金屬激光熔覆(Fu)粉末分類及特點-西安科普電鍍有限(Xian)公司

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金屬激光熔覆粉末分類及特點(Dian)

發[Fa]布時間: 2023-02-03    作者[Zhe]:admin
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激光熔覆技術是(Shi)指以不[Bu]同的[De]填料方式将[Jiang]所選塗層合金粉末放置于基體表(Biao)面[Mian],利用高能激(Ji)光束輻照,使之作用[Yong]于基(Ji)體表面,迅速熔[Rong]化、擴展和(He)凝固(Gu)在基[Ji]材表面的過程,進而形成一層與基底材[Cai]料相結合的覆蓋層(Ceng)。這個新生成的(De)覆[Fu]蓋層能夠顯(Xian)著改善甚至再造基體材料,使[Shi]其能夠達到耐磨損[Sun]、耐熱、耐腐蝕、抗氧化及其他目(Mu)标特性。

激光熔覆技[Ji]術是一個複(Fu)雜[Za]的物理、化學冶金過程(Cheng),激光參數的[De]設置對熔覆層[Ceng]質[Zhi]量的影(Ying)響較[Jiao]大。除(Chu)此(Ci)之外,合金粉末(Mo)的選擇(Ze)也是重要的因素。激光熔覆合金粉末按照材料成分構成可[Ke]分為:自熔性合金(Jin)粉末、複合粉[Fen]末和陶瓷粉[Fen]末。其中,自熔性合(He)金粉末(Mo)的在現實中[Zhong]研究與應[Ying]用.多。

陝西[Xi]激光熔覆

一、自熔性[Xing]合金粉[Fen]末

自熔性合金粉末可以(Yi)分為鐵基(Fe)、鎳[Nie]基(Ni)、钴基(Co)合金粉末,其主要特點是含有硼(B)和矽(Xi)(Si),因而[Er]具有自脫氧和造渣性能;還含有較高的(De)鉻,它們優(You)先與合金粉末中的[De]氧和(He)工件表面氧(Yang)化[Hua]物一起熔融生成低熔點的硼矽酸鹽等覆蓋在[Zai]熔(Rong)池表面,防止液态[Tai]金屬過度氧[Yang]化,從(Cong)而改善熔體對基[Ji]體金屬的潤[Run]濕能力,減少熔(Rong)覆層中的[De]夾雜和含氧量,提高熔覆層的工(Gong)藝成形性能,因而[Er]具有優異的耐(Nai)蝕性和抗氧化性。對碳鋼、不鏽[Xiu]鋼、合金鋼、鑄鋼等多種基[Ji]材有較好的适應(Ying)性(Xing),能獲得氧化物含[Han]量低、氣孔率(Lü)小的熔覆層。但(Dan)對于含硫鋼,由于硫的[De]存在,在[Zai]交界(Jie)面處易形(Xing)成一種低熔點(Dian)的脆性物相,使(Shi)得覆層易于剝落,因此應慎重選用。

01  鐵基(Fe)自熔性合金粉末

Fe基[Ji]自熔性合金粉末适用于要求局部耐磨且容易變形的零件(Jian),基(Ji)體多為鑄鐵和低[Di]碳鋼,其(Qi).大優點是材[Cai]料來源廣泛、成本低且抗磨性能(Neng)好。缺點(Dian)是熔點高、抗氧化性差[Cha],熔覆[Fu]層易開裂、易産生氣孔等。在鐵基[Ji]合金粉末成分中,通[Tong]過調(Diao)整合金元素含[Han]量來調整塗層的硬度,并通過添加(Jia)其它[Ta]元素改善(Shan)熔覆層的(De)硬度、開裂敏感性和殘餘奧氏體的含量[Liang],從而提高熔覆層的[De]耐磨性和韌性。激光熔覆用的鐵基自熔性合金粉末分為兩種類(Lei)型:奧氏體不鏽鋼型和高鉻鑄鐵型。

鐵基[Ji]合金粉末

近年(Nian)來,有關激光熔(Rong)覆的[De]研究,不少(Shao)人圍繞鐵基粉(Fen)末中加入其它成分進行[Hang]實驗。結果(Guo)表明,加入稀土[Tu]改善了熔[Rong]覆(Fu)層表面鈍化膜的抗剝落[Luo]能力,在不同程度(Du)上減輕了材料的腐蝕失重,提高了熔覆層的耐腐蝕能力。

02  鎳[Nie]基(Ni)自熔性合金粉末

Ni基自熔性合金(Jin)粉末以其良好的潤[Run]濕性(Xing)、耐蝕性、高溫[Wen]自潤滑作用和适[Shi]中的價[Jia]格在激光熔覆材料中(Zhong)研究.多、應用.廣(Guang)。

鎳基合(He)金粉末(Mo)

鎳基(Ni)自熔[Rong]性合金粉(Fen)末在滑動、沖擊[Ji]磨損和磨[Mo]粒磨損嚴重的(De)條件下,單純的自熔[Rong]性合金粉已不能勝任使用要(Yao)求,此時可(Ke)在自熔性合金(Jin)粉末中加入各(Ge)種高熔點(Dian)的碳化[Hua]物、氮化物、硼[Peng]化物和氧化物陶瓷顆粒,制成(Cheng)金屬複合[He]塗層。

03  钴基(Co)自熔[Rong]性合金粉末

钴基(Co)自[Zi]熔性(Xing)合金粉末具[Ju]有優良的耐[Nai]熱、耐蝕、耐磨、抗[Kang]沖擊和抗高溫氧化性能,常被[Bei]應用于石化[Hua]、電[Dian]力、冶金等工業(Ye)領域的耐磨耐蝕耐[Nai]高溫等場[Chang]合。Co基自[Zi]熔[Rong]性合金潤濕性好,其熔[Rong]點較碳化物[Wu]低,受熱後Co元素.先處于熔化狀[Zhuang]态,而合金凝固時它.先與其它元素(Su)形成新的[De]物相,對熔覆(Fu)層的強化極[Ji]為有利。目前,钴基合金所用的合金(Jin)元素主要是鎳[Nie]、碳、鉻和鐵等。其中,鎳元素可以(Yi)降低钴基合金熔覆層的熱膨脹系數,減小合[He]金的熔化溫(Wen)度區間,有效防止(Zhi)熔覆層産生裂紋,提高熔覆合(He)金對基(Ji)體的潤濕性[Xing]。

钴基合金[Jin]粉末

綜合分析可以看[Kan]出,Ni基或(Huo)Co基自熔性合金粉[Fen]末體系具有(You)良好的自熔(Rong)性[Xing]和耐蝕、耐磨、抗氧化性[Xing]能(Neng),但價格較高;Fe基自熔性合金粉末雖[Sui]然便宜,但自熔[Rong]性差,易開[Kai]裂和氧化(Hua)。因(Yin)此,在實(Shi)際應用中,應根(Gen)據使用要求合(He)理選擇自熔性(Xing)合金粉末體系[Xi]。

二、複合粉[Fen]末

複(Fu)合(He)粉末主要是[Shi]指碳化物、氮化[Hua]物、硼化物、氧化物及矽化[Hua]物等各種高熔點硬質陶瓷材料與金屬混合或複合而形成(Cheng)的粉(Fen)末體系。複合粉末可以[Yi]借助激光熔(Rong)覆技術制備出陶瓷顆粒(Li)增強金屬基複[Fu]合塗層,将[Jiang]金屬的[De]強韌性、良好[Hao]的工[Gong]藝性和陶(Tao)瓷材料優異的[De]耐磨、耐蝕、耐高溫和抗氧化[Hua]特性有機結合起來,能在一定程(Cheng)度(Du)上使碳化物[Wu]免受氧化和[He]分解,從而獲[Huo]得具有很高[Gao]耐磨和(He)硬度的塗層,這是是目前激光熔覆技術領域研究發展的熱[Re]點。其中,碳化物合金(Jin)粉末和氧[Yang]化(Hua)物合金粉末研究和應用[Yong].多,主要應用于制[Zhi]備耐磨塗層。複合粉(Fen)末中的碳化(Hua)物顆粒可以[Yi]直接加[Jia]入激光熔池[Chi]或者(Zhe)直接[Jie]與金屬粉[Fen]末混合成混合粉末,但更有效的是以包覆型粉[Fen]末(如鎳包碳[Tan]化物(Wu)、钴包碳化物)的形式加入。

鎳基碳化鎢粉末

在激光熔覆過程[Cheng]中,包覆型粉末[Mo]的包覆金屬對芯核(He)碳化物能[Neng]起到有效保護[Hu]、減弱高能[Neng]激光與碳化物(Wu)的直[Zhi]接作[Zuo]用,可有效(Xiao)減弱或避(Bi)免碳化物發生燒損[Sun]、失碳、揮發等(Deng)現象。

三、陶瓷粉末

陶瓷粉(Fen)末主要(Yao)包括矽化物(Wu)陶瓷粉末和氧化[Hua]物陶(Tao)瓷粉末(Mo),其中又以氧化物陶瓷粉末(氧化[Hua]鋁和氧化锆)為主。氧化锆比氧化鋁陶瓷粉[Fen]末具有更低的熱(Re)導性和(He)更好的熱抗[Kang]震性能,因[Yin]而[Er]也常用(Yong)于制(Zhi)備熱障[Zhang]塗層。由于陶瓷粉(Fen)末具(Ju)有優異的耐磨、耐蝕、耐高溫和[He]抗氧化特性,所[Suo]以它常被用于制備(Bei)高溫耐磨耐蝕塗層。目前,生物陶瓷材料(Liao)是研究的一個(Ge)熱點(Dian)。

氧化锆(Gao)陶瓷粉

陶瓷粉末缺點:與(Yu)基體金[Jin]屬的(De)熱膨脹系數、彈性模量及導熱系數(Shu)等差(Cha)别較大,熔覆層易出現裂紋和[He]孔洞等缺陷,在使用中容易出(Chu)現變形開裂(Lie)、剝落損壞等(Deng)現象。

為了[Le]解決(Jue)純陶瓷塗層中的(De)裂紋及與金屬基(Ji)體的高強結合,有學[Xue]者嘗試使[Shi]用中間過渡層并在陶(Tao)瓷層中加[Jia]入低熔(Rong)點高(Gao)膨脹系數的[De]CaO、SiO2、TiO2等來降低内部應[Ying]力,緩解了裂紋[Wen]傾向,但現有的研究表明,純陶瓷塗層[Ceng]的裂[Lie]紋和剝落問[Wen]題并(Bing)未得到很好解決,因此有待于(Yu)進(Jin)一步深入研(Yan)究。

目前對激光熔覆生物陶瓷材料的研究主要集中在Ti基合金、不鏽鋼等金屬表面進行激[Ji]光熔覆的羟基磷灰石(HAP)、氟[Fu]磷灰石以[Yi]及含Ca、Pr等生[Sheng]物(Wu)陶瓷材料上。羟基磷灰石生(Sheng)物陶瓷具[Ju]有良[Liang]好的生(Sheng)物相容[Rong]性,作為人體牙齒(Chi)早已受到國[Guo]内外有關學[Xue]者的廣泛重[Zhong]視。總(Zong)體來說激光熔(Rong)覆生物陶瓷(Ci)材料(Liao)的研究起步(Bu)雖然較晚,但發(Fa)展非常迅[Xun]速,是[Shi]一個(Ge)前景廣闊的研究(Jiu)方向。

四、其他金屬粉末

除以上幾類[Lei]激光熔[Rong]覆粉末材料體系,目前已開發(Fa)研究的熔覆材料體系還(Hai)包括[Kuo]:銅基、钛基、鋁基、鎂基(Ji)、锆基[Ji]、鉻基以及金屬(Shu)間化合物基材料等。這些材料[Liao]多數是利用合金體系的某些特殊性質使其達到耐磨、減摩、耐蝕、導電、抗高溫、抗熱氧化等一種或多種功能。

1、銅基(Ji)

銅基激光熔覆材料主要(Yao)包括Cu-Ni-B-Si、Cu-Ni-Fe-Co-Cr-Si-B、Cu-Al2O3、Cu-CuO等銅基[Ji]合金粉末及複合粉末材料(Liao)。利用銅合金體系(Xi)存在液相分離現象等冶金性質,可以設計出激光熔覆[Fu]銅基自生複合[He]材料的銅基複合粉(Fen)末[Mo]材[Cai]料。研究表(Biao)明,其激光(Guang)熔覆(Fu)層中存在大量的自生硬質顆粒增(Zeng)強體,具有[You]良(Liang)好的耐(Nai)磨性[Xing]。單際國等利用[Yong]Cu與Fe具有液相分離和母(Mu)材與堆[Dui]焊材料的冶金反[Fan]應特性,采用[Yong]激光熔覆制備(Bei)了Fe3Si彌散分[Fen]布的銅基合[He]金複合[He]熔覆層。研究表[Biao]明:激光熔覆過程[Cheng]中,由母材(Cai)熔[Rong]化而進入熔池的Fe元素與熔池中的Cu合金呈液相分(Fen)離狀态;進[Jin]入溶池的Fe由[You]于[Yu]密度小而(Er)上浮,上浮過程中與熔池中的Si反應[Ying]生[Sheng]成Fe3Si,Fe3Si在[Zai]激光熔覆層中呈彌散[San]狀梯度分(Fen)布于(Yu)α-Cu基體中。

銅基合金粉末

2、钛基

钛(Tai)基(Ji)熔覆材料主[Zhu]要用于改善基[Ji]體金屬材料表面的生物(Wu)相容性、耐磨性或耐(Nai)蝕性等。研究的[De]钛基激光熔覆粉末材料[Liao]主要(Yao)是純(Chun)Ti粉、Ti6Al4V合金粉末以及Ti-TiO2、Ti-TiC、Ti-WC、Ti-Si等钛基複合粉末。張松(Song)等在氩氣[Qi]氛[Fen]環(Huan)境下,在Ti6Al4V合金表[Biao]面激光熔覆Ti-TiC複合塗(Tu)層,研究表明[Ming]複合塗層中原位自生形成了微小的TiC顆粒,複合塗層具(Ju)有優良的摩擦磨(Mo)損性能。

钛基合[He]金粉(TC)

3、鎂基

鎂基熔覆(Fu)材料(Liao)主要用于鎂(Mei)合金表面的激光熔覆[Fu],以提高鎂合金(Jin)表面的耐磨性[Xing]能和耐蝕性能。J.DuttaMajumdar等在普通商用鎂合(He)金上熔覆(Fu)鎂基MEZ粉末(成分:Zn:0.5%,Mn:0.1%,Zr:0.1%,RE:2%,Mg:Bal)。研究表明(Ming),熔[Rong]覆層顯微硬(Ying)度由HV35提高到HV 85~100,并且因為晶(Jing)粒細化和金屬間化合物(Wu)的重新分布,熔[Rong]覆層在3.56wt%NaCl溶液中的抗腐蝕性能比基體鎂[Mei]合金大大提高。

鎂基(Ji)合金粉

4、鋁基

SorinIgnat等(Deng)在[Zai]WE43和[He]ZE41兩種(Zhong)鎂合金基體上采用3kW的Nd∶YAG激光器側向(Xiang)送粉熔覆鋁粉[Fen],得到了結合性能良好的[De]熔覆(Fu)層。研究發現,塗[Tu]層硬度值達到[Dao]HV0.05120~200,硬度[Du]提高的主[Zhu]要原因是Al3Mg2和Al12Mg17金屬化合物的存(Cun)在。ZMei等在鎂基ZK60/SiC基(Ji)體上[Shang]激光熔覆[Fu]鋁基Al-Zn粉末,得到了[Le]冶金良好(Hao)的[De]熔覆層。研究表明,熔覆(Fu)層腐蝕(Shi)電位比标[Biao]準試樣電位高300mV,而腐[Fu]蝕電流則至少(Shao)低3個數量級。

鋁基合金粉末

5、锆[Gao]基

在純钛基體上激光熔覆锆基ZrAlNiCu合金粉末,并對塗層進(Jin)行了研究分析。發現,塗層由具有高[Gao]比強、高硬度的(De)金屬間化合物[Wu]與少量的非晶[Jing]相構成,具有較好的[De]力學性能;在ZrAlNiCu合金粉末中(Zhong)添加2wt%B和2.75wt%Si,發現[Xian]塗層中非晶含量增加,硬(Ying)度升高,兩種塗層[Ceng]的.高硬度分别[Bie]達到(Dao)HV909.6和HV1444.8。

锆基合金(Jin)粉

五、總結:

不同熔覆材料[Liao]的特點[Dian]、價格以及熔覆[Fu]後的[De]性能差别[Bie]較大,實際使(Shi)用時可根據不同[Tong]的加工[Gong]需求選擇不同性能的(De)合(He)金粉末。通過激(Ji)光将合金粉末熔[Rong]覆在工件表面(激光熔覆),可以(Yi)在廉價金(Jin)屬基材上制備出高性能的合金表面而(Er)不影響基體的性質,有效降低[Di]生産成本,節約貴重[Zhong]稀有金屬材料[Liao]。與堆(Dui)焊、熱噴塗、電鍍等傳統表[Biao]面處理技術相比[Bi],激光熔覆具(Ju)有稀釋度小、組織緻密[Mi]、塗(Tu)層與基體結合[He]好、适(Shi)合熔覆材料多[Duo]、粒度及含量變[Bian]化大、加工質[Zhi]量高、可控性好(可(Ke)實現(Xian)三[San]維自動加工[Gong])等優點。

目前主要應用于[Yu]材料表面改性(如液壓立柱、軋(Zha)輥、齒[Chi]輪[Lun]、燃汽輪機葉片等[Deng]),産品表面修複(如因磨損而失效的轉子、模具、軸承内孔等[Deng]),修複[Fu]後[Hou]的部件強度可(Ke)達(Da)原強度的90%以上,且(Qie)修複費用不到(Dao)産品(Pin)換新成本的1/5,更重要的是縮短了維[Wei]修(Xiu)時間,有效(Xiao)解決了大型[Xing]企業[Ye]重大成套設備(Bei)轉動部件快速搶修難題。

此外(Wai),對關鍵部件表(Biao)面通過激(Ji)光熔覆耐磨抗[Kang]蝕合[He]金,可以在零部件表面不變形[Xing]的(De)情況下大大提高[Gao]零部件的使用壽命。對模具表面進行激光熔[Rong]覆處理,不[Bu]僅(Jin)提高模具強[Qiang]度,還可以降低2/3的制造成本,縮短4/5的制造周期(Qi)。

總的來說激光熔[Rong]覆(Fu)技術是一項具有高科(Ke)技含量的表面改性技術與裝備維修技術,其研究和(He)發展具有[You]重要的理論[Lun]意義和經濟(Ji)價值。

激光熔覆材料[Liao]是制約激光熔覆技術發展和[He]應用的主要因素。目[Mu]前在研制激光熔覆材料方面雖取得了[Le]一定進展,但與按照設計的熔[Rong]覆件性能[Neng]和應用(Yong)要求定量地[Di]設計(Ji)合金成分還存在很長距(Ju)離,激光熔覆材料遠未形成系(Xi)列化和[He]标準化(Hua),尚需要加大力度進行深入研究。