摘要：介绍了激光熔覆镍基涂层多碰失效形式及失效特征，综述了激光熔覆镍基涂层的三种制备方法、多碰的实验研究方法。基于激光熔覆涂层多碰的国内外研究进展，对激光熔覆镍基涂层多碰研究提出了方向。寻找小能量多碰抗力的方法，低能量多碰载荷下涂层研究以及更高级的实验分析设备将是未来多碰研究的方向。
关键词：多碰；激光熔覆；镍基涂层
随着表面改性技术的发展，近年来，激光熔覆技术及激光熔覆涂层技术得到了快速的发展。未来多功能性和多元体系的合金成分设计是激光熔覆涂层材料的重要发展方向[1]。镍基自熔合金粉末因其良好的润湿性、耐蚀性、耐磨性和自润滑作用及适中的价格在激光熔覆材料中研究最多、应用最广[2]。利用激光熔覆技术制备镍基涂层取得了很大的进展。
在工程机械中广泛存在着多次碰撞载荷下工作的零构件，如各种阀、泵等零构件，这些零构件是机械部件中重要构件，其多碰后失效引起的检修、停产带来巨大的经济损失。理论和实际应用均表明，激光熔覆层镍基涂层能适用于多冲载荷条件[3-5]。
本文就激光熔覆镍基涂层多碰失效研究进行综述。
1 激光熔覆镍基涂层多碰失效形式
多碰载荷，是指碰撞面上的力和能量远小于材料的强度极限和冲击韧性，且两对冲零件的相对运动垂直于冲击面，相对分离的碰撞过程。文献[6]列举了镍基涂层多冲碰撞的系列特点。一般来说，镍基涂层多碰后，由于涂层材料材料、涂层厚度、碰撞面的接触方式以及工艺参数等不同失效表现主要有以下几种形式。
（1）开裂，是高强度材料常见的失效形式，也是塑性、韧性较好的材料在经历累积塑性变形后的终极失效形式。
（2）凹陷，与凸冲头相对的试件表现为冲击表面的凹陷。对塑性材料而言，凹陷是指经一定的冲击次数以后，受冲击载荷的表面相对于周边的凹陷变形。
（3）墩粗，与平冲头对偶的试件表现为头部墩粗，这是多碰累积形变的典型特征。
（4）表面蚀坑，当碰撞面力较小，尚未出现开裂而碰撞次数达到足够高时，涂层表面常会出现一些随机分布的麻点，小蚀坑的形成可能与局部赫兹应力有关。
（5）崩落，其失效表现为从涂层的边缘开始，涂层材料的逐步崩落。这种失效形式在镍基涂层中较为少见。
2 激光熔覆镍基涂层多碰失效的特征
（1）多碰载荷下材料由表及里的形变硬化程度呈梯度变化，这在静载荷和静疲劳载荷下是难以见到的，是材料在多冲碰撞这种能量载荷下的一种特有现象[7]。
（2）镍基涂层的抗多冲性能最好。这是傅戈雁等人对钴基、镍基和铁基三种自熔合金粉末激光熔覆涂层试件进行多碰研究发现的[8]。
（3）多碰接触载荷下激光涂层零件的疲劳寿命分布一般为对数正态分布。一般说来，有较高静机械强度的涂层也有较高的多冲接触疲劳强度[8]。
（4）多碰撞载荷下，在微观赫兹应力作用下的微观点蚀较为普遍。激光涂层表面点蚀剥落一般在较小的应力下发生，裂纹产生周期较长，属于应力疲劳；表面剥层一般在较大应力下发生，裂纹产生周期较短，属于应变疲劳[9]。
3 激光熔覆镍基涂层的制备
3.1 单层熔覆
激光熔覆制备 Ni 基涂层目前多采用的是单层多组分熔覆的方法。单层熔覆涂层的质量取决于多种因素，如激光功率、扫描速度、离焦量等因素。单层熔覆按熔覆材料的供给方式可以分为同步式熔覆和预置式熔覆，而由于预置式熔覆的熔覆材料、涂层形貌容易控制，故目前多采用这种方式。
3.2 多层熔覆
熔覆层顺序要考虑熔点及导热系数等的差别。作为过渡层必须具备的条件是：①与基材形成韧性相界面；②覆层成分能在其表面很好地熔覆[10]。梁城等[11]用 CO2激光在 Ti6Al4V 钛合金表面进行激光熔覆 Ni 基梯度涂层。梯度涂层由过渡层和表面层构成，其中，过渡层采用纯 Ni 粉，表面层采用 Ni60 合金粉末，获得了无气孔和裂纹的熔覆层。熔覆表面层显微硬度显著提高，过渡层显微硬度呈明显梯度变化。
3.3 原位合成
通过外加增强相来强化涂层常会由于其与基体的润湿性较差而导致界面结合强度降低，进而导致整体强化效果的减弱。而原位自生的增强相是从金属基体中通过放热反应原位生成，表面无污染[12]。
4 激光熔覆镍基涂层多碰失效的研究方法
目前还没有专门针对多碰实验的设备，大多是对多冲碰撞疲劳试验机的改造。苏州大学傅戈雁等人采用自制的多冲碰撞疲劳试验机，通过调整由凸轮控制冲头上部的弹簧压缩－释放，从而实现对试件的反复碰撞运动。通过调整弹簧的预压缩量来调整冲击力大小来探索涂层多碰失效的特征与规律[6]。涂层显微硬度、微观组织结构是多碰后人们关心的问题，硬度是材料性能的重要指标，多数人采用维氏显微硬度计来测量分析。微观组织结构是材料多碰后塑性变形的体现，因此人们采用各种显微镜来观察。多数使用的是SEM 来观察涂层表面形貌。
5 激光熔覆涂层多碰失效的研究进展
20 世纪初已经有人对多次碰撞的冲击问题开始研究。Stanton和Bairstow最早涉足该领域，主要针对化学成分对铁素体的冲击破断周次的影响[13]。国内外对多次冲击问题的研究集中在20 世纪中期。其中 Layland[14]对 15 种典型结构钢在多冲载荷下的行为进行了考查，给出每种材料的冲击能量 A 和破断周次 N 间的关系曲线。周惠久等人[15]系统全面地对小能量多次冲击破断问题进行了研究，但主要是针对材料承受小能量多次冲击载荷时其整体的破断规律。
20 世纪 60 年代末很多人开始主要针对钢材的往复多冲磨损研究[16]。近年来，人们开始采用激光熔覆涂层抵抗多冲载荷[8,17-20]。对多碰材料的研究最初停留在分析其疲劳寿命。傅戈雁、刘义伦等人制备了钴基、镍基和铁基三种自熔合金粉末激光熔覆涂层试件，在多次冲击疲劳试验机上进行了可靠性试验，得知镍基涂层材料抗多冲性能最好。
钟鸣等人也对涂层多碰后可靠性进行了分析。傅戈雁、石世宏等人利用自制冲击碰撞疲劳试验装置和有关分析测试设备，在多冲碰撞峰值应力仅为激光涂覆件涂层与基体材料静屈服强度的1/10～1/6和1/2～3/4的试验条件下对激光覆层零件进行了多冲碰撞试验和失效分析，总结了多碰后涂层材料的失效形式及特征，对多冲碰撞接触疲劳损伤的表象和机理进行了微观分析；通过 SEM 等手段分析研究了激光涂层在多冲碰撞载荷下的裂纹形成与扩展机理。
6 展望
近年来，激光熔覆镍基涂层由于其抗多碰性能好，引起很多学者的关注。激光熔覆涂层在制作过程中，加热和冷却速度极快等引起的相变，熔覆层和基体材料的温度梯度和热膨胀系数的差异等因素很容易在熔覆层中产生多种缺陷；同时，熔覆材料的选择以及裂纹和气孔的控制仍有待于更深入细致的研究。而多碰研究也在近几年提出，多碰后材料的机理以及相关支撑理论需要进一步的研究，多碰的研究将集中在以下几个方面。
（1）寻找涂层小能量多碰抗力的方法
目前激光熔覆镍基涂层是抗多碰性能最好的涂层。如何优化激光熔覆工艺方法和参数、提高镍基涂层抗力是未来多碰涂层的研究方向。
（2）多碰失效理论的建立与完善
在多碰撞载荷下，材料承受的冲击应力远小于材料的屈服强度就可能产生明显的宏观塑性变形。这一过程不同于高应力下伴随大变形的低循环应力疲劳，也不同于在低应力下以弹性变形为主的高循环应力疲劳。
傅戈雁等人针对多碰失效理论在低应力多碰载荷下研究涂层的微观机理与宏观效应结合的方法，对涂层的失效特征进行了探讨。目前，还未见到关于激光熔覆涂层在低能量下多碰载荷下的塑性变形研究，因此，对涂层多碰后塑性变形、微观组织结构与能量关系的研究将会完善多碰失效理论。
多碰载荷是一个能量负荷，它包括着加载速度的影响、体积因素和加载过程中的震动影响[21]，因此，多碰理论的建立涉及到加速度、体积、加载时间、涂层材料、涂层基体等因素，是一个复杂的过程。多碰失效理论的完善需要很长的时间。
（3）更先进的实验分析设备
随着科技的进步，新设备的不断出现，激光熔覆涂层多碰研究不仅仅局限于 SEM、TEM等仪器分析法，不再局限于在改进的疲劳试验机上实验，新的设备将对实验过程记录得更清晰，数据更准确，对后期数据的分析更有利。如 Advanced SEM 设备也将进入国内的材料研究实验室。
参考文献略
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