激光增(zeng)材制造熔覆(fu)Ni基合金涂層組織性能研(yan)究進展

作者：修(xiu)虎,米國發,李(li)雷等
來源： 特(te)種鑄造

激光增材制造技(ji)術（3D 打印）是建(jian)立在三維建(jian)模、數字數據處理、三維模(mo)型構建之上(shang)的一項立體(體)快速制造技術，其基(ji)本原理是將激光束掃描(miao)到材料成形(xing)區域將材料(liao)熔化，或將熔(rong)覆粉末熔化(hua)，形成規則或(huo)具有目標形狀的瞬時(時)熔池，通過逐(zhu)層覆蓋堆積(積)最終成為三(san)維零件的過(過)程，激光熔覆(fu)則是激光增(zeng)材制造(zao)技術其中的(de)一種表面修(xiu)復與改性技(ji)術。目前，激光(guang)增材制造技(ji)術主要有電子束熔煉技(ji)術、選擇性激光燒結(結)技術、選擇性熱燒結技術、選(選)擇性激光熔(rong)化沉積技術(術)以及直接金(jin)屬激光燒結(結)激光熔(rong)化沉積技術(術)，金屬結構件(jian)激光增材制(zhi)造技術應用(yong)較多的是粉(fen)床鋪粉方式(shi)的選區激光(guang)熔化（SLM）技術和同步送(song)粉方式的(de)的激光熔化沉(chen)積(積)（LMD）技術。SLM和LMD兩種(種)技術的特點(點)和應用對象(xiang)區別較為明(ming)顯，SLM技術精度高，成形(xing)件致密，但很(hen)容易受到預(預)鋪基板尺寸(cun)大小的限制(zhi),適用于小型(xing)精密器件的(de)小(xiao)批(pi)量生產(產)和快(kuai)速制(zhi)造；而LMD技術的(de)激光能量較(較)大，將金屬粉(fen)末直接噴涂到(dao)激光束上進(進)行熔化沉積(積)，通常運用五軸數控(kong)，可以實現大(da)尺寸、多材料(liao)、多角度構件(jian)的高性能修(xiu)復和快速制(zhi)造，但粉末粒(li)徑大會導致(zhi)材料表(biao)面的粗糙度(du)較大，適(適)合大面積、大體積(積)鑄件的直接(jie)成形。目前用(yong)于高溫鎳基合(he)金的激光熔(rong)覆表面(mian)改性也主要(yao)采用SLM和LMD技術(術)。

金屬激光增(zeng)材制造技術(術)由于其設計自由、無模、快速、全致(zhi)密以(yi)及近凈成(cheng)形等特點被(bei)用于復雜高(gao)性能金屬結(結)構零件的快(kuai)速制造，同時(時)也用于激光(guang)熔覆基體表(biao)面(mian)來進行(xing)缺陷的修復以及表面性(xing)能的合金化(hua)改良[1-3]。近年來關于激光熔(rong)覆表面改性(xing)的研究越來越多，以Ni為基體的鎳基高溫合金(jin)，高溫下表現(現)出優異的力(li)學性能并具(ju)有良好組織穩定性，鎳基(ji)合金激光熔(rong)覆層則(則)成為了相關領(領)域研究的熱點。目(mu)前，激光熔覆鎳基合(he)金可以達到(dao)甚至超過鍛件的綜合力(li)學性能(neng)，但合金內部(bu)往往會出現(現)一定的元素(su)偏析、裂紋孔(kong)洞、殘余應力(li)等缺陷，因此(ci)需要在采用(yong)激光熔(rong)覆技術的基(ji)礎上，通過改善(shan)工藝參數、添(tian)加改良元素(su)以及輔助處理在一定程(cheng)度上優化鎳基合金(jin)激光熔覆層的性能。此外(wai)，在(zai)一(yi)些苛刻(ke)的服役條件(jian)下，如冶金裝(裝)備上的前卷(juan)取側導板、頂頭、芯棒(bang)等，由于需要(yao)同時承受高(gao)溫和高速摩(mo)擦，對材料的表(biao)面損耗就很(hen)大，因此為適(適)應更高的工(gong)作要求，激(ji)光(guang)熔覆鎳基合金(jin)的高溫耐磨性需要(yao)得到進一步(bu)研究與改進(進)。

河南理工大(da)學聯合上海(hai)電機學院材料學院(yuan)、上海僅博激(ji)光技術有限(xian)公司在2023年第(di)43卷第12期《特種(種)鑄造及有色合(he)金》發表了題(題)為“激(ji)光覆 Ni 基(ji)合金涂(tu)層組織性能(neng)的研究進展(zhan)”的文章，文章(zhang)指出鎳基合(he)金因其具有(you)良好的耐高(gao)溫、抗蠕變性(xing)，故作為性能良好的(de)激光熔覆材(cai)料廣泛應用(yong)于各種高性(xing)能復雜結構件的快速修復及表面改性(xing)。激光增(zeng)材制造鎳基(ji)合金表面雖(雖)具有良好的(de)硬度和耐高(gao)溫性，但(dan)在苛刻的服役條(條)件下同時承(cheng)受高溫和高速摩擦(ca)作用，熔覆層表面損耗仍(reng)然很大，故鎳基合金熔覆(fu)層的高溫耐(nai)磨性需要得(de)到進一步(bu)提高與優化(hua)。從激光熔覆(fu)工藝參數、合(he)金元素含量(liang)、增強相、自潤滑相及輔助(zhu)處理對鎳基(ji)合金激光熔覆層的(de)高溫耐磨性(xing)能研究現狀進行綜合闡(闡)述，分析其(qi)所面臨的主要難(難)題并提出改(gai)進措施和進行展望(wang)。

工藝參數對鎳基合金熔覆(fu)層的影響
激(ji)光熔覆的主(zhu)要工藝參數為激光功率(lu)、掃描速度、搭接率、進(進)粉速率以及(ji)光斑尺寸，這(這)些參數的組(組)合決定了熔(rong)覆層的幾何(he)特征，并(bing)對熔覆層的溫度(du)場、應力(li)場、內部組織轉變產生不(bu)同的作用，進而(er)對熔覆層的(de)晶粒尺寸、相(xiang)組成、硬度和(he)耐磨性造成(cheng)不同的(de)影響；研究工(gong)藝參數對熔(rong)覆層的影響，可通過有限(xian)元分析與數值模擬設計驗證、改變單一變量(liang)進行試驗對比(bi)、統計學建立(li)工藝參數與(與)熔覆層幾何特(te)征或稀釋率(lu)的聯系來進(進)行驗證。

NIE P等利(li)用流體(體)力學，有限元(yuan)分析和數值(zhi)模擬預測了(le)熔覆層凝固(gu)組織，以及熔(rong)覆層凝固組(組)織與粉末尺(chi)寸、激光功率和激光(guang)掃描速度等(deng)工藝參數的(de)關系， 發現當激光功率和(he)激光掃描速度(du)在一定比例(li)下同時增加時，粉末(mo)粒(li)徑對冷卻(卻)速率和二次(ci)枝晶臂間距(ju)的影響程度(du)減弱，這項工(gong)作有助于對激光熔覆產(產)生更為全面的認識(識)，并為控制鎳基高溫合金(jin)激光熔覆層的微觀組織提供了理論基礎。其他一些(xie)研究人(ren)員通過鎳基(ji)合金熔覆層的激光工藝參數的改變進行實驗對比，得到一些(xie)具體一定特(te)征的實驗結果：YU S F等研(yan)究了激光工(gong)藝參數對鎳基合金熔覆(fu)層的影響，發(發)現在激光功(gong)率為2.0 kW，進(進)粉速率15 g/min，激光(guang)掃描速度為4 mm/s時(時)，鎳基合金熔(rong)覆層與基體(體)具有較好的(de)冶金結合且(qie)熔覆層具有(you)良好的晶粒(li)度，稀釋率低。CAI Z B等在研(yan)制Ni-Cr-Co-Ti-V高熵合金(jin)涂層時，發現當激光功率為1 kW，激光光斑直(zhi)徑為3 mm，激光速(su)度為10 mm/s時，激光(guang)重熔后富鈦相的體(體)積分數顯著(zhu)增(zeng)加。顯微硬度(du)高至900 HV。LEI J B等為了(le)提高鎳基涂(tu)層的耐磨性(xing)和耐蝕性，采用激光熔覆制備了(le)碳纖維增強鎳基復合涂(tu)層，發現隨著(zhu)激光掃描速(su)度的提高，復合涂層中碳(tan)纖維的形貌(mao)更加完(wan)整，復合涂層的耐蝕性和(he)耐磨性得到提(ti)高，當激光掃描速度為8mm/s，激(ji)光功率為2.4 kW，熔(rong)覆層的硬度(du)耐磨性(xing)最好。LI R F等在對鎳基非晶合(he)金的激光熔(rong)覆中也發現(現)在一定的范(fan)圍內硬度和(he)耐磨性隨著(zhu)激光掃描速度提高(gao)而增加，當激(ji)光掃描速度(du)為8 mm/s時，激光功(gong)率為800 W時熔覆層硬度和耐磨(mo)性達到最大(da)。

激光熔(rong)覆工藝參數對鎳基合金(jin)熔覆層的影(ying)響在一定程(cheng)度上具有相(xiang)似性，但限于(yu)研究對象的(de)不同，以及激光器功(gong)率等多重變量因素下無(無)法規律的探(tan)討工藝參數對合金涂層的(de)具體影響。但是激光(guang)工藝參數對熔(rong)覆層的影響往往通過改(gai)變熔池內稀(xi)釋率和熔覆(fu)層幾何形狀間接影響到(dao)熔覆層的性能,因此(ci)可以通過研(yan)究激光工藝參數對熔覆(fu)層幾何特征(zheng)以及稀釋率(lu)的線性特征(zheng)擬合把握激光(guang)工藝參數對其性能(neng)的影響。CAO Q等發(發)現激光功率(lu)與鎳基合金(jin)熔覆層的高(gao)度、寬度以及(ji)稀釋率呈現(現)正相關(關);然而掃描速(su)度與熔覆層高度和寬度(du)呈現負相關(關)，與稀釋率呈(cheng)現正相關；進粉(fen)速率與熔(rong)覆層高(gao)度成正相關，與(與)熔覆層寬度(du)和稀釋率成(cheng)負相關，此發(發)現對進一步(bu)有效控制熔(rong)覆層的質量(liang)提供了(le)理論依據。

添(tian)加相對鎳基(ji)合金熔覆層的影響
鎳基(ji)高溫合金是(shi)一種性能優良的激光熔(rong)覆材料，同時為了滿(滿)足優異的抗(kang)氧化、抗疲勞、抗蠕變和(he)抗腐蝕等綜合性能(neng)，通常會在合(he)金粉末中加(jia)入Al、Ti、Zr、Nb、Mo、Co、C、等一些固溶強化(hua)元素。加入微(wei)量元素的種(種)類、含量都會對鎳基合金(jin)熔覆層的性(xing)能產生極大(da)的影響，引入(ru)不同種(種)類及含量的(de)外加元素可(ke)以顯著提升(sheng)熔(rong)覆層的硬度(du)和耐磨性。

在多數情況下(xia)，鎳基合金的(de)熔覆層會隨著溫度(du)的升高，合金(jin)表面發生氧(yang)化而使耐磨(mo)性降低，KRELL J等在(zai)研究激光熔(rong)覆制備Ni3Si合金(jin)的高溫耐磨性時，發(發)現Ti的加入雖(雖)然降低了Ni3Si合金(jin)的抗氧化(hua)性，但Ti的加入卻(卻)改善了其摩(mo)擦學性能，隨(隨)著Ti含量(liang)的增加，高溫下熔覆層的(de)磨損機制發(發)生改變，提高(gao)了耐磨性。CHEN Y K等利用激(ji)光熔(rong)覆制備了添加(jia)Ti元素的(de)鎳基合金熔(rong)覆層。結果表(biao)明，Ti的加入使(shi)Ni60-20WC 原始涂層中(zhong)原位生成了(le)Cr5B3和M23C6兩種硬質(質)碳化物，溶解了WC，生成了TiC顆粒且分散(san)的TiC顆粒形成(cheng)的網狀結構，使得塊狀Cr5B3顆(顆)粒均勻化的(de)分布在組織中，涂層的硬(ying)度得好極大提高。為提(ti)高球墨鑄(鑄)鐵的鎳基復合涂層的綜(綜)合性能，蔣智(zhi)秋等向激光(guang)熔覆鎳基合(he)金粉末添加(jia)了不同含(han)量的Al，結果表(biao)明在Al含量為6%時，涂層的耐(nai)磨性提高最(zui)為顯著；在Al含量8%時，850 ℃的高(gao)溫下抗氧化能力(li)最強。Nb可(ke)以促進鎳基(ji)合金中晶粒(li)的細化，降低(di)氣孔，裂紋等(deng)缺陷的產生(sheng)，且可以在熔(rong)覆過程中與(與)熔融體(體)中的C原位生(sheng)成(cheng)NbC增強相，NbC具有(you)高硬度以及(ji)熔點等特性(xing)。DONG G等采用激光(guang)熔覆法在AISI1045碳(tan)鋼上熔覆了(le)不同Nb含(han)量的鎳基合(he)金，結果表(biao)明Nb的加入使Ni基合(he)金熔覆層中(zhong)析出了NbC顆粒(li)和M23C6型碳化物(wu)，鍍層的顯微(wei)硬度和耐磨性隨鈮含量的增加(jia)而增加。張偉等在鎳基合金(jin)中加入了V元(yuan)素，結果表明(ming)隨著V元素的(de)增加，涂層中原位生(sheng)成的VC增多，耐(nai)磨性增強。雍耀維通過將二氧化鋯和(he)石墨按照反(fan)應摩爾比混(hun)合的方式在Ni25、Ni45和 Ni60中添(tian)加了Zr元素成(cheng)功制備了三(san)類含有原位(wei)自生ZrC顆粒的ZrC/Ni25、ZrC/Ni45、ZrC/Ni60鎳基復合涂層。在(zai)涂(tu)層中，C和ZrO2反應生(sheng)成 ZrC，原位生成的(de)ZrC 不僅細化了(le)組織結構，而(er)且阻止了M7C3粗大碳化物和(he) γ-Ni+M23C6 繼續生長，進(進)而提高組織穩定性，增加(jia)了耐磨(mo)性。

微量元素(su)的加入可通(tong)過固溶強化(hua)、抗氧化改變磨損機理、細化(hua)晶(jing)粒(li)減小裂(lie)紋萌生、促進(進)強化相(xiang)溶解而生成(cheng)新的增強相(xiang)來改變鎳基(ji)涂層的性能(neng)，針對不同的(de)情況可選擇適當元素和(he)含量來制備高溫耐(nai)磨鎳基復合(he)涂層。

硬質相(xiang)添加對鎳基(ji)合金熔覆層的作用一般(ban)分為兩種，一種(種)在鎳基(ji)合金粉末中(zhong)直接添加硬(ying)質顆粒，在熔(rong)覆過程中的(de)硬質相顆粒(li)大部分不融化，直接(jie)作為強化相來提高熔覆層的性能；另外(wai)一種則是作(zuo)為過度相，通(tong)過促進形核(he)細化晶粒或(huo)生成新的強化相來強化(hua)涂層。鎳基(ji)合金熔覆層常用硬質相(xiang)顆粒添加的(de)包括金屬碳(tan)化物陶瓷和(he)金屬氧化物(wu)陶瓷。

WC是最常(chang)用作直(zhi)接添加的硬(ying)質相來制備鎳基復合涂(tu)層，WC可與鎳基合金具有良(liang)好的冶金結(結)合，并能制備出冶金(jin)性能良好的(de)復合涂層，采用(yong)鎳包WC的方式(shi)可使WC在涂層中分布均勻，提高涂層的(de)耐磨性 ，WC也可(ke)作為增(zeng)強相，進一步添加(jia)微量(liang)元素(su)制備耐磨性(xing)能更好的復合鎳基涂層。FU F X等在2Cr13鋼表面(mian)制備了添加(jia)WC的鎳基(ji)合金熔覆層，結果表明:當合(he)金粉末中(zhong)WC的含量為20%時，合(he)金涂層具有(you)優良的硬度(du)、耐磨和耐沖(沖)蝕性能，可有效延長(長)設備的使用(yong)壽命。WANG K M等(deng)在Q235鋼表面制備了(le)激光熔覆Ni60A/WC復合涂層，結果(guo)表明，WC顆粒部(bu)分溶解并與其他元(yuan)素反應形成(cheng)共晶，共晶以(yi)塊狀、條狀和(he)球形的形(xing)式存在(zai)，提高了硬度(du)和耐磨性。YU S F等(deng)通過研究NbC加入量對鎳基合金摩(mo)擦磨損性能(neng)的影響，發現(現)當NbC的加入量(liang)達到6%時(時)，熔覆層的磨損量(liang)最小，耐磨性(xing)最好。TIAN A W等(deng)在鎳基粉末(mo)中添加Nb2O5利用(yong)激光熔覆技(ji)術在A35剛表面(mian)進行了熔覆(fu)實驗，結(結)果表明在Nb2O5為wt.15%時，涂層晶粒得(de)到細化且具(ju)有良好的冶(ye)金結合，耐磨(mo)性增加了一(yi)倍。CHAO M J等研究(jiu)了TiO2摻雜對鎳基復合涂層的影(ying)響，結果(guo)表明TiO2的加入(ru)，原位生成了(le)較多的TiB2和TiC，增加(jia)了成核位(wei)點的數量，提(ti)高了形核率(lu)，硬質相增多(duo)的同時細化了晶粒和(he)組織，提升了(le)耐磨性。Sahoo CK等在(zai)鎳基合金粉(fen)末中添加TiC采(cai)用激光熔覆(fu)技術在鋼上(shang)制備了鎳基合金熔(rong)覆層（見圖1），結果表(biao)明TiC的(de)加入(ru)，不僅使熔覆(fu)層具有良好(hao)的冶金結合(he)，而且熔覆層中的TiC、以(yi)及新生成的(de)Ni和Ti等金屬間化(hua)合物顯著的(de)提高了熔覆(fu)層的耐磨性(xing)。LIU Y等在NiFeBSi鎳基合(he)金粉末中添(tian)加了SiC,利(li)用激光熔覆(fu)技術獲得了(le)與NiFeBSi形貌相同(tong)的鎳基復合(he)涂層，且隨著(zhu)SiC的加入，致使(shi)γ（Fe,Ni）枝(zhi)晶(jing)間出現了多種(種)類型的(de)碳化物(wu)，因此極大地(di)提高了熔覆層的硬度和耐(nai)磨性。

圖1 高倍(bei)FESEM圖(圖)像(xiang)TiC-Ni涂層組(組)織分布(bu)

向鎳基合金(jin)粉末中添加(jia)硬質顆粒來提高激光熔(rong)覆層的硬度(du)和耐磨性，主(zhu)要有以下幾種原理(li)：①硬質顆粒與(與)熔覆層擁有(you)良好的冶金(jin)結合，直接作為硬質相均勻分布在基體(體)中起到增加(jia)強度提(ti)高耐磨性的(de)效果。②金屬氧(yang)化物的添加(jia)往往起到細化晶粒，增強冶金結合，減(減)少空洞裂紋(紋)萌生的作用。③硬質相參與了激(ji)光熔(rong)池的冶金反(fan)應，致使涂層中原位生成(cheng)新的碳化物及(ji)其他增強相(xiang)彌散到晶體間起到(dao)增加硬度和(he)耐磨性的作(zuo)用{Sahoo, 2017 #90;Liu, 2012 #33;Chao, 2004 #85}。

為了減少(shao)材料的摩擦(ca)、磨損率，最佳(jia)的方式就是(shi)通過自潤滑(hua)來達到(dao)減磨耐磨的(de)效果，潤滑就是用一層具(ju)有潤滑效果(guo)的薄膜將兩個發生相對運(運)動的表面隔(ge)開，是物(wu)體在摩擦中(zhong)減少接觸，來實現減少材(cai)料損耗的目(mu)的,通過添加(jia)自潤滑相，在(zai)鎳基合金中(zhong)起到減(減)磨效果也是(shi)增加鎳基合(he)金涂層增加(jia)耐磨性的一(yi)個重要途徑。常(chang)用(yong)作自(zi)潤滑相的(de)物質有(you)軟金屬、石(shi)墨、碳包合金(jin)以及硫化物(wu)等。

TORRES H等采用激(ji)光熔覆手段(duan)，將Au、Ag等不同的軟金屬固體(體)潤滑劑通過(過)過渡金屬二鹵族化(hua)合物(WS2, MoS2)包裹加(jia)入鎳基復合(he)涂層，使其均(jun)勻分布在組(組)織內，得到了(le)在室溫到600℃以(yi)內耐磨性提高的鎳基復合涂層。馬超等在40CrNi2Si2MoV鋼表(biao)面采用了激(ji)光熔覆技術(術)制備了不同(tong)含量的鎳包(bao)石墨制備了鎳基復合涂層（見圖(圖)2），結果表明隨(隨)著鎳包石墨(mo)含量的增加(jia)，熔覆層的組(組)織逐漸細化(hua)，并(bing)伴(ban)隨著石墨相(xiang)的出(chu)現，在鎳包石(shi)墨為6%時，表現(現)出良好的耐磨(mo)性。LI M Y等采用激(ji)光熔覆技術(術)，并運用離子(zi)滲流的方式(shi)加入硫(liu)元素，在鎳基(ji)合金熔覆層表面形成FeS自(zi)潤滑相來達(達)到減磨效果(guo)，結果表明由(you)于FeS的作用，復合(he)熔覆層的摩擦系(xi)數和磨損量(liang)都在減小。ZHU R等(deng)在Inconel625合金基體(體)上(shang)運用激光熔(rong)覆技術制備了鎳基自潤滑涂層NiCrAlY/Ag2O/Ta2O5，結果表明室(shi)溫下Ag為主要的潤滑作(zuo)用，在(zai)350 ℃時NiO和Ag共同作(zuo)用進行潤滑(hua)，當550 ℃時，Ag失去潤滑效果，而NiO和(he)CrO2形(xing)成(cheng)的耐磨(mo)釉層為熔(rong)覆層起到了(le)主要的潤滑(hua)作用，使其在(zai)高溫下的耐(nai)磨性有很大提(ti)高。LU L X等在Ti6Al4V基板(ban)上通過激光熔覆手(shou)段制備了不(bu)同六方氮化(hua)硼（hBN）含量的Ni60-hBN復合鍍層，結果(guo)表明隨著hBN含(han)量的增加涂(tu)層的耐磨性和潤滑(hua)性也在不斷的增加，在Ni60-10%hBN涂(tu)層在高溫(300 ℃和600 ℃)下(xia)表現出優異的摩擦學(學)行為。LIU X B等通過(過)激光熔覆手段(duan)在NiCr-Cr3C2鎳基(ji)合金粉末中(zhong)加入了WS2自潤滑粉末，并(bing)通過電鍍封裝防(fang)止WS2的分解，結(結)果表明在WS2含(han)量為30%時(時)，涂層在300℃到600℃以(yi)內具有良好(hao)的潤滑和耐(nai)磨性。

圖2 不同(tong)鎳包石墨含(han)量復合涂層中石墨(mo)的分布狀態

(a)6.0%鎳包石墨；(b)10.0%鎳包石墨；(c)14.0%鎳包(bao)石墨；(d)原始鎳包石(shi)墨顆粒

通過(過)添加自潤滑(hua)相來達到熔(rong)覆層減(減)磨目的主要(yao)有以下兩種(種)形式：①所(suo)加入的軟金屬、石(shi)墨等自潤滑(hua)相均勻分布(bu)在組織內，使(shi)得熔覆層的組織整(zheng)體具有良好(hao)的(de)穩定性和潤滑性。②加入硫(liu)化物，非金屬等物質通過(過)物理化學結(結)合的方式在熔覆層的表面形成(cheng)潤滑層及耐(nai)磨釉層來達(達)到減磨耐磨(mo)的目的。通過自潤滑的方式來增加耐磨(mo)性在中(zhong)低溫度往(wang)往達到較好的(de)耐磨效果，但在(zai)較高溫度（600 ℃以(yi)上）自潤滑相(xiang)，耐磨釉層會發生不同程(cheng)度的分(fen)解，導致耐磨(mo)機制變化，從而使磨損率(lu)提高，耐磨變差。因此，有待進一步開發(發)高溫耐磨自(zi)潤滑減(減)磨材料體系(xi)。

稀土元素被(bei)稱為“工業的(de)維生素”，在鎳基合金粉末中(zhong)加入稀土元(yuan)素可使熔覆(fu)層的性(xing)能大為改善(shan)，主(zhu)要(yao)作用可細化組(組)織晶粒(li)，減少裂紋、缺(que)陷和氣孔、降(jiang)低熔覆基體(體)稀釋率，提高抗(kang)氧(yang)化(hua)能力，使熔覆(fu)層具有更好(hao)的冶金結合(he)能力等。     

NING Z等將Ni60合金粉末和(he)La2O3混合，利(li)用激光熔覆手段在(zai)30CrMnSiNi2A基板上制備了添加(jia)稀土元素（Re,La2O3)的(de)鎳基復合涂(tu)層，結果表明(ming)La在(zai)枝(zhi)晶間偏析，限制(zhi)了次生(sheng)枝晶的粗化(hua)，使熔覆層的表面組(組)織得到細化(hua)，顯著的減少(shao)了熔覆層中(zhong)地裂紋和氣孔，使熔覆層地耐磨性得(de)到極大的提高。ZHANG G Y等在Ni60合(he)金粉末中加(jia)入稀土CeO2利用(yong)激光熔覆在(zai)6063-Al上制備了鎳基合金熔覆(fu)層，結果表(biao)明在 CeO2含量為5wt.%時，在(zai)Ni60熔(rong)覆層具有較好的(de)組織和形貌(mao)，且減少了裂(lie)紋和氣孔，尤(you)其是在熔覆(fu)層的表面作(zuo)用更為明顯(顯)，從而使(shi)熔覆層的耐磨(mo)性提高。WANG C等同(tong)樣在(zai)6063-Al表面制(zhi)備了不同稀(xi)土含量的鎳基合金熔覆(fu)層，結果表明(ming)添加4% CeO2、5% La2O3和(he)5% Y2O3的(de)Ni60熔(rong)覆層比Ni60的熔覆(fu)層具有(you)更好的形貌(mao)特征，氣孔和(he)裂紋明顯減(減)少，熔覆層的(de)硬度隨著熔(rong)覆層深度而逐漸減(減)小，且稀土的(de)加入使熔覆層的稀釋度增(zeng)加。CAI Y等在Cr12MoV鋼表(biao)面利用激光(guang)熔覆手段制(zhi)備了不同CeO2含量的Ti/Ni復合涂層（見圖(圖)3），結果表明熔(rong)覆層從底部(bu)到表面依次(ci)是柱狀晶、胞(bao)狀晶、等軸晶，適當的稀(xi)土元素使得(de)熔覆層組織細化，并在表(biao)面析出較多(duo)的(de)TiC顆粒，使得表面的耐磨性(xing)提高；過量的(de)稀土元素會污染晶(jing)界且導致TiC顆(顆)粒過度的燒損，從而降低(di)熔覆層耐磨(mo)性。

圖3 不同含量(liang)稀土復合涂層界面(mian)

(a)0 %; (b) 2 %; (c) 4 % ; (d) 6 %

稀土元素的(de)加入對熔覆(fu)層的影響主(zhu)要有以下特點(點)：①稀土的加入(ru)并沒有產生(sheng)新的相(xiang)，對枝晶的生(sheng)長產生重要(yao)影響，彌散的稀土元素釘扎晶界長大(da)，產生偏析，增(zeng)加了等軸晶(jing)數量，從而達到細晶(jing)強化。②稀土對熔覆層晶粒(li)的作用敏感(gan)度從頂部到(dao)深處越來越(yue)弱，熔(rong)覆(fu)層頂部的晶粒(li)最(zui)為細化，涂層表面更加致(zhi)密，耐(nai)磨性硬度最好。③稀土(tu)元素的另外(wai)一個主要的(de)作用是凈化(hua)合金晶界，吸附熔覆層中難溶化(hua)合物磷、硫等(deng)，減(減)少(shao)熔覆層缺陷生(sheng)成，但過(過)量加入則會燃燒晶界。

輔助(zhu)處理對鎳基合金涂(tu)層的影響
未(wei)經輔助處理(li)的熔覆層往(wang)往會存在較(較)大的殘余應力、裂紋、氣孔等，適當的輔助(zhu)處理不(bu)僅可以減少(shao)缺陷的產生(sheng)，也可以優化(hua)熔覆層的性(xing)能，隨著激光(guang)熔覆的發展(zhan)以及熔覆件(jian)性能的(de)要求，輔(輔)助處理對激光熔覆(fu)鎳基合金的(de)研究也在不(bu)斷深入，常見的對鎳基合(he)金熔覆層輔(輔)助處理(li)的方式有熱處理、電磁場，超聲等手(shou)段。

FERREIRA A A等研(yan)究了基材(cai)預熱對鎳基(ji)合金熔覆層的影響，結果(guo)表明在(zai)基板預熱300 ℃時對鎳基合金(jin)熔覆層和基材(cai)界面區域有(you)較大影響，減(減)少了熔覆層中有害Laves相的形成，使涂層組(組)織更加(jia)均勻。GONG F B等(deng)采用激光熔覆在(zai)FV520B鋼表面制備了FeCrNi合金熔覆(fu)層，研究了(le)熱處理對鎳基合(he)金的影響，結果表明(ming)在1 073 ~ 1 273 K的熱處理過程中，二次(ci)淬火的作用(yong)使基體材料的(de)晶粒得到細化，并(bing)使熔覆層與基體結合的硬(ying)度軟區得到(dao)了有效去除(chu);當熱處理溫度為1 073 K時，熔覆層獲(獲)得了(le)最大(da)的抗拉強度(du)，但也在一定(ding)程度影(ying)響了其耐磨(mo)性。DURGE G等在AISI410不銹鋼表面熔覆(fu)了NiCrBSi合金涂層，并在625℃下熱處理了1.5 h，結果表明熱處理后的NiCrBSi熔(rong)覆層硬(ying)度提升約1/3，并且熱處理過(過)程中涂層中(zhong)形成了額外(wai)的硼化物、碳(tan)化物沉淀，其耐磨性(xing)也有(you)明顯的提(ti)高。

YAO F P等為了在(zai)不增加強化(hua)相的情況下(xia)使鎳基合金(jin)熔覆層的性(xing)能最大優化(hua)，采用了不同頻(頻)率的超(chao)聲輔助對鎳基合金熔覆(fu)層進行了處理，并使用摩(mo)擦磨損試驗機對熔覆層進行了硬度(du)和摩擦磨損的測試，實驗表明適(適)度的超聲頻(頻)率能顯著的(de)細化熔覆層的組織，使熔覆(fu)層的硬度(du)和耐磨性得到顯著提(ti)高，且熔覆層具有良好的(de)細晶粒。HU G F等創新性的將電磁和超聲疊加(jia)輔助處理在(zai)鎳基合金熔覆層上(shang)，并采用有限(xian)元分析對熔(rong)覆場流體的(de)輔助影響模(mo)擬（見圖4），模擬結(結)果(guo)表明聲流改變了熔(rong)池的宏(hong)觀運動，電磁(ci)場加劇了熔池(chi)的對流，實驗結(結)果(guo)表明：輔(輔)助場的加入(ru)細化了組織，內部元素偏(pian)析均勻，由(you)于(yu)熔池對流加劇，元素偏(pian)析被抑制，枝(zhi)晶生長被打(da)破，進一步細化了組織，與(與)未加輔助場的熔覆(fu)層相比，極大的提高(gao)了硬度和耐磨性。

圖4 復合場輔助處理鎳基合金(jin)熔覆層表面微觀組(組)織

無論是單一輔助場，還是復合場均(jun)可對鎳基合(he)金熔覆層組(組)織性能進行(xing)調控，主要的作用機(機)理可分為：①基板預熱處理(li)，增加冶金結合(he)，提高熔覆層抗(kang)裂性，改善激(ji)光熔覆工藝性。②后(hou)期熱處理，通過(過)退火消除應力集中，進行時效強化(hua)，改善熔覆層的組(組)織結構，提高硬(ying)度(du)耐磨性(xing)。③超聲和電磁(ci)場的輔(輔)助通過增加(jia)熔池液體對流，產生枝(zhi)晶破碎使組織更(geng)加均勻，從而(er)細化晶粒，起到(dao)增(zeng)加(jia)硬度和(he)耐磨性(xing)。

結語與展望(wang)
（1）激光工藝參數對鎳基合(he)金熔覆層的(de)影響基于合(he)金成分不同(tong)和復雜多變不可控(kong)量未有規范(fan)可循的參考(kao)，但可以從激(ji)光功率等參數對稀釋率(lu)、熔(rong)覆(fu)層幾何形狀等(deng)角度對工藝參數進行調節，對于具體的影(ying)響和作用仍(reng)需大量的研(yan)究和統計學(學)分析去標準化。

（2）微量元素、合金成分、稀土元素(su)對鎳基合金(jin)的影響具有(you)相輔相成的(de)作用，往往通(tong)過細化晶粒(li)、枝(zhi)晶(jing)偏析(xi)、固溶強化(hua)等單一或共同(tong)作用來提高熔(rong)覆層性能，不同之處在于(yu)稀土的加入(ru)往往不會產(產)生新相，而合(he)金元素加入可原位(wei)促進新的強化相和增強相來提高熔(rong)覆層耐磨性(xing)。添(tian)加(jia)相對于熔覆層的影響已相當成熟(shu)，仍需在(zai)提高鎳基合(he)金熔覆層耐(nai)高(gao)溫、高(gao)速摩擦、強腐蝕方面(mian)繼續深耕。

（3）自潤滑相的加(jia)入改變了鎳基合金(jin)熔覆層的磨(mo)損機理，在600 ℃以下往(wang)往表現(現)出優異的耐磨(mo)性，在600 ℃及(ji)以上溫度潤滑相(xiang)的氧化和耐(nai)磨釉層的分解需要(yao)進一步優化(hua)。

（4）輔助處理可(ke)對鎳基合金熔(rong)覆層組織的(de)細化和殘余(yu)應力、缺陷的消除具(ju)有至關重要(yao)的影響，但目(mu)前關于鎳基(ji)合金熔覆層的輔助處理(li)研究還比較(較)少，在定性、定量使用輔助處理熔覆(fu)層時仍需做(zuo)進一步研究(jiu)。

對鎳基合金(jin)熔覆層高溫耐磨的研究一(yi)直在深入，在工藝參數方面可以(yi)早日實現規范具體的參考標準，再通(tong)過具體的元(yuan)素強化、自潤滑相減磨、輔助處理的多方位優化(hua)，有望實現激(ji)光熔覆鎳基(ji)合金涂層優異的耐高溫磨損性能，進一(yi)步推廣其(qi)工(gong)業應用。