[摘要] 总结了激光熔敷陶瓷涂层的特点,分析了熔敷陶瓷涂层存在的问题,并阐述了自生陶瓷涂层的优点。
[关键词] 激光熔敷;自生陶瓷涂层
0 引言
随着激光的出现,其在材料上的应用越来越广泛。激光表面改性技术是通过激光束与材料的相互作用使材料表面发生所希望的物理化学性能变化。激光熔敷作为激光表面改性技术的一种,20多年来取得了令人瞩目的成就,而且己经展现出了广阔的应用前景。激光熔敷是以激光束作为热源在材料表面熔接一层材料,从而使廉价材料表层形成与基体材料成分、组织和性能完全不同的表面熔敷层。与普通涂敷及化学热处理等相比,激光熔敷具有许多优点:应用灵活、耗能小,热输入量较低,引起的热变形较小,不需要后续加工或加工量很小,减少公害等。现已投入生产,并获得了较好的经济效益。目前国内外激光熔敷研究的报导很多,这方面无论是理论研究还是应用研究均异常活跃,它的发展为工程材料制备耐磨、耐蚀等性能的表面涂层开辟了广阔的应用前景。
激光熔敷陶瓷涂层技术虽然是80年代末刚刚兴起的,但它被视为最有价值的表面强化方法而深受国内外广大学者的重视[1]。近年来结合原位反应技术兴起的激光熔敷自生陶瓷涂层[2]为激光熔敷陶瓷涂层又注入了新的活力,使之表现出更强劲的发展势头。
1 激光熔敷陶瓷涂层的发展
陶瓷材料具有耐高温、高强度、高硬度及耐腐蚀性好等特点,但其脆性大的弱点限制了它的应用范围。激光熔敷陶瓷涂层是希望能在廉价的金属件表面熔敷一层高硬度的陶瓷材料,以达到韧性与硬度的理想结合。事实上从70年代末期,一些学者就已经开始寻求用陶瓷代替合金粉作为涂层材料,以期大幅度提高金属表面强化效果。
激光熔敷陶瓷涂层按其涂层组成可分为:纯陶瓷涂层、金属基陶瓷复合涂层。纯陶瓷涂层即在金属基体表面熔敷一层纯陶瓷涂层,涂层成分为陶瓷材料。1987年E.VandaHaar等[3]进行了以ZrCO2为主的陶瓷粉激光熔敷于AISI4142钢基体上的试验,其目的是希望得到以陶瓷为主的隔热层。熔敷采用送粉法,先预涂一层厚0.13mm的NiCrCoAlY连结层,然后再熔敷陶瓷层,并对基体进行了预热。结果试样横断面上的裂纹很多,裂纹大多与熔敷层和基体的次界面垂直。陈传忠等[4]在45钢表面激光熔敷了Al2O3陶瓷涂层。但是由于Al2O3与45钢之间的物理性能差异较大、且润湿性差,未能得到均匀连续的陶瓷激光熔敷层,涂层只是粘附在基体表面,在制备金相时全部脱落,但采用NiCrAl为过渡层结果取得了良好的效果,得到了均匀连续的陶瓷激光熔敷层。
金属基陶瓷复合涂层指熔敷层由金属与陶瓷相相熔组成,金属基体有镍基、钴基、铁基等。不同的粉末基体,激光熔敷以后的组织和性能有很大的差异,可以根据实际要求选择所希望的基体。而陶瓷颗粒是以吹入法进入熔池或与金属粉预配涂敷于金属基体表层,也常用现有金属陶瓷粉作为涂层材料。如S.Ariely[5]等在碳钢表面进行了TiC颗粒熔敷试验,而后A.Y.Fasasi[6]在低碳钢表面也引入了细TiC粉进行熔敷处理,均得到Fe-TiC复合涂层。
周二华等[7]曾在A3钢表面激光熔敷了Fe-WC金属陶瓷复合层。在铁基合金中加入WC可细化枝晶组织,获得分布均匀的致密敷层,当WC的质量分数达到25%时,敷层保持连续,但当WC质量分数增加到35%时,所得敷层气孔和开裂现象十分严重。熔敷层显微硬度随着WC粒度、质量分数的增加而相应地增加。
另外刘志勤等[8]对45钢表面激光熔敷TiC-WC-Co金属陶瓷也进行了研究。用有机粘结剂将复合粉末调合成糊浆状,预涂在基体上。最后熔敷层的耐磨性较基体有了很大的提高,而在低稀释率下,熔敷层组织均匀细化,耐磨性能则更加优越。另外不少学者对Al基合金表面也进行了类似研究,引入颗粒包括TiC和WC[9,10]。所有试验结果均显示了在实验室中得到金属基陶瓷复合涂层是可行的,不仅如此,金属基陶瓷激光复合涂层在国内外已经有许多应用实例。
2 激光熔敷陶瓷涂层现存的问题
由于激光熔敷过程中,熔敷层被快速加热、熔化,然后又急剧冷却,属非平衡凝固,而且涂层材料和基体材料性能差异较大,再加上激光处理过程中影响因素较多,致使熔敷层质量不易控制,结果常在涂层中出现某些缺陷。
2.1 氧化与烧损
由于激光熔敷时,表面温度很高,因此很有可能出现氧化与烧损现象。激光熔敷过程中氧的来源主要有:元素本身被氧化:涂层涂敷时混入少量空气;外界大气中的氧。其中前两种不是主要问题容易排除。后一种虽可加保护气氛予以防止,但实际操作过程中如果保护气流的流动轴向与表面法线夹角不当,保护气流反而会引起0引流0作用,从而促进氧化。元素烧损受激光熔敷工艺参数的影响,表面温度越高,激光束作用时间越长烧损量会有所增加。所以在保证正常熔敷前提下,应合理调整工艺参数。另外在粉末选择上最好选自熔性合金粉末。所谓自熔性合金是自身能起熔剂作用的合金,即在重熔时合金本身有脱氧性和自造渣性能,浮于熔池的薄熔渣能够防止熔池的氧化。
2.2 成分污染
成分污染主要指基体成分对涂层成分的污染,即稀释率。显然,稀释率越低,成分污染越小。影响激光熔敷的成分污染主要因素有激光工艺参数、熔敷层厚度和熔敷材料的化学成分。对于熔敷厚度一定的涂层,随涂层单位面积上吸收能量的增加,稀释率也增大;扫描速度越快,稀释率越低。当然,并非稀释率越低越好,稀释率高则涂层与基底的结合强度越好;稀释率越低,由于涂层与基体的润湿性差,容易使涂层剥落。因此在控制T艺参数时,功率不宜过高,扫描速度也不宜过低。
2.3 气孔
涂层粉末在激光熔敷以前如果氧化、受潮,则在熔敷过程中就会产生气体。由于激光熔敷在很短时间内即完成,产生的气体如来不及排出,就会在涂层中形成气孔。防止气孔产生的方法就是熔敷前对粉末进行烘干,选择不易氧化的粉末作为涂层。此外当采用膏状合金涂料法时,由于有些粘结剂本身含结晶水,往往也会在表面形成气孔。比如用水玻璃作粘结剂时,熔敷前必须在风干后再对试样进行烘干脱水,一般烘干温度在300~400C之间。因此采用烘干工艺,不仅减少因结晶水在熔敷层中产生的气孔,还可以提高预涂层的强度以及其与基材的结合力。
2.4 表面粗糙度
经激光熔敷后的材料表面常有凹凸不平的现象。由于在激光熔敷和合金化过程中,在熔池表面,存在表面张力梯度,根据扩散热力学理论,必然由此导致表面凸凹不平[11]。为克服这一问题,一般采用改变激光工艺参数的方法。如高功率密度和短的作用时间能减小表面粗糙度。另可采用激光后续处理,通过低功率激光的作用或快的扫描速度进行二次重熔,也可采用增大激光光斑直径的方法。
2.5 裂纹与剥落
在激光作用层内热应力和开裂倾向是激光熔敷的主要缺点。特别是涂层与基体交界处的开裂,导致改性层剥落。其实涂层表面裂纹的产生有诸多因素影响:一方面是由于陶瓷材料的热物理参数与金属基体相差较大,在凝固收缩时产生拉应力,当拉应力大于材料的抗拉极限时,就会在涂层中产生裂纹。J.D.Ay-ers[12]在将TiC熔敷于铝青铜上时,发现颗粒开裂,而青铜基底未裂的情况。E.VandaHaar[3]等也发现试样横断面上有很多裂纹。另一万面,由于陶瓷材料与基体金属在结构上差异较大,两者的润湿性和匹配性不好,使涂层和基体的结合强度较差,那么当残余应力或外力的作用大于涂层与基体的结合强度后,就会从基体上剥落。第三是由于激光表面熔敷产生的热应力使熔敷层产生裂纹。这主要是激光加工工艺的问题,可以通过调整工艺参数得以解决。此外陶瓷颗粒表面由于二次污染也能使其与金属之间结合减弱;陶瓷颗粒本身作为裂纹源也能致使材料性能下降。总之裂纹与剥落是目前激光熔敷技术工业化的主要障碍之一。虽然可以采用复合技术在基体与涂层之间引入一过渡层,该层具有良好的抗热裂性,但是这种技术较为复杂,成本也很高。目前,这方面的研究还刚刚开始。
3 激光熔敷自生陶瓷涂层的兴起
激光熔敷陶瓷涂层除了按涂层组成分类外还可以按其涂层材料反应分为:不反应陶瓷涂层和反应自生陶瓷涂层。
前述的纯陶瓷涂层、金属基陶瓷复合涂层其实都属于不反应陶瓷涂层,而反应自生陶瓷涂层是从利用原位反应技术制备颗粒增强金属基复合材料的方法中得到启示,而把它应用于激光熔敷中的一种新兴起的工艺方法。所谓原位反应技术就是通过自身反应放热,各元素或是组元间原位合成化合物的方法[13]。这些化合物可以是硼化物、碳化物、氮化物、氧化物、金属间化合物、或者是它们的任何组合[14~16]。由于原位合成在制备复合材料方面具有相界面结合紧密、无污染等优点,所以自生复合材料是一种发展前途更大的复合材料。
因此从以上原位反应技术的思想出发,已有人做了关于激光熔敷自生陶瓷涂层的探索性研究,并初见成效。X.B.Zhou等[2]1992年在铝基体上激光熔敷SiO2粉,使SiO2与Al反应生成SiO2+Al2O3复合陶瓷涂层,其与SiO2反应放出的热量又进一步帮助反应的进行,得到无裂纹的薄熔敷层(厚小于0.1mm)。激光熔敷自生陶瓷涂层是一种全新概念的涂层技术,评价其生命力最主要的依据是这种涂层是否可能在使用性能上有其特点。孟岩1996年在45#基体上用激光熔敷制备了Ni60A/TiC自生复合涂层,通过大量实验,确定涂敷层材料以及选择制备激光自生复合涂层的最佳工艺参数;从热力学和动力学研究了实验方案的可行性,最终也得到了无裂纹的光滑的熔敷带。另外也出现了激光熔敷自生TiC颗粒增强钛基复合材料[17]。
作者选择了Ti6Al4V合金作为基体,涂层为钛粉与Cr3C2粉末,粒径为60~70Lm。选择合适的激光工艺参数,可使Ti粉与Cr3C2粉全部转变为TiC,原位自生的TiC平均尺寸小于1.5Lm,熔敷层结晶细密,熔敷层与Ti6Al4V基体呈良好的冶金结合,结果明显提高了Ti6A14V合金的耐磨性。可以看出,陶瓷相在基体内原位合成,克服了传统加入方法中陶瓷相与基体之间润湿性差的主要弱点,也避免了陶瓷相在增强的同时又是裂纹产生的根源;并且基体与陶瓷相之间界面干净,结合非常好,而且陶瓷相分布也很均匀;此外由于自生陶瓷相一般都很细小,对提高材料的性能也有一定帮助,可见自生陶瓷涂层比直接加入有着更多的优点。
4 结束语
总的说来,在飞速发展的现代科学技术中,激光的研究与应用无疑是发展最快的技术之一。激光加工技术经过20余年的研究、开发和不断完善,正在逐步成为一项综合性的高新技术产业,并且代表着未来材料加工的一个发展方向。
虽然激光熔敷陶瓷涂层技术的历史不长,但其发展却非常迅速,尽管仍有一些问题仍需进一步研究,但可以预见,随着众多学者的重视以及相关理论研究的不断深入和制备技术的不断完善,这一技术一定会日趋成熟,最终必将成功地应用于实际生产并显示出巨大的应用价值。
[参考文献]略
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