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激光熔覆與LC對比優(yōu)勢
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作者:輝銳集團
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發(fā)布時間: 2021-06-03
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LC 與激光熔覆相比用于在基材上產(chǎn)生相對較厚（通常為 50 μm 至 2 mm）且均勻覆蓋的涂層材料，并具有熔接。LC 可以通過高功率激光束實現(xiàn)，以輕微熔化基板表面，同時將粉末材料輸送到熔池中，如圖 1 所示。LC 也可以通過完全熔化預(yù)先沉積在基板上的材料或通過最小稀釋的送絲來執(zhí)行。
與傳統(tǒng)的激光熔覆技術(shù)（如熱噴涂和電弧焊）相比，LC 具有許多優(yōu)勢。與熱噴涂相比，這些優(yōu)點包括熔接和減少（或消除）孔隙和裂紋；與電弧焊相比，稀釋度降低（通常 <5%），熱影響區(qū)極窄且熱變形低，包層后加工成本降低。對于表面保護領(lǐng)域的大多數(shù) LC 應(yīng)用，CW CO 2通常使用 Nd:YAG 激光器。然而，近年來，HPDL 的使用越來越多，尤其是在工業(yè)環(huán)境中，具有降低運營和投資成本、插頭效率高、尺寸緊湊等優(yōu)點。由于與該過程相關(guān)的固有快速冷卻速率，LC 能夠產(chǎn)生非常精細、均勻的微觀結(jié)構(gòu)和非平衡合金，這促進了非晶相或非平衡結(jié)晶相的形成，并具有擴展的固溶體。
LC 已發(fā)現(xiàn)在各種應(yīng)用中相對廣泛地用于保護材料免受腐蝕和氧化，包括鋁合金、鎂合金、碳鋼、不銹鋼和各種金屬基復(fù)合材料。含鋁、鋁合金和其他合金元素的鎂合金上的 LC 顯著提高了耐腐蝕性和耐磨性。例如，激光熔覆 Mg 27 Al 73的腐蝕速率比商業(yè)生產(chǎn)的 AZ91B 低一個數(shù)量級，比 Mg 在 3.5% NaCl 溶液中的腐蝕速率低兩個數(shù)量級，2這是由于復(fù)合材料上的鈍化膜比 AZ91B 和 Mg 基體的鈍化膜要穩(wěn)定得多，這是由于 Al 的微觀結(jié)構(gòu)的細化和擴展的固溶體。此外，厚度為1.5 mm的非晶合金Zr 65 Al 7.5 Ni 10 Cu 17.5 LC 在商業(yè)純Mg基體上的耐腐蝕性和耐磨性優(yōu)于未涂層基體，但腐蝕電流密度降低在 3.5% NaCl 溶液中增加三個數(shù)量級。5此外，激光熔覆Al 2 O 3的腐蝕電流密度比 AZ91HP 鎂合金在 3.5% NaCl 溶液中的低三個數(shù)量級。
LC也可以應(yīng)用于用于延長固體溶解度的限制稀土添加物（例如，釔，錸 鉿中，和鈰）鎳基超合金在高溫下，以提高其耐氧化性。在平衡條件下，稀土金屬 在室溫下的最大固溶度為~ 0.2 wt%。然而，由 Ni-(Fe,Cr)-Al - Hf - Re LC 生產(chǎn)的合金導(dǎo)致合金元素在復(fù)合基體中的均勻分布，合金添加物的固溶度增加，顯微組織顯著細化，并形成亞穩(wěn)富錸和鉿相。7,8在熱循環(huán)氧化條件下，包層材料的重量變化可以忽略不計，而基材 (Rene80) 會出現(xiàn)大量的鱗片剝落。9此外，NiCrAlY 合金在Hastelloy X 基體上的 LC產(chǎn)生柱狀枝晶結(jié)構(gòu)，無孔隙和微裂紋，由 γ-Ni 固溶體和接近表面的少量 Al 5 Y 3O 12 組成，表現(xiàn)出優(yōu)異的等溫氧化行為。
通過在高溫合金基底上氧化釔穩(wěn)定氧化鋯(YSZ)的 LC，已開發(fā)出一種用于燃氣輪機葉片的新型熱障涂層(TBC) 。11液晶在快速凝固過程中產(chǎn)生定向外延生長、緊密堆積的柱狀結(jié)構(gòu)。這促進了在 NiCoCrAlY 層和柱狀陶瓷層之間形成氧化鋁層，從而提供柱狀層對 NiCoCrAlY 層的粘附。ZrO 2層與NiCoCrAlY合金層之間以及合金層與基體之間具有良好的冶金結(jié)合。ZrO 2的化學(xué)改性可用于消除涂層的微裂紋。這種激光熔覆熱障涂層在 1200 °C空氣中的抗氧化性明顯高于等離子噴涂涂層。此外，含有 60% Ni、19% Cr、11% Al 和 6.4% Fe 的 LC 顯示出比 Incoloy 800H 更出色的耐腐蝕性，12因此這些涂層可在溫度水平的高溫應(yīng)用中用作氧化屏障超過可以使用 Incoloy 800H 的最大限制。
鈦基合金是一種高強度、輕質(zhì)材料，廣泛用于航空航天工業(yè)的機身結(jié)構(gòu)和飛機發(fā)動機部件（例如翼型）。然而，鈦合金在600 ℃以上的溫度下抗氧化性較差。翼型最關(guān)鍵的部分是它的尖端， 在發(fā)動機工作條件下，它通常暴露在 >500 °C 的高溫下。50Nb-50Ti 合金在翼型（Ti-6A1-4V 合金）尖端的 LC 導(dǎo)致 在空氣中 1000 °C 時具有優(yōu)異的抗氧化性。相比之下，未包覆的 Ti-6Al-4V 合金形成了 500-μm 厚的多孔氧化物層，它傾向于從基材上剝落，在 48 小時內(nèi)形成具有良好附著力的 100-μm 氧化物。13用于工業(yè)應(yīng)用的這種 LC 工藝的重要特征包括激光束能夠跟隨機翼的輪廓；激光熔覆鈮與翼型之間的良好結(jié)合，并且易于控制熔覆層的厚度和成分。
在城市垃圾焚燒爐 (MWI) 中，過熱器或鍋爐管等關(guān)鍵部件通常會因腐蝕而退化。尤其是在現(xiàn)代廢物轉(zhuǎn)化能源 (WTE) 工廠中，提高效率的需求需要在更高的溫度下運行，這反過來又會提高腐蝕率。LC 已成功用于生產(chǎn)過熱器和鍋爐管上的防腐和抗侵蝕涂層。與火焰噴涂產(chǎn)生的保護涂層相比，LC 幾乎沒有孔隙，并確保與基材的冶金結(jié)合，因此復(fù)合管可以彎曲而不會因開裂或剝落而造成任何損壞。這是過熱器線圈彎曲結(jié)構(gòu)和整體激光熔覆過熱器組件生產(chǎn)的重要進展。一臺自動二極管激光器用于工業(yè)生產(chǎn) MWI 過熱器和鍋爐復(fù)合管的工作站已在歐洲 MWI 工廠進行了演示和安裝。
與傳統(tǒng)的激光熔覆技術(shù)（如熱噴涂和電弧焊）相比，LC 具有許多優(yōu)勢。與熱噴涂相比，這些優(yōu)點包括熔接和減少（或消除）孔隙和裂紋；與電弧焊相比，稀釋度降低（通常 <5%），熱影響區(qū)極窄且熱變形低，包層后加工成本降低。對于表面保護領(lǐng)域的大多數(shù) LC 應(yīng)用，CW CO 2通常使用 Nd:YAG 激光器。然而，近年來，HPDL 的使用越來越多，尤其是在工業(yè)環(huán)境中，具有降低運營和投資成本、插頭效率高、尺寸緊湊等優(yōu)點。由于與該過程相關(guān)的固有快速冷卻速率，LC 能夠產(chǎn)生非常精細、均勻的微觀結(jié)構(gòu)和非平衡合金，這促進了非晶相或非平衡結(jié)晶相的形成，并具有擴展的固溶體。
LC 已發(fā)現(xiàn)在各種應(yīng)用中相對廣泛地用于保護材料免受腐蝕和氧化，包括鋁合金、鎂合金、碳鋼、不銹鋼和各種金屬基復(fù)合材料。含鋁、鋁合金和其他合金元素的鎂合金上的 LC 顯著提高了耐腐蝕性和耐磨性。例如，激光熔覆 Mg 27 Al 73的腐蝕速率比商業(yè)生產(chǎn)的 AZ91B 低一個數(shù)量級，比 Mg 在 3.5% NaCl 溶液中的腐蝕速率低兩個數(shù)量級，2這是由于復(fù)合材料上的鈍化膜比 AZ91B 和 Mg 基體的鈍化膜要穩(wěn)定得多，這是由于 Al 的微觀結(jié)構(gòu)的細化和擴展的固溶體。此外，厚度為1.5 mm的非晶合金Zr 65 Al 7.5 Ni 10 Cu 17.5 LC 在商業(yè)純Mg基體上的耐腐蝕性和耐磨性優(yōu)于未涂層基體，但腐蝕電流密度降低在 3.5% NaCl 溶液中增加三個數(shù)量級。5此外，激光熔覆Al 2 O 3的腐蝕電流密度比 AZ91HP 鎂合金在 3.5% NaCl 溶液中的低三個數(shù)量級。
LC也可以應(yīng)用于用于延長固體溶解度的限制稀土添加物（例如，釔，錸 鉿中，和鈰）鎳基超合金在高溫下，以提高其耐氧化性。在平衡條件下，稀土金屬 在室溫下的最大固溶度為~ 0.2 wt%。然而，由 Ni-(Fe,Cr)-Al - Hf - Re LC 生產(chǎn)的合金導(dǎo)致合金元素在復(fù)合基體中的均勻分布，合金添加物的固溶度增加，顯微組織顯著細化，并形成亞穩(wěn)富錸和鉿相。7,8在熱循環(huán)氧化條件下，包層材料的重量變化可以忽略不計，而基材 (Rene80) 會出現(xiàn)大量的鱗片剝落。9此外，NiCrAlY 合金在Hastelloy X 基體上的 LC產(chǎn)生柱狀枝晶結(jié)構(gòu)，無孔隙和微裂紋，由 γ-Ni 固溶體和接近表面的少量 Al 5 Y 3O 12 組成，表現(xiàn)出優(yōu)異的等溫氧化行為。
通過在高溫合金基底上氧化釔穩(wěn)定氧化鋯(YSZ)的 LC，已開發(fā)出一種用于燃氣輪機葉片的新型熱障涂層(TBC) 。11液晶在快速凝固過程中產(chǎn)生定向外延生長、緊密堆積的柱狀結(jié)構(gòu)。這促進了在 NiCoCrAlY 層和柱狀陶瓷層之間形成氧化鋁層，從而提供柱狀層對 NiCoCrAlY 層的粘附。ZrO 2層與NiCoCrAlY合金層之間以及合金層與基體之間具有良好的冶金結(jié)合。ZrO 2的化學(xué)改性可用于消除涂層的微裂紋。這種激光熔覆熱障涂層在 1200 °C空氣中的抗氧化性明顯高于等離子噴涂涂層。此外，含有 60% Ni、19% Cr、11% Al 和 6.4% Fe 的 LC 顯示出比 Incoloy 800H 更出色的耐腐蝕性，12因此這些涂層可在溫度水平的高溫應(yīng)用中用作氧化屏障超過可以使用 Incoloy 800H 的最大限制。
鈦基合金是一種高強度、輕質(zhì)材料，廣泛用于航空航天工業(yè)的機身結(jié)構(gòu)和飛機發(fā)動機部件（例如翼型）。然而，鈦合金在600 ℃以上的溫度下抗氧化性較差。翼型最關(guān)鍵的部分是它的尖端， 在發(fā)動機工作條件下，它通常暴露在 >500 °C 的高溫下。50Nb-50Ti 合金在翼型（Ti-6A1-4V 合金）尖端的 LC 導(dǎo)致 在空氣中 1000 °C 時具有優(yōu)異的抗氧化性。相比之下，未包覆的 Ti-6Al-4V 合金形成了 500-μm 厚的多孔氧化物層，它傾向于從基材上剝落，在 48 小時內(nèi)形成具有良好附著力的 100-μm 氧化物。13用于工業(yè)應(yīng)用的這種 LC 工藝的重要特征包括激光束能夠跟隨機翼的輪廓；激光熔覆鈮與翼型之間的良好結(jié)合，并且易于控制熔覆層的厚度和成分。
在城市垃圾焚燒爐 (MWI) 中，過熱器或鍋爐管等關(guān)鍵部件通常會因腐蝕而退化。尤其是在現(xiàn)代廢物轉(zhuǎn)化能源 (WTE) 工廠中，提高效率的需求需要在更高的溫度下運行，這反過來又會提高腐蝕率。LC 已成功用于生產(chǎn)過熱器和鍋爐管上的防腐和抗侵蝕涂層。與火焰噴涂產(chǎn)生的保護涂層相比，LC 幾乎沒有孔隙，并確保與基材的冶金結(jié)合，因此復(fù)合管可以彎曲而不會因開裂或剝落而造成任何損壞。這是過熱器線圈彎曲結(jié)構(gòu)和整體激光熔覆過熱器組件生產(chǎn)的重要進展。一臺自動二極管激光器用于工業(yè)生產(chǎn) MWI 過熱器和鍋爐復(fù)合管的工作站已在歐洲 MWI 工廠進行了演示和安裝。
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