楊 杰, 賀春林，孫宇海漩，池坪礁，楊錫芃，于濟(jì)豪，宋貴宏

(1. 沈陽(yáng)大學(xué)遼寧省先進(jìn)材料制備技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，遼寧 沈陽(yáng) 110044；2. 沈陽(yáng)工業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，遼寧 沈陽(yáng) 110870)

0 前 言

銅及銅合金具有出色的導(dǎo)電性、導(dǎo)熱性以及良好的彈性，是光纜和電子元器件中最常見(jiàn)的材料，廣泛應(yīng)用于電器、機(jī)械、航空航天和冶金設(shè)備等領(lǐng)域中，如電線、馬達(dá)、工業(yè)配件以及各種管道等。但銅合金耐磨、抗氧化和耐蝕性較差，作為摩擦件或耐蝕件時(shí)，使用壽命大幅降低，安全隱患大大增加，如連鑄結(jié)晶器、高爐風(fēng)口、電磁炮導(dǎo)軌和螺旋槳等。

銅合金的磨損和腐蝕基本發(fā)生在表面，表面改性是提高銅合金表面性能、延緩或抑制磨損和腐蝕失效的有效手段。目前，常用的銅合金表面改性技術(shù)主要有鑄滲法、電鍍、熱噴涂和激光表面強(qiáng)化技術(shù)等。激光熔覆相對(duì)于其它技術(shù)，具有能量密度高、熱影響區(qū)小、熔覆層與基體冶金結(jié)合、熔覆層組織致密、晶粒細(xì)小及性能優(yōu)異等特點(diǎn)，已廣泛應(yīng)用于銅合金等各種材料的表面強(qiáng)化[1-4]。激光熔覆的基本原理是使用高密度的激光束照射基材表面，使基材和熔覆材料快速融化，然后迅速凝固，形成熔融粘結(jié)層，達(dá)到強(qiáng)化基材的目的。一般激光熔覆后的樣品分為4個(gè)部分：熔覆層、結(jié)合區(qū)、熱影響區(qū)和基材[5]。其中熔覆底層具有與基體浸潤(rùn)性好、結(jié)合強(qiáng)度高等特點(diǎn)，熔覆面層具有耐磨損和耐腐蝕等使用性能。然而，由于銅的高反射率和熱導(dǎo)率[6]、與很多材料潤(rùn)濕性差，在銅合金表面進(jìn)行激光熔覆時(shí)，熔覆層易出現(xiàn)開(kāi)裂和氣泡等缺陷，缺陷對(duì)熔覆層性能的影響以及如何減少缺陷的產(chǎn)生是研究重點(diǎn)。

本文從制備工藝、熔覆材料的選擇以及應(yīng)用等方面綜述了銅合金表面激光熔覆技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀，并對(duì)未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)進(jìn)行了展望。

1 激光熔覆工藝

1.1 進(jìn)料方法

銅合金表面激光熔覆的進(jìn)料方式可以分為同步送粉法和預(yù)置粉末法。同步送粉法是指熔覆材料直接送到基材激光作用區(qū)，激光束瞬間加熱使熔覆材料和基材同步融化。此方式熔覆材料多以粉末形式，對(duì)粉末流動(dòng)性要求較高，粉末一般為球形，粒度大約為50～150 μm。預(yù)置粉末法是提前將待熔覆的材料鋪放在基材表面，然后用激光束快速加熱熔化、凝固形成熔覆層。這種方法對(duì)粉末的要求比同步送粉法低，對(duì)粉末粒度無(wú)特別高的要求。

同步送粉法由于可以不間斷送粉，因此工作效率相對(duì)較高，且對(duì)粉末利用率高、熔覆層質(zhì)量相對(duì)較好，但對(duì)粉末流動(dòng)性和激光功率要求較高。預(yù)置粉末法操作簡(jiǎn)單，可以有效避免因銅對(duì)激光反射率過(guò)高而帶來(lái)的熔覆困難問(wèn)題，但由于使用了粘結(jié)劑，熔覆層出現(xiàn)氣泡以及污染的可能性會(huì)加大，且很難在形狀復(fù)雜的零部件表面均勻預(yù)置粉末。

1.2 工藝參數(shù)

目前，對(duì)銅合金表面激光熔覆工藝參數(shù)的研究主要是針對(duì)激光功率、掃描速度、光斑直徑和搭接率等。為了綜合衡量工藝參數(shù)對(duì)熔覆層的影響，國(guó)內(nèi)外學(xué)者用能量密度E即熔覆層單位面積所需要的能量來(lái)表示熱輸入的大小[7]，其計(jì)算公式為E=P/Dv，式中：P為激光功率，D為光斑直徑，v為掃描速度。目前，制備大面積熔覆層必須通過(guò)激光束掃描軌跡的搭接實(shí)現(xiàn)，搭接率過(guò)小，熔覆層表面不平整；搭接率過(guò)大，則熔覆層容易過(guò)燒，產(chǎn)生裂紋和氣孔等缺陷。

趙健等[8]使用光纖激光器在鉻鋯銅合金表面激光熔覆Ni基涂層，研究了熱輸入、激光功率和掃描速度對(duì)熔覆層形貌、組織、硬度的影響。結(jié)果表明，熱輸入在112 500.0～133 333.3 kJ/m2范圍內(nèi)，熔覆層表面形貌相對(duì)較平整，呈暗光澤。當(dāng)熱輸入過(guò)小時(shí)，熔覆層與基體之間是機(jī)械咬合，達(dá)不到冶金結(jié)合(如圖1a)；而熱輸入過(guò)大時(shí)，熔覆層與基體結(jié)合界面會(huì)出現(xiàn)裂紋(如圖1b)。激光功率從3.0 kW增大到4.0 kW，晶粒更加均勻細(xì)小，熔覆層硬度增加了30%，是銅合金基體的3倍。但是當(dāng)激光功率增加到4.5 kW時(shí)，晶粒變得粗大且不規(guī)則，熔覆層硬度下降，稀釋率也變大。掃描速度對(duì)熔覆層硬度影響和激光功率類似，也是隨著激光功率的增加，熔覆層硬度先增加后下降。

圖1 熱輸入對(duì)結(jié)合界面的影響[8]

杜鳳彪[9]在純銅表面激光原位合成Hf(B,C) - Al2O3/Cu復(fù)合涂層，研究了激光功率對(duì)熔覆層摩擦磨損性能的影響。結(jié)果表明，功率過(guò)高或過(guò)低，熔覆層的磨損率都會(huì)增加，磨損機(jī)制為典型的黏著磨損；功率合適時(shí)的熔覆層碎屑脫落較少，磨損機(jī)制為黏著磨損和磨粒磨損混合機(jī)制。這是由于低功率時(shí)的熔覆層不能完全熔合，基體和熔覆層中的增強(qiáng)相(HfB2、HfC、Al2O3)之間結(jié)合不佳，容易脫落，而高功率時(shí)熔覆層會(huì)存在裂紋和氣孔，導(dǎo)致增強(qiáng)相的含量降低，磨損率增加。

李晉升[10]使用大功率光纖激光器在銅合金(Cu - Cr - Zr)表面采用同步送粉法激光熔覆Cr3C2- NiCr合金粉末，研究了送粉速率對(duì)熔覆層孔隙率的影響。結(jié)果表明，當(dāng)送粉速率從3.0 g/min增加到4.6 g/min時(shí)，熔覆層的孔隙率一直在增加，這是因?yàn)樗头鬯俾试龃髸r(shí)，單位粉末熔滴獲得的熱量變少，冷卻時(shí)間變少，熔覆層的氣泡不能及時(shí)溢出，導(dǎo)致孔隙率增加。

由于銅合金對(duì)激光的高反射率、高導(dǎo)熱率，導(dǎo)致在銅合金表面激光熔覆需要更加苛刻的工藝參數(shù)條件，以免熔覆層產(chǎn)生氣泡、裂紋以及與基體冶金結(jié)合差等現(xiàn)象。Bysakh等[11]采用同步送粉法，使用CO2激光器在8 kW的激光功率下將Cu - Fe - Al - Si合金粉末熔覆在銅基合金表面，但熔覆層依舊存在大量缺陷。為了解決這一問(wèn)題，有研究者選擇多種表面處理技術(shù)復(fù)合進(jìn)行激光熔覆，如Zhang等[12]采用橫流CO2激光器在4 kW的激光功率情況下，先預(yù)熱再激光熔覆，得到的涂層與基體冶金結(jié)合良好，硬度是基材的5倍；李養(yǎng)良等[13]先在鋁青銅表面超音速火焰噴涂Ni60自溶合金涂層，再用CO2激光器在3.2 kW的激光功率下進(jìn)行激光重熔，制備出的熔覆層與基體冶金結(jié)合良好，但依舊存在氣泡。因此，雖然多種表面技術(shù)復(fù)合進(jìn)行激光熔覆雖然能有效提高銅對(duì)激光的吸收率，解決在銅合金表面激光熔覆的難題，但還是不能完全避免裂紋、氣泡等缺陷的產(chǎn)生，所以有必要進(jìn)一步深入研究激光熔覆工藝對(duì)裂紋、氣泡等缺陷形成的影響。

2 熔覆材料的選擇

目前可用于銅合金表面激光熔覆的材料主要有鎳基合金粉末、鈷基合金粉末、鐵基合金粉末和陶瓷顆粒增強(qiáng)金屬基復(fù)合粉末等，前3種熔覆材料都是自熔性合金粉末，自熔性合金粉末是指具有強(qiáng)烈脫氧及自熔作用的Si、B等元素的合金粉末。表1列出了幾種粉末體系的特點(diǎn)。

表1 幾種合金粉末體系的特點(diǎn)

2.1 鎳基合金粉末

由于Ni有著和Cu相近的熱膨脹系數(shù)以及相同的面心立方結(jié)構(gòu)，所以Ni、Cu可以形成無(wú)限固溶體，在熔覆層和基體之間冶金結(jié)合良好，而且鎳基合金有良好的潤(rùn)濕性和耐蝕性，因此，鎳基合金粉末與銅合金相容性較好，是銅合金表面激光熔覆最常用的熔覆材料。

吳勇華等[14]使用TruDisk碟片式激光器成功在青銅表面激光熔覆制備出表面平坦、無(wú)裂紋缺陷的鎳基涂層。莊喬喬等[15]使用預(yù)置粉末法用5 kW光纖激光器在銅合金表面熔覆了2種Ni - Ti - Si涂層。激光熔覆前先將Ni、Ti、Si粉末混合均勻并摻入粘結(jié)劑，預(yù)置到銅合金基體表面，通入氬氣作為保護(hù)氣體。金相組織觀察表明，涂層組織均勻，無(wú)明顯氣孔和裂紋，涂層與基體形成了良好的冶金結(jié)合。由于涂層中有TiSi、TiNi3、Ti2Ni和Ti2Ni3Si等金屬間化合物形成，導(dǎo)致涂層的耐磨性能明顯提高。Wang等[16]先用等離子噴涂技術(shù)在銅基材表面制備了一層鎳基合金涂層，然后用脈沖Nd:YAG激光器制備熔覆層，磨損試驗(yàn)表明，激光熔覆層的耐磨性是銅基體的14倍。

賀春林等[17]使用半導(dǎo)體激光器在高錳鋁青銅表面激光熔覆制備Cu - Ni涂層以提高耐蝕性能，電化學(xué)試驗(yàn)結(jié)果表明，相較于基體，熔覆層的腐蝕電位正移，腐蝕電流密度降低，表明熔覆層的耐蝕性更好。高錳鋁青銅由α+β+κ相組成，α相是銅，夾在α相之間的是β相(Cu9Al3)，α相晶內(nèi)的是κ相(AlFe3)，經(jīng)過(guò)模擬海水腐蝕后，由于Al的電位相較Cu低，因此β相和κ相相對(duì)α相為陽(yáng)極，因失去電子而發(fā)生腐蝕溶解，即高錳鋁青銅發(fā)生了選擇性腐蝕。激光熔覆層總體腐蝕較輕，枝晶間存在電偶腐蝕引起的點(diǎn)蝕，熔覆層耐蝕性的提高是由于熔覆層組織致密，成分偏析不明顯，并且熔覆層中Ni合金的耐蝕性較好，熔覆層表面的腐蝕產(chǎn)物也一定程度上保護(hù)了涂層[18]。

2.2 鈷基合金粉末

鈷基合金粉末因具有良好的耐高溫、耐磨損性能[19]，潤(rùn)濕性好，且硬度比鎳高，也是銅合金表面激光熔覆的常用材料。

Xu等[20]使用脈沖Nd:YAG激光器在銅合金(Cu - Cr - Zr)表面激光熔覆制備出Fe - Co梯度涂層，熔覆層成形良好，無(wú)明顯缺陷，平均顯微硬度約為基體的4倍，磨損實(shí)驗(yàn)中的平均磨損量約為基體的1/5。Liu等[21]使用連續(xù)波CO2激光器在銅合金(Cu - Cr)上成功制備出(Fe, Ni)23C6、Cr7C3等硬質(zhì)相增強(qiáng)的Ni - Co復(fù)合涂層，其顯微硬度是基體的6.9倍。由于涂層中加入了Ni和Co元素，降低了凝固過(guò)程中較高的熱應(yīng)力，因此涂層無(wú)裂紋、氣泡等缺陷。

Yan等[22]使用脈沖Nd:YAG激光器在銅合金(Cu - Cr - Zr)表面采用預(yù)置粉末法，激光熔覆制備出Co基合金涂層，結(jié)果表明，預(yù)置粉末厚度為7 mm時(shí)，銅合金對(duì)激光吸收率最高，熔覆層與基體界面結(jié)合處存在(α - Co, Ni)和(Ni, Cu)固溶體，Ni的存在使得熔覆層與基體形成了良好的冶金結(jié)合。由于熔覆層中碳化物和金屬間化合物硬質(zhì)相(Cr23C6、Ni17W3、Cr4Ni15W)的存在，熔覆層硬度達(dá)到了478 HV，約是銅合金基材的5倍，耐磨性約為銅合金的15倍。

2.3 鐵基合金粉末

鐵基合金粉末價(jià)格相對(duì)便宜，成形效果較好，因此也是銅合金表面激光熔覆的常用材料。

蘇科勇[23]用脈沖Nd:YAG激光器在銅合金(Cu - Cr - Zr)上激光熔覆鐵基合金粉末，熔覆層與銅基體冶金結(jié)合良好，表面無(wú)氣孔和裂紋缺陷。熔覆層顯微硬度比銅合金基材提高了2.68倍，這是由于熔覆層中的(Fe, Ni)固溶體、Fe - Cr、Fe9.7Mo0.3、MoC、Cr7C3和Cr - Ni - Fe - C相的強(qiáng)化作用。熔覆層的磨損失重為銅合金基材的35%，耐磨性能有了較大提高。李養(yǎng)良等[24]使用橫流式CO2激光器在鋁青銅上激光熔覆鐵基合金粉末，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，顯微硬度約是基體的3倍，熔覆層的沖蝕磨損量大約是鋁青銅基體的1/3，這是由于熔覆層中形成的γ - (Fe - Ni)和CrFe4等相，這些硬質(zhì)相在熔覆層中的彌散強(qiáng)化作用提高了熔覆層的硬度和強(qiáng)度。

顧夢(mèng)豪[25]使用CO2激光器在H59黃銅表面制備了Cu - Fe合金涂層，發(fā)現(xiàn)涂層組織主要由富銅基體與球狀富鐵顆粒組成，隨著Fe含量增加，涂層顯微硬度變大，也更易形成偏聚體及氣孔。周圣豐等[26]采用激光感應(yīng)復(fù)合熔覆技術(shù)在黃銅表面制備Cu - Fe復(fù)合涂層，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，熔覆層表面平整光滑，無(wú)裂紋和氣孔等缺陷，熔覆層主要由ε - Cu、α - Fe和M2C相組成；ε - Cu在球狀顆粒α - Fe內(nèi)均勻彌散析出，且ε - Cu和α - Fe都是過(guò)飽和固溶體，能夠在一定程度上阻礙位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)，熔覆層的顯微硬度約為基材的3.8倍。

2.4 陶瓷顆粒增強(qiáng)金屬基復(fù)合粉末

陶瓷顆粒增強(qiáng)金屬基復(fù)合粉末是指將金屬或合金粉末與高熔點(diǎn)硬質(zhì)陶瓷材料混合，使激光熔覆后的熔覆層既有金屬的韌性，又有陶瓷的耐高溫、耐磨、耐蝕以及抗氧化的特性。陶瓷顆粒一般為WC、TiB2和SiC等。

徐祥留等[27]為了提高結(jié)晶器銅板使用時(shí)間，在銅合金(Cu - Cr - Zr)表面上激光熔覆制備Ni60+WC涂層。結(jié)果表明，添加5%WC時(shí)，WC顆粒完全熔化生成Ni3W和W2C相，熔覆層中不存在WC相；添加15%WC時(shí)，WC顆粒不能完全融化導(dǎo)致熔覆層中存在WC相，而熔化的WC顆粒生成Ni2W4C和W2C相。由圖2的硬度分布曲線可見(jiàn)，隨著WC質(zhì)量分?jǐn)?shù)的提高，涂層的硬度值一直在提高，當(dāng)WC質(zhì)量分?jǐn)?shù)提高到20%時(shí)，硬度值達(dá)到了1 000 HV。這是由于Ni60和WC顆粒的硬度高，并且當(dāng)WC質(zhì)量分?jǐn)?shù)越來(lái)越高時(shí)，溶解的WC會(huì)使凝固過(guò)程中非均勻形核中心增加，起到細(xì)化晶粒的作用，導(dǎo)致硬度的進(jìn)一步提升[28]。隨著WC含量的提高，熔覆層的耐磨性也隨之提高。

圖2 熔覆層硬度分布曲線[27]

姚延松等[29]用Nd:YAG脈沖激光器在銅合金(Cu - Cr - Zr)表面激光熔覆制備Ni - Cr - TiB2- CaF2復(fù)合涂層，結(jié)果顯示，由于熔覆層中均勻分布TiB2團(tuán)聚物，同時(shí)熔覆層中生成了Ni3Ti板狀組織使涂層各組織之間更加密實(shí)，因此復(fù)合涂層硬度較基體提高了11倍。涂層的磨損機(jī)理表現(xiàn)為塑性變形和微觀切削磨損，復(fù)合涂層中的TiB2導(dǎo)致涂層的抗塑性變形能力大大提高，同時(shí)以層狀結(jié)構(gòu)存在的CaF2起到了潤(rùn)滑作用，因此復(fù)合涂層表現(xiàn)出較高的耐磨性。房劉楊等[30]在銅合金(Cr - Zr - Cu)表面用Nd:YAG脈沖激光器成功制備出TiB2增強(qiáng)Ni基梯度涂層，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，工藝參數(shù)、TiB2的含量和分布影響涂層內(nèi)部的微裂紋，添加TiB2的熔覆層硬度和耐磨性較銅合金基體有較大提高。

董江等[31]用橫流式CO2激光器在銅合金 (Cu - Cr - P) 表面激光熔覆Ni - Cu涂層，并在熔覆層中添加一定量的SiC晶須，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，添加SiC晶須后的涂層幾乎沒(méi)有裂紋和氣泡，并且涂層組織更加致密細(xì)化，涂層硬度比未添加SiC晶須樣品提高150 HV左右，這可能是由于Si、C原子和Ni - Cu合金里的合金元素形成了更細(xì)小的化合物彌散強(qiáng)化相。

熔覆材料的選擇對(duì)熔覆層質(zhì)量影響很大。在選擇熔覆材料時(shí)，需要考慮熔覆材料和基體之間的相容性和匹配性是否良好[32]，例如熔覆材料和基體之間的熱膨脹系數(shù)、晶體結(jié)構(gòu)是否相似，是否具有良好的潤(rùn)濕性，避免因此帶來(lái)的制備出的熔覆層開(kāi)裂以及與基體冶金結(jié)合不良等問(wèn)題[33,34]。由于銅與很多材料潤(rùn)濕性較差，很容易產(chǎn)生裂紋和氣泡，通常在選擇熔覆材料時(shí)需要摻雜與銅基體相容性、潤(rùn)濕性較好的鎳元素。隨著激光熔覆技術(shù)的發(fā)展，復(fù)合粉末逐漸成為銅合金表面激光熔覆的研究熱點(diǎn)，對(duì)銅合金性能的改進(jìn)相對(duì)于單一粉末提升幅度較大，解決了大量實(shí)際工程應(yīng)用的難題。但目前銅合金的各種熔覆粉末體系依舊無(wú)法徹底消除裂紋氣泡等缺陷，因此需要研究開(kāi)發(fā)出銅合金專用的熔覆粉末體系，以增加與銅合金的相容性。

3 應(yīng) 用

目前，在銅合金表面的激光熔覆目的大部分是在于增強(qiáng)性能，如耐磨性、耐蝕性、抗空蝕性能等。此外，激光熔覆技術(shù)還可以用于對(duì)失效的銅合金零件進(jìn)行修復(fù)。

3.1 增強(qiáng)性能

3.1.1 耐磨性

耐磨涂層是銅合金表面激光熔覆研究最多的一種涂層。Lv等[35]采用光纖激光器在純銅基體上成功制備出ZrB2- ZrC復(fù)合涂層，并用Ni作為中間過(guò)渡層。制備出的復(fù)合涂層組織致密，稀釋率高，硬度和耐磨性都顯著提高。Ni的存在降低了界面的應(yīng)力集中，提高了復(fù)合涂層與基體結(jié)合強(qiáng)度，加上ZrC陶瓷的高硬度，復(fù)合涂層的平均硬度達(dá)到了410 HV，約是銅基體的6倍。由圖3的摩擦性能數(shù)據(jù)可知，復(fù)合涂層的摩擦系數(shù)和磨損量都明顯低于基材，由于復(fù)合涂層與基體具有較強(qiáng)的結(jié)合強(qiáng)度，加上復(fù)合涂層的高硬度，因此能夠承受往復(fù)滑動(dòng)磨損過(guò)程中的大部分外加載荷，防止了銅基體的嚴(yán)重塑性變形，從而提高了涂層的耐磨性。

圖3 基材和涂層的摩擦系數(shù)和磨損量對(duì)比圖[35]

向永華等[36]在ZQAl9442 鎳鋁青銅合金表面激光熔覆制備同質(zhì)修復(fù)層和鈦改性涂層，在大氣環(huán)境中的摩擦磨損實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，鈦改性層的平均磨損量比同質(zhì)修復(fù)層降低了近60%，說(shuō)明加入Ti元素后，由于第二相析出強(qiáng)化，熔覆層的耐磨性能得到了改善。Zhang等[37]用光纖激光器在銅基體上激光熔覆制備3種Mn、Si含量不同的Ni - Mn - Si復(fù)合涂層，結(jié)果表明，金屬硅化物(Ni - Si、Mn - Si)是提高涂層硬度的主要因素，隨著Mn含量的提高，Mn - Si相增多，涂層硬度降低，平均摩擦系數(shù)變大，認(rèn)為在提高硬度和降低摩擦力方面Ni - Si相比Mn - Si相的作用更為明顯。為了消除熔覆層的缺陷，Wang等[38]先在銅合金(Cu - Cr - Zr)表面電鍍Ni/n - Al2O3中間體，再用橫流式CO2激光器制備出顯微硬度高、結(jié)合力高、組織致密無(wú)缺陷的Ni - Co復(fù)合涂層，銅基體的耐磨性大幅提高。

3.1.2 耐蝕性

銅合金因具有殺菌作用而被廣泛用于海洋工程領(lǐng)域，因此銅合金激光熔覆耐蝕涂層也是研究較多的涂層，以鎳基合金粉末為主要熔覆材料。趙偉等[39]在銅合金(Cu - Cr - Zr)表面使用光纖激光器制備Ni60+WC涂層，并對(duì)熔覆層的耐蝕性進(jìn)行研究，結(jié)果表明：隨WC含量的提高，熔覆層在HCl溶液中的耐蝕性先上升后下降，當(dāng)WC含量為15%時(shí)，熔覆層耐蝕性最好。這是由于在WC含量小于15%時(shí)，隨著WC含量的增加，熔覆層的成分更加均勻，各組織之間電位差減小，耐蝕性提高；當(dāng)WC含量過(guò)大時(shí)，Cr更多地形成碳化物，導(dǎo)致Cr含量減少，耐蝕性降低[40]。但不同WC含量熔覆層的腐蝕電位相對(duì)基體都正向移動(dòng)，腐蝕電流密度比基體降低1～2個(gè)數(shù)量級(jí)，說(shuō)明熔覆層耐蝕性明顯提高。

徐建林等[41]研究了鋁青銅表面熔覆Cu - Ni涂層在3.5% NaCl中的腐蝕行為和腐蝕機(jī)理，由于Cu和Ni之間形成腐蝕電偶，且Ni又在基材表面形成鈍化膜，因此Cu元素優(yōu)先溶解，形成脫成分腐蝕，造成Ni、Cr、Fe元素含量增加，熔覆層電極電位提高，有效提高了基材的耐蝕性能。Bhattacharya等[42]在C71500銅合金表面直接金屬沉積Cu - Ni合金和激光熔覆Cu - Ni涂層，兩者耐蝕性均低于銅合金基體，熔覆層中較高的孔隙可能是耐蝕性低的原因，但熔覆層的耐蝕性要高于直接金屬沉積的Cu - Ni合金。

3.1.3 抗空蝕性能

海洋工程領(lǐng)域中，某些結(jié)構(gòu)可能處于高速流動(dòng)的海水沖刷下，存在空蝕現(xiàn)象，因此抗空蝕涂層也是銅合金激光熔覆研究熱點(diǎn)之一。Cottam等[43]研究了激光表面改性的鎳鋁青銅的抗空蝕性能，結(jié)果顯示，熔覆層和基體都發(fā)生加工硬化，涂層的失重率比基材低很多，熔覆層的抗空蝕性能相較基材提高很多，可能是由于硬度提高和組織的均勻化。顧偉等[44]研究了鎳鋁青銅表面激光熔覆Ni60A合金熔覆層的抗空蝕性能，圖4是熔覆層和基材分別在蒸餾水和質(zhì)量分?jǐn)?shù)3.5% NaCl溶液中的空蝕失重，可見(jiàn)，熔覆層和基體在蒸餾水和3.5% NaCl環(huán)境中空蝕5 h后，熔覆層失重量均小于基體的。熔覆層的抗空蝕性能均優(yōu)于基體，是由于熔覆層表面致密層較基體增厚，導(dǎo)致難以發(fā)生超聲負(fù)壓空穴效應(yīng)，致使熔覆層失重小于基材。

圖4 熔覆層和基體在蒸餾水和3.5%NaCl溶液中的空蝕失重量[44]

Tam等[45,46]在黃銅表面分別激光熔覆Ni - Cr - Al - Mo - Fe和Ni - Cr - Si - B粉末，研究了熔覆層的抗空蝕性能，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，前者熔覆層的抗空蝕能力較基體提高了4.6倍，后者的抗空蝕能力可達(dá)到黃銅基體的10.0倍，抗空蝕能力的提高得益于熔覆層硬度的增大，而硬度的改善主要是由于熔覆層中形成了硬質(zhì)硼化物相，這與Hyatt等[47]的研究結(jié)果一致。但是當(dāng)熔覆層硬度中等時(shí)，抗空蝕能力最高，說(shuō)明硬度并不是決定抗空蝕能力的唯一因素。抗空蝕性和耐蝕性的改進(jìn)很難同時(shí)實(shí)現(xiàn)，因?yàn)榭瘴g本質(zhì)上是機(jī)械的，而腐蝕本質(zhì)是電化學(xué)的。

3.2 銅合金的修復(fù)

采用激光熔覆修復(fù)銅合金的方法，可在失效零件上獲得比原件更好的外觀和性能。與傳統(tǒng)的堆焊修復(fù)工藝相比，激光熔覆能避免熱影響區(qū)大、殘余應(yīng)力高等缺點(diǎn)，已被廣泛應(yīng)用于各種失效零件的修復(fù)，如300M鋼表面損傷、風(fēng)機(jī)主軸磨損、燃?xì)廨啓C(jī)渦輪盤(pán)的修復(fù)等[48-50]。

該技術(shù)也在失效的銅合金零件上等到了應(yīng)用。螺旋槳軸銅套在服役過(guò)程中，由于受到摩擦磨損以及海水腐蝕，維修頻率和成本較高。閆燦斌等[51]先使用有限元軟件分析激光熔覆修復(fù)船舶主軸銅套的可行性，然后在大型銅合金薄壁上進(jìn)行激光熔覆修復(fù)，結(jié)果表明，經(jīng)過(guò)激光熔覆修復(fù)后的銅合金屈服強(qiáng)度大于基材，熔覆層硬度提高了50%，圓滿完成船舶主軸修復(fù)。李強(qiáng)等[52]利用有限元仿真軟件模擬了變壁厚黃銅管在激光熔覆時(shí)的應(yīng)力分布和熱量分布，并提出了變激光吸收率仿真方法，為變壁厚零件的激光修復(fù)方案制定提供了理論依據(jù)。Capello等[53]采用激光線材熔覆(LCW)工藝修復(fù)磨損燒結(jié)銅合金刀具，使其具有滿足服役要求的硬度、沖擊韌性以及耐磨性。利用激光熔覆修復(fù)技術(shù)可對(duì)復(fù)雜形狀或局部區(qū)域，如邊界、復(fù)雜的輪廓等部位進(jìn)行增材修復(fù)。

目前，國(guó)內(nèi)外對(duì)銅合金表面激光熔覆制備耐磨、耐蝕和抗空蝕涂層的研究日趨成熟。制備出的涂層具有高耐磨、耐蝕和抗空蝕性能，但激光熔覆對(duì)銅合金本身具有的導(dǎo)電性和殺菌性能產(chǎn)生的影響研究較少，且由于實(shí)際工程領(lǐng)域中，銅合金零件形狀較為復(fù)雜，因此如何在銅合金表面制備高導(dǎo)電、滅菌效果好且耐磨耐蝕的熔覆層，以及利用激光熔覆技術(shù)修復(fù)失效銅合金零件的應(yīng)用是今后的研究方向。

4 結(jié) 語(yǔ)

近幾十年來(lái)，銅合金在機(jī)械、航空和海洋工程等領(lǐng)域發(fā)揮著重要的作用，為了提高銅合金的應(yīng)用范圍和使用壽命，激光熔覆提高表面性能成為研究的熱點(diǎn)。但是目前銅合金激光熔覆主要集中在分析熔覆層微觀形貌和提高硬度、耐磨、耐蝕和抗空蝕性能等方面，針對(duì)銅合金表面激光熔覆過(guò)程中熔覆層可能出現(xiàn)的裂紋和氣泡等問(wèn)題研究尚不充分。為了獲得缺陷少、與基體冶金結(jié)合良好、組織致密細(xì)小、性能滿足需求的涂層，需對(duì)以下幾個(gè)方面進(jìn)行深入研究。

(1)研發(fā)銅合金專用的熔覆材料體系。由于銅合金和很多材料之間相容性、潤(rùn)濕性較差，導(dǎo)致大多數(shù)熔覆材料體系不適用于銅合金，為了使銅合金獲得更好的性能，并應(yīng)用到各個(gè)工程領(lǐng)域，消除制備過(guò)程中熔覆層容易產(chǎn)生的裂紋、氣泡等缺陷，需要對(duì)銅合金熔覆材料優(yōu)化，開(kāi)發(fā)出滿足銅合金使用需求和應(yīng)用前景的銅合金專用熔覆材料體系。

(2)加大對(duì)銅合金表面熔池凝固機(jī)理的研究，優(yōu)化銅合金激光熔覆的工藝，以達(dá)到控制殘余應(yīng)力消除裂紋、氣泡等缺陷的目的，最終使熔覆層形性可控。同時(shí)，可采用與其它改性技術(shù)相結(jié)合的復(fù)合技術(shù)進(jìn)一步優(yōu)化熔覆工藝，如攪拌摩擦加工輔助激光熔覆[54]、激光感應(yīng)復(fù)合熔覆[55]、激光合金化輔助激光熔覆復(fù)合技術(shù)[56]。

(3)加大性能研究范圍。銅合金本身具有良好的導(dǎo)電和殺菌性能，目前針對(duì)激光熔覆對(duì)導(dǎo)電和殺菌性能影響研究較少，有望深入研究其影響機(jī)制，在銅合金表面激光熔覆制備出高導(dǎo)電、殺菌性好、耐磨耐蝕的涂層。

(4)研制新型激光熔覆設(shè)備，開(kāi)發(fā)波長(zhǎng)更短的激光器，如綠色激光器、藍(lán)色激光器等。銅對(duì)綠色激光的吸收率是紅外激光的數(shù)十倍[57]，對(duì)藍(lán)光吸收率也很高，但藍(lán)色激光器獲得困難，有待進(jìn)一步開(kāi)發(fā)。