激光熔覆修复技术研究进展

　　激光熔覆修复技术研究进展
　　程改青, 穆亚辉, 李宝增
　　材料热处理技术
　　摘 要：介绍了激光熔覆修复技术的应用概况，并对激光熔覆修复工艺、激光熔覆专用铁基粉末进行了分析和综述，指出了激光熔覆修复的发展方向。
　　关键词：高温锻压模具； 激光熔覆修复； 合金粉末
　　激光熔覆亦称激光包覆或激光熔敷， 是材料表面改性技术的一种重要方法，它是利用高能激光束在金属表面辐照， 并在基材表面熔覆一层具有特殊物理、化学或力学性能的材料，从而构成一种新的复合材料，以弥补基体所缺少的高性能。
　　高温锻压模具长期在高温、 高频锻打等苛刻的条件下工作，模具表面极易失效，导致生产的叶片达不到要求。 本文分析了采用专用粉末， 通过激光熔覆修复技术在高温锻压模具钢基材上制备具有特殊性能的复合涂层，以改善其使用性质，为修复航空发动机叶片高温锻压模具提供借鉴。
　　1 激光表面熔覆技术
　　自 1960 年美国梅曼制成世界上第一台红宝石激光器以来， 激光技术的发展突飞猛进， 在激光理论、激光技术、激光应用等各个方面，都取得了巨大的进展。 激光具有其他普通光源所无法比拟的高单色性、高方向性、高相干性和高强度，它不仅强有力地促进了物理学、化学和现代光学技术的巨大发展，而且成功地在现代工业、农业、医学、生物学等领域中得以广泛应用。 在表面工程方面， 突出地表现在通过激光表面改性以提高材料的抗氧化、 耐腐蚀和耐磨损等性能。 已经发展起来的激光表面处理技术有激光相变硬化、激光熔凝硬化、激光表面合金化、激光表面熔覆、 激光非晶化和激光冲击硬化等表面改性技术。
　　利用激光表面熔覆技术的优势在于节约具有战略价值且昂贵的合金元素， 可获得不受常规条件下的溶解度和平衡相图所确定的相规律限制的新合金、非晶态和准晶表面涂层。 这种合金涂层具有高的耐磨性、耐蚀性和良好的电磁和热性能。 自 1974年 Gnanamuthu[1]申请了激光熔覆一层金属于金属基体的熔覆方法专利以来， 激光熔覆技术成为材料表面工程领域的前沿和热门课题， 并取得了显著的技术经济效益。我国自“六五”开始，激光熔覆被列为国家重点技术攻关项目以来， 在理论基础和实际应用方面都取得了很大的发展。与传统的喷涂工艺相比，激光表面熔覆技术具有以下几方面的优点：
　　(1) 熔覆材料能够实现涂层成分设计 高达106 ℃/s 的冷却速度使熔覆层具有快凝的显微组织特征，晶粒显著细化，元素偏析程度可以设计，固溶度增加，形成非晶相，可以得到常温下无法获得的微观组织与结构，使熔覆层具有优异的使用功能。
　　(2) 熔覆层与基体实现良好的化学冶金结合 熔覆层稀释率低，涂层致密，节约昂贵的金属材料。
　　(3) 输入基体的能量及基体的热变形较小，熔覆成品率高，后续加工余量小。
　　(4) 可以对局部或关键部位进行修复， 可以实现精确控制，在线控制和远距离操作。
　　2 航空发动机制件激光熔覆修复
　　国外航空发动机制件激光熔覆强化与修复研究进展较快， 激光熔覆在航空发动机热端部件制造上的应用首推英国的 RollsRoyce 公司，该公司于 1981年采用激光熔覆工艺对 RB211 发动机涡轮叶片冠部阻尼面进行钴基耐磨合金覆层强化处理。 随后Pratty Whitney 公司进一步发展了激光熔覆技术，成功地对 PWJT8 和 PWJT9 两种发动机的第一级和第二级的转子叶片冠齿端阻尼面进行激光熔覆钴基合金强化。 激光熔覆在航空发动机热端部件修复上的应用首推美国的 GE 公司，该公司在 1990 年采用5 kWCO2激光加工热堆焊层接长修复了高压涡轮叶片的叶尖， 并声称此技术为该公司十大新技术之一。 后来美国的 Liburdi Engineering Limited 也在JT8D 发动机转子叶片的叶尖和叶冠修复上，研究发展了一套高自动化的激光熔覆系统。 德国马达和燃气轮机联合公司维修公司和汉诺威激光研究中心，发展了激光堆焊技术用于涡轮叶片冠部阻力面的熔覆层强化或恢复几何尺寸。 俄罗斯航空发动机工艺研究所对燃气涡轮发动机钛合金和镍基合金零件的修复进行了大量研究： 用激光重熔热喷涂层的方法已修复了一批燃气涡轮发动机的钛合金压气机工作叶片； 该院还研究了镍基合金制造的燃气涡轮发动机一级工作叶片的端面修复问题。
　　国内航空发动机制件激光熔覆强化与修复研究起步较晚， 国内燃气轮机热端部件激光修复技术的应用起始于 1990 年中国科学院金属腐蚀与防护研究所，王茂才等[2]将激光修复应用于叶片叶尖的激光仿形熔铸接长修复， 叶片冠部阻尼面的激光熔覆层强化与修复；整体构件的激光熔焊修复等。黄庆南等[3]对某机涡轮叶冠工作面的磨蚀失效按使用条件进行激光熔覆修复试验、结合力试验、耐磨试验、氧化和腐蚀试验，并进行硬度测试和金相分析。 通过对熔覆层的试车考核，证明其效果良好。 胡乾午等[4]用钴基合金粉末对涡轮发动机叶片进行激光强化，从避免强化层和基体开裂的角度出发， 研究了变质剂对强化层组织和化学成分的影响，高温涂盐腐蚀表明，经钴基合金强化的表面层， 其耐蚀性显著提高。 Zhong等[5]研究了定向凝固镍基高温合金基体上激光熔覆 Inconel738 的裂纹敏感性， 指出选择适当的熔覆工艺方法和参数可以在定向凝固镍基高温合金基体上形成良好冶金结合且无裂纹的基本保持定向凝固的熔覆层。 叶和清等[6]采用双光束激光修复发动机叶片 K417 的表面裂纹， 并研究了修复区域的组织与相结构。 徐志刚等[7]在 K17 材料叶冠端激光熔覆钴基粉末，结果表明， 激光熔覆钴基粉末对K17 材料的叶冠端有改性作用，降低了 K17 材料的热裂纹敏感性，涂层与基材形成良好的冶金结合。
　　国内外对航空发动机涡轮制件的激光表面熔覆强化和修复技术的研究主要集中在对涡轮叶片叶冠端面的强化与修复、 涡轮叶片表面裂纹的强化与修复、定向凝固镍基高温合金叶片的强化与修复，而对于航空发动机叶片高温锻压模具失效部位的强化与修复目前尚无公开的报道。
　　3 激光熔覆修复工艺的研究现状
　　3.1 激光表面熔覆工艺过程研究的意义
　　激光表面熔覆是一个复杂的物理、 化学和冶金过程，熔覆过程中的一切物理化学反应、固液相变及固态相变、 裂纹的萌生与发展等都与激光加工过程有关。 当激光照射到材料表面时，该区域将由固态变为液态，甚至迅速汽化成汽态，通常将此液体区域称为激光熔池。 在激光表面熔覆过程中，熔池的形成取决于激光的强度和辐照时间。 激光熔池的产生在激光材料表面处理过程中有两个重要的作用： 一是材料表面吸收的激光能量在熔池内通过对流和传导两种方式传入工件内部，如果熔池中流体快速运动，热量主要以对流形式从表面传至固相区， 流体运动使液相区的温度趋于均匀，在激光熔覆过程中，粉末物质的扩散和混合主要由流体运动来完成[3]；另一方面液态金属表面对激光的吸收率较固态金属对激光的吸收率大，这对提高激光热能的利用率十分有利。
　　另外激光熔覆过程为一动态熔凝过程， 激光照射到材料表面，激光下方区域的材料被熔化成熔池。随着工件的移动， 到达激光辐照区的材料表面不断被熔化而形成熔池； 与此同时离开激光源的液体由于传热、温度降低而重新凝固成固体；即熔池前端发生固→液相变，后端发生液→固相变[2]。 激光熔覆过程是一个同时伴有熔化和凝固的过程， 通常又称为运动边界的传热问题。 对有固液相变的激光表面熔覆过程， 激光熔覆过程的传热对激光熔覆所获得涂层质量起决定作用。 因此工艺参数的探索及优化最佳工艺， 针对基体材料和性能要求制定熔覆工艺规范对于激光表面修复与改性技术至关重要。
　　3.2 激光表面熔覆工艺过程的研究进展
　　激光表面熔覆工艺过程的研究近几年来备受关注，通常采用窄带逐行扫描，修复面由熔池区域和搭接区域组成，熔覆层由基体区域、结合区域和熔覆层区域组成。由于热因素各不同，就会产生不同的热力学效应，激光熔覆工艺直接影响着裂纹的产生、材料的硬度和塑性等一系列性能，进而影响产品的质量。
　　近几年来，熔覆工艺有以下发展趋势：
　　(1) 以宽带熔覆技术替代窄带熔覆技术， 大大减少了搭接区域； 在熔覆过程中搭接区域可能由于能量密度过低，熔化不充分，在结晶时排出大量的熔渣，相应会有未熔颗粒和夹渣、气孔及疏松出现，与基体材料不能形成良好结合，有薄弱区域，在服役过程中，极易在此处形成微裂纹、裂纹扩展。 而宽带熔覆技术大大减少了搭接区域，降低了裂纹源[8]。
　　(2) 对于失效尺寸较大的零件进行宽带多层熔覆修复，每一层工艺进行合理设计，降低层与层之间的相互热影响[9-11]。
　　(3) 梯度设计熔覆， 实现熔覆层性能的梯度变化： 熔覆层分作若干层完成， 粉末元素含量逐层变化，熔覆后性能也相应逐渐变化，最大程度地避免了由于材料的线胀系数不同而形成显微裂纹[12-13]。
　　4 激光熔覆铁基粉末存在的问题
　　近 30 年来，虽然激光熔覆工作取得了喜人的成果， 但铁基激光熔覆粉末体系的设计仍旧发展缓慢。 激光表面熔覆技术是通过熔覆合金粉末的设计，使基体获得较高的使用性能，如耐磨、耐腐蚀和较低的开裂敏感性。 熔覆层的组织状态和相组成取决于化学成分和工艺参数。 目前激光熔覆使用的合金粉末大多是热喷涂和热喷焊所使用的自熔性合金粉末[14-15]，从修复成本、经济效益方面讲，存在着很多问题。有关铁基自熔合金粉末的理论和试验性质的研究很多，一些学者[16-18]已提出了针对激光熔覆的特点而设计的铁基合金粉末。 NA-GARATHNAM[19]等设计了 Fe-Cr-W-C 合金粉末，覆层组织为细小的初生奥氏体枝晶和枝晶间奥氏体与 M7C3碳化物共晶，显微硬度高达 820HV0.2。谭文等[20]用铁粉、石墨粉、硅粉、 硼粉、 稀土氧化物和 CaF2制成了熔覆粉末，研究了熔覆层组织、润湿性和裂纹的变化规律。 陈俐等[21]对铁基模具钢设计了熔覆粉末，研究了硼和硅含量的作用机理。 宋武林[22]在现有的热喷涂用铁基自熔合金粉末基础上分别添加不同含量的 Ni、Mo、Co 和 Nb， 研究了合金元素对激光熔覆层开裂敏感性和表面硬度的影响。 贾俊红[23]等的研究表明：在 Fe-C-Si-B 熔覆粉末中添加一定比例的 Ti 粉能有效减少熔覆层的裂纹。 赵海云[24]采用自行设计的Fe-Cr-C-W-Ni 合金粉末，获得了表面成形良好，无气孔和裂纹的熔覆层，覆层洛氏硬度高达 60HRC。 武晓雷等[25]制备了与 45 钢基材结合良好的大厚度铁基非晶合金层，并分析了非晶形成机制。 ZHANGQM等[26]采用预置激光熔覆技术，在中碳钢基体表面上熔覆合金粉末 (2.4%Zr+1.2%Ti+15%WC)/FeCSiB，制备出原位析出的颗粒增强金属基复合材料。 但这项技术并未在实际工业生产中得到广泛应用， 原因在于激光熔覆层容易开裂，硬度高时尤为如此。现将已有的激光熔覆铁基粉末存在的问题总结如下：
　　(1) 硬度问题 硬度高的熔覆层未必满足高耐磨的使用要求[22]。
　　(2) 成本问题 宋武林得到的最优铁基合金粉末中钴的质量分数为 10%， 镍的质量分数为 16%，赵海云等[24]熔覆用的粉末中，Ni、Mo 和 W 等合金元素的含量(质量分数)高达 40%，贾俊红[23]熔覆用的粉末中也添加了相当比例的 Ni、Mo、Co 和 Ti，Co和 Ni 等贵重合金元素在粉末中的比例过大显著增加了成本。
　　(3) 裂纹问题 对于防止激光熔覆层开裂的问题国内外许多学者[21-22，27-28]曾经进行了深入细致地研究提出了解决的方法，即预热及后热。虽然有利于抑制熔覆层裂纹的产生， 但是并不能从根本上解决开裂问题，而且有一些不利影响：(a)可使覆层组织粗化，从而使耐磨和耐腐蚀性能下降[29]；(b)因为需要加热和保温设备，增大了生产成本，这对于大型零部件的激光熔覆而言尤为明显；(c)增加了工序，降低了生产效率，恶化了劳动条件；(d)对于大型零部件而言， 长时间的预热容易导致表面氧化， 降低熔覆性能；(e)当基材具有较低的热膨胀系数，熔覆层进行退火处理后冷却到室温时， 会产生比原来更大的拉应力，更容易导致开裂等。
　　(4) 实际应用问题 尽管有少数研究者[20，23-24，30]获得了高硬度(≥60HRC)和无裂纹的熔覆层，但他们的研究基本上是在实验室条件下进行的， 这与实际的生产和工作条件有一定差别：(a) 在生产过程中，由于体积不同导致的热容相差悬殊，大中型零部件表面的激光熔池冷却速度远大于实验室条件下小试样表面的激光熔池冷却速度， 因而会在激光光斑周围形成更高的温度梯度， 而且大中型零部件的制造与修复需要熔覆处理的面积较大或是形状复杂，造成应力叠加难以释放， 导致熔覆层有更大的残余应力和裂纹倾向，同时由于体积问题，大中型零部件难以预热和后热， 这也加剧了熔覆层开裂倾向；(b)大中型零部件在使用过程中，遭受到可能的拉伸、弯曲、扭转、冲击、疲劳等各种应力的复合作用，这种复杂的叠加应力在实验室条件下是难以模拟的。 以上两点决定了实际生产和使用条件下的大中型零部件熔覆层除了和实验室条件下的小试样熔覆层一样具有高的强度和硬度外， 还应具有比后者更为优良的塑韧性以防在熔覆生产过程和零部件使用过程中熔覆层的开裂。
　　(5) 开发的铁基粉末是基于热喷涂粉末研发而来，或者大多熔覆直接采用热喷涂粉末，但激光熔覆与热喷涂用合金粉末性能的不同，极易引起开裂，为了彻底解决激光熔覆层的裂纹问题， 必须针对激光熔覆过程的物理冶金特点， 深刻理解激光熔覆用的合金粉末应具有的性能。 热喷涂与激光熔覆有着许多相近似的物理和化学过程， 它们对所用合金粉末的性能要求也有很多相近之处，如：合金粉末具有脱氧、还原、造渣、除气、湿润金属表面、良好的流动性、适中的粒度、含氧量要低等性能。但是还有一些不同之处，如：(a)热喷涂时为了便于用氧乙炔焰熔化，也为了喷熔时基材表面无熔化变形， 合金粉末应具有熔点较低的特性，然而根据金属材料的物理性能，绝大多数熔点较低的合金具有较高的热膨胀系数，根据熔覆层裂纹形成机理[22，24，27-28]，这些合金也具有较大的开裂倾向；(b)热喷涂时为了保证合金在熔融时有适度的流动性， 使熔化的合金能在基材表面均匀摊开形成光滑表面， 合金从熔化开始到熔化终了应有较大的温度范围，但在激光熔覆时，由于冷却速度快，枝晶偏析是不可避免的，熔覆合金熔化温度区间越大，熔覆层内枝晶偏析越严重，熔覆层的开裂敏感性也越大[22，31]；(c) 与热喷涂相比 ， 激光熔池寿命较短， 一些低熔点化合物如硼硅酸盐往往来不及浮到熔池表面而残留在涂层内， 在冷却过程中形成液态薄膜，加剧涂层开裂[32]。 综上所述，虽然激光熔覆合金铁基粉末自成体系， 但是目前研究和使用较多的还是热喷涂合金粉末， 针对材料的使用性能和激光工艺要求而设计的性价比优良的激光熔覆铁基粉末较少，没有形成体系。 应该解决的最重要问题是研制激光熔覆专用铁基合金粉末， 解决熔覆层裂纹问题，满足使用要求。
　　5 结束语
　　针对目前航空发动机制件模具激光熔覆修复现状,从材料合金化原理出发，综合考虑激光熔覆过程中熔化与凝固的特点以及基材与粉末的物理化学特性， 研发出专用于激光熔覆修复报废模具的铁基合金粉末。 并对激光熔覆修复用合金粉末的最佳配比以及激光熔覆工艺参数对组织结构与性能的影响进行探索， 获得较好航空发动机制件高温锻压模具激光熔覆修复涂层的组织结构和性能， 将是航空发动机制件高温锻压模具激光熔覆修复研究的主要方向。
　　参考文献略
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