摘 要：热喷涂涂层存在孔隙度高、组织不均匀、涂层与基体的结合强度差等问题；激光重熔热喷涂涂层可以减少涂层孔隙率，改善涂层微观组织，封闭涂层贯通孔隙，改善涂层与基体的结合强度，提高涂层硬度耐磨性和耐蚀性。但激光重熔会使涂层产生裂纹、成片剥落和出现孔洞；在热喷涂粉末中加入稀土元素和低熔点材料，合理控制激光工艺参数，制备梯度涂层等方法可以改善激光重熔热喷涂涂层的微观组织，提高涂层的使用性能。
关键词：热喷涂； 激光重熔； 微观组织； 耐磨性能
1 激光重熔热喷涂涂层技术
热喷涂技术是将涂层材料送入热源中熔化，利用高速气流将熔融状颗粒喷射到基体材料表面形成层状结构覆盖层的工艺；具有沉积速度快、生产率高和适应范围广等优势。 但热喷涂涂层孔隙度高，耐磨性与耐腐蚀性差，涂层组织结构不均匀，涂层与基体结合强度较差，严重影响了涂层的使用性能。
对热喷涂涂层进行重熔处理， 可以减少涂层的孔隙，改善涂层的组织结构，提高涂层与基体间的结合强度，从而提高涂层的耐磨性和耐蚀性[1]。 目前，重熔处理技术主要有激光、电子束、TIG 重熔、火焰重熔、 整体加热和感应重熔等。 激光重熔热喷涂涂层技术是其中研究最广泛的方向之一。
2 激光重熔热喷涂涂层显微组织和性能
激光重熔热喷涂涂层可以有效降低涂层的孔隙率，改善涂层微观组织，封闭涂层贯通孔隙，提高涂层的显微硬度， 促使涂层与基体的结合界面由机械结合转为冶金结合，从而提高涂层的耐磨损、耐腐蚀性能。
2.1 改善涂层微观组织
激光重熔有利于改善热喷涂涂层微观组织结构，消除热喷涂涂层的层状堆集结构，降低涂层的孔隙率，提高涂层的致密度，改善涂层质量。文献[2-5]报道等离子喷涂陶瓷涂层表面凹凸不平，涂层组织呈片状堆积结构，疏松多孔，致密性差。等离子喷涂过程中熔融状态的粉末颗粒在基体表面铺展开，层层叠加形成简单多孔的层状结构；部分喷涂颗粒仅表层熔化未能完全展平， 颗粒不完全填充在涂层内部形成大量孔隙； 同时陶瓷颗粒不易发生塑性变形，冷却时热收缩应力难以松弛，容易形成裂纹。 激光重熔后，涂层表面光滑平整，颗粒状堆积结构消失，表面层呈均匀致密柱状结晶组织。涂层内部组织晶粒细化，疏松孔隙明显减少，层状堆集特征得以消除，陶瓷颗粒以球状、片状、多边形为主。涂层致密度明显改善。 激光重熔使涂层组织重结晶呈柱状晶结构，陶瓷颗粒充分熔融，消除了原涂层中的孔隙和裂纹，提高了涂层的致密性。
文献[6-7]报道火焰喷涂陶瓷涂层组织不均匀，存在较多疏松和孔隙。 火焰喷涂过程中熔融的喷涂粉粒子从喷嘴喷出后， 有些粒子仅表面熔化未能完全展平，颗粒不完全填充而产生大量孔隙。涂层表面呈锯齿状， 近表面涂层结构更为疏松， 容易逐层剥落。 激光重熔后，陶瓷颗粒细化并分布均匀，涂层孔隙明显减少，涂层组织均匀细化，质量良好。 涂层表面形成了致密的重熔层， 消除了重熔前的层状组织特征而表现为较致密和较均匀。
2.2 涂层与基体界面形成冶金结合
激光重熔有利于涂层和基体界面形成冶金结合，并促使界面处元素均匀扩散，提高涂层和基体的结合强度。文献[8-10]报道热喷涂涂层与基体结合处存在间隙和孔洞等缺陷，界面处分界明显，基体和涂层元素在界面处发生陡然变化；界面结合不紧密，以机械结合为主， 涂层容易从基体上剥离。 激光重熔后， 涂层和基体结合处缺陷明显减小， 组织均匀致密， 无明显分界面。 由于激光熔池的对流搅动而产生了剧烈的元素扩散， 界面两侧的元素相互扩散形成过渡区， 结合方式由机械结合向原子间的金属键结合过渡，从而使涂层和基体形成优异的冶金结合，提高了涂层与基体的结合强度。
2.3 提高涂层耐磨性和耐蚀性
激光重熔可以消除涂层内部的孔隙和裂纹等缺陷，提高涂层的显微硬度，防止应力集中而产生层状剥落导致涂层过早失效； 重熔有利于封闭涂层内部的贯通孔隙， 防止腐蚀物质进入涂层内部而加剧腐蚀，从而提高涂层的耐磨损性能和耐腐蚀性能。
文献 [11-13] 报道热喷涂涂层组织疏松且不均匀，存在大量的气孔和裂纹等缺陷，涂层硬度低且波动较大；涂层组织的层状结构容易产生层状剥落，并且涂层和基体结合强度较低，涂层中未熔颗粒、孔洞和裂纹等缺陷处易产生应力集中， 形成微断裂和片状剥落加剧磨损，耐磨性能较差。 激光重熔后，涂层组织晶粒得到细化，消除了涂层中的气孔、裂纹等缺陷，涂层组织均匀致密，硬度显著提高；层中的陶瓷颗粒熔化重结晶，弥散分布起固溶强化作用。 涂层组织重结晶后陶瓷硬质相和金属粘结相结合紧密，使涂层不仅具有高硬度，同时还具有一定韧性，具有较强的承载能力， 在摩擦过程中仅呈现因轻微的塑性形变而产生的划痕和轻微的片状剥落， 涂层的耐磨性显著提高。
文献[14-15]报道热喷涂涂层组织中的贯通孔隙和裂纹为腐蚀物质渗入涂层提供了通道， 腐蚀物质易浸入到陶瓷层与过渡层界面上， 引起陶瓷层剥落和开裂，从而涂层的腐蚀更加严重，工件过早失效。激光重熔使涂层组织致密化， 封闭了涂层中的贯通孔隙， 可以有效减少腐蚀物质进入涂层内部和基体表面，从而提高涂层的耐腐蚀性能。 激光重熔对热喷涂涂层的热震性能有明显的改善作用， 热喷涂涂层的热震疲劳形式为涂层组织内部出现大量剥落和宏观裂纹， 而经激光重熔后则表现为涂层组织形成网状裂纹和结合界面处出现少量片状剥落，激光重熔后涂层柱状晶组织对热应力有一定的缓和协调作用。
3 存在问题和改善措施
激光重熔热喷涂技术存在以下问题， 涂层材料的抗热冲击性差、韧性差，激光重熔过程中的急剧加热、冷却易产生裂纹；急剧加热使涂层中的气体膨胀形成气孔和裂纹等缺陷； 涂层材料和基体材料相容性较差， 熔融金属不能很好地浸润固体陶瓷粉末也易出现裂纹和孔洞， 热传导率低的涂层材料因局部加热而容易剥离。裂纹、孔洞和涂层剥落是激光重熔热喷涂涂层中存在的主要问题[16]。
通过以下措施可以有效改善涂层质量， 改善涂层材料的组分， 如添加稀土元素和低熔点陶瓷材料可以有效减少激光重熔层的裂纹和孔隙， 并防止裂纹的扩展； 控制激光重熔工艺参数可以有效缓解涂层裂纹的产生和扩展； 采用梯度涂层可以形成均匀过渡，缓解涂层应力，提高涂层和基体的结合强度[17]。
3.1 加入稀土元素和低熔点材料
在涂层材料中加入稀土元素和低熔点材料，可以细化晶粒，去除有害杂质，减少气孔和裂纹，改善涂层的微观组织结构。稀土元素化学性质活泼，能与硫、磷、氧和氮等有害杂质元素作用生成稳定的高熔点化合物，减少杂质对涂层组织和性能的不利影响；稀土元素具有强氧化还原性和吸收气体的能力，能减少涂层中的夹杂和气孔。 低熔点材料如 SiO2热膨胀系数较小，可降低激光重熔中熔体的热膨胀系数，减小涂层在熔化过程中产生的热应力；SiO2冷却后以游离态塞积在涂层孔隙处，可有效阻碍裂纹扩展，提高了涂层的断裂强度[18]。
3.2 激光工艺参数
激光重熔工艺参数主要包括激光功率密度、扫描速度、 脉冲频率和搭接率等。 激光功率密度过低时，材料熔化不充分，涂层无法形成连续的熔池，涂层致密度差； 激光功率过高时， 会导致涂层材料过烧， 性能下降。 激光功率密度应保证涂层与基体之间形成良好的冶金结合，并尽量选用较低值，减小热量输入，从而减小基体的变形和裂纹的产生。扫描速度过慢会导致加热时间过长，基体材料变形，涂层材料热应力过大而产生裂纹和气孔。 扫描速度过快会使得靠近结合界面处的粉料中不能充分融化， 残留一些未熔颗粒从而影响界面结合。 脉冲频率采用方波脉冲上叠加尖脉冲的方式可以缓解涂层裂纹，作为背底的方波脉冲输出功率要小， 脉冲输出的频率要尽可能高。 当涂层面积较大需要多次搭接时，保证激光重熔深度满足涂层与基体冶金结合， 光斑宽度越宽越好，以减少搭接面积。
3.3 梯度涂层
在热喷涂过程中， 逐渐改变喷涂涂层材料的组分，从基体到涂层表面形成梯度涂层，可以改善涂层材料和基体的匹配性，缓解激光重熔过程中的热应力，减少裂纹的产生，提高涂层和基体的结合强度18]。
4 应用前景
激光重熔有利于消除热喷涂涂层的组织缺陷，提高涂层的耐磨损和耐腐蚀性能， 使涂层具有更优异的使用性能和更广阔的应用领域。 综合考虑使用性能和生产成本，其优于传统的表面处理工艺，并且环境友好，具有良好的工程应用前景。
参考文献略
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