張 勇，王 濤，李冰冰，雷 剛，王 坤

（1.國家能源費縣發(fā)電有限公司，山東 臨沂 273425；2.煙臺龍源電力技術股份有限公司，山東 煙臺 264006）

激光熔覆的激光器主要有CO2激光器和固體激光器，主要包括碟片激光器、光纖激光器和二極管激光器，由于老式燈泵浦激光器光電轉換效率低、維護煩瑣等問題，逐漸淡出了市場。關于CO2激光連續(xù)熔覆，國內外學者對此課題很感興趣，通過大量研究，高能固體激光器的發(fā)展速度越來越快，被用于對有色合金進行表面改性。根據送粉工藝的不同，激光熔覆可以分為兩類：粉末預熔法和同步送粉法。兩者效果相似，同步送粉方式易于實現自動控制，激光能量吸收率高。鎳基合金粉末的耐腐蝕涂層和制備方法具有獨特性，所以在探究這種更加適合激光熔覆技術的鎳基合金粉末材料特性時，要考慮耐高溫濃硫酸腐蝕能力，利用激光熔覆技術，使用鎳基合金粉末，采用相應的耐腐蝕涂層進行制備，能夠有效解決鎳基合金粉末形狀不穩(wěn)定等問題。激光熔覆技術制備鎳基合金涂層，主要是因為鎳基自熔性合金到耐磨性和耐腐蝕性表現一向很好，同時還具有較強的潤濕性，這也使得鎳基自熔性合金成為激光熔覆最好的熔覆材料之一。鎳基合金涂層在使用中的疲勞磨損現象，可能會導致黏著磨損失效作用，這給使用者提出了一定的難題，人們發(fā)現在鎳基合金中加入一定化學計量比的鎳基石墨、石墨烯和鎳基碳化鎢，能起到更好的力學性能和摩擦磨損性能。因此，加強對鎳基自熔性合金涂層的研究，能夠保證激光熔覆技術的廣泛應用[1]。

圖1 激光熔覆技術示意圖

1 激光熔覆鎳基合金涂層體系

鎳基自熔性合金具有腦模型，但是卻對于高負荷、無潤滑的工況適應不良，如果能夠在使用中加入40CrNi2Si2MoV鋼成分，鎳基基體材料的可靠性更高，Ni45A自熔性合金粉末被作為熔覆層基質的基本應用材料，其所添加的內含組分不同，包括鎳包石墨、石墨烯、鎳包碳化鎢等，有助于符合增強型涂層，從而能夠適應嚴苛環(huán)境的使用需求，適用于激光熔覆技術[2]。

在實際的工業(yè)應用中，由于大部分工件都處于交變載荷的整體環(huán)境內，嚴峻的熔覆條件對工業(yè)要求更高，可能會一定程度上縮短工件的實際使用壽命。使用者發(fā)現，工件的表面如果不能直接接觸到不利因素，就可能給工件的整體使用帶來失效體驗，如果利用熔覆涂層，則能夠在一定程度上利用常見的金屬材料表面處理技術，大幅度改進工件的表面性能。由于熔覆工件的生產成本較低，恰恰能夠滿足工件的使用需求。鎳基合金涂層是一種原位合成之別鎳基復合涂層技術，為了能夠在制備工藝方面進行改進，要對于制備過程中的部分問題進行研究。激光熔覆鎳基合金涂層中含有不少成分，鎳包石墨作為一種典型的核殼結構復合型粉體材料，其表層的鎳包涂層一直存在，從而能夠達成更好的吸附效果，芯部的石墨相能夠在激光熔覆的時候起到更好的柔化作用。鎳包石墨能夠激發(fā)合金元素的反應潛能，黨石墨相反應物與鎳基合金組合反應之后，潤濕作用比較明顯，芯部石墨相的潤滑作用能夠促進合金涂層的耐磨損作用不斷提升。因此，在經過實驗之后，人們發(fā)現，在添加不同含量的鎳基合金基礎成分之后，r-Ni、Ni3B、M23C6、M7C3等成分均能夠達到耐磨損和耐摩擦效果，熔覆層組織是一種典型的亞共晶形態(tài)，鎳包石墨的添加量大于10vol.%，復合涂層就能清晰的觀測到球形顆粒狀的石墨相。當利用更加細化的復合涂層組織進行硬度提升時，耐磨性的作用能夠減少摩擦，并且降低摩擦系數后復提升，經過多次試驗措施可以發(fā)現，鎳包石墨添加量為6vol.%的時候，此時的鎳基復合涂層具有最小的減摩性。

石墨烯是目前力學性能較好的材料之一，能呈現出石墨的層片狀結構，而且石墨烯可被用作固體潤滑劑。添加不同含量石墨烯的鎳基復合涂層中有碳化鎢顆粒的存在，這樣整個涂層的耐磨性就會有更大的提升，熔覆層組織中的晶體數量減少后，共晶組織將會增多，利用碳化鎢在激光熔覆中的溶解作用，形成碳化鎢的顆粒邊緣晶須組織。利用不同結構的組織，促使整個涂層達到了冶金強度，并且根據符合涂層中的碳化組織變化進行實驗，最終發(fā)現如果無顆粒的組織增多，復合化合物涂層的硬度和耐磨性都會有提升變化，由于這種提升變化所導致的摩擦性減少問題比較明顯。

鎳包石墨的核殼結構使其能夠更加適應工件的熔覆需求，工件的表面用鎳包覆之后，對激光熔池的反應作用更加明顯。使用者的目的是能夠增加石墨相與鎳基合金基質之間的潤濕關系，由于石墨相與合金元素之間的反應比較激烈，因此，如果能夠增加石墨相與鎳基合金基質之間的反應速率，就能夠利用石墨相與合金之間的潤濕反應，生成石墨為主體的潤滑液材料。這種獨特的反應能夠促使層片狀的涂層有更高的耐磨損性能，能夠提升工件的整體性能。大量的研究表明了，利用不同含量的鎳包石墨，是一種利用鎳基合金復合涂料，給鎳基復合涂層提供典型亞共晶形態(tài)的過程，當添加14vol.%鎳包石墨的時候，整個復合涂層的鎳包碳化鎢添加量也在發(fā)生變化，當含量達到20vcol.%的時候，復合涂層的內膜性最好，而且具有較強的硬度，達到比較理想的復合涂層效果。如果鎳包石墨的添加量大于10 vol.%的時候，鎳基合金復合涂層內的成分包含球形顆粒狀石墨相，這是一種更加細致的石墨含量，隨著涂層中石墨含量的上升，為涂層的石墨含量變化提供依據。使得細化的涂層能夠達到具體的熔覆使用標準。研究實踐表明，如果鎳基合金復合涂層組織明顯細化后，其硬度顯著提升，耐磨性則逐漸增強，并且實現了減少摩擦性能的效果。為了能夠實現先降低后增大的趨勢，使用6 vol.%的鎳包石墨添加量進行復合涂層減摩性改善。

圖2 激光熔覆鎳基合金涂層示意圖

2 激光熔覆工藝參數對鎳基合金涂層性能的影響

磨損、腐蝕和斷裂是機械工程件中的三大皮懷形式，由于材料的磨損而造成的工件失效問題，常常會使中國的GDP出現損耗，為了能夠在材料的磨損和腐蝕層面表現出更大的促進作用，可以利用協同關系加劇材料的使用效能。為了能夠在實際工程應用中使用更合理的表面防護措施加以保護，一定要接觸激光熔覆技術的實際應用效能，使用高質量的熔覆技術，借助不同的手法，探究鎳基合金涂層的實際性能。如，高頻感應熔覆技術是一種借助更低生產成本，實現大面積熔覆層的技術，其所能夠達成的效果，是更加平整的熔覆層，并且具有成形良好，基體結合可靠性能更佳的特點。由于熔覆層的表面平整，所以才能形成感應渦流，這樣的流動性和熔覆潤濕性，能夠給鎳基合金涂層帶來更好的適用性。激光熔覆技術在工業(yè)時代發(fā)展起來，能夠為工業(yè)現代化的發(fā)展進程提供更多支持，雖然合金包裹層的價格偏高，但是如果能夠使用合金包覆在材料工件上，就能夠讓相對廉價的材料工件煥發(fā)生機，在延長工件的服役時間同時，降低了工件的整體成本，使得原本廉價的工件卻能夠有高品質合金工件的同等品質。研究者根據涂層的使用需求控制其化學成分，在激光熔覆技術不斷發(fā)展的同時，自20世紀70年代之后，先進的激光表面改進技術受到各行各業(yè)的歡迎。工件和基體材料的表面有很多熔覆材料的成分日趨合理，利用送粉、送絲和預置技術，能夠結合高密度激光加熱技術，實現基體和工件表面薄層金屬的循序熔融。在激光熔覆層的厚度和形狀不斷改變的過程中，稀釋率和成分變得更加符合工件的使用需求，基體之間的結合度更高，便于使用，而且其涂層也因此具有組織致密、晶體細小、耐磨性和硬度都較高的特點[3]。

研究結果表明，激光熔覆工藝對鎳基合金涂層的性能有較大的影響，主要是由激光功率、掃描速度、離焦量、光斑尺寸、送粉速率、保護氣體流量等因素決定。在多層熔覆技術方面，搭接率也是很重要的，隨著熔覆層組織的逐漸細化，使碳化物和共晶組織不斷增多，激光覆層的平均硬度不斷提高，這樣做，是為了能夠保證激光熔覆層的高性能，激光熔覆技術工藝參數的不同，能保證涂層與基材形成冶金結合，盡可能降低基體材料的稀釋率，保證包層性能。要注意的一點是，利用激光熔覆技術，要實現對基體表面的處理，一般采用預處理技術進行涂層預制，使用感應熔覆等技術與涂層使用配合，如果使用純凈粗糙的金屬表面作為工件表面，對于基體與鎳基合金涂層的貼合更有好處，二者之間的結合力更好，并且能夠提高鎳基合金涂層的實際質量，為了達成這一效果，可以直接采用清晰處理與表面噴砂處理。良好的涂層能夠有助于制備出更加完美的基體母體。熔覆處理的速度要快，目前，熱涂法和冷涂法都被廣泛的應用到生產領域內。

激光熔覆作用之前，使用者將會對于基體材料進行預處理，一般的方式是為了能夠使用砂紙去除表面的鐵銹等，當使用砂紙打掉氧化層之后，施工人員還會使用丙酮或者酒精，對基體表面的油污進行有效清潔，但是保留基材表面一定的粗糙度，激光的熔覆能量很大，為了能夠有效利用單位面積內的激光能量，可以采用多樣熔覆粉末添加的方式，預制涂層，并且采用同步送粉法，施行小面積熔覆改性工作，在面臨缺陷進行修復的同時，激光熔覆基礎性實驗已經證實同步送粉法的作用非常適合小面積熔覆改性，并且在缺陷修復方面的作用較為明顯。激光熔覆基礎性實驗的研究驗證了熔覆粉末和黏合劑之間的混合作用具有有效性，只要能夠將這種膏狀混合物精準地涂于基體表面，就可以在激光掃描熔化的同時，形成基體和冶金結合的熔覆涂層，能夠達到更好的熔覆效果。同步送粉法則可以采用專門設計的送粉器，工件運動方向與粉末氣流運動方向之間的夾角成為銳角時，正向送粉，反之逆向送粉。為了進一步提高生產效率和材料利用效率，在激光束的焦點位置實現自動供給絲料熔化的激光熔池，這樣做是為了能夠使厚度1mm的熔覆層能夠被一次性制備出來，從而對形狀復雜的三維工件制造給予支持，擴大激光熔覆技術的適用范圍[4]。

3 結語

激光熔覆技術的研究在自熔性合金粉末的添加中較為常見，使用較硬的陶瓷顆粒、較軟的石墨、二硫化鉬等不可以作為實際需要的合金層成分。利用激光熔覆技術，配合鎳基自熔性合金的耐磨性和耐蝕性，能夠保證復合涂層具有更好的力學性能，也能夠耐摩擦、抗磨損，為工業(yè)生產提供更好的輔助作用。不同的鎳基合金復合涂層內容比較豐富，目前各個領域內常用的激光熔覆技術已經在顯著進步，所以，利用激光熔覆這一非平衡凝固的方式，可以讓鎳基合金復合涂層的應用效果更加顯著。在工業(yè)使用中，隨著熔覆層組織的逐漸細化，使碳化物和共晶組織不斷增多，激光覆層的平均硬度不斷提高，并且在其硬度值的變化中找到工件熔覆過程的最佳應用。