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激光熔覆復(fù)合涂層涂覆技術(shù)分解
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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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激光熔覆是一種涂層制造技術(shù)，是材料噴涂技術(shù)的一部分。根據(jù)進料的種類和數(shù)量、熔融基材的數(shù)量和激光參數(shù)的不同，噴涂技術(shù)分為三種：（1）激光合金化，（2）激光上光和（3）激光熔覆。共同點是熔融材料的快速凝固導(dǎo)致精細的微觀結(jié)構(gòu)，從而改善了許多性能（Khajepour等人，2004 年）。這三種涂層制造技術(shù)在鎂合金上是可能的。例如，伊格納特等人。(2004) , 開發(fā)高耐腐蝕性和增加通過激光合金化在 WE43 和 ZE41 鎂合金上形成顯微硬度Al/Mg 涂層。通過側(cè)面注入鋁粉，他們獲得了由 Al/Mg 合金與 Al 3 Mg 2和 Al 12 Mg 17金屬間化合物組成的涂層。岳等人。(2007)通過激光上釉制造了一種非晶 Zr65Al7.5Ni10Cu17.5 涂層，具有更好的耐磨性和耐腐蝕性。Huang等(2009)獲得了 Cu 4 7Ti 34Zr 11 Ni 8和 Cu 4 7Ti 34 Zr 11的非晶相涂層 在 AZ91D鎂合金上用 SiC 顆粒增強。另一方面，楊等人。(2018)通過激光熔覆用 Al + (Ti + B 4 C)復(fù)合涂層涂覆 ZE91D 鎂合金，使用低功率激光避免稀釋。王等人。(2006)在鎂合金基材上制作了均勻的鎂涂層，以評估使用激光熔覆修復(fù)鎂零件表面區(qū)域的可能性。
與熱噴涂或電弧焊等傳統(tǒng)方法相比，激光熔覆是一種獲得復(fù)合涂層的有效制造工藝。通過激光熔覆技術(shù)獲得的表面層具有良好的力學(xué)性能、低稀釋度、良好的冶金結(jié)合和低冶金缺陷。這些優(yōu)點是使用激光作為能源的結(jié)果。此外，從制造工藝的角度來看，激光熔覆還有其他優(yōu)勢：（1）減少生產(chǎn)時間；(2)實現(xiàn)溫度控制，提高凝固速度；(3) 允許制造幾何形狀而不受部件的限制和修理。已使用具有不同激光器的激光熔覆系統(tǒng)：高功率二極管激光器(848 nm)、Nd:Yag 激光器 (1064 nm)、CO 2激光器 (10.64 μm) 和準分子激光器 (248 nm)。在大多數(shù)情況下，進料呈球形粉末形式，并帶有載氣（通常為氬氣）。這些粉末可以通過熔覆噴嘴與激光束同軸噴射，但已使用糊料進料、粉末注射、送絲和預(yù)置粉末（Khajepour等人，2004 年）。帶有熔覆噴嘴的激光器連接到電機控制系統(tǒng)，一般由CAD系統(tǒng)和運動機器人或xy運動臺組成。鎂合金激光處理的主要問題是，由于鎂合金的熔點低 (~560°C)，高激光功率值可能會導(dǎo)致涂層中基體的鎂稀釋。
哈杰普爾等人。(2004)顯示了影響激光熔覆過程的各種參數(shù)，在某些情況下，對每對基板和熔覆層的參數(shù)進行詳盡分析是必要的。劉等人。(2006a)評估了功率密度和掃描速度對鍍鋁 AZ91D 鎂合金寬度的影響。里克爾梅等人。(2016)研究了 ZE41 鎂合金上的 Al/SiCp 涂層的激光功率和掃描速度對涂層幾何形狀和性能的影響。王和悅 (2001)通過在恒定激光功率下使用不同的掃描速度研究了這些參數(shù)的影響。所有這些作者都發(fā)現(xiàn)了提供高質(zhì)量涂層的激光功率和掃描速度的不同組合，并且在所有情況下，他們發(fā)現(xiàn)激光功率和掃描速度與熔池的存在時間、傳熱和傳質(zhì)過程、冷卻速率，進而影響涂層的微觀結(jié)構(gòu)（Liu et al ., 2017）。Riquelme等人分析了激光束焦點位置對鎂合金熔覆層的影響。(2016). 不同的焦點條件影響涂層的幾何形狀，以及熔化、稀釋和熱影響區(qū)的幾何形狀。金屬的吸收率取決于激光的波長，波長越短吸收率越高
沃洛維奇等人。(2008)，在 ZE41 鎂合金上獲得了 Al-Si 涂層。涂層的微觀結(jié)構(gòu)的特點是 Mg 2 Si的枝晶沉淀物嵌入在 Al-Mg 基體上，該基體由 Mg 固溶于 Al 或金屬間相Mg 17 Al 12 形成，這取決于激光速度。在這種情況下，沃洛維奇等人。(2008)發(fā)現(xiàn)，由于形成電偶腐蝕，這些涂層會降低耐腐蝕性。其他作者也發(fā)現(xiàn)了類似的結(jié)果（Fabre 和 Masse，2012；Yue等，1999）。然而，其他作者在不同的鎂合金上實現(xiàn)了高耐腐蝕性和耐磨性的 Al-Si 涂層。例如，卡塞爾等人。(2011)，在 AZ61、ZK30 和 WE54 上沉積了 Al-Si 涂層，Chen等人。(2016) 還獲得了在 Mg-Gd-Y-Zr 合金（在這種情況下硬化 Al 2 (Gd,Y)）上的 Al-Si 涂層。結(jié)果的差異可能是由于不同研究中使用的激光熔覆參數(shù)不同或噴涂的硅重量比不同造成的。
另一方面，其他金屬已被用于通過激光熔覆涂覆鎂合金。例如，高等人。(2007)，在 AZ91HP 鎂合金上獲得了 Al-Cu 涂層。該涂層由Al-Mg基體和AlCu 4和金屬間相Mg 17 Al 12 組成。陳等人。(2007)，噴涂 Al-Ir 以獲得具有 AlIr、Mgl7Al12 和其他鋁基相的提高耐腐蝕性的熔覆涂層。此外，Al-Zn鍍層（Mei等，2005）、不銹鋼鍍層（Yue等，2001）、Ti-Ni-Al鍍層（Wang等，2001）., 2010 ), 或 Ni-Zr-Al 涂層, ( Wang et al ., 2009b ), 在其他人之間進行了研究。一些作者正在鎂合金上沉積高熵合金 (HEA) 涂層。岳等人。(2014)和Meng等人。(2018)，在純鎂基材上制造AlCoCrCuFeNi 涂層。涂層的頂部由 AlCoCrCuFeNi 組成，底部由一些在鎂基基體中部分熔化的 HEA 粉末組成。此外，觀察到一些CuMg 2枝晶。鎂合金上的陶瓷涂層也已通過激光熔覆制成。高等人。(2007)，在 AZ91HP 鎂合金上沉積 Al 2 O 3陶瓷涂層以提高耐磨性和耐腐蝕性。
用陶瓷顆粒增強的鋁基復(fù)合材料由于結(jié)合了它們的摩擦學(xué)性能而不犧牲鋁合金的耐腐蝕性能而受到了相當(dāng)大的關(guān)注（Carcel et al ., 2011; Yang et al ., 2018），用Al + 涂覆ZE91D 鎂合金(Ti + B 4 C) 復(fù)合涂層使用低功率激光避免稀釋。他們表明，增強材料提高了耐磨性和耐腐蝕性。然而，稀釋并不能避免通過原位反應(yīng)形成Al 3Mg 2、Al 12 Mg 17、Al 3 Ti和TiC。鄭等人。(2010)使用脈沖 YAG 激光在 AZ91D 鎂合金上獲得了 Al/SiC 涂層。涂層的表面硬度和耐磨性均高于基體，并隨著SiC含量的增加而增加。正如楊等人的情況。(2018) , 涂層有稀釋和 Al 12 Mg 17相形成。劉等人。(2006a) , 研究了 Al/Al 2 O 3的制造通過脈沖 Nd:YAG 激光在 AZ91D 鎂合金上進行涂層。結(jié)果表明，存在稀釋，涂層的耐磨性高于未涂層基材。其他作者研究了納米增強對鋁金屬基激光熔覆的影響（Chen et al ., 2008, 2011）。里克爾梅等人。(2019) , 確定了在 ZE41 鎂合金上不同成分的 Al/SiC 激光熔覆涂層中形成微觀結(jié)構(gòu)的反應(yīng)機制。
與熱噴涂或電弧焊等傳統(tǒng)方法相比，激光熔覆是一種獲得復(fù)合涂層的有效制造工藝。通過激光熔覆技術(shù)獲得的表面層具有良好的力學(xué)性能、低稀釋度、良好的冶金結(jié)合和低冶金缺陷。這些優(yōu)點是使用激光作為能源的結(jié)果。此外，從制造工藝的角度來看，激光熔覆還有其他優(yōu)勢：（1）減少生產(chǎn)時間；(2)實現(xiàn)溫度控制，提高凝固速度；(3) 允許制造幾何形狀而不受部件的限制和修理。已使用具有不同激光器的激光熔覆系統(tǒng)：高功率二極管激光器(848 nm)、Nd:Yag 激光器 (1064 nm)、CO 2激光器 (10.64 μm) 和準分子激光器 (248 nm)。在大多數(shù)情況下，進料呈球形粉末形式，并帶有載氣（通常為氬氣）。這些粉末可以通過熔覆噴嘴與激光束同軸噴射，但已使用糊料進料、粉末注射、送絲和預(yù)置粉末（Khajepour等人，2004 年）。帶有熔覆噴嘴的激光器連接到電機控制系統(tǒng)，一般由CAD系統(tǒng)和運動機器人或xy運動臺組成。鎂合金激光處理的主要問題是，由于鎂合金的熔點低 (~560°C)，高激光功率值可能會導(dǎo)致涂層中基體的鎂稀釋。
哈杰普爾等人。(2004)顯示了影響激光熔覆過程的各種參數(shù)，在某些情況下，對每對基板和熔覆層的參數(shù)進行詳盡分析是必要的。劉等人。(2006a)評估了功率密度和掃描速度對鍍鋁 AZ91D 鎂合金寬度的影響。里克爾梅等人。(2016)研究了 ZE41 鎂合金上的 Al/SiCp 涂層的激光功率和掃描速度對涂層幾何形狀和性能的影響。王和悅 (2001)通過在恒定激光功率下使用不同的掃描速度研究了這些參數(shù)的影響。所有這些作者都發(fā)現(xiàn)了提供高質(zhì)量涂層的激光功率和掃描速度的不同組合，并且在所有情況下，他們發(fā)現(xiàn)激光功率和掃描速度與熔池的存在時間、傳熱和傳質(zhì)過程、冷卻速率，進而影響涂層的微觀結(jié)構(gòu)（Liu et al ., 2017）。Riquelme等人分析了激光束焦點位置對鎂合金熔覆層的影響。(2016). 不同的焦點條件影響涂層的幾何形狀，以及熔化、稀釋和熱影響區(qū)的幾何形狀。金屬的吸收率取決于激光的波長，波長越短吸收率越高
沃洛維奇等人。(2008)，在 ZE41 鎂合金上獲得了 Al-Si 涂層。涂層的微觀結(jié)構(gòu)的特點是 Mg 2 Si的枝晶沉淀物嵌入在 Al-Mg 基體上，該基體由 Mg 固溶于 Al 或金屬間相Mg 17 Al 12 形成，這取決于激光速度。在這種情況下，沃洛維奇等人。(2008)發(fā)現(xiàn)，由于形成電偶腐蝕，這些涂層會降低耐腐蝕性。其他作者也發(fā)現(xiàn)了類似的結(jié)果（Fabre 和 Masse，2012；Yue等，1999）。然而，其他作者在不同的鎂合金上實現(xiàn)了高耐腐蝕性和耐磨性的 Al-Si 涂層。例如，卡塞爾等人。(2011)，在 AZ61、ZK30 和 WE54 上沉積了 Al-Si 涂層，Chen等人。(2016) 還獲得了在 Mg-Gd-Y-Zr 合金（在這種情況下硬化 Al 2 (Gd,Y)）上的 Al-Si 涂層。結(jié)果的差異可能是由于不同研究中使用的激光熔覆參數(shù)不同或噴涂的硅重量比不同造成的。
另一方面，其他金屬已被用于通過激光熔覆涂覆鎂合金。例如，高等人。(2007)，在 AZ91HP 鎂合金上獲得了 Al-Cu 涂層。該涂層由Al-Mg基體和AlCu 4和金屬間相Mg 17 Al 12 組成。陳等人。(2007)，噴涂 Al-Ir 以獲得具有 AlIr、Mgl7Al12 和其他鋁基相的提高耐腐蝕性的熔覆涂層。此外，Al-Zn鍍層（Mei等，2005）、不銹鋼鍍層（Yue等，2001）、Ti-Ni-Al鍍層（Wang等，2001）., 2010 ), 或 Ni-Zr-Al 涂層, ( Wang et al ., 2009b ), 在其他人之間進行了研究。一些作者正在鎂合金上沉積高熵合金 (HEA) 涂層。岳等人。(2014)和Meng等人。(2018)，在純鎂基材上制造AlCoCrCuFeNi 涂層。涂層的頂部由 AlCoCrCuFeNi 組成，底部由一些在鎂基基體中部分熔化的 HEA 粉末組成。此外，觀察到一些CuMg 2枝晶。鎂合金上的陶瓷涂層也已通過激光熔覆制成。高等人。(2007)，在 AZ91HP 鎂合金上沉積 Al 2 O 3陶瓷涂層以提高耐磨性和耐腐蝕性。
用陶瓷顆粒增強的鋁基復(fù)合材料由于結(jié)合了它們的摩擦學(xué)性能而不犧牲鋁合金的耐腐蝕性能而受到了相當(dāng)大的關(guān)注（Carcel et al ., 2011; Yang et al ., 2018），用Al + 涂覆ZE91D 鎂合金(Ti + B 4 C) 復(fù)合涂層使用低功率激光避免稀釋。他們表明，增強材料提高了耐磨性和耐腐蝕性。然而，稀釋并不能避免通過原位反應(yīng)形成Al 3Mg 2、Al 12 Mg 17、Al 3 Ti和TiC。鄭等人。(2010)使用脈沖 YAG 激光在 AZ91D 鎂合金上獲得了 Al/SiC 涂層。涂層的表面硬度和耐磨性均高于基體，并隨著SiC含量的增加而增加。正如楊等人的情況。(2018) , 涂層有稀釋和 Al 12 Mg 17相形成。劉等人。(2006a) , 研究了 Al/Al 2 O 3的制造通過脈沖 Nd:YAG 激光在 AZ91D 鎂合金上進行涂層。結(jié)果表明，存在稀釋，涂層的耐磨性高于未涂層基材。其他作者研究了納米增強對鋁金屬基激光熔覆的影響（Chen et al ., 2008, 2011）。里克爾梅等人。(2019) , 確定了在 ZE41 鎂合金上不同成分的 Al/SiC 激光熔覆涂層中形成微觀結(jié)構(gòu)的反應(yīng)機制。
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