光使材料中的某一物质分解气化导致,另外一种可能是激光熔覆过程中需要用到惰性气体作为保护气,保护气体将被卷入到熔池当中,由于熔池体积很小,冷凝速度很快,气体来不及排出而留在冷凝的熔池中形成气孔,在快速冷凝过程中孔隙的存在会造成微裂纹的产生熔覆粉体中的除氧、造渣等成分如果不能及时上浮将会保存在熔覆涂层中,这些夹杂物也会增加涂层出现裂纹的可能性,降低熔覆层的结构强度和韧性[15]同时气孔的存在也是裂纹萌生扩展的助力,气孔使熔覆层组织松散,并且容易在孔隙周围产生应力集中,增大熔覆层裂纹的敏感性[16]Wu等[17]研究发现,当高能激光束没有将粉末完全熔化时,这些粉末颗粒也会造成孔隙的形成,提高涂层开裂敏感性。
王伟等[18]在不锈钢表面熔覆了镍基合金,研究发现熔覆层裂纹形成的主要原因是在涂层最后凝固阶段内应力和硬脆相及夹杂物大量偏聚共同作用所致1.2 熔覆层韧性的影响因素激光熔覆层断裂韧性受众多因素的影响,包括熔覆材料的选择、激光功率、送粉速率以及熔覆基体的温度等熔覆层和基体往往因物理性能差异产生较大的内应力,这是造成涂层开裂的主要原因熔覆时选择物理特性相近的熔覆粉末材料和基体材料,此时两者熔化和凝固几乎同步,可以有效降低熔覆层开裂的可能性,提高涂层韧性激光熔覆的工艺参数也对裂纹的产生有直接的影响郑启池等[19]研究发现,随着激光功率的提高,涂层裂纹先增多后减少,激光的扫描速率和送粉速率也有相似的影响熔覆前对基体进行预热处理可以显著降低熔覆过程中熔池与基体的温度梯度,改善熔覆层的应力分布李洪玉等[20]研究发现,当基体预热温度为100 ℃时,熔覆层中的内应力显著降低因此,熔覆层韧性的影响因素众多,合理设计激光熔覆过程的各个环节是增强熔覆层韧性的必要手段2 增强涂层韧性的方法2.1 优化熔覆粉体组成激光熔覆是将粉末和基体变成熔融状态从而形成冶金涂层,涂层性能的好坏与粉末的选择和处理至关重要铁基非晶合金涂层的韧性比较差,在制备过程中或实际使用过程中由于内部剪切带区域存在应力集中极易产生裂纹,裂纹继续扩展直至发生脆性断裂[21-22],但铁基非晶特殊的无序原子排列结构和无晶界,使其具有优良的耐磨性能和耐腐蚀性能[23-24],非晶合金内部剪切带区域易造成应力集中,在此处易形成微裂纹,微裂纹扩展可能造成断裂[24]。
王天聪等[25]将镀镍碳纳米管与铁基非晶粉体进行球磨混合后在钢板表面进行激光熔覆试验,获得高硬度和韧性的涂层,研究发现添加镀镍碳纳米管后的涂层中形成了韧性较好的非晶-纳米晶复合组织,同时镀镍、球磨工艺能够有效避免激光熔覆过程中脆性碳化物的生成,从而保证涂层具有很好的断裂韧性Luo等[26]通过高能球磨技术制备Fe-Al粉末,接着在Fe-Al粉末表面原位生长Al2O3纳米粒子,再进行激光熔覆获得高性能涂层,发现原位生长的增强颗粒细化了凝固组织,抑制了涂层微裂纹的形成和发展,提高了涂层韧性和硬度陶瓷粉体作为增强相可以强化熔覆层的硬度,也可以增强熔覆层的韧性,利用陶瓷相掺杂是增强涂层韧性的有效方法闫洪等[27]研究发现,ZrO2在不同的条件下具有不同的相结构,当外力作用时,材料的内应力可使四方相的ZrO2粒子解除约束,发生四方相ZrO2转变成单斜相的马氏体相变,引起体积膨胀;而相变颗粒的剪切应力和体积膨胀对基体产生压应变,使裂纹停止延伸,以致需要更大的能量才使主裂纹扩展,从而达到应力诱导相变增韧的效果张三川等[28]利用激光熔覆方法制备ZrO2粉末掺杂Ni60镍基自熔合金涂层,研究氧化锆增韧机制,发现ZrO2在激光熔覆涂层成形过程中实现了相变增韧和弥散增韧,消除了涂层中由于热应力造成的微裂纹。
张维平等[29]通过激光熔覆方法制备掺杂ZrO2粉末的钴基合金涂层,也达到了涂层增韧效果,如图2(a)所示,相变增韧造成主裂纹扩展途径弯曲、偏析和分支,从而提高断裂能,即微裂纹增韧如图2(b)所示,弥散增韧是高弹性模量的颗粒对裂纹具有钉扎作用,使得裂纹难以形成,从而起到增韧作用图2 激光熔覆ZrO2增韧钴基合金涂层的方式[29](a)相变增韧;(b)弥散增韧Fig.2 Method of laser clad ZrO2 toughening cobalt-based alloy coating[29](a) transformation toughening; (b) dispersion toughening适量稀土元素的加入可以提高粉体对高能激光束的吸收率,使得熔覆粉体熔化均匀充分,更好地与基体形成冶金结合,降低气孔产生的概率,能够对硬质合金涂层起到均匀化作用、固溶强化作用和强韧化作用[30]钟文华等[31]研究发现,熔覆层中的Y2O3分解出Y+离子,与S、P等有害元素结合上浮净化涂层,同时钉扎于晶界,阻止裂纹的形成与扩展,从而提高涂层韧性[32]匡建新等[33]研究发现,在镍包碳化钛粉末中加入稀土氧化物La2O3可以使熔覆层组织细化,减小甚至消除裂纹,增加涂层韧性,其含量为0.4%时效果最好。
王成磊等[34]研究发现,添加稀土氧化物可以有效改变熔覆层的组织性能,适量的CeO2能够细化涂层组织,抑制裂纹的产生,增加涂层韧性但是稀土掺杂过量反而不利于改善涂层组织,因此需要合理控制稀土元素的掺入比例[35]2.2 增加过渡层采用具有良好韧性且与基体物理特性匹配较好的粉末做底层,即在基体与熔覆层中间设置这样一过渡层或者梯度层,可使硬度较高的熔覆层与基体间内应力减小,减少因过大的应力产生的裂纹[36]中间过渡区域可以缓和基体与熔覆层因热膨胀系数不同而产生的残余应力,从而增强涂层韧性防止涂层开裂沈大臣等[37]在模具钢表面熔覆一层Ni20Cr涂层作为打底层,接着在Ni20Cr涂层上连续熔覆两层Ni60A涂层,结果表明,采用Ni20Cr涂层作为打底层的多层Ni基合金涂层,能有效改善涂层与基体的冶金结合,大大减少涂层中的裂纹、气孔等缺陷范鹏飞等[38]在45钢基体表面逐层熔覆了Fe1合金过渡层和Fe5合金强化层,结果表明,梯度熔覆层表面形貌良好,无宏观裂纹,内部组织致密无缺陷,且各层之间呈现良好的冶金结合,过渡层与强化层结合处的晶粒出现了细化,上层晶粒比下层晶粒细小,如图3所示Wang等[39]采用设置奥氏体不锈钢网的新工艺熔覆镍基、钴基和铁基合金粉末,获得了大面积无裂纹强冶金结合的涂层。
通过设置奥氏体不锈钢网使得镍基涂层上穿透性裂纹变成非穿透性裂纹,如图4(a,b)所示,使得钴基涂层没有裂纹,如图4(c,d)所示图3 Fe合金梯度熔覆层的OM形貌[38](a)Fe1过渡层;(b)Fe1过渡层与Fe5强化层交界处Fig.3 OM morphologies of Fe alloy gradient clad layer[38](a) Fe1 transition layer; (b) junction of Fe1 transition layer and Fe5 strengthened layer图4 Ni60(a,b)和CoO2(c,d)包覆层的裂缝状态[39](a)未添加不锈钢网;(b,c)添加不锈钢网;(d)表面形貌Fig.4 Status of cracks in Ni60(a, b) and CoO2(c, d) coating layer[39](a) without stainless steel mesh; (b, c) with stainless steel mesh; (d) surface morphology2.3 优化工艺参数在激光熔覆过程中,激光束的功率P、扫描速率V、光斑的直径D等都对熔覆层的质量有重要影响,稀释率是涂层质量的体现,而稀释率又受比能E的影响。
1)研究表明,比能E过大过小都不利于获得性能优异的涂层,E过低,涂层稀释率也相应变低,基体与熔覆层不能获得良好的冶金结合,熔覆层表面也易出现气孔裂纹等缺陷;比能E过高,稀释率也相应增大,熔池里金属将充分混合,不能发挥熔覆粉体的优良性能[40]童文辉等[41]研究激光熔覆工艺参数对TiC颗粒增强钴基合金涂层的影响发现,通过改变激光功率和扫描速率等激光工艺参数可以实现对熔覆层中TiC颗粒的形貌、尺寸与分布进行调控赵栓峰等[42]研究发现,激光扫描速度过快导致熔覆层成形不均匀,扫描速度过慢则会形成较大的晶体组织,适当的扫描速度可以获得较为致密的熔覆层和较好的韧性易湘斌等[43]研究表明,随着扫描速度的增大,熔覆层组织得到明显细化,相应硬度提高,残余应力变低,韧性提高谭金花等[44]研究发现,提高激光扫描速率能够提高熔覆层的硬度和耐磨性,但是过高的激光扫描速率也会使熔覆层出现孔隙、裂纹等缺陷,。