激光熔覆制备纳米结构涂层的研究进展

综述了激光熔覆制备纳米结构复合涂层的研究进展。着重介绍了激光熔覆制备金属基纳米粒子增强涂层的组织结构和性能特征。对比分析了激光熔覆和其他涂层制备方法的优缺点。阐述了激光熔覆制备纳米复合涂层存在的主要问题,并对技术发展前景和应用领域进行了展望。     

激光熔覆Ni包纳米氧化铝的组织和性能研究

把不同成分Ni包纳米氧化铝预置在不锈钢表面 ,用 7kWCO2 激光器进行扫描 ,利用金相分析仪器、能谱分析仪器等设备 ,研究了激光扫描参数、熔覆层组成对熔覆层组织的影响 ,得到了纳米氧化铝弥散分布的强化表面 ,并通过磨损对比试验表明激光熔覆Ni包Al2 O3 后覆层的耐磨性能提高 2 - 3倍。     

激光熔覆纳米碳化钨涂层组织和性能

采用7KW横流CO2激光器在2Cr13不锈钢基体上进行了激光熔覆纳米WC粉末的实验。使用扫描电镜(SEM)、X射线衍射(XRD)、X射线能量色散谱仪(EDAX)、显微硬度仪等设备检验了涂层的组织和性能。结果表明:采用激光熔覆纳米WC粉末的方法可以得到致密的复合涂层;涂层熔覆区呈现出典型的Fe的胞状树枝晶和树枝晶间的Fe-C-W组织;XRD分析表明,复合涂层主要由Fe、WC、W2C和Fe3C几种相组成;涂层的性能测试结果表明:表面硬度为1750HV,熔覆层平均硬度为1200HV,耐磨损性能比基体提高了2.5倍。     

激光熔覆镍基纳米WC/Co复合涂层的断裂韧性Kc的研究

对45钢表面激光熔覆Ni基纳米WC/Co复合涂层的断裂韧性Kc进行了研究。结果表明:激光熔覆Ni基纳米复合涂层的Kc≥18.0MN.m-3/2,而喷焊Ni基WC/Co复合涂层的Kc平均值为8.1 MN.m-3/2(最低值为4.4 MN.m-3/2)。分析认为:在本研究条件下,激光熔覆Ni基纳米WC/Co复合涂层中形成的呈三维网络结构分布的碳化物相及呈弥散分布的超细碳化物相的综合增强作用是该涂层断裂韧性Kc比常规喷焊同样材料(非纳米)涂层的Kc明显提高的主要原因。     

纳米TiC/C对激光熔覆镍基合金涂层组织和性能的影响

采用激光熔覆技术在38CrMoAl钢表面制备了不同纳米TiC/C添加量的镍基复合涂层。利用现代微观分析技术和性能检测手段,系统分析了纳米TiC/C添加量对镍基复合涂层微观组织形貌和性能的影响规律。结果表明,不同纳米TiC/C添加量镍基复合涂层主要是由γ-Ni、Ni3B和M23C6相组成。但有所不同的是,随着纳米TiC/C添加量的增加,γ-Ni树枝晶的数量呈现出先增后减的变化趋势,而其尺寸的变化趋势则相反。在纳米TiC/C的质量分数超过3.5%时,组织中开始有明显TiC颗粒存在,且其数量和尺寸呈逐渐增加的变化趋势。由于受晶粒细化和TiC硬质强化这两个关键因素的影响,复合涂层的硬度随着纳米TiC/C添加量的增加而升高,而耐磨性则在纳米TiC/C添加量为5.0%时达到最高,其源于细小TiC硬质相低的缺陷及其与周围基体高的协调变形能力。     

纳米SiC含量对激光熔覆镍基合金组织性能影响

采用预置式,在45^#钢基体表面,铺设0.8 mm厚度的纳米SiC增强NiFeBSi复合合金粉末。利用3 kW横流CO₂激光,熔覆不同增强比例的复合涂层。利用X射线衍射（XRD）仪,扫描电镜（SEM）、显微硬度仪、摩擦磨损试验机分别对不同增强比例涂层进行微观组织、力学性能的分析及讨论。探究了纳米SiC含量对熔覆层组织性能的影响。研究结果表明,NiFeBSi+纳米SiC复合涂层具有与NiFeBSi合金涂层相似的组织形貌特征,在激光熔覆过程中纳米SiC颗粒的分解,致使γ（Fe,Ni）枝晶间上形成了多种碳化物。因此,显著提高了NiFeBSi合金涂层的硬度,并随着纳米SiC的掺入量增多,硬度提高显著。纳米SiC的加入显著地增强了熔覆层的耐磨性能,但随含量增加磨痕表面产生脆性变形和裂纹,其中NiFeBSi+w（SiC）=7%复合涂层的耐磨性能最好。     

40Cr表面激光熔覆镍基合金的组织研究

利用DL-T5000型二氧化碳激光器在40cr表面熔覆镍基合金,分析了激光熔覆层的显微组织,测试了其显微硬度及磨损性能.结果表明:所制得熔覆层组织致密、无裂纹,与基体形成了良好的冶金结合.从熔覆层表面到基体热影响区,组织依次为大量的树枝晶、等轴晶、柱状晶.熔覆层的硬度较基体提高了4倍,熔覆层磨损量约为基体磨损量的1/3...     

低碳钢表面激光熔覆纳米TiAl合金涂层的显微组织

本文研究了在低碳钢表面激光熔覆纳米TiAl合金涂层的显微组织,以探索纳米材料在表面工程领域中的应用。研究结果表明低碳钢表面激光熔覆纳米TiAl合金涂层熔区组织仍为钢基组织,但熔区的晶粒大小仅为0 .8μm～1.2 μm ,比不用纳米TiAl合金的熔区晶粒约小一个数量级;在熔区的最表层形成了一新的致密的薄层组织(约为1μm)。低碳钢表面激光熔覆纳米TiAl合金涂层中形成细小的晶粒组织和致密的氧化物可以显著地提高其力学性能(硬度)和耐腐蚀性能。     

镁合金表面激光熔覆纳米三氧化二铝

镁合金由于密度小、比强度高、良好的导电和导热性而成为工业结构工程和运输工具中非常有应用前景的工程材料.但由于镁合金的耐磨性差,成为阻碍镁合金应用与汽车工业或其他工程部件中作为转动部件的一大障碍.为提高镁合金的表面耐磨性.各种表面处理技术应运而生.其中激光表面改性处理技术比较引人瞩目.为提高镁合金的表面耐磨性.采用激光熔覆纳米Al2O3颗粒的办法对ZM5镁合金进行了表面改性处理.激光改性是采用500 W脉冲Nd:YAG熔化预置在ZM5表面的纳米三氧化二铝进行处理的.激光熔覆后,对改性层的显微结构进行了分析.同时对显微硬度与激光加工参数之间的关系以及耐磨性均进行了测试.改性层的显微硬度可以高达350 HV,而基材的显微硬度只有100 HV.激光改性处理层的耐磨性与基材相比也得到了显著的提高.     

激光熔覆镍基涂层的组织与磨损特性

利用大功率激光在1Cr18Ni9Ti表面熔覆NiCrBSi涂层,采用SEM、EDS和MM2000磨损试验机研究了不同激光功率下熔覆层的显微组织、成分及磨损特性.结果表明,熔覆层由熔覆区和结合区两部分组成,熔覆区主要有γ-(Ni,Fe)、CrB等多种相结构,呈现出树枝晶、不规则颗粒状、针状及共晶形式等多种形貌.结合区为细小柱状晶,激光功率增大,稀释率增大.熔覆层的磨损为磨粒磨损和粘着磨损共同作用的结果,磨损率分布在(2.2～2.6)×10-5 mm3/m.N之间,平均摩擦系数为0.52.激光功率增加,耐磨性下降.EDS分析表明主要元素Ni、Fe、Cr、Si在熔覆层中均匀分布.高功率激光熔覆层中,Fe含量所占比重明显增加.     

纳米Al2O3/Ni基合金复合材料激光熔覆层组织

采用横流5kW CO2激光，在Ni基高温合金表面制备了纳米Al2O3／Ni基合金复合材料激光熔覆层。利用光学显微镜、扫描电镜(SEM)及附件(EDS)分析了熔覆层的快速凝固组织、成分及纳米颗粒的分布。结果表明，未加纳米Al2O3时界面区为垂直于界面、定向生长的柱状树枝晶组织；加入纳米Al2O3后，熔池凝固结晶组织形态发生变化，由细长的柱状树枝晶逐步过渡为较短的树枝晶；当Al2O3的加入量为1％时，熔覆层与基体的界面区不出现定向生长，整个断面呈现等轴枝晶组织；纳米Al2O3促进固液界面前沿形核，纳米Al2O3附着在晶体生长的前沿，阻碍晶体的长大，凝固组织得到显著细化；纳米Al2O3颗粒抑制了熔覆层裂纹的形成。     

钛合金表面激光熔覆Ti C复合涂层的设计

钛合金具有比强度高、耐腐蚀性能好等优点, 但其硬度低、耐磨性能差, 限制了它在航空工程摩擦构件和生物医学工程上的应用。研究自行设计了3种预涂粉层的成分, 采用HL-5000型横流CO2激光加工机在TC4钛合金表面相应地制备了TiC+Ti、 TiC+Ti+ F102和TiC+ F102 3种熔覆层。通过SEM, EDAX, XRD, HXD-1000TMC型显微硬度计, HT-600型高温摩擦磨损试验机, 分析了熔覆层的显微组织、成分、物相, 测试了激光熔覆层的显微硬度和滑动摩擦磨损性能。结果表明: (TiC+Ti+ F102)和(TiC+ F102)熔覆层有可能用于航空结构材料;而(TiC+Ti)熔覆层有希望用于生物医学功能材料, 但仍需作进一步的研究。     

宽带激光熔覆NiWC梯度复合涂层组织与性能

采用自重送粉法,在40Cr钢表面用宽带激光熔覆了NiWC复合梯度涂层。RDX分析表明,NiWC复合梯度涂层熔覆区主要是由γNi、M23C6、M7C3、Ni3B、WC和W2C所构成。涂层组织形貌特征随着由Ni-50%WC、Ni-25%WC、Ni-10%WC和Ni基合金各亚层的渐次过渡而发生明显变化在复合梯度涂层熔覆区各亚层交界处因激光重熔作用其显微硬度明显降低,致使熔覆区沿层深方向出现了几个软化微区;在干滑动摩擦磨损条件下,Ni-WC复合梯度涂层具有很高的耐磨性,其主要磨损机制为磨粒磨损和WC颗粒剥落磨损。     

激光熔覆Ni基WC/Cr_3C_2涂层显微组织和耐蚀性研究

利用大功率CO2激光器在45钢表面激光熔覆制备Ni基WC/Cr3C2涂层。使用电子探针(EPMA)、X射线衍射仪(XRD)、扫描电镜(SEM)和M352电化学测试系统对熔覆层成分、物相组成、显微组织和耐蚀性进行研究。结果表明,Ni基WC/Cr3C2熔覆层表面光亮无裂纹,润湿性和脱渣性良好。熔覆层主要由Cr2Ni3、γ-(Fe,Ni)、Ni17W3、Fe0.64Ni0.36、WC、Cr7C3和CrSi2等物相组成。熔覆层底部为发达的树枝晶,树枝晶和枝晶间都含有大量的Fe元素;中部为γ-(Fe,Ni)基体上分布着大量长条状碳化物Cr7C3以及少量零散分布的菊花状硅化物CrSi2等强化相;顶部组织与中部相似,但晶粒更加细小致密。Ni基WC/Cr3C2熔覆层自腐蚀电位为-395.9 mV,自腐蚀电流密度为2.75μA/cm2,耐蚀性较Ni基WC涂层明显提高。     

激光熔覆铁基合金涂层的高温氧化性能

通过在Fe基合金粉末中添加Cr3C2的方法,在35CrMo钢表面激光熔覆制备抗高温氧化Fe基合金复合涂层。采用扫描电镜(SEM)、能谱分析仪(EDS)、X射线衍射仪(XRD)等分析手段对激光熔覆层600℃氧化100h后的氧化膜形貌及成分进行分析,研究不同Cr3C2含量对抗高温氧化性能的影响。结果表明,激光熔覆Fe基合金涂层组织均匀致密,与基体结合良好,无裂纹、气孔等缺陷。在600℃下,Fe基合金涂层和添加Cr3C2的Fe基合金涂层的抗高温氧化性能均明显优于基体,其累计氧化增重及增重速率远远小于基体。Fe基合金熔覆层600℃氧化后表面形成了FeCr2O4尖晶石氧化物,具有较好的抗氧化能力。由于添加的Cr3C2熔覆过程中发生分解,使熔池中Cr元素含量提高,高温下试样表面形成连续完整的Cr2O3氧化膜,故添加Cr3C2的熔覆层的抗高温氧化性能提高。     

激光熔覆Ni/WC复合涂层的组织和性能

采用激光熔覆方法在A3钢基体上制备Ni/WC复合涂层 ,研究了不同激光功率下复合涂层中WC颗粒的形貌与分布及其对涂层耐磨性能的影响。结果表明 ,在Ni/WC复合涂层中 ,合理的激光功率使WC颗粒部分熔化 ,并在颗粒周围重新凝固并析出针状碳化物 ,这既有利于提高涂层的硬度又能使未熔化的WC颗粒与涂层基体合金牢固结合。     

镁合金表面激光熔覆Cu-Zr-Al非晶复合涂层

采用激光熔覆技术在镁合金表面制备了Cu-Zr-Al非晶复合涂层。研究结果表明,非晶复合涂层主要是由非晶及Cu10Zr7和Cu8Zr3相构成,其中非晶相的摩尔分数约为60%。涂层结合区与基体之间的结合形态为非平直晶面型;热影响区由细小的α-Mg -βMg17Al12过饱和固溶体构成;由于高的铝含量增加了热影响区应力腐蚀敏感性,致使在金相腐蚀时其内部局部区域及与熔覆层结合处产生裂纹。在非晶相和金属间化合物复合作用下,复合涂层具有高的硬度、弹性模量、耐磨性和耐蚀性。