激光熔覆陶瓷涂层研究现状与展望

陶瓷材料具有高硬度、高熔点、高耐蚀等特性,常被应用于机械装备关键零部件的表面强化改性和再制造修复。随着装备服役工况日益苛刻,传统金属材料所制备的装备运动部件在服役过程中易于发生磨损、腐蚀、变形等失效,进而导致服役性能退化,严重时甚至引发装备恶性故障。激光熔覆作为一种高效的表面强化和再制造技术,在提升基材表面耐磨、耐蚀、耐热、抗高温氧化等性能方面具有重要应用前景。通过激光熔覆技术在零部件表面制备陶瓷涂层,对于延长关键零部件寿命、提高资源利用率、节约稀贵金属材料具有重要意义。首先按照陶瓷涂层的组织结构和成形机理对激光熔覆陶瓷涂层进行了分类介绍;然后结合激光熔覆制备陶瓷涂层的典型缺陷详细阐述了涂层质量优化的常用方法;而后综述了激光熔覆陶瓷涂层在提升零件耐腐蚀、耐磨损、耐高温性能和提高生物相容性等方面的应用情况;最后,总结了激光熔覆陶瓷涂层技术发展现状,并展望了激光熔覆陶瓷涂层技术的发展趋势。     

垃圾焚烧炉15CrMo钢管表面激光熔覆NiCrMo合金涂层的耐高温腐蚀性能

利用激光熔覆技术在垃圾焚烧炉15 CrMo钢管表面制备NiCrMo合金涂层,在垃圾焚烧厂高温腐蚀模拟环境中研究了涂层的耐高温腐蚀性能.结果表明:激光熔覆NiCrMo合金涂层均匀、致密,与基体呈冶金结合;涂层在生活垃圾焚烧厂高温腐蚀模拟环境中腐蚀72 h后的质量损失率为119.02 g·m-2,仅为基体的40％,说明涂层具有优异的耐高温腐蚀性能,这主要与腐蚀过程中生成的Cr2 O3、Fe2(MoO4)3和NiO氧化物有关.     

不锈钢表面ZrO2涂层的制备及其性能

用电沉积法，经热处理在不锈钢表面制备了ZrO2陶瓷涂层。研究了不同前处理工艺对ZrO2陶瓷涂层的影响，FTIR、SEM等分析结果表明：ZrO2涂层致密均匀，锆元素和氧元素在微区分布均匀。采用差重法、浸泡试验和阳极极化曲线测试了涂层在1000℃的抗高温氧化性和在硫酸介质中的耐蚀性，结果表明ZrO2陶瓷涂层提高了不锈钢的高温抗氧化性和耐蚀性能。     

激光熔覆原位自生Ti-Al-Si复合涂层的微观组织和高温抗氧化性能

为提高钛合金的高温抗氧化性能,采用激光熔覆原位自生技术,在TC4钛合金表面自行设计并制备了原子百分比为Ti∶Al∶Si=41∶41∶18和Ti∶Al∶Si=35∶35∶30的两种涂层。通过XRD、OM、SEM表征了涂层的微观组织和物相组成;借助管式电阻炉测试了涂层和基体试样在800℃×24h×5次循环氧化条件下的高温抗氧化性能;结合氧化增重和氧化动力学曲线分析了涂层的高温抗氧化机理。结果表明,涂层主要由Ti5Si3、Ti7Al5Si12、Ti3Al、TiAl和TiAl3等物相组成。涂层中没有出现一般激光熔覆所产生的外延生长柱状晶组织,全部为细小等轴晶。在800℃×24h×5次循环氧化条件下,TC4基材单位面积的氧化增重约为35.1mg·cm-2,涂层的约为2.8mg·cm-2和3.3mg·cm-2。两种涂层的高温抗氧化性能较钛合金基材分别提高了12.5倍和10.6倍。激光熔覆原位自生Ti-Al-Si复合涂层能明显改善TC4钛合金的高温抗氧化性能。涂层抗氧化性改善的机理,一方面是表面生成了连续致密的TiO2、Al2O3、SiO2氧化层,阻碍了氧扩散;另一方面是提高了氧化层的黏附性,使氧化层不易从涂层表面剥落,对涂层未氧化部分起到了很好的保护作用。     

激光熔覆制备纳米陶瓷涂层的研究进展

介绍了激光熔覆工艺纳米陶瓷粉末的供给方式、工艺参数的选择;对比分析了激光熔覆和其他主要的纳米陶瓷涂层制备方法的优缺点;着重分析介绍了激光熔覆制备的几种主要纳米陶瓷涂层的组织和性能特征,尤其是纳米抗裂的最新研究成果以及抗裂机理,分析表明,增加纳米颗粒将明显地改善陶瓷涂层的抗裂性能。另外,涂层的强度、致密度、耐磨性也随着纳米颗粒的增加而相应增加。阐述了激光熔覆制备纳米陶瓷涂层存在的主要问题,并对该技术发展前景和应用进行了展望。     

超高速激光熔覆工艺参数对熔覆层组织和性能的影响

超高速激光熔覆技术与传统激光熔覆有所不同,可大幅提高熔覆效率,制备无缺陷的均匀薄涂层.为研究超高速激光熔覆主要工艺参数对熔覆层组织与性能的影响,采用超高速激光熔覆技术,分别以不同激光功率、熔覆速度、熔覆道间距在9Cr2Mo钢基体表面制备M2高速钢涂层,对熔覆层微观组织及力学性能进行表征.结果表明:熔覆层以细小等轴晶为主...     

Nb/NbCr2合金表面激光熔覆抗氧化涂层的研究进展

高强高韧Nb/NbCr2合金较差的高温抗氧化性限制了其作为高温结构材料在1 200℃以上的应用进程,本文对NbCr2基合金的高温抗氧化性的研究现状及其高温抗氧化涂层的研究进展进行了综合评述,着重介绍了激光熔覆纳米陶瓷抗氧化涂层存在的问题及发展趋势,并就今后发展方向提出了看法。     

CeO_2对镍基TiC陶瓷涂层微观组织和摩擦学性能的影响

采用W150SA YAG激光焊接机45#钢基材表面熔覆含CeO2的镍基TiC陶瓷涂层,研究添加不同含量CeO2对涂层的微观组织和摩擦学性能的影响.研究结果表明:添加适量CeO2对涂层的微观组织、显微硬度、涂层与基材结合区,以及涂层的摩擦学性具有改善作用;CeO2能减弱熔池中TiC陶瓷相的生长方向性,避免相邻的TiC颗粒桥接生长,细化和球化TiC颗粒,并使之且分布均匀;CeO2能促使TiC硬质相弥散分布,涂层组织趋向均匀化,并减少杂质和气体的不良影响,提高涂层的组织性能;CeO2能促进涂层与基材之间形成合理的成分梯度,得到良好的结合区;CeO2能促进摩擦过程中涂层表面氧化膜的形成并提高氧化膜的热稳定性,减少涂层的大片层状剥落,降低涂层的黏着磨损和磨粒磨损.     

激光熔覆镍镀层的组织与性能

采用轴向横流CO_2激光器对Q235钢基体上刷镀的快速镍涂层进行激光熔覆,研究了激光熔覆前后涂层的显微组织和物相组成,测试了涂层的显微硬度。结果表明:激光熔覆消除了电刷镀镍镀层中的孔隙,提高了涂层的致密性,细化了晶粒,在涂层中形成了NiO相,它们的共同作用使涂层硬度显著提高;随激光功率提高,涂层晶粒得到细化,硬度得到提高。     

WC颗粒增强镍基涂层改善制动盘组织与磨损性能

为提高汽车制动盘耐磨和高温氧化性能,延长其使用寿命,采用激光熔覆技术在中碳钢表面制备了以WC颗粒为增强相的Ni基复合涂层.借助SEM和XRD等表征手段对制动盘表面涂层进行了组织和物相分析,利用维氏硬度计测试了制动盘表面涂层截面显微硬度分布,通过摩擦磨损实验研究了制动盘表面涂层的磨损性能.研究表明,制动盘表面涂层主要由γ-（Ni,Fe）固溶体、均匀分布WC颗粒和碳化物抗磨损相组成.涂层平均显微硬度HV0.2670,显微硬度值波动较小较为平稳,证明涂层组织比较均匀.在多种强化效果共同作用下,制动盘表面涂层的磨损量与基材相比明显减小,仅为基材的20％,抗磨损性能显著提高.     

Wear Behavior of Ceramic Powder and Solid Lubricant Cladding on Carbon Steel Surface

Thick composite coatings of carbides on a metal matrix are ideal for use in components that are subjected to severe abrasive wear. It is a metal matrix composite (MMC) that is reinforced by an appropriate ceramic phase, a solid lubricant coating to reduce friction and to protect the opposing surface. This study tested the wear behavior of a carbon steel surface after cladding by a gas tungsten arc welding (GTAW) method to enhance wear resistance. The microstructures, chemical compositions, and wear characteristics of the cladded surfaces were analyzed by scanning electron microscopy (SEM) and energy dispersive X-ray spectroscopy (EDX). The coating was uniform, continuous, and almost defect-free, and particles were evenly distributed throughout the cladding layer. The results of wear tests indicate that the friction coefficient of the TiC coating is lower than that of AISI 1020 carbon steel. Thus, the wear depth of the TiC coating is only one tenth of that exhibited by the AISI 1020 carbon steel. The experiments confirm that the cladding surfaces of TiC particles reduce the wear rate and friction.     

多元陶瓷相在激光熔覆层中的溶解机制研究

激光熔覆层材料以铁基粉末为基础,添加有TiC、WC和SiC多元陶瓷增强相。依据自由能变理论,对激光熔覆过程中的涂层化学反应方向与反应程度进行了热力学分析,研究了所添加陶瓷增强相的溶解机制,结果表明：在设定的工艺参数和激光作用下,涂层表面可产生2 000~3 000 K的高温,通过显微组织分析可以发现,在上述温度范围内陶瓷物质发生了部分甚至完全溶解,且熔池中熔化游离的Fe、Cr、Ni等离子或颗粒先后与陶瓷物质中分解出的Ti、W、Si与C元素发生再反应与互溶,形成了具有一定金属性以及陶瓷相强度和硬度的物质,如FeNi2Ti、Fe-Cr-Ni-Si等新合金相或固溶体,并达到了强化涂层性能的效果。研究结果与理论模型分析结果规律相同。     

热处理条件下激光原位合成高铌Ti-Al金属间化合物复合涂层的微结构特征

为了提高钛合金的高温抗氧化性能,推动钛合金在高温和复杂工况环境下的进一步工程应用,利用高能激光束作用下Ti、Al、Nb三种元素混合粉末之间的原位反应在BT3-1钛合金表面制备了高温抗氧化的高铌Ti-Al金属间化合物复合涂层。针对原位反应所制备涂层存在的缺陷,通过自行设计的热处理工艺优化了涂层和界面微观组织。借助光学显微镜(OM)、X射线衍射仪(XRD)、扫描电镜(SEM)分析了热处理前后复合涂层的物相结构及显微形貌。结果表明:热处理前的涂层主要由单质Nb、金属间化合物γ-TiAl、α_2-Ti_3Al、Ti_3Al_2等物相组成;热处理后的复合涂层,单质Nb固溶到γ-TiAl和α_2-Ti_3Al中,同时形成了新相Ti_3AlNb_(0.3),涂层近似为γ-TiAl+α_2-Ti_3Al双相层片状等轴晶组织。此外,涂层中并未观察到减弱抗氧化性的单质Nb颗粒和Ti_3Al_2相,Ti、Al、Nb的宏观偏析得以消除,涂层与基材界面位置的气孔和裂纹均以消失,出现了明显的白亮带冶金结合过渡层,涂层组织也更加均匀致密。热处理对提高钛合金表面Nb的合金化程度和改善Ti-Al金属间化合物的高温抗氧化性能起到了显著的促进作用。     

钼基体上钼-硅-氮涂层的制备与高温抗氧化性能

采用氨解渗氮法和熔盐渗硅法在钼基体上制备了钼-硅-氮涂层,利用SEM、XRD研究了涂层的微观结构、元素分布及物相组成,并分析了其在1 600℃的抗高温氧化性能。结果表明:钼基体上的钼-硅-氮涂层由MoSi2和Si3N4相组成,高温氧化时表面可形成致密的SiO2膜,在1 600℃循环氧化寿命达48h。     

激光反应熔覆碳化物陶瓷涂层温度场的有限元模拟

利用ANSYS软件建立预置式粉层激光反应熔覆的数值模拟模型,考虑了相变潜热、辐射对流散热、表面效应单元等因素的影响;在不同的工艺参数下,用该模型对激光反应熔覆碳化物陶瓷涂层温度场进行了计算,分析了整个激光加工过程中温度场的变化情况。结果表明:激光功率和扫描速度对基体熔化厚度以及熔覆层宽度的影响都比较显著;激光功率是造成熔覆层较大温度梯度的主要因素;有限元模拟得到的最佳工艺参数得到了试验验证。     

铜表面激光熔覆镍基合金的显微组织与硬度

用超音速火焰喷涂方法在铜基体表面预置一层镍基合金涂层后,再用高功率密度的激光进行熔覆;用OM、SEM、XRD、显微硬度计对熔覆层进行了表征.结果表明:熔覆层组织致密、无裂纹,气孔、夹杂等缺陷明显减少;在熔覆层底部形成了高熔点、高密度钨相带,其显微硬度明显升高;熔覆层与基体的界面处有铜、镍互渗的冶金结合层形成,其厚度约为13μm;熔覆层的显微硬度是铜基体硬度的8倍以上.     

稀土La_2O_3对激光熔覆制备生物陶瓷涂层的组织与性能的影响

采用梯度思想及宽带激光熔覆技术在Ti-6Al-4V合金上制备生物陶瓷复合涂层,以减少激光熔覆时基材与生物陶瓷涂层之间的热应力,并研究了稀土氧化物La2O3含量对生物陶瓷涂层组织及性能的影响。结果表明:La2O3的加入能细化晶粒,不同含量的稀土氧化物的加入能影响HA和β-TCP的形成。随着稀土氧化物La2O3含量的增加,生物陶瓷层的显微硬度增加。当La2O3含量为0.6%时,陶瓷层和合金化层具有良好的硬度分布。