王 凱，石永軍，周小雨，翟昌民，李道壘，姜建豐

(中國石油大學(xué)(華東)，山東 青島 266580)

隨著工業(yè)化的快速發(fā)展，大量的金屬材料被應(yīng)用到各個(gè)領(lǐng)域。由于多數(shù)零件被直接應(yīng)用在高溫、高壓、重載、腐蝕等惡劣的工作環(huán)境中，且零件的表面長期接觸不利環(huán)境，因此零件的整體失效主要是從表面開始。針對(duì)該問題，催生出了表面強(qiáng)化技術(shù)，該技術(shù)通過施加外力或采用熱處理等工藝方法，改變零件的表面組織結(jié)構(gòu)，從而提高零件表面的硬度、抗疲勞、耐腐蝕等性能，如熱處理、鍛造等工藝，該工藝并不改變材料的元素本質(zhì)。為了獲得價(jià)格更低、表面性能良好的零部件，進(jìn)一步研發(fā)了熔覆技術(shù)。熔覆技術(shù)是采用熱噴涂或涂抹等方法，將預(yù)制的涂層材料涂覆至基體表面，利用高溫?zé)嵩磳?duì)涂層進(jìn)行加熱，當(dāng)溫度達(dá)到涂層材料的熔點(diǎn)時(shí)，涂層材料與基體產(chǎn)生冶金結(jié)合，完成熔覆。熔覆技術(shù)能夠以較低的價(jià)格，相對(duì)廉價(jià)的在基體表面涂覆一層具有耐腐蝕、耐磨、抗疲勞、高強(qiáng)度等特殊性能的材料，用來提高零件的綜合使用性能。雖然熱噴涂技術(shù)、噴丸強(qiáng)化技術(shù)、氣相沉積技術(shù)也能在材料表面制備涂層，但熔覆技術(shù)具有結(jié)合強(qiáng)度較高，易于形成冶金結(jié)合，自動(dòng)化程度高等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于汽車制造、石油化工、航天航海、機(jī)械制造與修復(fù)等領(lǐng)域。熔覆技術(shù)根據(jù)熱源的不同，可以分為激光熔覆技術(shù)、等離子熔覆技術(shù)、感應(yīng)熔覆技術(shù)及復(fù)合熔覆技術(shù)等。各種熔覆技術(shù)根據(jù)待加工零件的形狀、涂層熔點(diǎn)以及待修復(fù)零件的特點(diǎn)等選擇不同的熱源方式。

隨著技術(shù)的不斷發(fā)展，大量的機(jī)械設(shè)備需要更高質(zhì)量、更高性能的零件，為了優(yōu)化組織內(nèi)部結(jié)構(gòu)、提高熔覆層綜合性能，因此近年來又出現(xiàn)了復(fù)合熔覆技術(shù)。本文在概述熔覆技術(shù)的基礎(chǔ)上，重點(diǎn)對(duì)復(fù)合熔覆技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀進(jìn)行了綜述，并對(duì)熔覆技術(shù)的發(fā)展前景進(jìn)行了展望。

1 熔覆技術(shù)的概述

激光形成的物理過程是產(chǎn)生激光的工作物質(zhì)受激發(fā)造成粒子反轉(zhuǎn)狀態(tài)，并不斷增強(qiáng)至占優(yōu)勢的過程。如果將受激的工作物質(zhì)放在兩端有反射鏡的光學(xué)諧振腔中，并提供外界光輻射，則受激輻射將會(huì)不斷產(chǎn)生激光光子。運(yùn)動(dòng)方向與光腔軸線方向一致的光子，被兩面反射鏡不斷地往返反射，來回振蕩，從而得到放大，當(dāng)這種光放大超過腔內(nèi)損耗時(shí)，激光腔的輸出端產(chǎn)生激光輻射——激光束[1-2]。由于激光束具有高方向性、高亮度、高單色性、高相干性，因此激光熔覆技術(shù)可實(shí)現(xiàn)對(duì)多種金屬、非金屬的熔覆，特別是可以實(shí)現(xiàn)高硬度、高脆性及高熔點(diǎn)材料的快速結(jié)合。基于激光束的特點(diǎn)，現(xiàn)在激光熔覆技術(shù)被廣泛應(yīng)用于激光表面熔覆、激光熔覆修復(fù)再制造、激光快速成形等領(lǐng)域[3-8]，特別是近幾年發(fā)展的超高速激光熔覆技術(shù)，由于該技術(shù)具有稀釋率低、熔覆效率高、涂層組織結(jié)構(gòu)更加細(xì)密等優(yōu)點(diǎn)，為激光熔覆技術(shù)注入了新動(dòng)力。

與激光束相似，等離子束具有能量集中、方向性強(qiáng)、熱效率高等優(yōu)點(diǎn)，因此零件的表面強(qiáng)化也可以采用等離子束熱源。等離子熔覆作為一種先進(jìn)的快速冶金過程，一般采用Ni基、Co基和Fe基自熔性粉末作為涂層材料，隨著研究的深入，通過向自熔性合金中添加WC、TiC等陶瓷相形成陶瓷復(fù)合涂層或者功能梯度材料，獲得了質(zhì)量良好的工件[9-11]。

感應(yīng)熔覆技術(shù)，通常使用性能良好的自熔性粉末，采用熱噴涂或者冷涂法將其鋪至工件表面，利用感應(yīng)加熱技術(shù)，使合金粉末與基體結(jié)合。作為一種新型的表面強(qiáng)化技術(shù)，感應(yīng)熔覆具有易于形成冶金結(jié)合，結(jié)合強(qiáng)度較高，電能利用率高，成本較低以及易于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化等優(yōu)點(diǎn)[12-17]。

復(fù)合熔覆技術(shù)是相對(duì)單一熔覆技術(shù)而言的，為了避免單一熔覆技術(shù)的缺點(diǎn)，使用兩種及兩種以上的其他技術(shù)輔助熔覆的工藝稱為復(fù)合熔覆技術(shù)。激光熔覆、等離子熔覆以及感應(yīng)熔覆，各自均存在自身的局限性與缺點(diǎn)，為了得到更高質(zhì)量、更高性能的涂層，近幾年國內(nèi)外學(xué)者對(duì)復(fù)合超聲沖擊、機(jī)械振動(dòng)、高頻微鍛造、電磁攪拌等技術(shù)進(jìn)行了大量研究。由于復(fù)合熔覆技術(shù)結(jié)合了多種技術(shù)，解決了一些實(shí)際問題，隨著研究的深入，許多新技術(shù)已經(jīng)應(yīng)用到了實(shí)際生產(chǎn)中，給熔覆技術(shù)注入了新的動(dòng)力。

2 不同熱源間的復(fù)合熔覆技術(shù)

2.1 激光復(fù)合感應(yīng)熔覆技術(shù)

激光熔覆具有較低的稀釋率、更好的加工柔性、對(duì)工件的熱影響小等優(yōu)點(diǎn)，但激光熔覆技術(shù)也存在著成本較高、覆蓋率較低、相變應(yīng)力較大等缺點(diǎn)。感應(yīng)熔覆具有運(yùn)行成本低、覆蓋率高、相變應(yīng)力較小等優(yōu)點(diǎn)，但是感應(yīng)加熱的溫度有限，同時(shí)制約了感應(yīng)熔覆技術(shù)的發(fā)展。圖1(a)和(b)是常見的兩種激光復(fù)合感應(yīng)熔覆技術(shù)的示意圖，將這兩種技術(shù)進(jìn)行復(fù)合，取長補(bǔ)短，具有廣闊的工程應(yīng)用價(jià)值。

圖1 激光復(fù)合感應(yīng)熔覆技術(shù)原理示意圖[25]

為了降低激光熔覆對(duì)裂紋、氣孔的敏感度，F(xiàn)arahmand 和Kovacevic[18]采用感應(yīng)加熱復(fù)合激光熔覆技術(shù)對(duì)Ni-60wt.% WC進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)感應(yīng)加熱的輔助可以提高WC的轉(zhuǎn)移效率。Bidron等[19]對(duì)感應(yīng)預(yù)熱消除激光熔覆熱裂紋進(jìn)行了研究，采用CM-247LC材料，通過感應(yīng)加熱進(jìn)行預(yù)熱，當(dāng)預(yù)熱溫度在800～1 100 ℃時(shí)，可以有效防止激光熔覆熱裂現(xiàn)象。而隨著有限元方法與計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，研究人員[20-21]就感應(yīng)加熱復(fù)合激光熔覆的數(shù)值模擬也做了相應(yīng)研究，模擬結(jié)果和實(shí)驗(yàn)結(jié)果均顯示了激光復(fù)合感應(yīng)熔覆的有效性。

激光熔覆感應(yīng)能量密度、激光參數(shù)、送粉率、送粉方式、加熱溫度、加熱時(shí)間等參數(shù)的選擇及其相互之間的配合對(duì)熔覆層質(zhì)量會(huì)產(chǎn)生很大的影響。研究發(fā)現(xiàn)同步送粉激光復(fù)合感應(yīng)熔覆相對(duì)單一激光熔覆，具有更高的熔覆效率和更優(yōu)的結(jié)合性能[22]。有研究報(bào)道，激光感應(yīng)復(fù)合熔覆鎳基涂層的研究中，當(dāng)感應(yīng)能量密度達(dá)到36 J/mm2時(shí)，基體溫度約為600 ℃，熔覆層的裂紋可完全消失[23]。裂紋率會(huì)隨著感應(yīng)加熱溫度的升高而下降，對(duì)于單晶鎳基高溫合金DD4，感應(yīng)加熱溫度為1 200 ℃時(shí)，裂紋率會(huì)降至0.017 mm/mm2[24]。而對(duì)于銅表面熔覆金屬硅化物基涂層，當(dāng)感應(yīng)加熱溫度為750 ℃時(shí)，涂層有良好的成型質(zhì)量，且完全消除了裂紋氣孔等缺陷[25]。由此也可以發(fā)現(xiàn)熔覆材料的感應(yīng)加熱溫度存在很大的差距，試驗(yàn)獲得的感應(yīng)加熱溫度不具有普遍適用性。

在激光-感應(yīng)復(fù)合熔覆WC-Ni60A涂層的研究中，其最大激光掃描速度和最大送粉量分別是2 200 mm/min和75.6 g/min，遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于單純激光熔覆的最大掃描速度和最大送粉量，加工效率是單純激光熔覆的3倍多，而且WC顆粒在復(fù)合熔覆層內(nèi)分布得十分均勻，涂層的稀釋率僅為5.2%，其耐磨性能約是激光熔覆層的1.42倍[26]。采用激光-感應(yīng)復(fù)合熔覆方法，在黃銅基材表面制備Cu-Fe合金涂層，獲得表面較光滑、無氣孔與裂紋的Cu-Fe合金涂層，且涂層的平均顯微硬度相對(duì)于基材的提高約2.8倍[27]。

雖然大量的學(xué)者對(duì)激光復(fù)合感應(yīng)熔覆技術(shù)進(jìn)行了研究，并取得了可觀的成果，但該技術(shù)在以下兩方面還略顯不足：一是由于感應(yīng)線圈會(huì)產(chǎn)生磁場，而磁場對(duì)熔池的流動(dòng)也有影響，但這個(gè)問題在分析時(shí)卻鮮有研究者涉及；二是國內(nèi)外有學(xué)者對(duì)激光復(fù)合感應(yīng)熔覆技術(shù)做了數(shù)值模擬，但是模型大多忽略潛熱對(duì)熔覆的影響，而熔覆后熔池內(nèi)的潛熱對(duì)后續(xù)的工藝必然有所影響。這兩方面的內(nèi)容還需學(xué)者們運(yùn)用力學(xué)、材料力學(xué)、傳熱學(xué)等學(xué)科的知識(shí)做更深入的研究與分析。

2.2 等離子復(fù)合感應(yīng)熔覆技術(shù)

等離子噴涂熔覆后，結(jié)合強(qiáng)度較低，涂層容易脫落，針對(duì)這一問題，在等離子噴涂后，采用感應(yīng)加熱設(shè)備對(duì)涂層進(jìn)行重熔，可以使涂層與基體間形成良好的冶金結(jié)合。

早在1987年，申洪太[28]采用高頻感應(yīng)加熱重熔等離子噴涂自熔性合金粉末涂層，顯著提高了涂層硬度，該技術(shù)操作簡便，涂層質(zhì)量穩(wěn)定，較早探究了等離子復(fù)合感應(yīng)熔覆技術(shù)并優(yōu)化了等離子噴涂技術(shù)。陶瓷材料具有較高的硬度、耐磨性和耐腐蝕性，但熔點(diǎn)較高，熔覆中易出現(xiàn)夾生，而且不易與基體實(shí)現(xiàn)冶金結(jié)合。王華仁[29]研究了等離子噴涂WC-Co-Ni涂層高頻感應(yīng)加熱后處理的涂層性能，并取得了應(yīng)用，結(jié)果表明：采用該技術(shù)可以提高涂層的附著強(qiáng)度和顯微硬度，抗磨粒磨損性能達(dá)到了硬質(zhì)合金的性能。21世紀(jì)初期我國開始研究超音速等離子噴涂技術(shù)，該技術(shù)噴涂射速高、射流剛性大，具有材料不易被氧化、涂層孔隙率低、氧化率低等特點(diǎn)。近年來，研究人員采用超音速等離子-感應(yīng)重熔復(fù)合技術(shù)，在45號(hào)鋼基體上，制備了性能優(yōu)良的高鋁青銅合金涂層[30-31]，其間做了大量的實(shí)驗(yàn)研究，實(shí)驗(yàn)表明采用復(fù)合熔覆技術(shù)，涂層的質(zhì)量得到了明顯改善。

現(xiàn)階段，等離子復(fù)合熔覆技術(shù)，主要集中在等離子噴涂復(fù)合感應(yīng)熔覆后的性能實(shí)驗(yàn)研究，技術(shù)工藝相似度高，而隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，為了減少試驗(yàn)工作量，同時(shí)優(yōu)化熔覆工藝，越來越多的研究人員利用有限元軟件對(duì)熔覆過程進(jìn)行數(shù)值模擬，而對(duì)于等離子復(fù)合熔覆技術(shù)，溫度場分布、感應(yīng)重熔后的應(yīng)力場分布以及感應(yīng)重熔對(duì)元素?cái)U(kuò)散的影響等數(shù)值理論研究較少。

2.3 激光復(fù)合等離子熔覆技術(shù)

激光熔覆具有與等離子熔覆相似的原理，兩種熔覆技術(shù)均是采用高能束熱源，將性能良好的合金粉末與基體熔化，經(jīng)過冷凝結(jié)晶形成具有特殊優(yōu)良性能的表面涂層。目前，激光復(fù)合等離子熔覆技術(shù)主要有兩種應(yīng)用方式：等離子熱噴涂激光重熔和激光等離子復(fù)合快速增材制造。

等離子噴涂后的涂層易脫落，激光重熔可以顯著提高基體與涂層的結(jié)合強(qiáng)度，極大延長工件的使用壽命。羥基磷灰石(HA)生物陶瓷涂層在骨科、牙科臨床上已經(jīng)取得了應(yīng)用，但是該涂層與基體之間的結(jié)合強(qiáng)度較低嚴(yán)重影響了人工假體的使用壽命。Bao等[32]通過采用等離子噴涂激光重熔復(fù)合技術(shù)對(duì)涂層性能進(jìn)行了研究，研究表明：使用該技術(shù)獲得的涂層，結(jié)合強(qiáng)度可以達(dá)到20.1 MPa，而且增強(qiáng)了生物活性，提高了涂層的結(jié)晶度。等離子噴涂金屬基陶瓷涂層技術(shù)已大量應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)中，但是涂層內(nèi)聚強(qiáng)度低、空洞較多、基體結(jié)合界面非冶金結(jié)合，針對(duì)該問題，采用激光重熔等離子噴涂涂層，明顯改善了涂層組織，增強(qiáng)了涂層的耐磨性能[33]。

增材制造技術(shù)也稱為3D打印技術(shù)或者快速成形技術(shù)，具有成形周期短、成形形狀復(fù)雜、無需開發(fā)模具等優(yōu)點(diǎn)，具有傳統(tǒng)成形工藝無法比擬的優(yōu)勢，該技術(shù)一經(jīng)問世就引起了國內(nèi)外學(xué)者的廣泛關(guān)注。金屬快速成形一般采用激光作為熱源，由于大功率激光器成本較高，而小功率激光器又不能滿足溫度要求。錢應(yīng)平等[34]采用等離子激光復(fù)合技術(shù)，對(duì)高溫合金粉末快速成形進(jìn)行了大量的實(shí)驗(yàn)研究，為工業(yè)應(yīng)用提供了技術(shù)支持。周佳楠[35]提出了“激光-等離子弧”復(fù)合熱源快速成形的工藝，構(gòu)造了激光復(fù)合等離子增材制造的系統(tǒng)，設(shè)計(jì)了該系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)與控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了金屬材料的快速成形。研究人員主要就工業(yè)應(yīng)用進(jìn)行了大量的實(shí)驗(yàn)研究，然而激光作為一種高密度能量束，也會(huì)誘發(fā)等離子體，但目前很少見到關(guān)于激光復(fù)合等離子后兩種能量束之間相互耦合影響的機(jī)理報(bào)道。

3 輔助技術(shù)復(fù)合熔覆技術(shù)

3.1 電磁攪拌復(fù)合熔覆技術(shù)的應(yīng)用及現(xiàn)狀

采用電磁攪拌來迫使流體流動(dòng)，進(jìn)而控制液態(tài)金屬凝固的過程，國外早于1961年就對(duì)該技術(shù)進(jìn)行了報(bào)道。Langenberg 等[36]發(fā)現(xiàn)交流磁場可以顯著細(xì)化鋼錠的凝固組織，這引起了國內(nèi)外學(xué)者對(duì)技術(shù)的興趣。國外對(duì)電磁攪拌技術(shù)細(xì)化晶?，F(xiàn)象做了大量的研究，Patchett 和Abbaschian[37]發(fā)現(xiàn)電磁攪拌使亞晶區(qū)銅枝晶破碎，從而提高了晶粒的細(xì)化程度。Nafisi等[38]研究了電磁攪拌過程中冷卻速度、過熱度等工藝參數(shù)對(duì)Al-Si-Fe化合物形貌和尺寸分布的影響，結(jié)果表明，熔體攪拌不僅改變了α-Al相的形貌，使其呈玫瑰狀或球狀，而且細(xì)化了共晶硅和鐵金屬間化合物。冶金技術(shù)的不斷發(fā)展，連鑄生產(chǎn)特殊鋼工藝得到了研究人員的極大關(guān)注，而電磁攪拌技術(shù)對(duì)于提高特殊鋼組織性能也扮演了重要角色[39]。

圖2是兩種電磁攪拌復(fù)合熔覆技術(shù)的示意圖，不管是磁場還是電-磁場復(fù)合攪拌，大量的研究表明[32-40]，在冶金及材料制備過程中，電磁場可以控制傳熱、傳質(zhì)、流體流動(dòng)及金屬凝固等物理化學(xué)變化，從而改善熔覆層的微觀組織，提高熔覆層的顯微硬度、表面平整性、抗腐蝕性、耐磨性等性能，而激光熔覆易于實(shí)現(xiàn)與其他技術(shù)的搭接，基于此，電磁攪拌技術(shù)已經(jīng)被大量應(yīng)用于激光熔覆中。

圖2 電磁攪拌復(fù)合熔覆技術(shù)原理示意圖[43]

20世紀(jì)90年代，嚴(yán)珩志等人[41]較早利用電磁攪拌輔助激光熔覆，作用于鋁及其合金熔覆過程，發(fā)現(xiàn)增大電磁感應(yīng)強(qiáng)度可明顯增強(qiáng)細(xì)化晶粒的效果。此后，研究人員為了改善激光熔覆層的內(nèi)部組織性能以及提高熔覆層的綜合性能，提出一種直流電場、交變磁場共同耦合輔助激光熔覆技術(shù)，通過多能量場的耦合作用[42]，加強(qiáng)了熔池內(nèi)部的攪拌效應(yīng)，強(qiáng)化了熔池內(nèi)的對(duì)流分布，改善了熔覆層的形貌和特性。王蕓鵬[43]探究了不同電-磁場參數(shù)對(duì)熔池的影響規(guī)律，結(jié)果表明：加入電磁攪拌后，磁場強(qiáng)度在30～70 mT范圍時(shí)，磁場強(qiáng)度越大，晶粒細(xì)化效果越好；同步轉(zhuǎn)速為200～600 r/min時(shí)，同步轉(zhuǎn)速越大，晶粒細(xì)化效果越好。電磁攪拌大大改善了熔覆層的質(zhì)量，考慮到激光熔覆凝固過程的快速性，熔池內(nèi)的電磁力作用效果較短，因此提高電磁力在熔覆過程中的作用效果會(huì)成為今后研究的重點(diǎn)之一。

電磁攪拌在感應(yīng)熔覆、等離子熔覆中也有應(yīng)用，但與激光熔覆相比，應(yīng)用較少。Xiong等[44]將電磁攪拌技術(shù)應(yīng)用到感應(yīng)熔覆過程中，研究表明與傳統(tǒng)的制造技術(shù)相比，采用該工藝后，有利于元素的擴(kuò)散與冶金結(jié)合的實(shí)現(xiàn)，組織明顯得到細(xì)化，力學(xué)性能得到改善，但是其僅研究了電磁攪拌對(duì)熔覆層的影響，電磁場與感應(yīng)熱源相互作用的耦合影響以及對(duì)熔池的作用機(jī)理研究較少。為了改善等離子熔覆的涂層質(zhì)量，Li等人[45]采用電磁攪拌技術(shù)，研究了磁場對(duì)等離子熔覆的涂層組織、摩擦性能以及沖蝕磨損性能的影響，結(jié)果表明，在磁場的作用下，在縱向磁場和橫向磁場方向分別分布著取向相同的樹枝晶和細(xì)小的等軸晶。薄壁零件的微束等離子焊接過程中，熔池的液態(tài)金屬受重力會(huì)向下流淌，造成成形缺陷，針對(duì)該問題Liu 等人[46]采用電磁力控制熔池技術(shù)，有效抑制了熔覆層的下垂。

由于熔覆過程伴隨著高溫工況，電磁輔助設(shè)備對(duì)高溫應(yīng)具有一定的耐性，因此普遍采用的電磁設(shè)備都需要與高溫區(qū)保持一段的距離，而電磁力作用于熔池的效果對(duì)距離有較大的敏感性，所以電磁設(shè)備在高溫環(huán)境下的作用方式仍需改進(jìn)。

3.2 微鍛造復(fù)合熔覆技術(shù)的應(yīng)用及現(xiàn)狀

微鍛造技術(shù)結(jié)合熔覆技術(shù)是近年來發(fā)展起來的新工藝，采用高頻微鍛造技術(shù)，粗大的晶粒會(huì)被鍛碎，進(jìn)而晶粒得到細(xì)化，涂層的致密度也得到了提高。熔覆后的殘余應(yīng)力通過錘擊得到了釋放，可有效降低殘余應(yīng)力，減少裂紋、氣孔等涂層缺陷。微軋制作為復(fù)合技術(shù)的一種新工藝，類似于高頻微鍛造技術(shù)，熔覆層經(jīng)過滾壓后，涂層的致密度也會(huì)得到提高。如圖3(a)所示，激光熔覆后用鍛頭對(duì)熔覆層進(jìn)行錘打，其中鍛頭根據(jù)動(dòng)力源的不同，可分為機(jī)械式、超聲振動(dòng)式和電磁式振動(dòng)沖擊器；如圖3(b)所示，在熔覆后，使用滾子對(duì)熔覆層進(jìn)行滾壓。

圖3 微鍛造復(fù)合激光熔覆原理示意圖[49,51]

近年來，眾多學(xué)者對(duì)激光熔覆層進(jìn)行了高頻微鍛造處理，處理后的表面組織得到了細(xì)化，進(jìn)而提高了顯微硬度，耐腐蝕性也得到了提高，但并未影響相組成[47]。吳貞號(hào)與呂超[48-49]采用連續(xù)點(diǎn)式鍛壓激光快速成形工藝修復(fù)鈦合金構(gòu)件，零件的顯微硬度、抗拉強(qiáng)度及延伸率等性能得到了改善，充分顯示了該技術(shù)的有效性與可行性。高頻微鍛造技術(shù)影響熔覆性能的機(jī)理，可以被稱為晶粒擊碎效應(yīng)，通過對(duì)熔覆層的高頻微錘擊，熔覆層的晶粒在長大過程中受錘鍛被擊碎，打碎了熔體中的初生枝晶，使得粗大的晶粒得到了細(xì)化。

大多數(shù)學(xué)者只注重研究新工藝對(duì)熔覆層的作用效果以及影響規(guī)律，較少關(guān)注熔覆層的各向異性。有研究表明，微鍛造后晶粒細(xì)化為等軸晶，成形件水平方向上塑性顯著提升，各向異性小于10%[50]。激光熔覆過程中，由于加熱和冷卻速度快，因此殘余應(yīng)力也較大，引入高頻微鍛造理論上可以釋放一部分殘余應(yīng)力，但該方面的研究還鮮有報(bào)道。

微軋制與高頻微鍛造具有相似性，通過采用外力對(duì)熔覆層進(jìn)行擠壓，實(shí)現(xiàn)熔覆涂層的強(qiáng)化。Zhang等[51]采用微軋制復(fù)合堆焊技術(shù)，成功制造了飛機(jī)的碳鋼零件，而且獲得了縱橫交錯(cuò)的細(xì)小晶粒。由于軋制給熔覆層施加了壓應(yīng)力，勢必會(huì)增加熔覆層的殘余應(yīng)力，一定程度上會(huì)增加微裂紋的形成概率，但該研究并未對(duì)殘余應(yīng)力進(jìn)行探究。

目前，微鍛造技術(shù)與微軋制技術(shù)主要與激光熔覆進(jìn)行復(fù)合，將這兩種技術(shù)與等離子熔覆、感應(yīng)熔覆或者其他熔覆技術(shù)復(fù)合的研究相對(duì)較少。微軋制技術(shù)具有結(jié)構(gòu)簡單，實(shí)現(xiàn)容易的特點(diǎn)，微軋制復(fù)合激光快速成形或者其他熔覆技術(shù)同樣具有重要意義。

3.3 振動(dòng)復(fù)合熔覆技術(shù)的應(yīng)用及現(xiàn)狀

振動(dòng)和高頻微鍛造有著相似的效果，也可以實(shí)現(xiàn)細(xì)化涂層晶粒，減小甚至消除殘余應(yīng)力，進(jìn)而提高涂層綜合性能的作用。振動(dòng)復(fù)合熔覆技術(shù)，可以分為機(jī)械振動(dòng)[52]與超聲振動(dòng)[53-65]，由于超聲波的振動(dòng)頻率高，效果好，因此超聲波技術(shù)近年來取得了廣泛的應(yīng)用。超聲波技術(shù)的快速發(fā)展，對(duì)振動(dòng)復(fù)合熔覆技術(shù)的應(yīng)用也起到了積極的推動(dòng)作用。研究發(fā)現(xiàn)[53]，多個(gè)加工、生產(chǎn)領(lǐng)域引入超聲振動(dòng)后都已起到了積極有效的作用。

早在20世紀(jì)50年代，俄羅斯和日本的專家[54]就將超聲振動(dòng)引入到鑄造工藝中，加入超聲振動(dòng)后鑄造的產(chǎn)品有著更好的致密度，而且減少了氣孔等缺陷。自此，各國的研究者開始將其引入到液態(tài)金屬成形中。但是，早期由于大功率超聲波發(fā)生器的研制較為緩慢，限制了超聲波技術(shù)的應(yīng)用。到了20世紀(jì)60年代，美國Etrema Products公司設(shè)計(jì)了25 kW的超聲源，給該技術(shù)帶來了新的機(jī)遇[55-56]。

利用超聲振動(dòng)對(duì)合金熔體的空化效應(yīng)、聲流效應(yīng)、諧振效應(yīng)以及熱效應(yīng)，可以促進(jìn)熔體中氣泡的逸出，加速溶質(zhì)元素的擴(kuò)散，打碎粗大的晶粒，實(shí)現(xiàn)晶粒的細(xì)化。沈言錦等[57]分析了超聲功率對(duì)WC激光熔覆涂層顯微組織尺寸的影響，發(fā)現(xiàn)當(dāng)超聲功率在1 000 W以下時(shí)，隨著功率的升高涂層細(xì)化能力也隨之升高，但是當(dāng)功率超過1 000 W時(shí)，隨著超聲功率的提高，細(xì)化能力提升緩慢。高國富等[58]通過在待修復(fù)基體上施加超聲振動(dòng)，發(fā)現(xiàn)超聲波降低了原子的激活能，液態(tài)原子更容易向固態(tài)跳躍，使得成核更加容易，增加了晶粒的形核率；而且超聲振動(dòng)增大了凝固的過冷度，有利于晶粒的細(xì)化。不管是機(jī)械振動(dòng)還是超聲振動(dòng)，大量的研究表明：在一定范圍內(nèi)，超聲功率越大、振動(dòng)作用時(shí)間越長，超聲振動(dòng)對(duì)涂層的組織性能影響越大，不管激光熔覆技術(shù)還是堆焊技術(shù)，液態(tài)金屬在加入超聲振動(dòng)后，熔覆層的成形質(zhì)量得到顯著提升，晶粒明顯細(xì)化，平均顯微硬度以及表面粗糙度等性能都得到了提高。

隨著研究的不斷深入，超聲振動(dòng)復(fù)合技術(shù)的機(jī)理已經(jīng)基本確定，涂層性能質(zhì)量的提升主要是由于超聲振動(dòng)的空化效應(yīng)、聲流效應(yīng)以及諧振效應(yīng)。由于激光熔覆具有控制容易、成形方便的優(yōu)點(diǎn)，易于搭配其他復(fù)合技術(shù)，因此振動(dòng)技術(shù)大多與激光熔覆進(jìn)行復(fù)合，目前尚未見報(bào)道關(guān)于超聲振動(dòng)復(fù)合等離子熔覆與感應(yīng)熔覆的研究，然而基于超聲振動(dòng)對(duì)熔池的影響規(guī)律，其有望應(yīng)用于其他熔覆技術(shù)中。

4 結(jié)論與展望

熔覆技術(shù)經(jīng)過多年的發(fā)展，已經(jīng)取得了廣泛的應(yīng)用，為了提高熔覆層的性能，國內(nèi)外的學(xué)者對(duì)復(fù)合熔覆技術(shù)進(jìn)行了大量的探索與研究，發(fā)現(xiàn)采用單一的熔覆技術(shù)，涂層易產(chǎn)生缺陷，影響零件的使用性能，而熱源的復(fù)合有易于實(shí)現(xiàn)難熔材料的熔覆，有利于降低整體熔覆成本，提高性價(jià)比；同時(shí)，采用激光或者感應(yīng)加熱作為熱源，對(duì)熔覆層進(jìn)行重熔可以解決熱噴涂過程中涂層與基體間的結(jié)合強(qiáng)度較低，涂層易脫落的技術(shù)問題。通過引入電磁攪拌、高頻微鍛造、振動(dòng)等方式，與熔覆技術(shù)復(fù)合，可以改變涂層晶粒的生長方式，細(xì)化晶粒，顯著改善材料的微觀組織，實(shí)現(xiàn)無裂紋、氣孔等缺陷涂層的制備，提高熔覆層的綜合性能，進(jìn)而提高零件的耐磨、耐腐蝕、抗疲勞等性能。隨著納米材料等新技術(shù)的引入，未來的熔覆技術(shù)可從以下幾個(gè)方面加深研究。

1)涂層材料對(duì)熔覆層性能與質(zhì)量有著重要影響，從材料體系出發(fā)，探究高性能、高質(zhì)量的涂層材料仍然是研究的重點(diǎn)。

2)熔覆后的涂層材料表面粗糙度較高，特別是采用冷涂法的熔覆技術(shù)，給后續(xù)加工增加了難度，引入新的材料與復(fù)合技術(shù)來減少熔覆層的后續(xù)加工具有重要意義。

3)目前的研究大多集中于復(fù)合技術(shù)對(duì)熔覆層的影響，各復(fù)合技術(shù)工藝具有高度的相似性，對(duì)于復(fù)合技術(shù)對(duì)熔池的作用機(jī)理、熱源耦合機(jī)理以及對(duì)熔池理論模型的研究較少，這些將不利于新技術(shù)、新工藝的推廣應(yīng)用。

4)計(jì)算仿真軟件的快速發(fā)展，實(shí)現(xiàn)了復(fù)雜多物理場耦合模型的仿真模擬，復(fù)合熔覆技術(shù)作為一種有效可行的熔覆技術(shù)，為實(shí)現(xiàn)高性能零件的制備提供了技術(shù)支撐，但復(fù)合技術(shù)的理論模型研究較少，建立數(shù)值模型，結(jié)合計(jì)算機(jī)仿真軟件，預(yù)測溫度場、應(yīng)力場、溶質(zhì)元素分布具有重要的研究價(jià)值。