激光熔覆材料粉末分类及优缺点

激光熔覆技术是指以不同的填料方式将所选涂层合金粉末放置于基体表面，利用高能激光束辐照，使之作用于基体表面，迅速熔化、扩展和凝固在基材表面的过程，进而形成一层与基底材料相结合的覆盖层。这个新生成的覆盖层能够显著改善甚至再造基体材料，使其能够达到耐磨损、耐热、耐腐蚀、抗氧化及其他目标特性。

　　激光熔覆技术是一个复杂的物理、化学冶金过程，激光参数的设置对熔覆层质量的影响较大。除此之外，合金粉末的选择也是重要的因素。激光熔覆合金粉末按照材料成分构成可分为：自熔性合金粉末、复合粉末和陶瓷粉末。其中，自熔性合金粉末的在现实中研究与应用多。

　　一、自熔性合金粉末

　　自熔性合金粉末可以分为铁基(Fe)、镍基(Ni)、钴基(Co)合金粉末，其主要特点是含有硼(B)和硅(Si)，因而具有自脱氧和造渣性能;还含有较高的铬，它们优先与合金粉末中的氧和工件表面氧化物一起熔融生成低熔点的硼硅酸盐等覆盖在熔池表面，防止液态金属过度氧化，从而改善熔体对基体金属的润湿能力，减少熔覆层中的夹杂和含氧量，提高熔覆层的工艺成形性能，因而具有优异的耐蚀性和抗氧化性。对碳钢、不锈钢、合金钢、铸钢等多种基材有较好的适应性，能获得氧化物含量低、气孔率小的熔覆层。但对于含硫钢，由于硫的存在，在交界面处易形成一种低熔点的脆性物相，使得覆层易于剥落，因此应慎重选用。

　　01　　铁基(Fe)自熔性合金粉末

　　Fe基自熔性合金粉末适用于要求局部耐磨且容易变形的零件，基体多为铸铁和低碳钢，其大优点是材料来源广泛、成本低且抗磨性能好。缺点是熔点高、抗氧化性差，熔覆层易开裂、易产生气孔等。在铁基合金粉末成分中，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改善熔覆层的硬度、开裂敏感性和残余奥氏体的含量，从而提高熔覆层的耐磨性和韧性。激光熔覆用的铁基自熔性合金粉末分为两种类型：奥氏体不锈钢型和高铬铸铁型。

　　近年来，有关激光熔覆的研究，不少人围绕铁基粉末中加入其它成分进行实验。结果表明，加入稀土改善了熔覆层表面钝化膜的抗剥落能力，在不同程度上减轻了材料的腐蚀失重，提高了熔覆层的耐腐蚀能力。

　　02　　镍基(Ni)自熔性合金粉末

　　Ni基自熔性合金粉末以其良好的润湿性、耐蚀性、高温自润滑作用和适中的价格在激光熔覆材料中研究多、应用广。

　　镍基(Ni)自熔性合金粉末在滑动、冲击磨损和磨粒磨损严重的条件下，单纯的自熔性合金粉已不能胜任使用要求，此时可在自熔性合金粉末中加入各种高熔点的碳化物、氮化物、硼化物和氧化物陶瓷颗粒，制成金属复合涂层。

　　03　　钴基(Co)自熔性合金粉末

　　钴基(Co)自熔性合金粉末具有优良的耐热、耐蚀、耐磨、抗冲击和抗高温氧化性能，常被应用于石化、电力、冶金等工业领域的耐磨耐蚀耐高温等场合。Co基自熔性合金润湿性好，其熔点较碳化物低，受热后Co元素先处于熔化状态，而合金凝固时它先与其它元素形成新的物相，对熔覆层的强化极为有利。目前，钴基合金所用的合金元素主要是镍、碳、铬和铁等。其中，镍元素可以降低钴基合金熔覆层的热膨胀系数，减小合金的熔化温度区间，有效防止熔覆层产生裂纹，提高熔覆合金对基体的润湿性。

　　综合分析可以看出，Ni基或Co基自熔性合金粉末体系具有良好的自熔性和耐蚀、耐磨、抗氧化性能，但价格较高;Fe基自熔性合金粉末虽然便宜，但自熔性差，易开裂和氧化。因此，在实际应用中，应根据使用要求合理选择自熔性合金粉末体系。

　　二、复合粉末

　　复合粉末主要是指碳化物、氮化物、硼化物、氧化物及硅化物等各种高熔点硬质陶瓷材料与金属混合或复合而形成的粉末体系。复合粉末可以借助激光熔覆技术制备出陶瓷颗粒增强金属基复合涂层，将金属的强韧性、良好的工艺性和陶瓷材料优异的耐磨、耐蚀、耐高温和抗氧化特性有机结合起来，能在一定程度上使碳化物免受氧化和分解，从而获得具有很高耐磨和硬度的涂层，这是是目前激光熔覆技术领域研究发展的热点。其中，碳化物合金粉末和氧化物合金粉末研究和应用多，主要应用于制备耐磨涂层。复合粉末中的碳化物颗粒可以直接加入激光熔池或者直接与金属粉末混合成混合粉末，但更有效的是以包覆型粉末(如镍包碳化物、钴包碳化物)的形式加入。

　　在激光熔覆过程中，包覆型粉末的包覆金属对芯核碳化物能起到有效保护、减弱高能激光与碳化物的直接作用，可有效减弱或避免碳化物发生烧损、失碳、挥发等现象。

　　三、陶瓷粉末

　　陶瓷粉末主要包括硅化物陶瓷粉末和氧化物陶瓷粉末，其中又以氧化物陶瓷粉末(氧化铝和氧化锆)为主。氧化锆比氧化铝陶瓷粉末具有更低的热导性和更好的热抗震性能，因而也常用于制备热障涂层。由于陶瓷粉末具有优异的耐磨、耐蚀、耐高温和抗氧化特性，所以它常被用于制备高温耐磨耐蚀涂层。目前，生物陶瓷材料是研究的一个热点。

　　陶瓷粉末缺点：与基体金属的热膨胀系数、弹性模量及导热系数等差别较大，熔覆层易出现裂纹和孔洞等缺陷，在使用中容易出现变形开裂、剥落损坏等现象。

　　为了解决纯陶瓷涂层中的裂纹及与金属基体的高强结合，有学者尝试使用中间过渡层并在陶瓷层中加入低熔点高膨胀系数的CaO、SiO2、TiO2等来降低内部应力，缓解了裂纹倾向，但现有的研究表明，纯陶瓷涂层的裂纹和剥落问题并未得到很好解决，因此有待于进一步深入研究。

　　目前对激光熔覆生物陶瓷材料的研究主要集中在Ti基合金、不锈钢等金属表面进行激光熔覆的羟基磷灰石(HAP)、氟磷灰石以及含Ca、Pr等生物陶瓷材料上。羟基磷灰石生物陶瓷具有良好的生物相容性，作为人体牙齿早已受到国内外有关学者的广泛重视。总体来说激光熔覆生物陶瓷材料的研究起步虽然较晚，但发展非常迅速，是一个前景广阔的研究方向。

　　四、其他金属粉末

　　除以上几类激光熔覆粉末材料体系，目前已开发研究的熔覆材料体系还包括：铜基、钛基、铝基、镁基、锆基、铬基以及金属间化合物基材料等。这些材料多数是利用合金体系的某些特殊性质使其达到耐磨、减摩、耐蚀、导电、抗高温、抗热氧化等一种或多种功能。

　　1、铜基

　　铜基激光熔覆材料主要包括Cu-Ni-B-Si、Cu-Ni-Fe-Co-Cr-Si-B、Cu-Al2O3、Cu-CuO等铜基合金粉末及复合粉末材料。利用铜合金体系存在液相分离现象等冶金性质，可以设计出激光熔覆铜基自生复合材料的铜基复合粉末材料。研究表明，其激光熔覆层中存在大量的自生硬质颗粒增强体，具有良好的耐磨性。单际国等利用Cu与Fe具有液相分离和母材与堆焊材料的冶金反应特性，采用激光熔覆制备了Fe3Si弥散分布的铜基合金复合熔覆层。研究表明：激光熔覆过程中，由母材熔化而进入熔池的Fe元素与熔池中的Cu合金呈液相分离状态;进入溶池的Fe由于密度小而上浮，上浮过程中与熔池中的Si反应生成Fe3Si，Fe3Si在激光熔覆层中呈弥散状梯度分布于α-Cu基体中。

　　2、钛基

　　钛基熔覆材料主要用于改善基体金属材料表面的生物相容性、耐磨性或耐蚀性等。研究的钛基激光熔覆粉末材料主要是纯Ti粉、Ti6Al4V合金粉末以及Ti-TiO2、Ti-TiC、Ti-WC、Ti-Si等钛基复合粉末。张松等在氩气氛环境下，在Ti6Al4V合金表面激光熔覆Ti-TiC复合涂层，研究表明复合涂层中原位自生形成了微小的TiC颗粒，复合涂层具有优良的摩擦磨损性能。

　　3、镁基

　　镁基熔覆材料主要用于镁合金表面的激光熔覆，以提高镁合金表面的耐磨性能和耐蚀性能。J.DuttaMajumdar等在普通商用镁合金上熔覆镁基MEZ粉末(成分：Zn：0.5%，Mn：0.1%，Zr：0.1%，RE：2%，Mg：Bal)。研究表明，熔覆层显微硬度由HV35提高到HV 85～100，并且因为晶粒细化和金属间化合物的重新分布，熔覆层在3.56wt%NaCl溶液中的抗腐蚀性能比基体镁合金大大提高。

　　4、铝基

　　SorinIgnat等在WE43和ZE41两种镁合金基体上采用3kW的Nd∶YAG激光器侧向送粉熔覆铝粉，得到了结合性能良好的熔覆层。研究发现，涂层硬度值达到HV0.05120～200，硬度提高的主要原因是Al3Mg2和Al12Mg17金属化合物的存在。ZMei等在镁基ZK60/SiC基体上激光熔覆铝基Al-Zn粉末，得到了冶金良好的熔覆层。研究表明，熔覆层腐蚀电位比标准试样电位高300mV，而腐蚀电流则至少低3个数量级。

　　5、锆基

　　在纯钛基体上激光熔覆锆基ZrAlNiCu合金粉末，并对涂层进行了研究分析。发现，涂层由具有高比强、高硬度的金属间化合物与少量的非晶相构成，具有较好的力学性能;在ZrAlNiCu合金粉末中添加2wt%B和2.75wt%Si，发现涂层中非晶含量增加，硬度升高，两种涂层的高硬度分别达到HV909.6和HV1444.8。

　　五、总结：

　　不同熔覆材料的特点、价格以及熔覆后的性能差别较大，实际使用时可根据不同的加工需求选择不同性能的合金粉末。通过激光将合金粉末熔覆在工件表面(激光熔覆)，可以在廉价金属基材上制备出高性能的合金表面而不影响基体的性质，有效降低生产成本，节约贵重稀有金属材料。与堆焊、热喷涂、电镀等传统表面处理技术相比，激光熔覆具有稀释度小、组织致密、涂层与基体结合好、适合熔覆材料多、粒度及含量变化大、加工质量高、可控性好(可实现三维自动加工)等优点。

　　目前主要应用于材料表面改性(如液压立柱、轧辊、齿轮、燃汽轮机叶片等)，产品表面修复(如因磨损而失效的转子、模具、轴承内孔等)，修复后的部件强度可达原强度的90%以上，且修复费用不到产品换新成本的1/5，更重要的是缩短了维修时间，有效解决了大型企业重大成套设备转动部件快速抢修难题。

　　此外，对关键部件表面通过激光熔覆耐磨抗蚀合金，可以在零部件表面不变形的情况下大大提高零部件的使用寿命。对模具表面进行激光熔覆处理，不仅提高模具强度，还可以降低2/3的制造成本，缩短4/5的制造周期。

　　总的来说激光熔覆技术是一项具有高科技含量的表面改性技术与装备维修技术，其研究和发展具有重要的理论意义和经济价值。

　　激光熔覆材料是制约激光熔覆技术发展和应用的主要因素。目前在研制激光熔覆材料方面虽取得了一定进展，但与按照设计的熔覆件性能和应用要求定量地设计合金成分还存在很长距离，激光熔覆材料远未形成系列化和标准化，尚需要加大力度进行深入研究。

　　此文感谢资料提供：赛亿快速制造、智汇设计机器人