激光熔覆技术及工业化实验

激光熔覆技术

是指以不同的填料方式在被涂覆基体表面上放置选择的涂层材料，经激光辐照使之和基体表面一薄层同时熔化，并快速凝固后形成稀释度极低并与基体材料成冶金结合的表面涂层，从而显著改善基体材料表面的耐磨、耐蚀、耐热、 抗氧化及电器特性等的工艺方法。

应用领域

激光熔覆的应用主要在两个方面，即耐腐蚀（包括耐高温腐蚀）和耐磨损，应用的范围很广泛，例如内燃机的阀门和阀座的密封面，水、气或蒸汽分离器的激光熔覆等。

同时提高材料的耐磨和耐腐蚀性，可以采用Co基合金（如Co-Cr-Mo-Si系）进行激光熔覆。基体中物相成份范围中Co3Mo2SI硬质金属间相的存在可保证耐磨性能，而Cr则提供了耐腐蚀性。

熔覆材料

应用广泛的激光熔覆材料主要有：镍基、钴基、铁基、钛合金、铜合金、颗粒型金属基复合材料，陶瓷材料等 。

工艺特点

（1）冷却速度快（高达106K/s），属于快速凝固过程，容易得到细晶组织或产生平衡态所无法得到的新相，如非稳相、非晶态等。

（2）涂层稀释率低（一般小于5%），与基体呈牢固的冶金结合或界面扩散结合，通过对激光工艺参数的调整，可以获得低稀释率的良好涂层，并且涂层成分和稀释度可控；

（3）热输入和畸变较小，尤其是采用高功率密度快速熔覆时，变形可降低到零件的装配公差内。

（4）粉末选择几乎没有任何限制，特别是在低熔点金属表面熔敷高熔点合金；

（5）熔覆层的厚度范围大，单道送粉一次涂覆厚度在0.2~2.0mm，

（6）能进行选区熔敷，材料消耗少，具有卓越的性能价格比；

（7）光束瞄准可以使难以接近的区域熔敷；

（8）工艺过程易于实现自动化。

很适合油田常见易损件的磨损修复。

前言

某公司和某激光公司共同进行了激光熔覆技术工业化实验，现将实验研究结果介绍给大家，供参考。

01 激光熔覆相关工艺参数

根据密封件使用工况的实际需要，要求熔覆层硬度达到HRC40以上、温度≮600℃、焊后应力小、变形量少以及熔覆质量好。为达到以上要求，采用了如下措施：

(1)选用功率为3000W的固体激光器焊机，见图1，未使用5000W甚至10000W的大功率激光器，可减少焊后变形量。

图1 3000W功率的固体激光器焊机

(2)熔覆材料选用中碳高合金粉料(前期实验时选用了高碳铬铁材料)，其成分和母材相近，更易于和母材紧密融合。

(3)控制焊道行走速率在0.8～1.2m/min，保证熔覆材料和母材有足够的融合时间。

(4)熔覆单层焊道宽度为5mm，厚度为2～3mm，保证密封正常使用，与挡料板不发生干涉。

02 激光熔覆工业化实验结果分析

在熔覆材料和激光熔覆参数相同的条件下，我们进行了竖向和横向焊道两种密封件的制作实验，见图2。

图2 激光熔覆在密封件上的焊道走向

除了保证密封耐磨、耐热性能外，控制熔覆后的变形量也是重点，一是控制熔覆后变形的矫形量，二是矫形平整后，待放置或运输一段时间，控制二次变形量。

(1)变形量

堆焊完成后，将密封件矫形到要求的1mm平整度以内。5d之后，横向焊道熔覆的密封件发生了二次变形，翘曲变形量在5mm左右，无法实施安装；竖向焊道熔覆的密封件保持了较好的平整度，能够顺利安装在段节梁上，见图3。

图3 矫形到位后间隔5d的二次变形量对比

在熔覆材料、激光功率、熔覆速率等相同的条件下，激光熔覆堆焊二次变形的结果表明，竖向焊道的密封件焊后应力远小于横向焊道密封件的焊后应力。在矫形后，竖向焊道密封件的自身强度能够有效抵抗焊后残余应力，防止密封件的变形，而横向焊道密封件发生了二次变形。

(2)焊道质量

对激光熔覆堆焊密封件的表面做着色检测，评估焊道外观质量。通过检测，发现无论是横向焊道还是竖向焊道，焊道的致密度都非常高，基本无裂纹、无夹渣等缺陷，熔覆材料和母材在结合处融合的非常好，见图4。

图4 熔覆焊道的表面着色检测

(3)熔覆的表面硬度

对焊后的密封件表面进行硬度测试，测试的硬度值分别为HRC40.3、HRC41.6，满足了熔覆表面硬度值的要求，焊道表面未发生龟裂，见图5。

图5 硬度测试值

03 后续需解决的问题

(1)成本问题

密封件制作数量少是成本较高的一个重要因素，另外，选用的中碳高合金粉料、激光器损耗、临时制作的卡套工装均是造成初期成本高的原因。

后续进行大批量工业生产时，对密封件耐磨性能和合金粉的成分应进行综合匹配，可适当降低成本。另外，对激光器损耗、配套矫形工装费用进行均摊后，成本也会有所下降。

(2)矫形工装

激光熔覆后，需进行密封矫形，后续进行大批量工业生产时，应配套制作矫形工装，以提高生产效率，确保生产进度。

04 结语

(1)选用功率在3000w的固体激光器能够满足粉料的熔覆需求，焊后质量好，无裂纹、夹渣和未熔合等缺陷。

(2)熔覆材料选用中碳高合金粉，焊后表面不开裂，残余应力小，硬度值在HRC40～42。

(3)激光熔覆时，竖向焊道密封件的焊后残余应力明显小于横向焊道密封件，采用竖向焊道能够保证密封件在熔覆矫形后，不会产生二次变形，组装精度有保证。