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              四象激光熔覆技术的评述与展望

                激光熔覆是一种新型的涂层技术,是涉及到光、机、电、材料、检测与控制等多学科的高新技术,是激光先进制造技术重要的支撑技术,可以解决传统制造方法不能完成的难题,是国家重点支持和推动的一项高新技术。目前,激光熔覆技术已成为新材料制备、金属零部件快速直接制造、失效金属零部件绿色再制造的重要手段之一,已广泛应用于航空、石油、汽车、机械制造、船舶制造、模具制造等行业。
                      为推动激光熔覆技术的产业化,世界各国的研究人员针对激光熔覆涉及到的关键技术进行了系统的研究,已取得了重大的进展。国内外有大量的研究和会议论文、专利介绍激光熔覆技术及其新的应用:包括激光熔覆设备、材料、工艺、监测与控制、质量检测、过程的模拟与仿真等研究内容。但到目前为止,激光熔覆技术还不能大面积工业化应用。分析其原因,这里有政府导向的因素、激光熔覆技术本身成熟程度的限制、社会各界对激光熔覆技术的认可程度等因素。因此,激光熔覆技术欲实现全面的工业化应用,必须加大宣传力度,以市场需求为导向,重点突破制约发展的关键因素,解决工程应用中涉及到的关键技术,相信在不远的将来,激光熔覆技术的应用领域及其强度将不断的扩大。下面介绍几个激光熔覆的应用实例:
                    激光束的聚焦功率密度可达1010~12W/cm2,作用于材料能获得高达1012K/s的冷却速度,这种综合特性不仅为材料科学新学科的生长提供了强有力的基础,同时也为新型材料或新型功能表面的实现提供了一种前所未有的工具。激光熔覆所创造的熔体在高温度梯度下远离平衡态的快速冷却条件,使凝固组织中形成大量过饱和固溶体、介稳相甚至新相,已经被大量研究所证实。它提供了制造功能梯度原位自生颗粒增强复合层全新的热力学和动力学条件。同时激光熔覆技术制备新材料是极端条件下失效零部件的修复与再制造、金属零部件的直接制造的重要基础,受到世界各国科学界和企业的高度重视和多方面的研究。
                      目前,利用激光熔覆技术可以制备铁基、镍基、钴基、铝基、钛基、镁基等金属基复合材料。从功能上分类:可以制备单一或同时兼备多种功能的涂层如:耐磨损、耐腐蚀、耐高温等以及特殊的功能性涂层。从构成涂层的材料体系看,从二元合金体系发展到多元体系。多元体系的合金成分设计以及多功能性是今后激光熔覆制备新材料的重要发展方向。
                   新的研究表明,在我国工程应用中钢铁基的金属材料占主导地位。同时,金属材料的失效(诸如腐蚀、磨损、疲劳等)大多发生零部件的工作表面,需要对表面进行强化。为满足工件的服役条件而采用大块的原位自生颗粒增强钢铁基复合材料制造,不仅浪费材料,而且成本极高。另一方面,从仿生学的角度考察天然生物材料,其组成为外密内疏,性能为外硬内韧,且密—疏、硬—韧从外到内是梯度变化的,天然生物材料的特殊结构使其具有优良的使用性能。
                   根据工程上材料特殊的服役条件和性能的要求,迫切需要开发强韧结合、性能梯度变化的新型表层金属基复合材料。因此,利用激光熔覆的方法制备与基材呈冶金结合的梯度功能原位自生颗粒增强金属基复合材料不仅是工程实践的迫切需要,也是激光表面改性技术发展的必然趋势。激光熔覆技术制备原位自生颗粒增强金属基复合材料、功能梯度材料已有报道,但大部分停留在组织、性能分析,工艺参数的控制阶段,增强相的尺寸、间距和所占的体积比还不能达到可控制的水平,梯度功能是通过多层涂覆形成的,不可避免地在层与层之间存在界面弱结合的问题,距离实用还有相当长的路。利用激光熔覆技术制备颗粒大小、数量、分布可控,强韧性适当匹配,集梯度功能和原位自生颗粒增强为一体的金属基表层复合材料是今后重要的发展方向。研究内容涉及到:
                      ● 熔覆材料成分、组织、性能设计的技术、手段和原理及其工艺实现的控制技术。

              图2、齿轮轴的激光修复

                      ● 激光熔覆制备功能梯度原位自生颗粒增强金属基复合材料颗粒增强相析出、长大和强化的热力学和动力学模型的建立。
                      ● 颗粒增强相形态、结构、功能和复合的仿生设计和尺寸、数量、分布的控制技术。
                      ● 涂层成分、组织和性能梯度控制的原理、关键因素和工艺方法的研究。
                      ● 宏观、微观界面的观察、分析控制和表征;功能梯度原位自生颗粒增强金属基复合材料常规性能的分析和检测以及不同工况下的磨损行为及失效机制。
                      这些研究内容的突破,有可能解决涂层与基体相容性不匹配,易于产生裂纹的问题,促进激光熔覆技术应用领域的拓宽。

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