激光熔覆制备耐磨耐蚀涂层技术研究进展

张凯，陈小明, 3，张磊，伏利，刘伟，姜志鹏

激光熔覆制备耐磨耐蚀涂层技术研究进展

张凯1, 2，陈小明1, 2, 3，张磊1, 2，伏利2，刘伟1，姜志鹏1

(1. 水利部产品质量标准研究所，浙江省水利水电装备表面工程技术研究重点实验室，杭州 310012；2. 水利部杭州机械设计研究所，水利机械及其再制造技术浙江省工程实验室，杭州 310012；3. 北京科技大学新金属材料国家重点实验室，北京 100083)

激光熔覆制备耐磨耐蚀涂层技术用于解决恶劣环境下零件的磨损和腐蚀问题，具有良好的发展前景。本文简要介绍了激光熔覆技术的发展历史；重点综述了国内外激光熔覆工艺对制备耐磨耐蚀涂层影响的研究进展，以及激光熔覆熔池变化与激光熔覆工艺参数和熔覆层组织性能之间联系的研究进展；并阐述了激光熔覆制备耐磨耐蚀涂层技术在具体应用零件和工况的研究进展，包括：水利工程装备零部件、航天航空装备零部件、石油开采装备零部件等；最后总结了目前制约该技术全面工业应用的关键问题，以及工艺、设备等方面亟需开展的研究方向。

激光熔覆；耐磨；耐蚀；涂层；熔池

近年来，随着人类对航空航天、核能、海洋等恶劣环境领域的不断探索和开发，工程零件失效的问题越来越突出，由此造成的资源浪费、环境污染等问题日益严重，甚至由此引发的灾难性事故更是严重威胁

人民的生命与财产安全。其中，零件材料的磨损和腐蚀是恶劣环境下零件的最主要失效形式，一直存在并难以避免，严重缩短零件的使用年限，甚至影响整个设备的服役年限[1]。据有关报道，每年我国因材料磨损和腐蚀造成的损失高达数千亿元，且以此造成的安全事故损失更是难以估量，因此研发高性能耐磨耐蚀材料不仅有着巨大的经济效益，而且有很高的社会效益[2−3]。相比零件全部使用高性能耐磨耐蚀材料，将高耐磨耐蚀材料制备成涂层涂覆在零件表面，能有效降低成本。因此，高性能耐磨耐蚀涂层的研究成为目前解决恶劣环境零件失效问题的比较经济且有效的主要手段之一。激光熔覆制备高耐磨耐蚀涂层技术是一种新型的代表表面工程发展方向的表面改性技术。因其可以在较低成本下，获得与基体呈良好冶金结合、低稀释率、组织致密等特点的高性能涂层，而且能有效增加工程零件的使用寿命和应用范围，在海洋工程、航空航天、石油开采等领域应用广泛[4]。激光熔覆技术诞生于20世纪70年代，GNANAMUTH等[5]在1974年首次提出激光熔覆技术在金属基体上制备金属涂层的方法，并申请了专利。到80年代，激光熔覆技术已经发展成为表面工程、摩擦学、应用激光等领域的前沿性课题。在低成本基体上制成高性能表面涂层，既能满足零件使用要求，又能节约贵重、稀有的材料，降低能源消耗，此方法受到了国内外的普遍重视[6]。90年代至今，相关科学研究，如激光熔覆工艺研究、材料成分配方开发、熔池机理研究和应用开发，都得到快速地发展。

1 激光熔覆制备耐磨耐蚀涂层组织性能的影响因素

1.1 激光熔覆工艺

1.1.1 常规熔覆工艺

激光工艺参数是决定激光熔覆涂层宏观力学性能、微观组织结构等物理化学性能的关键因素，主要包括激光功率、光斑直径、扫描速度、送粉方式及送粉量等[7−8]。而涂层的物理和化学性能又决定着涂层的耐磨和耐蚀性能，因此耐磨耐蚀涂层研究的一个重要任务就是对激光工艺参数的研究[9]。刘鹏良等[10]在45号钢表面激光熔覆Ni基(Ni60)复合涂层，为改善激光熔覆层中裂纹缺陷，重点研究了激光功率对熔覆层的宽度和高度、基材的熔化深度、表面粗糙度等参数的影响，结果表明通过调整激光功率可大大减少熔覆层裂纹出现。乔虹等[11]激光熔覆Fe-Cr-B合金涂层于Cr12MoV模具钢表面，并研究了激光功率、扫描速度和送粉率对熔覆层尺寸、稀释率及组织结构和微观硬度的影响规律，研究表明熔覆层组织主要由平面晶、树枝晶和等轴晶构成，并得到最优激光工艺参数，使得熔覆层晶粒细小、稀释率低、呈现良好冶金结合，硬度超过1 000 HV。贺长林等[12]研究了激光功率和扫描速度对镍基TiC复合涂层的组织形貌和成分的影响，结果表明：在一定范围内，随激光功率增加或扫描速度降低，TiC的溶解度增加，硬质碳化物的浸润性提升，裂纹和气孔缺陷减少，成分分布的均匀性得到改善。付宇明等[13]详细地阐述了激光功率和扫描速度对镍基碳化钨合金涂层质量的影响，得到了最佳涂层熔覆效果的粉末配比和工艺参数。张晓东等[14]通过正交实验法研究了制备激光熔覆WC/Co-Cr复合涂层时，激光熔覆工艺参数(电流、频率、脉宽和扫描速度)对熔覆层的性能和组织形貌的影响，最终得到最优熔覆层质量的激光工艺参数，并表明新物相主要由CrCo、WC、Cr7C3、Cr3C2等金属间化合物和碳化物组成。赵树国等[15]通过正交实验法从宏观和微观上研究激光能量密度、扫描速度和送粉率对CBN(立方氮化硼)涂层裂纹率的影响规律，研究表明：一定范围内，宏观上随能量密度增大和扫描速度降低，裂纹率呈下降趋势；微观上随激光功率和扫描速度增加，裂纹率呈现先减小后增大趋势，控制激光熔覆过程中温度场的梯度变化，最终得到裂纹率最小的涂层。综上所述，虽然目前针对激光熔覆工艺参数与熔覆层的组织结构、成分和性能之间的关系进行了大量的研究，取得了一些成果，但是主要的研究都集中在通过激光工艺参数的调整，得到涂层裂纹变少、稀释率降低、硬度提升、组织细化等趋势，而对于涂层的某一项性能的优异程度与激光的一个或者几个工艺参数的量化关系还有待挖掘，而不仅仅只研究变化趋势。另外，对于不同的材料体系，比如自熔性合金、金属陶瓷、高熵复合、非晶等粉末，和同一体系下不同材料，比如自熔性合金体系中的铁基合金、镍基合金、钴基合金等，需要分别制定相应的、明确的标准，标定通过激光工艺参数的调整，能提升涂层的性能到什么程度，并在以后的研究中，不断得到改善。同时，为获取更为优异的、更高效率的常规激光熔覆工艺，对于激光熔覆设备的发展提出了更高的要求。因为激光熔覆制备耐磨耐蚀涂层速度慢是一个制约激光熔覆全面工业应用的因素，所以大面积超高速激光熔覆工艺的研究是促进激光熔覆全面工业应用的重要研究内容。

1.1.2 复合工艺

国内外学者研究发现，为激光熔覆前后增加其它工艺方法辅助，能较好地改善或消除激光熔覆的缺陷，如气孔、裂纹、夹杂等。常用的辅助工艺有：激光重熔、前预热、电磁搅拌、超声振动、机械振动、脉冲电流等。研究表明辅助工艺可明显细化晶粒、减少气孔裂纹、改善组织均匀性、降低涂层中残余应力。LI等[16]研究了高温处理对钛合金激光熔覆NiCrBSi/WC涂层的影响，结果表明高温处理后涂层中析出了新的富Ti和Ni的未知硬质颗粒，尺寸为10~50 nm，涂层晶粒明显细化且组织更加均匀，气孔和微裂纹大幅减少，耐磨耐蚀性和韧性得到提升，并且随热处理温度升高，涂层耐磨耐蚀性能有所提高。XIE等[17]采用搅拌摩擦加工辅助激光熔覆制备Ni-Cr-Fe涂层，并利用热机械耦合效应消除常见的冶金缺陷，研究表明所得涂层晶粒明显细化，晶粒尺寸达到300 nm，涂层裂纹被消除，硬度提升，摩擦因数减小，涂层性能明显提升。王玉玲等[18]研究了利用超声振动方法辅助制备激光熔覆3540Fe/GeO2涂层的工艺，结果表明该辅助方法能够在不改变相成分的同时，实现晶粒细化、减少气孔，并大幅提高耐磨性，磨损形式由粘着磨损为主变为磨粒磨损。李德英等[19]利用有限元分析研究了超声辅助对激光熔覆SiC/316L涂层应力场和温度场的影响，结果表明：超声作用下的熔覆层残余应力大大降低，随超声振幅增大，残余应力先增大后减小，优化超声振幅后，熔覆层组织得到细化且分布均匀。刘洪喜等[20−21]研究了旋转磁场和交变磁场辅助制备激光熔覆Fe基复合涂层的作用，研究结果表明：外加磁场可以使原来粗大、方向性强的柱状晶转变为均匀、细小的等轴晶，晶粒得到细化并消除了涂层中气孔和裂纹等缺陷，硬度明显提升，耐磨性大大提高，磨损量仅为无辅助措施的43%左右。许华等[22]采用电磁搅拌辅助制备激光熔覆多元复合硬质合金，研究表明：该辅助方法能够有效解决由于硬质相分布不均匀和晶粒粗大导致的涂层裂纹问题，并能够明显细化涂层中的树枝晶组织。综上所述，通过复合工艺的方法可以进一步提升激光熔覆制备耐磨耐蚀涂层的性能，减少涂层缺陷，并且复合工艺方法多种多样，已经有大量的学者进行了相关研究，取得了一定成果。但是，目前大都处于实验室阶段，距离真正应用还有一段路要走。未来可以从以下几方面发展：(1) 为方便工业应用，研究多种工艺方法配合的、具有高集合度的工艺设备；(2) 辅助工艺方法对激光熔覆过程中能量传递、组织变化、成分变化的辅助作用机理还需进一步探究；(3) 辅助工艺的参与可以提升涂层的已知性能，但是由此是否会对涂层产生不可预知的破坏或者使其出现更多的缺陷，还需要在更多的试验中发现并解决。

1.2 配方成分

激光熔覆的材料成分是影响熔覆涂层性能很重要的一个因素，随着工程零件应用环境越来越复杂、恶劣，要求涂层的功能越来越多样，性能越来越优异，因此单一涂层材料已不能满足应用要求，涂层材料的复合成为人们解决这一问题的非常重要的途径[23−24]。目前激光熔覆材料配方常用的有：自熔性合金材料、碳化物弥散或复合材料、复合陶瓷材料等[25]。这类材料拥有优秀的耐磨、耐蚀、耐高温等性能，在冶金、海洋装备、航空航天、核电等领域得到广泛应用，因此激光熔覆材料配方的研究得到国内外学者的密切关注[26−27]。FERNÁNDEZ等[28]研究了涂层中WC含量(0~50%)对NiCrBSi合金涂层的往复摩擦磨损性能的影响，研究结果表明随WC含量增加，磨损量呈指数性减少，在WC含量30%时，无有效磨损，磨蚀类型主要是粘着磨损和磨粒磨损。LIU等[29]研究了在45#钢激光熔覆Ni基合金涂层Ni60CuMoW中，Cu、Mo、W含量对改善涂层耐磨、耐盐雾磨蚀的作用，结果表明优化Ni基合金涂层元素配方能大大提高其耐中性盐雾腐蚀能力和抗磨损能力。LUO等[30]研究了NiCrBSi含量对激光熔覆WC/Ni-NiCrBSi复合涂层组织演变、裂纹敏感性和磨损行为的影响，结果表明涂层主要以WC与TiC为增强相，TiNi与Ti2Ni为基体，随NiCrBSI质量分数增加到70%时，深层基体转化为TiNi和TiNi3，涂层微观结构更均匀，硬度提高，但断裂韧性有所降低，并最终确定了最优涂层性能的材料配比。蒋海兵等[31]通过添加稀土氧化物La2O3，采用激光熔覆技术在钛合金Ti-6Al-4V表面制备出一层含Ha和β-TCP的梯度生物陶瓷涂层，研究表明La2O3含量增加可促进Ha和β-TCP的生成，并且在模拟体液中浸泡14天后表面无裂纹。徐婷等[32]研究了TiB2颗粒对在铝合金表面激光熔覆镍基合金涂层的影响，研究表明增强相TiB2在复合涂层中分布均匀，并且反应生成TiB、TiC、CrB和Cr23C6等硬质相，可显著提高其耐磨耐腐蚀性能。徐景波等[33]研究了20CrMo钢上激光熔覆Fe-Cr涂层中Cr含量对熔覆层组织和性能的影响，结果表明随Cr含量增加，熔覆层的抗磨损抗腐蚀能力有所增强，并且在成分为Fe-40Cr时，熔覆层达到最佳性能。综上所述，优化复合材料的配方成分可在很大程度上提升涂层的耐磨和耐蚀性能，并且还会新生出其他优异性能，是提升涂层耐磨耐蚀性能和拓展具体应用重要的途径之一。虽然目前激光熔覆复合材料的配方研究处于大热阶段，并随着激光熔覆应用的场合不断拓宽，新型高性能的复合材料研制需求也不断增加，但大部分研究还停留在现有耐磨耐蚀材料体系内，且主要集中在对比工艺研究。所以激光熔覆材料配方元素的作用机理研究和新型激光熔覆耐磨耐蚀材料体系的开发是激光熔覆制备耐磨耐蚀涂层技术的重要研究内容。可以从以下几个方面来重点研究：(1) 高熵合金材料、纳米复合材料、新型金属非晶材料等具有新颖性以及特殊性能的复合材料；(2) 新型碳化物、氮化物和氧化物等陶瓷材料的开发和作用机理；(3) 稀土元素与各种体系合金的作用机理。

2 激光熔覆熔池研究

目前，激光熔覆工艺参数变化对熔覆层质量的影响规律大都是通过大量的工艺对比试验总结出来的经验，而激光熔覆质量对环境因素变化较敏感。实际加工零件时，会因为各种环境因素影响达不到试验时的效果，为此很多研究学者们将研究焦点聚焦在激光熔覆熔池的研究上。激光熔覆熔池变化的机理与凝固相变规律的研究对于了解激光熔覆工艺参数与熔覆层性能的本质联系具有重要的研究价值，它能提前预测熔覆层的质量和性能，能了解激光熔覆过程中各种能量传输的变化，了解能量变化与材料变化的联系等，具体表现为熔池温度场分布、对流、传质等。Shixing等[34]以激光熔覆过程中熔池对流运动对熔覆层气孔和元素分布的影响为研究重点，研究了在灰铸铁和45#钢上激光熔覆NiCuFeBSi系合金熔池对流运动的机理，结果表明：熔池强对流运动使熔覆层气孔呈均匀弥散化分布，其驱动力是因温度场分布引起的应力分布梯度，并揭示了激光能量密度、熔池温度和对流运动速度之间的关系。牛犇等[35]通过三维有限元模拟和试验，研究了316L不锈钢激光熔覆过程的温度场分布和相变规律，研究结果表明：熔池尺寸、稳定的温度场和均匀的微观组织都可以靠激光功率和激光束来控制。雷剑波等[36]利用电荷耦合器件高温检测技术，检测45#钢上激光熔覆Ni25合金粉末的熔池表面温度场分布，并研究了激光功率、熔池表面温度场分布和熔覆层质量三者之间的关系，最终得到均匀一致的熔覆层。马永等[37]研究了TC4表面激光熔覆掺Y2O3的TiB/TiC复合陶瓷涂层过程中，激光扫描速度、熔池行为、熔覆层微观组织和性能之间的关系，研究表明：扫描速度越小，熔池存在时间越长，组织越粗大，熔池表面对流剧烈，表层树枝状组织呈明显方向性；熔池与基体界面中心区液态金属几乎不动，边缘区域处于高速对流，所得中心区熔覆层组织细小、致密，边缘区熔覆层生成朝向基体的晶须结构。张青等[38]研究了铝合金表面激光熔覆Ni基粉末过程中，影响熔池流动性的因素，并建立了评价参数，研究表明：稀土元素能改善熔覆层熔池流动性，能形成大量金属间化合物强化相，大幅提高零件硬度和耐磨性。Lei等[39]提出一种三维模型来模拟Ti6Al4V合金上激光熔覆TiC/ NiCrBSiC复合涂层，通过对熔池深度和稀释率的研究，模拟结果最终得到高质量耐磨熔覆层，并用实验验证了模拟结果，模拟结果和实验结果有着很好的一致性。综上所述，对于激光熔池温度场分布、对流和传质现象，学者们已经进行了一定程度研究，结合现实现象，能初步解释熔池的变化与激光工艺参数和涂层性能参数的联系。但是这些研究大都是现象和趋势的总结，对于激光工艺参数与熔池变化的定量关系，熔池变化和涂层性能参数的定量关系还缺少模型和评价标准。因此下一步对于激光熔覆熔池的研究可以从以下几个方面来进行：(1) 建立一套完善的熔池变化表征参数，如熔池的深度、宽度、温度场分布、流动性、传质程度等；(2) 研究能实时监测熔池表征参数变化的检测系统；(3) 建立熔池的表征参数与涂层的组织形貌和耐磨耐蚀性能参数相结合的模型。

3 激光熔覆制备耐磨耐蚀涂层的应用

随着激光熔覆技术的不断发展，其在航天航空、石油、化工、海洋装备、水利工程等领域的应用得到不断扩展，更加恶劣的应用工况对熔覆涂层的性能提出了更高的要求。在研究者们不断探索下，各种材料熔覆层的耐磨耐蚀性能不断提升，并且材料配方的不断创新也给每个应用工况提供多种涂层体系选择。管永浩[40]以石油开采关键零部件柱塞抽油泵摩擦表面耐磨耐蚀涂层为研究对象，采用激光熔覆技术在45#钢上制备不同配比的Ni60+TC复合涂层，最终得到组织结构细小均匀的熔覆层，零件的耐磨耐蚀性能大幅提高。张磊等[41]对水轮机过流部件耐磨耐蚀涂层制备问题，尤其针对其冲蚀、气蚀失效形式，进行了涂层工艺解决方案的全面探讨。水轮机耐磨耐蚀应用研究得到很多学者的关注，从涂层制备工艺、材料配方和基体选择等都进行了大量的研究，这可为国家的水利工程带来巨大的经济和社会效益[42>−43]。臧辰峰[44]研究了辊道辊用20#钢上激光熔覆制备Ni60+Y2O3复合涂层的耐磨损性能，并采用重熔工艺使得涂层微小的裂纹孔洞等缺陷得到大大改善，使得涂层的耐磨损、耐高温、耐腐蚀性能得到大幅提高。马宗彬等[45]研究了激光熔覆技术在煤矿开采关键零部件液压支架的应用，所制备的涂层使得零件的耐磨耐蚀性能明显提升。煤矿机械方面，激光熔覆技术在解决截齿、采煤机高速轴、掘进机密封圈等耐磨耐蚀问题都有很广泛的应用[46−47]。汪定江等[48]利用激光熔覆技术对航空发动机涡轮叶片裂纹修复工艺进行了研究，设计出一套激光修复系统和整个工艺过程。航空航天方面，激光熔覆技术不仅在零件修复方面有很大的应用，而且在飞机常用的钛合金和铝合金表面涂层制备和零件制造方面有很广泛的应用[49−50]。综上所述，激光熔覆制备耐磨耐蚀涂层的应用正在不断拓展，从传统行业到高新行业，从水下到陆地再到空中装备，表面处理的市场份额正在快速增长，正逐步替代传统表面处理工艺，如电镀、热喷涂、阳极氧化等。但是其中大都是大型工业设备，一些小型、甚至微型设备领域也需要耐磨耐蚀涂层，如微机电系统(MEMS)、微型无人机、微型探测等领域。同时也对激光熔覆制备耐磨耐蚀涂层技术的精度提出更高的要求。

4 展望

经过学者们几十年的努力，激光熔覆制备耐磨耐蚀涂层研究取得很大的进展，很多研究成果已经进入实际应用阶段，取得很大的经济和社会效益。但是仍然存在一些问题，阻碍着激光熔覆技术制备耐磨耐蚀涂层全面、成熟地应用。主要有以下几个问题，并提出相关研究方向：

1) 熔覆涂层裂纹、气孔和夹杂等缺陷问题的解决，虽然通过激光参数、成分配比和复合工艺的优化，取得了不错的进展，但是对于这些缺陷的精确控制和量化标准还没有制定出来，始终处在实验对比的经验阶段，严重制约着激光熔覆制备耐磨耐蚀涂层技术的大规模应用，同时激光熔覆新型复合材料体系的开发也是未来重点研究内容。

2) 激光熔覆熔池能量理论模型缺乏：熔池中热量、动量和质量传输的理论模型对于了解组织形成规律具有至关重要的作用，同时计算机模拟仿真研究和熔池实时检测技术也是建立激光熔覆熔池理论模型很有效的手段，也需要重点开发。

3) 激光熔覆快速凝固理论发展缓慢，激光快速凝固行为研究方面主要有亚稳相和未知相的形成方式和特征，怎样从热物理学和热力学的角度去解释，以及凝固过程中熔池成分分配的规律等。

4) 结合激光熔覆系统的光学设计和机械设计，不断改进高速大面积激光熔覆的设备和工艺，同时可拓展激光熔覆制备耐磨耐蚀涂层在微型设备领域的应用和工艺研究。

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Research progress of wear-resistant and corrosion-resistant coatings prepared by laser cladding

ZHANG Kai1, 2, CHEN Xiaoming1, 2, 3, ZHANG Lei1, 2, FU Li2, LIU Wei1, JIANG Zhipeng1

(1. Key Laboratory of Sudace Engineering of Equipment for Hydraulic Engineering of Zhejiang Province, Standard & Quality Control Research Institute, Ministry of Water Resources, Hangzhou 310012, China; 2. Water Machinery and Remanufacturing Technology Engineering Laboratory of Zhejiang Province, Hangzhou Mechanical Research Institute, Ministry of Water Resources, Hangzhou 310012, China;3. State Key Laboratory for Advanced Metals and Materials, University of Science and Technology Beijing, Beijing 410083, China)

Wear-resistant and corrosion-resistant coatings manufactured by laser cladding technology is used to solve the wear and corrosion problems of parts in harsh environments. It has good prospects for development. In this paper, the development history of laser cladding technology is briefly introduced, and the research progress of the influence of laser cladding technology on the preparation of wear-resistant and corrosion-resistant coatings is summarized emphatically at home and abroad, as well as the relationship between the change of molten pool and laser cladding process parameters and the structure properties of the cladding layer. The research progress of laser cladding technology for wear-resistant and corrosion-resistant coatings in specific application parts and working conditions is also described, including parts of hydraulic engineering equipment, aerospace equipment, petroleum mining equipment, etc. Finally, it summarizes the key issues that restrict the comprehensive industrial application of the technology, as well as the research directions that need to be carried out in terms of process and equipment.

laser cladding; wear-resistant; corrosion-resistant; coating; molten pool

TG174.44

A

1673-0224(2019)04-308-07

浙江省科技计划项目(2017C37048)；浙江省科技计划项目(2018C37029)；浙江省科技计划项目(2019C04019)

2019−03−27；

2019−04−21

张凯，硕士，工程师。电话：18796020289；E-mail: zhangkai0618@sina.com; 陈小明，高级工程师，博士。电话：15967150168；E-mial: xiaoming840@163.com

(编辑 高海燕)