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激光熔覆在激光沉積涂層中的表現(xiàn)
來源:
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作者:輝銳集團(tuán)
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發(fā)布時間: 2021-06-08
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激光熔覆沉積速率大、殘余應(yīng)力大、開裂敏感性高等問題，仍需解決該技術(shù)的更廣泛應(yīng)用。技術(shù)進(jìn)步正在解決高資本成本和低沉積率的問題，例如引入光束寬達(dá) 1英寸的高功率二極管激光器，以及將感應(yīng)加熱模塊集成到激光熔覆頭中。例如，以激光為唯一能源，Inconel 625 腐蝕防護(hù)涂層的沉積速率為 9 kg/h 報道了大型圓柱形組件。此外， Inconel 625 的沉積速率為 14-16 kg/h，同時應(yīng)用。盡管據(jù)報道感應(yīng)輔助激光熔覆系統(tǒng)大大減少了激光熔覆涂層的開裂問題，但開裂仍然是激光熔覆更廣泛應(yīng)用的最大材料工程挑戰(zhàn)，特別是對于硬質(zhì)合金，如 Ni-Cr-B-硅碳 [ kW 激光和 12 kW 感應(yīng)功率，
Ni-Cr-B-Si-C合金是應(yīng)用最廣泛的合金之一，適用于需要耐腐蝕和耐磨的應(yīng)用 [ 4 5-7 3 , 8 , 9]。這些合金具有低熔點(diǎn)和自熔特性，最初是為噴涂和熔斷器應(yīng)用而開發(fā)的。近年來，越來越多地使用激光沉積技術(shù)來生產(chǎn)致密的 Ni-Cr-B-Si-C 涂層，該涂層具有與基材的冶金結(jié)合和優(yōu)異的功能特性 [ ]。盡管 Ni-Cr-B-Si-C 合金具有理想的腐蝕和磨損性能，并且它們在許多表面涂層、修復(fù)和增材制造應(yīng)用中具有潛力[]，高開裂傾向?qū)ζ湓诩す獬练e技術(shù)中的使用造成了嚴(yán)重的缺陷。
在激光沉積涂層中，在凝固和/或固態(tài)冷卻過程中可能會形成裂紋。在激光沉積鎳基涂層的情況下，當(dāng)殘余拉伸應(yīng)力超過復(fù)合材料的極限拉伸強(qiáng)度時，通常會在固態(tài)冷卻過程中發(fā)生裂紋 。這些應(yīng)力源于樣品不同區(qū)域之間的不匹配，例如，由于急劇的熱梯度。在激光沉積的涂層，殘余應(yīng)力的主要來源是該涂層的差熱收縮和造成的陡峭的溫度梯度和不同的熱基板的膨脹系數(shù)的 1112 1 , 12 , 13 ]涂層和基材材料。包層中的熱應(yīng)力一般可表示為其中E和ν α和 Δ T 1 。對于涂層，σ th涂層鎳基合金和碳鋼的α為范圍分別為 13.3-16.8 和 11.3-12.2 (10 ? 6 K ? 1 ) [ 1分別是復(fù)合材料的彈性模量和泊松比，Δ是復(fù)合材料與基體材料之間的線性熱膨脹系數(shù)和溫度的差值，是當(dāng)涂層的熱膨脹系數(shù)大于基體的熱膨脹系數(shù)時的拉伸，例如，在碳鋼上沉積鎳基合金。此外，在較低溫度下增加在基底上包覆速度或沉積增加σ個因為鋒利的溫度梯度將包層和它的底物，因此，較大的Δ之間建立?（可能Δ α）將制作。
激光沉積涂層中裂紋的成核和擴(kuò)展取決于殘余拉伸應(yīng)力的大小、包覆層的機(jī)械性能（主要是韌性），在較小程度上取決于包覆層中的缺陷數(shù)量（例如大孔） . 開裂現(xiàn)象主要是由高殘余拉應(yīng)力和低斷裂韌性共同引起的。因此，采用兩種主要方法來解決激光沉積涂層中的開裂問題：降低沉積物中的殘余拉伸應(yīng)力或增加沉積合金的斷裂韌性。前一種方法已廣泛采用預(yù)熱和/或后加熱，例如通過感應(yīng)加熱[ 1 , 17]。雖然預(yù)熱是一種有效且廣泛使用的防止開裂的方法，但它使過程繁瑣且成本更高。如果表面硬化合金本身非常堅韌，沉積的涂層可以抵抗熱應(yīng)力而不開裂，那將是優(yōu)選的。對于表面硬化合金，這應(yīng)該在不顯著降低硬度的情況下實(shí)現(xiàn)。
在工程材料，通常有硬度和斷裂韌性之間的反比關(guān)系，即硬質(zhì)材料通常具有針對低電阻裂紋擴(kuò)展。因此，開發(fā)高硬度和高韌性合金帶來了某種悖論。在正常情況下，除非通過適當(dāng)?shù)念A(yù)熱和/或后加熱來顯著降低殘余應(yīng)力的大小，否則很難獲得具有相對較高硬度的無裂紋涂層。然而，如果硬度-韌性悖論得到解決（至少部分解決），則可以通過激光熔覆沉積硬而韌的涂層，而無需或很少預(yù)熱基材。本章的主要目的是探討是否可以開發(fā)出兼具高硬度和高韌性的 Ni-Cr-B-Si-C合金，以生產(chǎn)無裂紋的耐磨激光沉積涂層。為了實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，研究了顯微組織細(xì)化及其對Ni-Cr-B-Si-C合金斷裂行為的影響，作為一種可能的增韌。
Ni-Cr-B-Si-C合金是應(yīng)用最廣泛的合金之一，適用于需要耐腐蝕和耐磨的應(yīng)用 [ 4 5-7 3 , 8 , 9]。這些合金具有低熔點(diǎn)和自熔特性，最初是為噴涂和熔斷器應(yīng)用而開發(fā)的。近年來，越來越多地使用激光沉積技術(shù)來生產(chǎn)致密的 Ni-Cr-B-Si-C 涂層，該涂層具有與基材的冶金結(jié)合和優(yōu)異的功能特性 [ ]。盡管 Ni-Cr-B-Si-C 合金具有理想的腐蝕和磨損性能，并且它們在許多表面涂層、修復(fù)和增材制造應(yīng)用中具有潛力[]，高開裂傾向?qū)ζ湓诩す獬练e技術(shù)中的使用造成了嚴(yán)重的缺陷。
在激光沉積涂層中，在凝固和/或固態(tài)冷卻過程中可能會形成裂紋。在激光沉積鎳基涂層的情況下，當(dāng)殘余拉伸應(yīng)力超過復(fù)合材料的極限拉伸強(qiáng)度時，通常會在固態(tài)冷卻過程中發(fā)生裂紋 。這些應(yīng)力源于樣品不同區(qū)域之間的不匹配，例如，由于急劇的熱梯度。在激光沉積的涂層，殘余應(yīng)力的主要來源是該涂層的差熱收縮和造成的陡峭的溫度梯度和不同的熱基板的膨脹系數(shù)的 1112 1 , 12 , 13 ]涂層和基材材料。包層中的熱應(yīng)力一般可表示為其中E和ν α和 Δ T 1 。對于涂層，σ th涂層鎳基合金和碳鋼的α為范圍分別為 13.3-16.8 和 11.3-12.2 (10 ? 6 K ? 1 ) [ 1分別是復(fù)合材料的彈性模量和泊松比，Δ是復(fù)合材料與基體材料之間的線性熱膨脹系數(shù)和溫度的差值，是當(dāng)涂層的熱膨脹系數(shù)大于基體的熱膨脹系數(shù)時的拉伸，例如，在碳鋼上沉積鎳基合金。此外，在較低溫度下增加在基底上包覆速度或沉積增加σ個因為鋒利的溫度梯度將包層和它的底物，因此，較大的Δ之間建立?（可能Δ α）將制作。
激光沉積涂層中裂紋的成核和擴(kuò)展取決于殘余拉伸應(yīng)力的大小、包覆層的機(jī)械性能（主要是韌性），在較小程度上取決于包覆層中的缺陷數(shù)量（例如大孔） . 開裂現(xiàn)象主要是由高殘余拉應(yīng)力和低斷裂韌性共同引起的。因此，采用兩種主要方法來解決激光沉積涂層中的開裂問題：降低沉積物中的殘余拉伸應(yīng)力或增加沉積合金的斷裂韌性。前一種方法已廣泛采用預(yù)熱和/或后加熱，例如通過感應(yīng)加熱[ 1 , 17]。雖然預(yù)熱是一種有效且廣泛使用的防止開裂的方法，但它使過程繁瑣且成本更高。如果表面硬化合金本身非常堅韌，沉積的涂層可以抵抗熱應(yīng)力而不開裂，那將是優(yōu)選的。對于表面硬化合金，這應(yīng)該在不顯著降低硬度的情況下實(shí)現(xiàn)。
在工程材料，通常有硬度和斷裂韌性之間的反比關(guān)系，即硬質(zhì)材料通常具有針對低電阻裂紋擴(kuò)展。因此，開發(fā)高硬度和高韌性合金帶來了某種悖論。在正常情況下，除非通過適當(dāng)?shù)念A(yù)熱和/或后加熱來顯著降低殘余應(yīng)力的大小，否則很難獲得具有相對較高硬度的無裂紋涂層。然而，如果硬度-韌性悖論得到解決（至少部分解決），則可以通過激光熔覆沉積硬而韌的涂層，而無需或很少預(yù)熱基材。本章的主要目的是探討是否可以開發(fā)出兼具高硬度和高韌性的 Ni-Cr-B-Si-C合金，以生產(chǎn)無裂紋的耐磨激光沉積涂層。為了實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，研究了顯微組織細(xì)化及其對Ni-Cr-B-Si-C合金斷裂行為的影響，作為一種可能的增韌。
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