隨著現代科學技術和工業不斷發展,零部件的工作環境越來越趨于復雜化,表面性能的要求也越來越高,因此零件報廢率大大增加。通常由于表面失效而報廢的零件主要有轉子葉片、輥軸類零件、齒輪類零件、接頭類零件等。在零部件整體性能滿足工況的條件下,僅為表面損傷的零部件都是可以修復。如果能對因誤加工或服役損傷而致使報廢的零件進行修復,不僅能夠挽回巨大的經濟和時間損失,還可以提高資源的利用率,也符合中國可持續發展的戰略。
激光技術是與原子能、半導體及計算機齊名的20世紀四大科技發明之一。由于激光具有方向性好、能量密度高、單色性好和相干性強等一系列優點,因此特別適用于材料加工。激光加工技術就是利用激光束與物質相互作用的特性對材料(包括金屬與非金屬)進行切割、焊接、表面處理、打孔及微加工等的一門加工技術,是集光學、機械學、冶金學、電子學、計算機學等為一體的高技術,發展非常迅速,其應用范圍也日趨廣闊。
激光熔覆技術是激光加工技術的一個重要的應用方面,是一種新型的材料加工與表面改性技術,涉及物理、冶金、材料科學等領域。其研究歷史可追溯到20世紀70年代。1974年Gnanamuthu提出并申請了激光熔覆一層金屬于金屬基體的熔覆方法專利;進入80年代,激光熔覆技術已經發展成為表面工程、摩擦學、應用激光等領域的前沿性課題,可以在低成本鋼板上制成高性能表面,代替大量的高級合金,以節約貴重、稀有的金屬材料,提高材料的綜合性能,降低能源消耗,適用于局部易磨損、剝蝕、氧化及腐蝕等零部件,受到了國內外的普遍重視;到90年代后,相關科學研究與應用開發得到快速發展。
當今國內外對激光熔覆的研究大致從以下幾個角度出發:一是激光熔覆的機理研究;二是激光熔覆工藝及其組織性能的研究;三是激光熔覆的應用研究。現對激光熔覆的各方面研究發展狀況作以介紹,并指出其存在的主要問題及其今后的發展方向。
1.激光熔覆的機理研究
激光熔覆是一個動態熔化過程,熔池尺寸小,不僅存在著傳熱現象,而且也存在著對流、質量傳遞等,它們直接影響熔池的宏觀形貌、偏析、組織和成分的均勻性及其他物理冶金性能,因此研究激光熔覆加熱理論,搞清激光熔覆過程中的熱傳導、對流及質量傳遞等問題,對于弄清激光熔覆理論具有重要意義。
2.激光熔覆工藝及其組織性能的研究
激光熔覆工藝方法有兩種類型:
(1)一步法(同步法)
該方法為在激光束輻照工件的同時向激光作用區送熔覆材料的工藝,它又有兩種方法。
①同步送粉法:使用專用噴射送粉裝置將單種或混合粉末送入熔池,控制粉末送入量和激光掃描速度即可調整熔覆層的厚度。由于松散的粉末對激光的吸收率大,熱效率高,可獲得比其他方法更厚的熔覆層,容易實現自動化。國外實際生產中采用較多。
②同步送絲法:此法工藝原理雖與同步送粉法相同,但熔覆材料是預先加工成絲材或使用填充絲材。此法便利且不浪費材料,更易保證熔覆層的成分均勻性,尤其是當熔覆層是復合材料時,不會因粉末比重或粒度大小的不同而影響覆層質量,且通過對絲材進行預熱的精細處理可提高熔覆速率;但是絲材表面光滑,對激光的反射較強,激光利用率相時較低。此外,線材制造過程較復雜,且品種規格少。