魏新龍, 付二廣, 戴凡昌, 班傲林, 吳多利, 張 超

(揚州大學 機械工程學院, 江蘇 揚州 225127)

作為一種新型的表面涂層技術,激光熔覆是利用高能激光束來熔化材料,冷卻后形成熔覆層,熔覆層與基體形成冶金結合,改變基體材料表面性質[1]。與其他表面涂層技術,如超音速火焰噴涂、等離子噴涂和磁控濺射等方法相比,激光熔覆技術具有稀釋率小、畸變小、快速產生凝固組織、熔覆材料廣泛、便于自動化控制等特點,應用前景非常廣泛[2-4]。激光熔覆涂層表面獲得高強度、高硬度的同時,表面韌性卻通常會急劇下降,涂層表面容易出現裂紋、孔隙等問題缺陷。為此,本文闡述了激光熔覆涂層韌性差導致裂紋的原因以及影響因素,綜述了裂紋等缺陷產生的原因,影響熔覆層韌性的因素以及如何改善涂層表面質量、增加涂層韌性減少裂紋的方法,即通過改變熔覆粉體組成合理設計熔覆材料、增加過渡層、優(yōu)化激光熔覆工藝參數、預熱和后處理熔覆層、激光重熔、外加能場輔助等多種方法來增加涂層韌性,并且簡要說明了優(yōu)勢和缺點,為深入研究激光熔覆涂層增韌改性方法提供相關參考。

1 激光熔覆涂層韌性降低的原因及影響

1.1 熔覆層韌性降低的原因

1.1.1 應力

通常熔覆材料與基體由于熱膨脹系數差異很大,在熔覆過程中極易產生內應力。熔覆過程是快速熔化和快速凝固的過程,在這個過程會有溫度梯度差,就會有各種應力的產生,如由于材料的溫度梯度和熱膨脹系數不同使熔覆層收縮不均產生的熱拉應力、金屬在冷卻過程中由于相變引起的組織應力,以及由于溫度梯度差導致熔覆層收縮時擠壓未收縮部分所產生的約束應力[5-6]。內應力有熱應力、組織應力和約束應力,熱應力是主要應力[7]。激光熔覆過程中由于抗斷裂韌性遠小于產生的熱拉應力是裂紋產生的主要原因[8],當熱應力超過材料的強度極限時就會形成裂紋[9]。Wang等[10]研究表明,激光熔覆鎳基碳化硅涂層中高體積的鉻硼化物和碳化物的不均勻分布,從而產生過大熱應力,是產生裂紋的主要原因。激光熔覆過程中容易在晶界處生成脆性化合物,這些脆性化合物與熔覆層的熱膨脹系數相差較大,從而導致應力在晶界處集中,由于韌性降低容易導致開裂[11]。熔覆過程中也會形成位錯,當位錯滑移碰到硬質相顆粒時,應力也會在此集中,當應力大于熔覆層斷裂韌性時就會出現裂紋。研究發(fā)現,當激光熔覆功率、掃描速率等參數變化時,會導致熔覆層晶粒尺寸過大,應力過于集中,裂紋就不可避免地產生[12]。Xu等[13]在激光熔覆研究中發(fā)現,應力集中在石墨尖端,產生的微裂紋也是從石墨尖端開始的。如圖1所示,應力集中而導致涂層裂紋形成[14],圖1(b)是圖1(a)中矩形框的局部放大。從圖1中明顯看出,Fe-Al激光熔覆涂層上大裂紋橫穿熔覆道,放大后還能看到更小裂紋的存在,嚴重影響了熔覆層質量。

圖1 激光熔覆Fe-Al涂層裂紋形貌[14]Fig.1 Crack morphologies of laser clad Fe-Al coating[14]

1.1.2 熔覆過程中的缺陷

熔覆過程中也會產生氣孔、微裂紋等微小缺陷,關于氣孔的存在可能是高能激光使材料中的某一物質分解氣化導致,另外一種可能是激光熔覆過程中需要用到惰性氣體作為保護氣,保護氣體將被卷入到熔池當中,由于熔池體積很小,冷凝速度很快,氣體來不及排出而留在冷凝的熔池中形成氣孔,在快速冷凝過程中孔隙的存在會造成微裂紋的產生。熔覆粉體中的除氧、造渣等成分如果不能及時上浮將會保存在熔覆涂層中,這些夾雜物也會增加涂層出現裂紋的可能性,降低熔覆層的結構強度和韌性[15]。同時氣孔的存在也是裂紋萌生擴展的助力,氣孔使熔覆層組織松散,并且容易在孔隙周圍產生應力集中,增大熔覆層裂紋的敏感性[16]。Wu等[17]研究發(fā)現,當高能激光束沒有將粉末完全熔化時,這些粉末顆粒也會造成孔隙的形成,提高涂層開裂敏感性。王偉等[18]在不銹鋼表面熔覆了鎳基合金,研究發(fā)現熔覆層裂紋形成的主要原因是在涂層最后凝固階段內應力和硬脆相及夾雜物大量偏聚共同作用所致。

1.2 熔覆層韌性的影響因素

激光熔覆層斷裂韌性受眾多因素的影響,包括熔覆材料的選擇、激光功率、送粉速率以及熔覆基體的溫度等。熔覆層和基體往往因物理性能差異產生較大的內應力,這是造成涂層開裂的主要原因。熔覆時選擇物理特性相近的熔覆粉末材料和基體材料,此時兩者熔化和凝固幾乎同步,可以有效降低熔覆層開裂的可能性,提高涂層韌性。激光熔覆的工藝參數也對裂紋的產生有直接的影響。鄭啟池等[19]研究發(fā)現,隨著激光功率的提高,涂層裂紋先增多后減少,激光的掃描速率和送粉速率也有相似的影響。熔覆前對基體進行預熱處理可以顯著降低熔覆過程中熔池與基體的溫度梯度,改善熔覆層的應力分布。李洪玉等[20]研究發(fā)現,當基體預熱溫度為100 ℃時,熔覆層中的內應力顯著降低。因此,熔覆層韌性的影響因素眾多,合理設計激光熔覆過程的各個環(huán)節(jié)是增強熔覆層韌性的必要手段。

2 增強涂層韌性的方法

2.1 優(yōu)化熔覆粉體組成

激光熔覆是將粉末和基體變成熔融狀態(tài)從而形成冶金涂層,涂層性能的好壞與粉末的選擇和處理至關重要。鐵基非晶合金涂層的韌性比較差,在制備過程中或實際使用過程中由于內部剪切帶區(qū)域存在應力集中極易產生裂紋,裂紋繼續(xù)擴展直至發(fā)生脆性斷裂[21-22],但鐵基非晶特殊的無序原子排列結構和無晶界,使其具有優(yōu)良的耐磨性能和耐腐蝕性能[23-24],非晶合金內部剪切帶區(qū)域易造成應力集中,在此處易形成微裂紋,微裂紋擴展可能造成斷裂[24]。王天聰等[25]將鍍鎳碳納米管與鐵基非晶粉體進行球磨混合后在鋼板表面進行激光熔覆試驗,獲得高硬度和韌性的涂層,研究發(fā)現添加鍍鎳碳納米管后的涂層中形成了韌性較好的非晶-納米晶復合組織,同時鍍鎳、球磨工藝能夠有效避免激光熔覆過程中脆性碳化物的生成,從而保證涂層具有很好的斷裂韌性。Luo等[26]通過高能球磨技術制備Fe-Al粉末,接著在Fe-Al粉末表面原位生長Al2O3納米粒子,再進行激光熔覆獲得高性能涂層,發(fā)現原位生長的增強顆粒細化了凝固組織,抑制了涂層微裂紋的形成和發(fā)展,提高了涂層韌性和硬度。陶瓷粉體作為增強相可以強化熔覆層的硬度,也可以增強熔覆層的韌性,利用陶瓷相摻雜是增強涂層韌性的有效方法。閆洪等[27]研究發(fā)現,ZrO2在不同的條件下具有不同的相結構,當外力作用時,材料的內應力可使四方相的ZrO2粒子解除約束,發(fā)生四方相ZrO2轉變成單斜相的馬氏體相變,引起體積膨脹;而相變顆粒的剪切應力和體積膨脹對基體產生壓應變,使裂紋停止延伸,以致需要更大的能量才使主裂紋擴展,從而達到應力誘導相變增韌的效果。張三川等[28]利用激光熔覆方法制備ZrO2粉末摻雜Ni60鎳基自熔合金涂層,研究氧化鋯增韌機制,發(fā)現ZrO2在激光熔覆涂層成形過程中實現了相變增韌和彌散增韌,消除了涂層中由于熱應力造成的微裂紋。張維平等[29]通過激光熔覆方法制備摻雜ZrO2粉末的鈷基合金涂層,也達到了涂層增韌效果,如圖2(a)所示,相變增韌造成主裂紋擴展途徑彎曲、偏析和分支,從而提高斷裂能,即微裂紋增韌。如圖2(b)所示,彌散增韌是高彈性模量的顆粒對裂紋具有釘扎作用,使得裂紋難以形成,從而起到增韌作用。

圖2 激光熔覆ZrO2增韌鈷基合金涂層的方式[29](a)相變增韌;(b)彌散增韌Fig.2 Method of laser clad ZrO2 toughening cobalt-based alloy coating[29](a) transformation toughening; (b) dispersion toughening

適量稀土元素的加入可以提高粉體對高能激光束的吸收率,使得熔覆粉體熔化均勻充分,更好地與基體形成冶金結合,降低氣孔產生的概率,能夠對硬質合金涂層起到均勻化作用、固溶強化作用和強韌化作用[30]。鐘文華等[31]研究發(fā)現,熔覆層中的Y2O3分解出Y+離子,與S、P等有害元素結合上浮凈化涂層,同時釘扎于晶界,阻止裂紋的形成與擴展,從而提高涂層韌性[32]?？锝ㄐ碌萚33]研究發(fā)現,在鎳包碳化鈦粉末中加入稀土氧化物La2O3可以使熔覆層組織細化,減小甚至消除裂紋,增加涂層韌性,其含量為0.4%時效果最好。王成磊等[34]研究發(fā)現,添加稀土氧化物可以有效改變熔覆層的組織性能,適量的CeO2能夠細化涂層組織,抑制裂紋的產生,增加涂層韌性。但是稀土摻雜過量反而不利于改善涂層組織,因此需要合理控制稀土元素的摻入比例[35]。

2.2 增加過渡層

采用具有良好韌性且與基體物理特性匹配較好的粉末做底層,即在基體與熔覆層中間設置這樣一過渡層或者梯度層,可使硬度較高的熔覆層與基體間內應力減小,減少因過大的應力產生的裂紋[36]。中間過渡區(qū)域可以緩和基體與熔覆層因熱膨脹系數不同而產生的殘余應力,從而增強涂層韌性防止涂層開裂。沈大臣等[37]在模具鋼表面熔覆一層Ni20Cr涂層作為打底層,接著在Ni20Cr涂層上連續(xù)熔覆兩層Ni60A涂層,結果表明,采用Ni20Cr涂層作為打底層的多層Ni基合金涂層,能有效改善涂層與基體的冶金結合,大大減少涂層中的裂紋、氣孔等缺陷。范鵬飛等[38]在45鋼基體表面逐層熔覆了Fe1合金過渡層和Fe5合金強化層,結果表明,梯度熔覆層表面形貌良好,無宏觀裂紋,內部組織致密無缺陷,且各層之間呈現良好的冶金結合,過渡層與強化層結合處的晶粒出現了細化,上層晶粒比下層晶粒細小,如圖3所示。Wang等[39]采用設置奧氏體不銹鋼網的新工藝熔覆鎳基、鈷基和鐵基合金粉末,獲得了大面積無裂紋強冶金結合的涂層。通過設置奧氏體不銹鋼網使得鎳基涂層上穿透性裂紋變成非穿透性裂紋,如圖4(a,b)所示,使得鈷基涂層沒有裂紋,如圖4(c,d)所示。

圖3 Fe合金梯度熔覆層的OM形貌[38](a)Fe1過渡層;(b)Fe1過渡層與Fe5強化層交界處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

圖4 Ni60(a,b)和CoO2(c,d)包覆層的裂縫狀態(tài)[39](a)未添加不銹鋼網;(b,c)添加不銹鋼網;(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 morphology

2.3 優(yōu)化工藝參數

在激光熔覆過程中,激光束的功率P、掃描速率V、光斑的直徑D等都對熔覆層的質量有重要影響,稀釋率是涂層質量的體現,而稀釋率又受比能E的影響。

(1)

研究表明,比能E過大過小都不利于獲得性能優(yōu)異的涂層,E過低,涂層稀釋率也相應變低,基體與熔覆層不能獲得良好的冶金結合,熔覆層表面也易出現氣孔裂紋等缺陷;比能E過高,稀釋率也相應增大,熔池里金屬將充分混合,不能發(fā)揮熔覆粉體的優(yōu)良性能[40]。童文輝等[41]研究激光熔覆工藝參數對TiC顆粒增強鈷基合金涂層的影響發(fā)現,通過改變激光功率和掃描速率等激光工藝參數可以實現對熔覆層中TiC顆粒的形貌、尺寸與分布進行調控。趙栓峰等[42]研究發(fā)現,激光掃描速度過快導致熔覆層成形不均勻,掃描速度過慢則會形成較大的晶體組織,適當的掃描速度可以獲得較為致密的熔覆層和較好的韌性。

易湘斌等[43]研究表明,隨著掃描速度的增大,熔覆層組織得到明顯細化,相應硬度提高,殘余應力變低,韌性提高。譚金花等[44]研究發(fā)現,提高激光掃描速率能夠提高熔覆層的硬度和耐磨性,但是過高的激光掃描速率也會使熔覆層出現孔隙、裂紋等缺陷,使得涂層韌性降低。鄭啟池等[19]發(fā)現,隨著激光功率的提高,涂層裂紋先增多后減少,當功率為1.8 kW時,涂層裂紋最少,此時涂層韌性較好。韓基泰等[45]研究不同激光功率對42CrMo鋼熔覆層性能的影響,當激光功率為1600 W時,熔覆層組織中的晶粒細化均勻,且為細小的等軸晶,組織較為致密。Fu等[46]通過理論和試驗研究發(fā)現,激光Ni60涂層的裂紋率與激光熔覆參數的變化密切關聯,如表1和表2所示,在其他參數不變的情況下,裂紋率隨著激光功率的增加而逐漸減小,隨著距激光源距離的增加而逐漸增大。

表1 不同功率下Ni60熔覆層的裂紋特征[46]Table 1 Crack characteristics of clad Ni60 coating under different powers[46]

表2 不同離焦距離下Ni60熔覆層裂紋的特征[46]Table 2 Crack characteristics of clad Ni60 coating under different defocus distances[46]

2.4 熱處理

2.4.1 預熱和后熱處理

對激光熔覆涂層進行熱處理,從根本上看是讓涂層中相有序化和元素均勻化[47]。對基體進行適當的預熱可以有效地降低涂層內的溫度梯度,減小熱應力,提高涂層韌性。研究表明,對基體進行適當的預熱可以顯著降低熔覆層的冷卻速度,減小殘余應力,抑制裂紋產生[48-49]。如圖5所示,基體無預熱情況下可以看到裂紋存在(箭頭所指),基體200 ℃預熱后則看不到明顯裂紋[49]。

圖5 Ni基WC涂層的宏觀形貌[49](a)基體無預熱;(b)基體200 ℃預熱Fig.5 Macroscopic morphologies of Ni-based WC coating[49](a) substrate without preheating; (b) substrate with preheating at 200 ℃

為提高熔覆層韌性,降低涂層開裂傾向,僅采用預熱基體方法比較單一,有時不能達到預期效果。吳祖鵬等[50]提出預熱加保溫激光熔覆復合工藝技術,在45鋼上制備了無裂紋的Ni60A合金涂層。研究發(fā)現,預熱加保溫能夠明顯降低熔池的冷卻速度,從而改善熔池的溫度分布并減少晶間共晶硬質相,增加熔凝過程中的韌性相γ,使得熔覆層韌性增強且殘余熱應力降低,表現出裂紋減少甚至消失。對粉末進行熱處理,改善粉末與增強相的結合能力,也能提高熔覆涂層的硬度和韌性[24]。對已獲得的涂層進行熱處理能夠使涂層均勻化,顯著降低涂層的缺陷密度,釋放涂層殘余應力,提高涂層的強度和韌性[51]。張堯成等[52]研究發(fā)現,后熱處理能夠提高涂層的抗拉強度和抗開裂能力。Taposh等[53]對后熱處理的激光熔覆涂層進行縱向和橫向力學測試,發(fā)現后熱處理能提高熔覆層的伸長率、屈服強度以及極限抗拉強度。熔覆后涂層的綜合性能與熱處理溫度和保溫時間等熱處理工藝參數密切相關[47]。在恰當的熱處理溫度下保溫合適的時間能獲得最佳的組織結構,熱處理溫度過低則涂層的性能幾乎不改變,熱處理溫度過高則削弱涂層的硬度和基材性能。崔宸等[54]探究不同溫度熱處理下的涂層性能,發(fā)現在900 ℃下熱處理1 h,涂層的硬度提高明顯,摩擦因數顯著降低。李麗等[55]研究發(fā)現,Stellite6合金涂層在高溫1100 ℃下固溶10 h,由于晶粒長大,涂層硬度有所減小,但涂層相和元素分布均勻,涂層的韌性和塑性都有提高。陸小龍等[56]研究熱處理對NiCr/Cr3C2-WS2熔覆層的影響也獲得相似的結果。鄧德偉等[57]對獲得的316L不銹鋼熔覆涂層在不同溫度下退火2 h,發(fā)現退火處理能明顯細化晶粒,退火溫度越高,樹枝狀晶數量越低,晶粒尺寸更加均勻,如圖6所示。分析得出,退火處理能較大限度地改善殘余應力,退火溫度越高,殘余應力下降幅度越大。

圖6 不同溫度退火2 h后316L不銹鋼熔覆層的顯微組織[57]Fig.6 Microstructure of 316L stainless steel clad layer after annealing at different temperatures for 2 h[57](a) 200 ℃; (b) 400 ℃; (c) 600 ℃; (d) 800 ℃

預熱和后熱處理可以顯著降低熔池的溫度梯度,增加韌性,抑制裂紋的產生,但是預熱和后熱處理過程會產生過高的溫度,容易影響薄壁零件的內部應力分布,可能導致工件變形。因此預熱保溫和后熱處理在強化或修復精密薄壁零件中受到一定限制。

2.4.2 激光重熔

在完成激光熔覆后立刻進行一次或多次激光重熔可以達到消除涂層表面缺陷,提高涂層韌性的目的。張蕾濤等[58]通過激光熔覆+重熔處理方法在45鋼表面熔覆得到無裂紋的Ni60/50%WC復合涂層。研究發(fā)現,激光重熔具有二次排渣排氣、愈合裂紋,改善表面粗糙度,改善涂層組織的不均勻性和致密性的作用。Lu等[59]采用三次激光掃描的方法制備鐵基非晶涂層,即第一次激光掃描加熱基體,第二次激光熔覆形成非晶涂層,緊接著第三次激光重熔非晶涂層,得到了無裂紋的熔覆層。激光重熔基本消除了涂層缺陷,還使涂層彈性模量和韌性大幅度提高。

2.5 外加能場

2.5.1 超聲振動對激光熔覆涂層的影響

激光熔覆過程中,采用外部能量場輔助能夠減少熔覆層的缺陷。機械振動往往振動頻率較低,能夠促進熔池內部流動和等軸晶的形成[60-61]。對細化熔覆層晶粒有著積極的作用,然而熔池內部振動能量在向上傳遞時的損失往往較大,所以對熔池中上部位的影響甚微,因此,可在激光熔覆過程中施加超高頻超聲振動,超聲振動器置于基體下方,通過基體向熔池引入超聲波。同時,超聲振動產生的效應能夠對熔池起攪拌作用,降低孔隙率,細化熔覆層晶粒。沈言錦等[62]研究了超聲波功率對熔覆層微觀組織的影響,發(fā)現引入一定功率的超聲可以顯著細化WC顆粒增強鐵基涂層的顯微組織,如圖7所示。

圖7 不同超聲波功率下激光熔覆WC顆粒增強鐵基涂層的顯微組織[62]Fig.7 Microstructure of laser clad WC particles reinforced iron-based coating under different ultrasonic powers[62](a) 0 W; (b) 250 W; (c) 500 W; (d) 750 W; (e) 1000 W; (f) 1250 W

如圖8[63]所示,超聲振動使得熔池產生空化效應、機械效應、聲流效應和熱效應,不同效應均能對涂層產生重要影響,能夠使基體和熔融的粉末更好地混合,提高結合強度,促使熔覆層分布均勻,減小各區(qū)域之間由于凝固收縮產生的應力,抑制裂紋的生成。

圖8 超聲輔助激光熔覆過程的作用機理[63]Fig.8 Mechanism of ultrasonic assisted laser cladding process[63]

Ma等[64]研究發(fā)現,引入超聲振動產生細化的晶粒組織能夠抑制裂紋的擴展從而提高涂層韌性。李洋[65]發(fā)現超聲振動產生的機械效應能夠改善熔池中的微環(huán)境,消除孔隙,極大減少熔覆層中的裂紋,增加涂層韌性。Yan等[66]研究發(fā)現,表面超聲振動使熔覆層晶體間共晶間距減小,抑制裂紋的生成,提高涂層韌性。欽蘭云等[67]研究發(fā)現,超聲空化效應和機械效應能夠細化晶粒,均勻組織成分,減小試件的殘余應力,增加韌性并消除裂紋。李德英等[68]研究表明,引入超聲振動后能夠有效降低熔覆層的溫度梯度,殘余應力相應降低,增加涂層的抗開裂能力。

2.5.2 電磁場對激光熔覆涂層的影響

在激光熔覆過程中外加輔助磁場也是近些年研究的熱點,并取得了一些成效。電磁復合輔助激光熔覆示意圖如圖9[69]所示。

圖9 電磁復合場輔助激光熔覆示意圖[69]Fig.9 Electromagnetic composite field assisted laser cladding diagram[69]

金屬熔體在磁場作用下會產生感應電流,感應電流與磁場相互作用會形成電磁力,電磁力對熔池起攪拌作用使熔池產生強制對流,促進熔體流動,達到細化晶粒、減小組織缺陷的作用[70]。Chen等[71]發(fā)現,在電流和洛倫茲力作用下熔覆層表層熔池流速降低,從而改變熔覆層外觀質量,降低熔覆層高度。Velde等[72]研究表明,穩(wěn)態(tài)磁場中洛倫茲力在一定程度上限制熔池中對流速度,減小了熔覆層的溫度梯度,使得各元素均勻分布,提高了涂層韌性,減少了裂紋的形成。余本海等[73]研究發(fā)現,電磁攪拌可以使WC-Co基合金熔池溫度分布均勻,細化晶粒,限制應力集中。如圖10所示,激光熔覆層晶粒尺寸減小,晶粒細化且分布較均勻。

林華英等[74]研究表明,電磁復合場能夠降低熔覆層脆性相偏聚區(qū)裂紋的產生,提高涂層韌性,獲得無裂紋的涂層。胡勇等[75]采用穩(wěn)態(tài)磁場和電場耦合形成定向洛倫茲力,發(fā)現定向洛倫茲力具有優(yōu)異的氣孔調控能力,當洛倫茲力向上時,熔池的最高流速被抑制了62.5%,氣泡運動方向向下偏轉,熔覆層的氣孔明顯增多;當洛倫茲力向下時,熔池的最高流速被抑制了25%,但氣泡因所受浮力增大而逸出加速,熔覆層無氣孔。曹陽等[76]研究不同磁場強度對合金熔覆層的影響,發(fā)現隨著磁場強度的增大,熔覆層組織逐漸細化,當磁場強度為30 mT時,涂層具有最佳的韌性和耐磨性能。施加在激光熔覆涂層上的磁場可以分為交變磁場[77]、穩(wěn)恒磁場[78]、旋轉磁場[79]等,不同磁場作用效果也會不同,這需要學者進一步研究。

2.5.3 超聲振動和磁場共同作用對激光熔覆涂層的影響

將超聲振動和電磁場結合起來共同作用在激光熔覆過程中的熔池上也可以提高熔覆層韌性。電磁場誘導的洛倫茲力不僅增加了熔池中氣體逃逸速度,而且增強了超聲誘導效應,如空化效應和聲學效應,在激光熔覆過程中有利于減少孔隙。徐家樂[80]通過研究得出,利用超聲振動和磁場的耦合協(xié)同作用,使激光熔覆的熔池產生強烈的對流攪動,使超聲空化效應傳遞至整個熔池,電磁場擴大了超聲空化的范圍,相互促進,進而獲得整個熔池的細化與均勻化,使熔覆層的性能顯著提高。超聲振動輔助和磁場輔助以合適的方式結合,提升涂層韌性,可以使熔覆層獲得預期的性能,但二者之間的協(xié)同作用機制還待深入研究。

3 總結和展望

提高涂層韌性對消除涂層裂紋、抑制涂層開裂等問題提供了直接有效的辦法,本文總結了增強激光熔覆涂層韌性方法的研究進展,提高激光熔覆涂層韌性的方法很多,如改變粉體組成、設置過渡層、優(yōu)化激光熔覆的工藝參數、對熔覆過程進行適當預熱和后熱處理以及采用外加能場輔助設備等。改變粉體組成或設置過渡層可以顯著提高熔覆層表面性能,增加韌性,但是高價格的特殊粉體以及過渡層的加入也提高了生產成本和加工復雜度,限制了此方法的廣泛適應。優(yōu)化激光工藝參數獲得廣泛應用,對于熔覆不同的粉體,激光功率、掃描速度、光斑直徑都不同,都需要通過大量試驗研究給出一個最優(yōu)范圍,還需要學者們繼續(xù)深入研究。

普通熱處理是通過在熔覆前對基體預熱、熔覆后對涂層及基體整體加熱保溫及改變冷卻方式等提高涂層韌性,對于熔覆后涂層的熱處理不能消除已經產生的裂紋,只能對現有的涂層進行增韌,而激光重熔是在已有的涂層上在不加粉末的前提下再次進行激光熔化凝固的過程,能夠修復激光熔覆涂層產生的缺陷,改變涂層性能。超聲振動和磁場輔助作用于熔池,通過改變熔融狀態(tài)來增韌并提高熔覆層的表面質量,此方法和優(yōu)化激光熔覆參數一樣需要一個最優(yōu)的參數方案,功率的大小和兩者之間的不同配合都對熔覆層有著很大的影響,需要學者們深入研究。