激光熔覆耐磨涂层用合金材料的研究现状.pdf

激光熔覆耐磨涂层用合金材料的研究现状.pdf

《激光熔覆耐磨涂层用合金材料的研究现状.pdf》由会员分享，可在线阅读，更多相关《激光熔覆耐磨涂层用合金材料的研究现状.pdf（6页珍藏版）》请在冰点文库上搜索。

激光熔覆耐磨涂层用合金材料的研究现状赵世海1，蒋秀明1王铁刚2（1天津工业大学机电学院，天津3001602鞍钢集团新钢铁公司，鞍山114001）摘要：

在金属基体上激光熔覆涂层，可以改善金属的耐磨损耐腐蚀、耐高温性能，从而扩大金属材料的应用范围本文以激光熔覆耐磨涂层的研究进展为背景，主要介绍了以铁基合金镍基舍金钴基合金以及金属陶瓷熔覆材料。

关键词：

激光熔覆；铁基合金；镍基合金；钴基合金；金属：

陶瓷CurrentstatusofalloymaterialsforlasercladdingwearresistantcoatingZHAOShi-hailJIANGXiu-min91WANGTie-gangL（1SchoolofMechanicalandElectronicEngineering,TianjinPolytechnicUniversity，Tianjin3001602AngangNewIronandSteelCo）、Abstract：

Thewear-resistance，corrosionresistance，andhightemperature-resistanceofthemetalareimprovedbythelasercladdingcomingODthemetalsubstrate，whichenlargetheapplicabilityofthemetalmaterialsBasedontheprogressonlasercladdingcoating，thealloymaterialsforlasercladding,suchasiron-basedalloy,Ni-basedalloy,Co-basedalloyandcermetsareintroducedKeywords：

LasercladdingIron-basedalloy,Nibasedalloy,Cobasedalloy,Cermets激光表面强化层的性能取决于强化层的组织和相组成，而其化学成分和工艺参数又决定了表层的组织结构。

激光熔覆层组织结构大体上分为三部分：

熔化区、过渡区和热影响区。

激光熔覆合金体系主要有铁基合金、镍基合金、钻基合金和金属陶瓷等。

激光熔覆铁基合金适于要求局部耐磨且容易变形的零件。

铁基合金深层的基材多用铸铁和低碳钢；熔覆镍基合金适于要求局部耐磨耐热腐蚀及抗热疲劳的构件所需的激光功率密度要比熔覆铁基合金的略高：

钴基合金涂层适于要求耐磨、耐蚀和抗热疲劳的零件：

陶瓷涂层在高温下有较高的强度且热稳定性好、化学稳定性高，适用于耐磨、耐蚀、耐高温和抗氧化性的零件。

1铁基合金铁基合金粉末激光熔覆时，合金熔体的凝固过程是一个动态凝固过程，即随着激光束的连续扫描，在熔池前半部分，台金粉末不断进入熔池内形成熔体而熔化；熔池的后半部分，液态金属不断脱离熔池形成固体而凝固。

凝固组织的结晶形态，受熔池内液相成份和形状控制因子（结晶方向上的温度梯度G和凝固速度R之比om）f拘影响。

在成份相对稳定的情况下，GR决定凝固组纵生长形态的选择。

在熔池基材界面处Ro，一般温度梯度最大，GR值很大凝固组织以低速平面生长，形成平面晶：

在熔池rI一部与上部，随着R的增大和G的逐渐减小，形成柱状与树枝状晶生长形态。

一般来说铁基台金层底部属平面外延生长机制，且晶粒粗大：

顶部则是较规则的枝晶组织，且组织细密。

对于铡基体，热影响区的温度在激光熔覆过程q，一般能达到奥氏体化温度，快速冷却后发生马氏体转变，所以该区域的组织是马氏体和残余奥氏体。

熔覆区的组织受工艺参数和涂层材料状况的影响较大。

基体囚受激光热输入的影响小，只起传导热量的作用，不发生组织和相的变化。

激光熔覆用铁基自熔性合金粉末分为两种类型：

高铬铸铁型和奥氏体不锈钢型。

高铬铸铁型铁基自熔性合金粉末是在高铬铸铁耐磨合金成份的基础上添加B、Si、Ni、Co、Mn等元素研制而成的。

在台金粉末中加入B元素可提高耐磨性，且可降低台金粉末熔点，加入Ni、Co、作昔简介：

赵世海（1970一），男，辽宁鞍山人博士研究生，研究方向为机械设汁及理论。

Email：

zhaoshihaitjpueduCP-Mn可增加韧性。

研究表明在灰铸铁基体上采用FeCSiB粉末加入市售Ni基自熔合金中制备激光熔覆涂层，其润湿性提高。

高铬铸铁型合金粉末中C和cr含量较高，熔覆组织中有较多的碳化物和硼化物，强化机制为马氏体强化及碳化物强化，因此涂层具有较高的硬度和耐磨性。

质量比为Fe：

Cr：

W：

Ni：

C=10：

5：

1：

1：

1铁基多元合金激光熔覆层组织为亚其晶组织，其在高温时效（923K，2h）存在两类碳化物形成方式，即TM23C6、YM2c均匀析出与M7C3一M23C6，M7C3一M6C的原位转变，熔覆层具有较高的显微硬度并存在显著的二次硬化，因而具有较高的耐磨损性能。

高铬铸铁型铁基合金是应用最广、效果最好的一类铁基合金，其主要应用于耐低应力磨粒磨损场合，如输煤机槽板、高炉风口等磨损面的强化和修复。

奥氏体不锈钢型白熔合金是在奥氏体不锈钢中加入B、si元素，通过调整合金元素含量来调整涂层的硬度，并通过添加其它元素来改善合金的性能。

其中适量的脱氧造清元素si和B是必不可少的，否则不能保证熔覆层的成形。

只加入Si时熔蕴层易产生较多的夹杂，只加入B导致熔覆层脆性而使熔覆层产生裂纹；当适量的SinB联合作用时，既可减少熔覆层夹杂，又可防止熔覆层裂纹。

不锈铡型自熔性台金粉末中还含有较多的Ni、cr、W、Mo等元素，激光熔覆后涂层除得到奥氏体外，还生成多种金属问化合物和共晶化台物，从而改变了涂层的性能。

研究表明45钢表面激光熔覆铁基白熔性合金粉末f成份为Fe66Cr20Nil082Si2），添加不同含量c睐改变熔覆层中的6-Fe相，从无到有逐渐增加，当5Fe为5，8时，熔覆层抗裂能力最强。

在1Crl8Ni9Ti不锈钢基体上进行FeTi-B台金的激光熔覆时，于TiB：

的形成，消除了涂层中FeB相的偏析，从而改善了FeBTi复相涂层的显微组织。

奥氏体不锈钢型铁基合金主要应用于抗冲击疲劳及耐磨损场合，如中压阀板、阀座等密封面的强化，也可用于钢轨、齿轮擦伤和磨损等的修复和预保护。

研究表明Fe基合金中加入Ni、Co能提高熔覆层的塑韧性，随Ni含量的变化，覆层搭接区的结晶方向发生了变化而导致裂纹走向与激光扫描方向的夹角减小，直至裂纹消失。

由此进一步提出通过控制结晶方向减少覆层开裂敏感性的方法。

通常，涂层中加入低熔点的Ni、Cogl活性金属如Ti及其化合物可使界面获得良好的润湿性。

2钴基合金激光熔覆钴基合金主要用于钢或铁基合金基体上。

激光熔覆钻基合金目前主要有钻基自熔合金、钻基高温合金和Stellite合金。

通常激光用钴基自熔合金粉末是在Stellite合金的基础二研制的，合金元素主要是cr、w、Fe、N珥c，此外添加B和si增加合金粉末的润湿性以形成自熔合金，但B含量过多会增加合金的开裂倾向。

钴基自熔合金粉末与钢铁件在熔点、热膨胀系数、密度等方面都比较接近，从而减少了熔覆层在冷凝过程中的热收缩应力；而且钴基合金具有良好的热稳定性，在熔覆时很少发生蒸发升华和明显的变质；另外，钴基粉末合金在熔化时具有很好的润湿性，熔化后在毖体材料的表面均匀铺散，有利于获得致密性好和光滑平整的熔覆层，提高了熔覆层与基体材料的结合强度。

由于钴基合金粉末的主要成分是Co、Cr、W，凶此它具有良好的高温性能和综合力学性能。

CoDCr生成稳定的固溶体，由于含碳量较低，基体上弥散分布着亚稳态的cr23C6、MTC3和WC等各种碳化物以及CrB等硼化物，导致合金具有更高的红硬性、高温耐磨性、耐蚀性和抗氧化性。

在金属及合金粉末材料中，以Stellite类合金为主要对象Stellite合金被广泛应用于非润滑的高温磨损件，其中古30wt左j的cr可以提高抗腐蚀性，另外加入（417）州w可产生固溶强化的效果，合金中含碳量为（o1-30）wt时可形成硬质的碳化物。

成分组成为60Co、27Cr、25Fe、5W、25Ni、10C、1OSi、10Mn的Stellite6合金被用于激光熔覆，研究者对其显微组织结构、耐磨耐蚀性进行了大量研究。

研究认为Stellite6合金激光熔覆层是由亚共晶的面心立方（fCc）的yCo枝晶基体和枝晶问网状共晶M，c组成的，当C含最超过2而接近25时，基体就由哑共晶转变为过共晶。

在激光熔覆Stellite6合金中Co是以高温相存在，研究者认为是由于激光熔覆的快速冷却所致。

钻丛高温合金可用到高温耐氧化兼有耐磨损性能的熔覆层，熔覆层中台金层的组织为粗细不均匀，且方向紊乱的树枝晶，热影响区在去应力退火前为马氏体组织，去应力退火后为保持马氏体位向的回火索氏体。

3镍基合金镍基合金有Colmonoy合金和镍基自熔台金苍。

Colmonoy合金具有很好的耐腐蚀和耐磨损性能，并且由于具有良好的稳定性而被用于耐磨环境。

镍基合金的合金化原理是运用M、w、Cr、Co、Fe47等元素进行奥氏体固溶强化：

运用Al、Ti、Nb、Ta获得金属间化台物，相沉淀强化；添加B、Zr、co等元素实现晶界强化。

在H13钢基体上分别熔覆两种成分的镍基高温合金，均得到了基体，相+弥散分布碳化物颗粒+共晶组织，区别在于弥散颗粒和共晶组织中的碳化物相，其中MCrAIY的性能最好。

其涂层硬度随温度升高下降较缓，表明稀士元素对镍基高温合金的热稳定性有利。

此外，稀土元素对合金高温抗氧化性、耐酸腐蚀等也均有重要作用。

为提高涂层的耐磨性，添加一定量的碳化物可显著提高涂层的耐磨性。

熔覆毖高温台金+30volWC，得到的组织为，基体上分布3-6pm的球形或短棒状颗粒，还有细小的片状共品组织。

球形质点为（w，Ti）Cl。

棒状质点为W：

C和WC。

在铝台金基体上激光熔覆Ni45B、Ni45B+RE和Ni45B+si三种成分的镍基合金，得到了等轴晶+少量柱状晶组织，其相组成特别复杂。

但近年来，应用自熔合金粉为基料，复合各种碳化物、氮化物等硬质相，已经成为一种新的发展趋势。

在Ni基、co基上复合WC，使用TiN、SiC、Zr02、Ti02作为Ni基合金的增强相等制备出了复合涂层。

如利用氧乙炔火焰喷涂+激光重熔的方法，在低碳钢表面制各Ni60+20wtWC合金涂层。

经过激光重熔的涂层组织为yNi基体上分布着Ni3B、CrB、Cr23C6等硬质相，它tfJfn未熔的wc颗粒构成了丰富的耐磨帽。

增强的Ni基合金涂层，显示了良好的耐磨性和抗热疲劳性，并可进行焊接。

在45”钢表面进行了镍基合金粉末添加Ti02，当Ti02含量3wt4wt，激光功率18kW，扫描速度24mms时，可以获得无裂纹、无气孔且与基底呈冶金结台的质量良好的熔覆层。

Ti02能够提高镍基合金熔覆层的韧性、耐磨性。

细化熔覆层的组织，降低熔覆层的裂纹敏感性。

ri02对Gll2镍基合金激光熔覆层的改善归囚于Ti02对熔覆层组织的均匀细化、对粗大针状脆性硬质相的抑制以及对韧性相成分的提高作用。

4金属陶瓷陶瓷材料具有优异的耐磨、耐蚀、耐高温和抗氧化性能，但其脆性一直是其广泛应用的障碍。

激光熔覆金属陶瓷可以通过大功率激光束的作用，形成均匀、致密、且与基体结合牢圈并具有一定韧性的金属陶瓷复合层。

近年来用高能量密度的激光熔覆高硬度和耐磨损的金属陶瓷涂层是一个活跃的研究领域。

激光熔覆陶瓷主要以采用Zr02、WC两类为主，研究了以WC及其与镍、钴硬合金的混合物，但张松等通过原位置换结晶反应在Ti6A1。

v基材上制备TiC颗粒增强复合材料激光熔覆层的工艺方法却更有特色。

对金属陶瓷粒子在激光熔覆中的运动规律的系统研究认为该种熔覆存在搅动和熔渗两类模式，前者表现出粒予的运动，后者粒子表现为不运动形式。

针对陶瓷熔覆中易出现的空洞和裂纹问题，徐伯藩等提出了双层预涂熔覆方法，利用上层的Nj丛合金阻止TiC的氧化和烧损，同时减缓下层的陶瓷混合粉的温升速度，从而热应力下降，避免裂纹的发生和发展。

涂层中残余应力峰值在表面。

因而不仅界面结合处，熔覆层内部也容易出现开裂。

而陶瓷相作为高熔点硬质相，往往是产生裂纹的薄弱环节。

通常颗粒表面吸附了层气体，m碍它与基体的结合。

当颗粒体积分数较大时，越过某一临界值，颗粒外吸附的气体将促使颗粒桥接，更不利于颗粒与基体的结合。

研究表明，激光熔覆金属陶瓷时，随陶瓷相含量的增加，存在一个裂纹率的峰值。

为防止开裂，一方面在满足性能条件的基础上，应控制陶瓷相的数量，并尽量使其均匀细小的分布于金属粘结相中。

另一方面，可选择加入低熔点、高膨胀系数的陶瓷材料，女nCaO、si02、Ti02和Zr02等，使其与金属粉末有较好的相容性和匹配性。

近年来，结合原位反应技术兴起的激光熔覆自生陶瓷涂层为激光熔覆陶瓷涂层注入新的活力。

原位反应技术是通过白生反应放热，各元素或组元间原位合成化合物，这些化合物可以是硼化物、碳化物、氢化物、氧化物、金属问化台物或是它们的任何组台。

从而实现了陶瓷相在基体内原位合成。

克服了传统加入方法中陶瓷相和基体问润湿性差、结合力弱等缺点，也避免了陶瓷相作为增强相的同时又是裂纹产生的根源，使基体与陶瓷相之间界面干净，且陶瓷相组织均匀细小。

在铝基体上激光熔覆Si02粉，使Si02与反应生成Si02+A1203复合陶瓷涂层，其与Si02反应放出的热量又进一步帮助反应的进行，得到无裂纹的薄熔覆层（厚度小于01mm）。

激光熔覆自生TiC颗粒增强钛基复合材料也是近年来研究较多的材料。

选择合适的激光工艺参数，以粒径；为601xm70um的钵f）fnCr3C粉末为原料，钛粉与cr、C粉末全部转化为TiC，粉末平均尺寸小于I51“m，熔覆层晶粒细小，与基体呈良好的冶金结合。

5结束语在工程实际应用中。

材料的失效多发生在材料的表面，如材料的疲劳、腐蚀和磨损对材料的表面结构和性能极其敏感，所以材料表面的结构和性能直接影响工程金属材料的综合性能指标。

为提高材料表面性能，在众多表面改性方法中，激光熔覆有其很大的发展前景，特别是在大应力载荷条件下，激光熔覆层更具有优势。

激光熔覆铁基合金、镍基合金、钻基合金和金属陶瓷涂层具有良好的耐磨、耐蚀及较好的高温性能等优点，可用于许多材料的表面改性，大幅度提高其使用寿命、降低生产成本，具有广阔的应用前景。

参考文献：

【l】胡木林，谢长生，王爱华金属热处理，2001，

（1）：

l【2】葛孝月，陈光南，罗耕星，热轧辊磨损j题及对策J】金属材料研究，1997，（6）：

27【3】SONGWL，ZHUPD，GAbcH髓a1ChineseloumaIofLasers，1995，22（4）：

309【4】ZHANGYMEngineeringFractureMechanics，1998，59

（2）：

203【5】WANGZh，LIc，MENGXPna1ActaMetallurgicaSinica，1994，30

（1）：

39【6】吴新伟，曾晓雁，朱蓓蒂等，中国激光，1997，（6）：

570网刘志勤，嘲董世远，9】许伯蒲，10】余菊荚，张洪欣，王开富等，激光技术。

1998，

（2）：

46韩杰才，毛茂才等，金属热娃理2000，（3）；1方军，史华忠等机械工程材料，1998，22

（1）：

20晁明举，粱二军等应用激光，2003，230）=201【11】陈俐，谢长生，胡术林等，焊接技术，2001，30（3）：

2f12】FRENKA，MARSDENCFWAGNIEREJDetalSurfaceandCoatingsTechnology，1991。

45（3）；435【131SONGWL，ZHUBD，XIEchSheta1SurfaceandCoatingsTechnology1999，115

（2）：

27【14】吴新伟等粉末冶金技术，1995，

（2）：

59【15】李国华，丁刚，王捧柱等金属热处理，1999，（9）：

14【16ZHANGQM，HEJJtLIUwJeta1SurfaceandCoatingsTechnology，2003，162（23）：

1410【17】陈浩，潘春旭，潘邻金属热处理，200227（9）：

5激光熔覆耐磨涂层用合金材料的研究现状激光熔覆耐磨涂层用合金材料的研究现状作者：

赵世海，蒋秀明，王铁刚作者单位：

赵世海,蒋秀明（天津工业大学机电学院,天津,300160），王铁刚（鞍钢集团新钢铁公司,鞍山,114001）相似文献（10条）相似文献（10条）1.期刊论文于有生.倪火炬.温家伶铁基合金激光熔覆的研究-中国表面工程2004,17（4）利用激光熔覆技术对FeBSiNiCr稀土铁基合金进行了水玻璃和纤维素为粘结剂的2组正交试验.通过表面质量分析、能谱分析、显微硬度试验和扫描电镜金相组织分析,找到了较理想的FeBSiNiCr稀土系列铁基合金激光熔覆工艺与熔覆层配方成分,解决了铁基合金激光熔覆中存在的容易开裂、氧化和气孔等问题.2.学位论文倪火炬铁基合金的激光熔覆2001该课题通过成分设计,采用B、Si、Cr提高熔覆层的是硬度与耐磨性,稀土元素提高熔覆层的整体性能,Ni提高熔覆层的抗裂能力.在对BSiNiCr稀土系列铁基合金进行水玻璃和纤维素粘结剂两组正交试验,通过表面质量分析、能谱成分分析、显微硬度试验与分析、扫描电镜组织分析,对以上几个有关铁基合金激光熔覆的不足之处进行了深入讨论,从配方成分的调节、工艺的选择等方面着手解决了铁基合金的激光熔覆中存在的容易开裂、容易氧化、容易产生气孔等问题.通过成分设计、工艺试验、组织与性能分析和模糊综合评价,找到了获得比较理想的BSiNiCr稀土系列铁基合金激光熔覆层的激光熔覆工艺与配方成分.通过分析表面质量、硬度、组织可以得到在铁基合金的激光熔覆中纤维素是比较理想的粘结剂;B和Si有利于提高熔覆层的表面性能;B是最有利于提高硬度的因素,在一定范围内,Si和Cr对硬度的影响并不非常明显;适量的稀土元素的加入有利于提高熔覆层的整体性能;选择合适的涂敷工艺和激光工艺是获得良好的熔覆层性能的基础;Ni和稀土元素的加入能有效地防止熔覆层的裂纹产生.设计师在铁基合金激光熔覆的研究与应用时应引起充分重视.3.期刊论文刘月龙.斯松华.LIUYue-long.SISong-hua激光熔覆铁基合金涂层研究进展-安徽工业大学学报（自然科学版）2005,22（4）综述了激光熔覆铁基合金涂层的研究进展,着重介绍了激光熔覆铁基合金涂层的成份设计、组织和性能及体系分类,并指出了激光熔覆铁基合金涂层存在的问题和发展方向.4.期刊论文王义厢.李宝增.宫耀华.程占保.WANGYixiang.LIBaozeng.GONGYaohua.CHENGZhanbao45钢表面激光熔覆铁基合金涂层显微组织与性能-热加工工艺2008,37（21）采用激光熔覆技术在45钢表面制备铁基合金涂层,分析了激光熔覆层的微观组织,测试了其显微硬度及摩擦磨损性能.结果表明:

激光熔覆区为细小的树枝晶,组织均匀致密,并有硬质点弥散分布,使得表面硬度和耐磨性大幅度提高.5.学位论文余菊美铁基合金激光熔覆层质量与性能改善的研究2004由于激光熔覆的快速加热,快速凝固的工艺特点,熔覆层易产生裂纹,阻碍了激光熔覆技术的工业应用.在常用的自熔性合金中,FeNiCrBSi铁基合金价格低廉,具有良好的耐低应力磨损性能和优良的耐弱腐蚀介质腐蚀的性能,但由于其与基底的润湿性差,相比Ni、Co基自熔性合金熔覆层而言,更易产生裂纹.该文系统地研究了FeNiCrBSi铁基合金激光熔覆层的开裂行为及开裂的机理,从优化激光熔覆的工艺参数,调节熔覆材料的成分,首次尝试添加一定量的具有细晶作用TiO、NbO、MgO,研究了工艺参数条件、材料成分的变化对熔覆层的开裂敏感性和组织性能的影响.在热轧45钢表面,采用自动送粉法在不同的激光工艺参数条件下进行G312FeNiCrBSi铁基合金和G312铁基合金分别加入不同含量的TiO、NbO、MgO的激光熔覆实验.采用渗透法观察熔覆层表面裂纹;利用金相显微镜和扫描电镜观察熔覆层横断面的显微组织,并对熔覆层的典型组织进行EDS能谱分析,结合X射线衍射物相分析研究了各元素在熔覆层的分布,并测试了熔覆层横断面的硬度分布和熔覆层的摩擦磨损性能.6.期刊论文李胜.曾晓雁.胡乾午.LISheng.ZENGXiao-yan.HUQian-wu激光熔覆专用铁基合金特点分析及设计思路评述-中国表面工程2007,20（4）分析了目前防止熔覆层开裂所采取的主要措施存在的问题,阐述了激光熔覆和热喷焊对于所用合金粉末性能要求之异同,指出解决激光熔覆层开裂的根本途径是研制专用合金.综述了激光熔覆专用铁基合金的研究现状,评述了现有激光熔覆专用铁基合金成分与组织设计的思想,指出了当前基于原位自生和高碳共晶设计思想的专用合金研究思路的局限性.7.期刊论文晁明举.余菊美.梁二军.袁斌.CHAOMing-ju.YUJu-mei.LIANGEr-jun.YUA