低碳钢表面激光熔覆涂层研究现状及进展.pdf

第49 卷Vol.49doi:10.3969/j.issn.1003-4226.2023.04.010第4期No.4低碳钢表面激光熔覆涂层研究现状及进展金属制品MetalProducts2023年8 月August2023谢子豪，刘博，永礼，张浦津，丁林（皖西学院机械与车辆工程学院，安徽六安2 3 7 0 12）摘要：介绍激光熔覆技术的特点和熔覆涂层具有的组织性能优点。综述激光熔覆涂层在提高低碳钢机械零部件表面性能方面的应用成果及研究进展。阐述了激光熔覆工艺参数的影响因素和不同送粉方式的优缺点；自熔性合金粉末、陶瓷粉末和复合粉末等熔覆材料使用条件及其各自的优点；熔覆层在材料和器件耐磨性、耐腐蚀性等方面的重大改善和明显提高。分析并指出激光熔覆涂层过程中出现的不足，对激光熔覆技术发展趋势及应用前景进行展望。关键词：低碳钢；激光熔覆；熔覆材料；耐磨性；耐腐蚀性中图分类号：TC156.99Research status and progress of laser cladding coatings on low carbon steel(School of Mechanical and Vehicle Engineering,West Anhui University,Luan 237012,China)Abstract:To introduce characteristics of laser cladding technology and advantages of microstructure and properties of clad-ding coatings.The application results and research progress of laser cladding coatings improving surface properties of lowcarbon steel mechanical parts are reviewed.The influence factors of laser cladding process parameters,advantages and dis-advantages of different powder feeding methods are described.The application conditions of cladding materials such as self-fluxing alloy powder,ceramic powder and composite powder and their respective advantages are also described,claddingcoatings has been significantly improved in terms of wear resistance and corrosion resistance of materials and devices.Theshortcomings in process of laser cladding coatings are analyzed and pointed out,and development trend and applicationprospect of laser cladding technology are prospected.Keywords:low carbon steel;laser cladding;cladding material;wear resistance;corrosion resistance低碳钢因生产成本低,在国防工业、航空航天以及日常生活中起着无法替代的作用,但其较低的硬度和耐磨性，容易使机械设备磨损失效或损坏,造成严重的经济损失 1.2 ,粗略估计,世界各国每年因磨损而造成40%左右的材料损耗，因磨损而导致机械设备、零部件和工程结构件失效报废高达8 0%左右。如何减轻材料的磨损成为研究者关注的焦点。随着我国大力提倡绿色制造、促进生态文明发展，激光熔覆作为一种高生产率、低污染的“绿色”再制造技术,能在廉价、低性能的基体材料表面上制备出较高使用性能的涂层，减少资源浪费，降低生产成本。由于激光熔覆拥有原子间结合，具有比其他文献标识码：AXie Zihao,Liu Bo,Chao Yongli,Zhang Pujin,Ding Lin用,市场前景相当可观 3.41。笔者以低碳钢表面激光熔覆改性作为聚焦点，针对涂层成形质量、涂层成分和使用性能进行阐述，概括了激光熔覆技术的发展现状，对激光熔覆技术发展趋势及应用前景进行展望。1熔覆层成形质量丁紫阳等人 5 和XuX等人 开展了激光熔覆表面处理方法更高的结合力，使基体表面具有更优良的抗摩擦磨损、抗腐蚀、抗空蚀、耐高温氧化等使用性能。因此，激光熔覆技术在高性能涂层制备、失效零部件再制造等方面有着越来越广泛的研究与应*基金项目：国家级大学生创新训练项目（2 0 2 110 3 7 6 0 3 0,2 0 2 110 3 7 6 0 3 1）；安徽省大学生创新训练项目（S202210376140）；皖西学院大学生创新训练项目（WXXY2022084）。36过程中影响因子对成形质量影响的研究。结果发现,工艺参数和送粉方式对涂层质量的影响较为明显，为保证涂层对基体材料的改善作用，需要从工艺参数调整和送粉方式优化方面来调控涂层成形质量。1.1激光熔覆工艺参数激光熔覆涉及材料、物理、化学及冶金等多学科，工艺过程相当复杂，除了已确定的激光器系统、基体材料和熔覆材料的性能外，激光熔覆过程的工艺参数、熔覆材料的送料方式和激光束的扫描方式都会对激光熔覆层的宏观质量、微观组织和使用性能产生重要影响。熔覆过程中工艺参数的选择对熔覆层的宏观质量、组织和性能起重要影响。激光熔覆的工艺参数主要包括激光功率、光斑尺寸、扫描速度、搭接率和送粉速度或预置涂层粉末的厚度。熔覆过程中,工艺参数能根据熔覆合金粉末的成分及需求的使用性能来调试。针对具体的熔覆条件，工艺参数的优化问题是制备高质量熔覆层的重要保证。高雾等人 7 在研究过程中考虑激光功率、扫描速度、离焦量、预置层厚度4个因素，以熔覆层的宽度、高度和熔池深度为考察指标，获得最佳的激光熔覆工艺参数；另外还指出，影响熔覆层宏观形貌的最大影响因素为扫描速度,其次为激光功率,影响最小的是离焦量。郭伟等人 8 提出一个重要的综合工艺参数：激光熔覆比能量E（E=P/D V），表示单位激光辐照面积上能量的大小。对于不同的熔覆材料与基体,存在一个实现激光熔覆良好成形的临界比能量值，当熔覆过程中使用的比能量大于临界比能量时，才能制备出具有良好冶金结合的熔覆层。对于相同的熔覆材料和基体，当比能量相近时，一般采用低功率和小的扫描速度,此工艺加热速度较慢，加热时间较长，熔覆层与基体金属温差小，热应力小，开裂倾向较小。1.2激光熔覆送粉方式激光熔覆过程中，熔覆材料通常采用预置法或同步送粉法送人熔池。目前，预置法最为常见。预置法是指采用黏结剂、电镀或热喷涂等方法将粉末状熔覆材料预置在基材表面，然后通过激光束作用于粉末表面，使粉末在基体材料上部分熔化及冷却凝固为熔覆涂层。预置粉末法拥有工艺实施方便、涂层成分多变、使用率高等优点；另外也出现基体表面熔化量大、熔深难以掌握、涂层表面易出现开裂和空洞等成形不足 9 。同步送粉法是在激光熔覆过金属制品程中，利用气载式送粉器将熔覆粉末直接输送人熔池内并熔化、凝固而形成涂层。同步送粉法分侧向送粉和同轴送粉。与预置法相比，同步送粉法一方面可节约熔覆粉末及实时调整熔覆材料；另一方面因受送粉技术限制，一些纳米粒度的颗粒不能准确送达，由于各种粉末物性的不同，造成混合熔覆粉末在精确输送时易出现送出粉末成分与设计比例出现差异,影响熔覆层的使用性能。同步送粉法一般仅适用于尺寸较大的零部件 10 在激光熔覆过程中，想要获得优质成形的表面涂层，要找出工艺参数之间彼此的交叉影响,还需要配合合适的送粉方式，影响作用较为复杂，必须对工艺参数及送粉方式进行深入研究才能获得稳定的激光熔覆层。2熔覆材料激光熔覆主要是通过改善基体材料表面的物理和化学性质来提高性能。成分决定性能，熔覆层的成分主要是由所使用的熔覆材料种类决定。熔覆材料是对熔覆层性能影响极为关键的因素。目前，主要使用的熔覆粉末为自熔性合金粉末、陶瓷粉末、金属基复合材料等。2.1自熔性合金粉末自熔性合金粉末是指在铁、钻、镍基合金中添加B和Si元素的粉末,B和Si在激光熔覆过程中起到自我脱氧和造渣的功能，比重较小的熔渣覆盖在熔覆层表面起到保护熔池、防止熔池过度氧化的作用。这类材料对普通碳钢有较好的适应性，制备的涂层表面光滑、缺陷较少,能与基体形成优良的结合。目前,普遍使用的自熔性合金粉末主要包括Ni基自熔合金11,12 Co基自熔合金13.141和Fe基自熔合金 153种粉末。Co基、Ni基自熔性合金粉末与基体材料具有良好的润湿性、较强的耐腐蚀性,在高温条件下具有一定的自润滑作用,因成本相对较高，一般应用于航空航天和石油等工业领域中要求抗疲劳、耐腐蚀、耐磨损及耐高温的精密零部件；Fe基自熔性合金粉末有一定的耐磨性能，价格较低廉,但在激光熔覆过程中合金涂层易出现开裂、氧化和气孔等缺陷，大量应用于有一定耐磨需求的工件，基体材料多为铸铁和低碳钢。2.2陶瓷粉末陶瓷粉末材料因具有较高的硬度和强度以及优异的耐磨、耐腐蚀和高温稳定性能,被视为制备特殊性能涂层的最佳选择，引起科研人员的关注。杨森第49 卷第4期等人 16 在碳钢表面制备了MoSiSi C激光熔覆层，熔覆层与基体形成了良好的冶金结合，硬度是基体材料的4.5倍。TiN+Ti,AI17、T i C 18 、T i N+TiB19、A l,0,2 0 等陶瓷材料涂层也被研究。但陶瓷材料具有极低的韧性、较大的脆性及较大的热膨胀系数,涂层易产生开裂。为了解决该问题，有些研究者通过加中间过渡层甚至在陶瓷材料中加入膨胀系数较高的TiO2及CaO等氧化物来降低涂层的开裂倾向，但研究结果仍不令人满意，还有待进一步研究 2 12.3复合粉末复合粉末是为了克服由于陶瓷涂层与基体之间因自身属性差异可能出现严重开裂而研制的，它是指将各种高硬度的硬质材料添加到金属或合金粉末中混合均匀而形成的一种新型熔覆材料体系。硬质材料在激光熔覆层中作为强化相，金属或合金粉末则主要充当黏结相和过渡层的作用，其能促进硬质材料与金属基体良好的过渡，使熔覆层既成形良好又具有较高的硬度。硬质材料主要是由高熔点和高硬度的陶瓷材料组成。金属合金粉末则主要是Fe基、Ni基和Co基三种自熔性合金粉末。硬质材料的添加方式：一是硬质材料粉末直接添加到金属合金粉末并混合均匀；另一种是采用合金粉末包覆硬质材料的形式。可以按照实际应用条件选择相应的硬质增强相匹配的金属基合金粉末均匀混合形成所需的复合粉末。利用激光熔覆技术在选择的基体材料上制备出陶瓷增强金属基复合涂层，这不仅使熔覆层具备较高的强度和韧性，还能充分利用硬质增强相来提高基体金属材料的使用性能，已成为目前科研工作者研究的热点 2-2 6 O3熔覆层强化性能低碳钢结构件在苟刻的使用环境中长期使用容易出现摩擦磨损、腐蚀失效、空气腐蚀、高温氧化等问题，显著降低低碳钢使用寿命 2 7 。近年来,许多学者利用激光熔覆技术在低碳钢表面制备了不同功能的熔覆层，显著改善了低碳钢零部件的使用性能。3.1摩擦磨损性能国内外学者对低碳钢表面激光熔覆涂层进行了大量研究。叶宏等人 2 8 利用激光熔覆技术在H13钢上制备了Co基合金涂层熔覆层，Co基合金涂层熔覆层主要由-Co固溶体和M23C。碳化物组成，微观组织主要由细小的枝晶和共晶体组织组成，并谢子豪，等：低碳钢表面激光熔覆涂层研究现状及进展3.2耐腐蚀性能目前，大量学者开展了激光熔覆提升低碳钢表面的耐腐蚀性能研究工作。王豫跃等人 3 7 利用激37利用强化手段促使涂层的显微硬度明显增加，摩擦磨损性能增加为基体金属的1.3 2 倍左右。文献 2 9 采用激光熔覆技术并利用陶瓷颗粒的优势制备了NbC增强Fe基合金涂层，外加的NbC颗粒在激光作用下出现分解和重新凝固析出，显著改善涂层的显微硬度和摩擦磨损性能。文献30利用激光熔覆技术制备了TiC和B,C增强相Ni基合金涂层，当B4C质量分数为3 0%和TiC为5%时，合金涂层的平均显微硬度为13 0 8.2 HV0.5,约为Ni涂层的4.3 8 倍,摩擦因数为0.53 0,约为Ni基涂层的0.7 52 倍。文献 3 1 将Nb和B4C粉末引人Fe基合金中,结果表明，当Nb和B4C粉末质量分数为5%时，合金涂层的显微硬度增加了2 6 9.5%，耐磨性增加了约1.5倍。文献 3 2 采用激光熔覆技术制备了Ti（C,N）陶瓷涂层，添加的颗粒较大的TiN部分分解，同时出现原位TiC相，颗粒较小的TiN颗粒完全分解，与新生成的TiC形成Ti（C,N)相,涂层的摩擦因数约为基体的44%，磨损量为基体的6 3.5%。Fei Weng等人 3 3 利用激光熔覆技术在Ti-6Al-4V基体表面制备了Ti,Sis/TiC增强Co基复合涂层。研究SiC含量对涂层摩擦磨损性能的影响规律。涂层的最高硬度和摩擦磨损性能分别为基体的3倍和18.4 57.4倍。当SiC质量分数增加到20%时,涂层的摩擦磨损性能开始下降。徐国建等人 3 4 在SM400B钢表面上制备了VC增强Co基合金涂层,分析了VC增强合金涂层的摩擦磨损性能。当VC质量分数增加时，合金涂层组织由亚共晶组织转变为过共晶组织。当VC质量分数小于8 0%时，VC质量分数增加，合金涂层硬度、裂纹敏感性及摩擦磨损性能相应增加；当VC质量分数大于8 0%时，因为基体金属的稀释，合金涂层的显微硬度、裂纹敏感性及摩擦磨损性能随VC增加而降低。DariuszA.Yakovlev等人 3 5】制备了WC增强Co基纳米陶瓷涂层，复合涂层的摩擦因数为0.2 5，明显低于同种方法获得的金属基复合材料涂层（摩擦因数为 0.45)。F.Lusquinos等人 3 6 在AISI304不绣钢表面采用激光熔覆技术制备了Co基纳米陶瓷复合涂层，结果复合涂层的硬度提高了3 倍左右。38.光熔覆技术在3 0 4不锈钢表面熔覆N2606镍基合金粉末，制备了合金涂层，发现涂层在3.5%NaCl溶液中的年腐蚀速率约为3 0 4不锈钢的4%。王署光 3 8 利用激光熔覆技术在3 0 4不锈钢表面熔覆Fe55合金粉末，制备合金涂层，发现涂层的耐腐蚀性能明显优于基体。于海航等人3 9 利用激光熔覆技术在2 7 SiMn钢表面进行熔覆FeCrB系合金粉，制备合金涂层，发现涂层的耐腐蚀性能约为基体的2 倍。李俐群等人 40 1利用激光熔覆技术在2 7 SiMn钢管表面熔覆43 1不锈钢粉末，研究涂层的耐腐蚀性能，发现超高速熔覆涂层的腐蚀电位明显较高，耐腐蚀性能较高。Wuyan Yuan等人41 通过对比涂层的耐腐蚀性能,也得出同样的结论。Raghuvir Singh等人 42 在13 Cr-4Ni不锈钢表面激光熔覆Stellite6合金涂层，研究了不同能量密度下（3 2 52 J/mm）合金涂层在3.5%NaCl溶液中的固体颗粒和空气侵蚀行为。同时也研究了合金涂层的几何形状、稀释度、显微组织和显微硬度的变化。结果表明，在激光能量密度为3 2 J/mm时，合金涂层的稀释率为4.48%，最高硬度为7 0 5HV；合金涂层的抗固体颗粒和空气侵蚀能力明显提高，且随激光能量的增加而降低。在3.5%NaCl溶液中合金涂层的抗空气侵蚀的能力提高9 0%以上，有较低的腐蚀电流密度。4总结及展望经过多年的快速发展，关于激光熔覆技术制备涂层的性能研究已经积累了丰富的试验成果，并已在工业领域获得了大量应用。当前，大量学者针对激光熔覆技术制备涂层的研究主要关注：首先是涂层成分、粒度等相关影响因素；其次是选用和涂层成分相适应的工艺参数等影响因素。但仍存在一些待解决的问题，需进一步研究以下几个方面的内容。(1)激光熔覆技术制备涂层的过程中容易产生裂纹，许多研究者希望通过添加中间层来降低应力，减小涂层开裂倾向，但涂层开裂问题仍然没有获得很好的解决。而逐渐成熟的梯度涂层的研究能可靠解决高硬度涂层的开裂和剥落问题，并会成为未来主要的一条研究思路。(2)许多研究者从工艺参数方面针对激光熔覆涂层进行了大量研究，但均存在熔覆材料、环境、基体等差异,导致研究结果缺乏共性和普遍性，对激光金属制品熔覆涂层的应用缺乏针对性的指导作用。因此，激光熔覆涂层成形技术的深层次基础和共性问题研究仍是未来研究的方向。（3）随着激光熔覆技术的快速发展，超声振动、电磁等多种辅助措施应用于激光熔覆领域，以进一步提升熔覆层的性能,可能也是未来的研究方向。（4）稀土元素通过自身的净化、小尺寸效应改善合金涂层使用性能的机制还需更深人研究。（5)深入研究涂层与基体的熔化结合机制，有效解决结合界面强度不足问题。其次，开发使用性能高的涂层材料体系也必然是未来研究工作的重要任务。参考文献1 Kai Feng,Yuan Chen,Pingshun Deng,et al.Improvedhigh-temperature hardness and wear resistance of In-conel625 coatings fabricated by laser cladding J.Jour-nal of Materials Processing Technology,2017,243:82-91.2 D Verdi,M A Garrido,C J Manez,et al.Microscaleeffect of high-temperature exposition on laser cladded In-conel625-Cr3C2 metal matrix composite J.Journal ofAlloys and 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mm；热镀锌钢丝锈蚀前后直径的最大差值为0.0 2 mm。无涂层钢丝坑蚀深度最大可达到0.115mm，平均值为0.0 7 2 mm；热镀锌钢丝坑蚀深度最大为0.0 10mm,平均值为0.0 0 6 mm。由此得到结论，无涂层钢绞线破断力损失约为热镀锌钢绞线的4.1倍，坑蚀深度约为热镀锌钢绞线的12 倍。锌层面质量不小于3 0 0 g/m的热镀锌钢绞线具有良好的耐腐蚀性能。4结语盐雾试验和拉伸试验结果表明，钢丝锌层面质338838383838383883838383883838388388883838838838383838838383838383838388383838(上接第3 9 页）35 Dariusz Bartkowski,Andrzej Mlynarczak,Adam Piasec-ki,et al.Microstructure,microhardness and corrosionresistance of Stellite-6 coatings reinforced with WCparticles using laser cladding J.Optics&Laser Tech-nology,2015,68:191-201.36Yakovlev A,Bertrand P,Smurov I.Laser cladding ofwear resistant metal matrix composite coatings J.ThinSolid Films,2004,453-454:133-138.37王豫跃，牛强，杨冠军，等超高速激光熔覆技术绿色制造耐蚀抗磨涂层 J.材料研究与应用，2 0 19，13(3):165 172.38王署光.激光内送粉高速熔覆Fe55合金涂层及性能研究 D苏州：苏州大学，2 0 2 0.39于海航高速激光熔覆及后处理表面完整性研究D 徐州：中国矿业大学，2 0 2 0.40李俐群，申发明，周远东，等超高速激光熔覆与常规激光熔覆43 1不锈钢涂层微观组织和耐蚀性的对比 J中国激光，2 0 19，46(10)：110.侯立山：煤矿支护用钢绞线防腐性能改进量不小于3 0 0 g/m的热镀锌钢绞线具有良好的耐腐蚀性能。2 0 2 3 年4月，中兴盛达公司已向某研究机构分别提供锌层面质量2 3 0 g/m和3 0 0 g/m的2种样品，累计供货量约10 t,用于测试锌层面质量低于3 0 0 g/m的腐蚀情况和井下的实际应用对比，为进一步拓展热镀锌钢绞线在煤矿市场的推广应用积累数据支撑。参考文献1张立海.锚网支护巷道锚索断裂原因分析及对策 J.科技风,2 0 16(14):18 9.(收稿日期:2 0 2 3-0 5-2 8)作者简介侯立山11985年生，天津市新天钢中兴盛达有限公司销售副总经理。41Wuyan Yuan,Ruifeng Li,Zhaohui Chen,et al.A com-parative study on microstructure and properties of tradi-tional laser cladding and high-speed laser cladding ofNi45 alloy coatings J.Surface&Coatings Technolo-gy,2021,405:126582.42 Singh Raghuvir,Kumar Damodar,Mishra S K,et al.Laser cladding of Stellite 6 on stainless steel to enhancesolid particle erosion and cavitation resistance J.Sur-face&Coatings Technology,2014,251:87-97.(收稿日期:2 0 2 3-0 3-2 8)作者简介谢子豪2000年生，皖西学院材料成型及控制工程专业学生。刘博2001年生，皖西学院材料成型及控制工程专业学生。显永礼2002年生，皖西学院材料成型及控制工程专业学生。张浦津2002年生，皖西学院材料成型及控制工程专业学生。丁林1982年生，皖西学院机械与车辆工程学院副教授，本文通讯作者。.43