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四象激光熔覆技術的評述與展望

  激光熔覆是一種新型的涂層技術,是涉及到光、機、電、材料、檢測與控制等多學科的高新技術,是激光先進制造技術重要的支撐技術,可以解決傳統制造方法不能完成的難題,是國家重點支持和推動的一項高新技術。目前,激光熔覆技術已成為新材料制備、金屬零部件快速直接制造、失效金屬零部件綠色再制造的重要手段之一,已廣泛應用于航空、石油、汽車、機械制造、船舶制造、模具制造等行業。
        為推動激光熔覆技術的產業化,世界各國的研究人員針對激光熔覆涉及到的關鍵技術進行了系統的研究,已取得了重大的進展。國內外有大量的研究和會議論文、專利介紹激光熔覆技術及其新的應用:包括激光熔覆設備、材料、工藝、監測與控制、質量檢測、過程的模擬與仿真等研究內容。但到目前為止,激光熔覆技術還不能大面積工業化應用。分析其原因,這里有政府導向的因素、激光熔覆技術本身成熟程度的限制、社會各界對激光熔覆技術的認可程度等因素。因此,激光熔覆技術欲實現全面的工業化應用,必須加大宣傳力度,以市場需求為導向,重點突破制約發展的關鍵因素,解決工程應用中涉及到的關鍵技術,相信在不遠的將來,激光熔覆技術的應用領域及其強度將不斷的擴大。下面介紹幾個激光熔覆的應用實例:
      激光束的聚焦功率密度可達1010~12W/cm2,作用于材料能獲得高達1012K/s的冷卻速度,這種綜合特性不僅為材料科學新學科的生長提供了強有力的基礎,同時也為新型材料或新型功能表面的實現提供了一種前所未有的工具。激光熔覆所創造的熔體在高溫度梯度下遠離平衡態的快速冷卻條件,使凝固組織中形成大量過飽和固溶體、介穩相甚至新相,已經被大量研究所證實。它提供了制造功能梯度原位自生顆粒增強復合層全新的熱力學和動力學條件。同時激光熔覆技術制備新材料是極端條件下失效零部件的修復與再制造、金屬零部件的直接制造的重要基礎,受到世界各國科學界和企業的高度重視和多方面的研究。
        目前,利用激光熔覆技術可以制備鐵基、鎳基、鈷基、鋁基、鈦基、鎂基等金屬基復合材料。從功能上分類:可以制備單一或同時兼備多種功能的涂層如:耐磨損、耐腐蝕、耐高溫等以及特殊的功能性涂層。從構成涂層的材料體系看,從二元合金體系發展到多元體系。多元體系的合金成分設計以及多功能性是今后激光熔覆制備新材料的重要發展方向。
     新的研究表明,在我國工程應用中鋼鐵基的金屬材料占主導地位。同時,金屬材料的失效(諸如腐蝕、磨損、疲勞等)大多發生零部件的工作表面,需要對表面進行強化。為滿足工件的服役條件而采用大塊的原位自生顆粒增強鋼鐵基復合材料制造,不僅浪費材料,而且成本極高。另一方面,從仿生學的角度考察天然生物材料,其組成為外密內疏,性能為外硬內韌,且密—疏、硬—韌從外到內是梯度變化的,天然生物材料的特殊結構使其具有優良的使用性能。
     根據工程上材料特殊的服役條件和性能的要求,迫切需要開發強韌結合、性能梯度變化的新型表層金屬基復合材料。因此,利用激光熔覆的方法制備與基材呈冶金結合的梯度功能原位自生顆粒增強金屬基復合材料不僅是工程實踐的迫切需要,也是激光表面改性技術發展的必然趨勢。激光熔覆技術制備原位自生顆粒增強金屬基復合材料、功能梯度材料已有報道,但大部分停留在組織、性能分析,工藝參數的控制階段,增強相的尺寸、間距和所占的體積比還不能達到可控制的水平,梯度功能是通過多層涂覆形成的,不可避免地在層與層之間存在界面弱結合的問題,距離實用還有相當長的路。利用激光熔覆技術制備顆粒大小、數量、分布可控,強韌性適當匹配,集梯度功能和原位自生顆粒增強為一體的金屬基表層復合材料是今后重要的發展方向。研究內容涉及到:
        ● 熔覆材料成分、組織、性能設計的技術、手段和原理及其工藝實現的控制技術。

圖2、齒輪軸的激光修復

        ● 激光熔覆制備功能梯度原位自生顆粒增強金屬基復合材料顆粒增強相析出、長大和強化的熱力學和動力學模型的建立。
        ● 顆粒增強相形態、結構、功能和復合的仿生設計和尺寸、數量、分布的控制技術。
        ● 涂層成分、組織和性能梯度控制的原理、關鍵因素和工藝方法的研究。
        ● 宏觀、微觀界面的觀察、分析控制和表征;功能梯度原位自生顆粒增強金屬基復合材料常規性能的分析和檢測以及不同工況下的磨損行為及失效機制。
        這些研究內容的突破,有可能解決涂層與基體相容性不匹配,易于產生裂紋的問題,促進激光熔覆技術應用領域的拓寬。

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