杜輝輝，趙運才

（江西理工大學機電工程學院，江西贛州341000）

1 引 言

機械零件的失效往往是先從表面開始的，其芯部材料仍滿足生產需求，表面失效導致巨大的經濟損失和資源浪費，甚至危及人民生命安全。在零件表面噴涂涂層可以有效的達到表面防護效果，常用的表面噴涂方法有冷噴涂、火焰噴涂、電弧噴涂、等離子噴涂、激光噴涂、爆炸噴涂等。但噴涂后涂層內部仍存在較多缺陷，如孔隙和微裂紋較多、基體-涂層和涂層內部結合強度不足、易發(fā)生剝落和開裂、涂層呈現(xiàn)波浪層狀堆疊，不能滿足實際生產需要，對涂層進行重熔處理后可明顯改善表面性能［1～5］。常用的重熔技術有鎢極氬弧重熔、感應重熔、激光重熔、電子束重熔等。由于激光具有相位和波長一致、方向性強等特點，且隨著大功率激光器的發(fā)展，激光處理表面技術也應運而生。相對于傳統(tǒng)滲碳、滲氮等熱處理技術，激光技術具有可選區(qū)加工、熱變形小，可處理形狀復雜的零件、對零件內部韌性影響小等特點。噴涂技術和激光技術的結合可以顯著改善涂層性能，激光重熔技術可以基本消除噴涂時產生的孔隙和裂紋等缺陷，增加晶界數(shù)量并獲得細晶組織，增強涂層內部和涂層—基體之間的結合強度，使普通材料獲得優(yōu)異的耐磨性，耐腐蝕性，抗熱沖擊性，高硬度，高疲勞強度等特點。圖1為激光重熔示意圖。

圖1 激光重熔示意圖Fig.1 Schematic diagram of laser remelting

本文綜述了激光重熔和多種噴涂技術的復合加工工藝，在此基礎上從激光重熔參數(shù)、應用和未來發(fā)展趨勢三方面對激光重熔噴涂涂層研究工作進行了分析。

2 激光重熔參數(shù)

圖2（a）為火焰噴涂后涂層-基體界面表面微觀形貌，涂層表面呈現(xiàn)層狀波浪堆疊，呈現(xiàn)機械結合，結合強度較差。這是因為在噴涂過程中，熔融和半熔融粒子與基體撞擊后扁平化，形狀不規(guī)則的粒子相互交錯堆積形成層狀結構；并且凹凸不平的基體表面和熔融粒子相互嵌合和堆疊，形成機械結合。圖2（b）為激光重熔涂層-基體界面顯微形貌?？梢钥闯鲋厝酆蟮耐繉泳鶆蛑旅埽尸F(xiàn)冶金結合。這是因為激光重熔使基體部分融化，在“對流傳質”作用下，元素相互擴散發(fā)生化學反應，形成牢固的冶金結合。

圖2 重熔前后涂層-界面顯微形貌圖Fig.2 Interface microstructure of coating-substrate before and after remelting

由于激光重熔“快熱快冷”的工藝特點，因此對于涂層材料，尤其是對塑性低、熱膨脹系數(shù)、彈性模量和導熱系數(shù)等與基體均相差較大的陶瓷材料來說，金屬基體與涂層材料浸潤性較差，導致涂層內部易出現(xiàn)微裂紋和孔洞。為防止涂層失效和保證質量，需對激光重熔參數(shù)進行優(yōu)化。在某種意義上說重熔層的組織結構和性能是由激光重熔工藝參數(shù)決定的，主要的工藝參數(shù)包括激光功率、掃描速度和光斑直徑，這些因素決定了涂層的質量和壽命。通過優(yōu)化激光重熔工藝，消除或降低噴涂涂層組織結構的缺陷和不足，可獲得優(yōu)質涂層。

2.1 激光功率和掃描速度

激光功率和移速是影響涂層質量的最主要因素，激光功率過低或移速過快導致輸入能量不足以融化基體，無法實現(xiàn)冶金結合達到重熔目的，激光功率過高或移速過慢又會產生過燒現(xiàn)象，基體對涂層稀釋度增大，降低了涂層強度。圖3（a）為400 W激光重熔Ni/WC噴涂涂層顯微形貌，可以看出激光重熔后并未消除原涂層波浪層狀堆疊結構，涂層內部仍然存在較多孔隙和裂紋，這是因為激光輸入能量功率過低未能完全融化原涂層，達不到激光重熔的效果。圖3（b）為600 W重熔層顯微形貌圖。圖中孔隙和微裂紋等缺陷基本消失，消除了層狀堆疊結構，形成連續(xù)致密的重熔層。

圖3 不同激光重熔功率涂層表面表面顯微形貌圖Fig.3 Surface micromorphology of different remelting power

Jagadeesh Sure等［6］研究了不同激光重熔功率密度（640 kW/cm2和 800 kW/cm2）對 Al2O3-40 wt%TiO2噴涂涂層組織結構和性能的影響，發(fā)現(xiàn)兩種激光重熔功率密度下熔化涂層均能降低涂層不均勻性，主晶相為 β-Al2TiO5，并形成網格狀裂縫。但重熔功率密度為640 kW/cm2時，激光熔化區(qū)域形成柱狀生長特性，而在800 kW/cm2時消除了重熔層柱狀生長特性，同時隨著激光功率密度增加，由于減少了涂層的微觀缺陷，涂層硬度顯著增加和表面粗糙度減小。張明［7］在H13鋼上采用火焰噴涂和激光重熔復合工藝制備金屬粉末涂層。當激光功率為3 kW，掃描速度為55 mm/s時，重熔層抗疲勞裂紋級別從11級降到2級，500℃磨損體積和氧化增重相對于為未重熔前涂層分別減少了91%和90%。

胡嵐［8］采用自動化噴涂系統(tǒng)在45#鋼表面制備涂層，再用6kWIPG光纖激光系統(tǒng)對噴涂涂層做重熔處理，分別使用SEM和光學顯微鏡觀察和測量重熔層顯微形貌和孔隙率。實驗結果表明：各參數(shù)對重熔效果影響主次順序為激光功率＞掃描速度＞搭接步距；且當參數(shù)選擇激光功率為1700 W，掃描速度10 mm/s，搭接步距2.1 mm時，重熔層的層狀結構消除，孔隙率和顯微硬度得到顯著改善。

2.2 搭接率和厚度

激光光斑能量呈現(xiàn)典型的高斯分布，即光束中心能量高于邊緣區(qū)域，因此在進行多道激光重熔實驗時，搭接率的大小將直接影響重熔層表面平整度。搭接率過小會使各融道之間產生凹坑，而搭接率過大會影響表面粗糙度。兩融道之間搭接率可由式（1），式（2）計算：

其中，w為熔覆寬度；h為熔覆高度；c為兩融道之間中心距；ηc為搭接率。

賈衛(wèi)平等人［9］采用電沉積復合鍍層技術在NiCr20TiAl基體上制備鎳基納米 TiN涂層，利用YAG型脈沖激光器對噴涂涂層進行激光重熔處理。重熔時搭接率分別取0.2、0.3、0.4，結果表明：當搭接率為0.3時重熔層表面較為平整，過高或過低的搭接率不利于重熔層表面性能的提高。同時，朱剛賢等人［10］探討了激光熔覆工藝參數(shù)對涂層表面平整程度的影響。分析計算了熔覆層平寬比（p=s/w）和平高比（p=s/h），指出恰當?shù)倪x擇激光工藝參數(shù)，可以有效的控制熔覆層的寬度和高度，進而選擇最佳的搭接率，使重熔層獲得良好的表面平整度。

涂層厚度是涂層制備時的重要參數(shù)，既要達到保護基體的效果，同時保證涂層不會失效?？鲁热耍?1］運用ANSYS有限元法模擬不同涂層厚度對涂層熱力學的影響。研究發(fā)現(xiàn)：當制備的涂層厚度太薄時雖然熱應力和膨脹系數(shù)較小，但是對涂層工藝要求很高；當涂層制備較厚時，受熱應力和膨脹系數(shù)的影響，零件之間配合將會產生問題；并得出對于哈氏合金最佳厚度介于0.05～0.12 mm。同時，也有學者［12-13］探究了內部殘余應力受涂層厚度的影響。實驗結果表明：涂層表面殘余應力隨著涂層厚度的增加，由于應力累積效應，涂層內部殘余應力呈上升趨勢，并在達到一定厚度時，涂層萌發(fā)分層和開裂現(xiàn)象。

2.3 負離焦量和脈寬

負離焦量是調節(jié)激光了能量的主要方式，適當?shù)碾x焦量可以保證重熔層—基體呈現(xiàn)牢固冶金結合的同時保證表面有良好的平整度。而脈寬是單脈沖激光作用時間，選擇合適的脈寬參數(shù)可以有效的消除涂層內部裂紋和孔隙，使重熔層更加均勻致密。寧智等人［14］采用電化學納米復合沉積工藝在45#鋼表面制備Ni-TiN復合涂層，再利用YAG脈沖激光器進行激光重熔處理。實驗發(fā)現(xiàn)：當脈沖寬度較低時，較短的激光作用時間將導致材料融化不充分；而當脈沖寬度較高時，涂層表面發(fā)生團聚，出現(xiàn)“包狀物”影響表面質量；當負離焦量為10 mm，脈寬為7 ms時，Ti元素在重熔層表面分布均勻，表面強化效果最佳。分析其原因為：在脈沖激光重熔涂層時，脈沖寬度越小，所獲重熔層晶粒越細小，起到細晶強化作用［15］。

2.4 納米材料

納米顆粒具有獨特的力學和表面性能，如小尺寸效應、量子效應和表面效應。納米材料的加入能夠細化晶粒尺寸，使晶界數(shù)量大幅增加，從而提升涂層塑性變形能力和力學性能。圖4為添加納米顆粒后重熔層表面微觀形貌，可以看出，納米粒子均勻的分布在涂層表面，起到“釘扎位錯”的作用，降低晶體開裂趨勢，提高涂層塑性變形能力，達到“硬質相+軟基體”相結合的理想強化效果。

圖4 添加納米顆粒后重熔表面微觀形貌Fig.4 Micro-morphology of remelted surface after adding nano-particles

張培磊［16］等人在CCS-B基體上采用激光熔覆和重熔制備了FeNiSiBNb非晶納米晶復合涂層。利用能譜電鏡、XRD、掃描電鏡和EDAX分別測試涂層顯微形貌和組織成分。實驗結果表明：經激光重熔后的涂層與基體呈現(xiàn)好的浸潤性，原涂層中的晶體相 Fe23B6，（Fe，Ni）3B2和 Ni4B3在重熔層中消失，說明重熔過程抑制了大部分晶體相的形成，獲得非晶納米晶復合涂層。同時，摩擦磨損實驗表明：表面較高的非晶含量使得涂層硬度最高可達1369 HV，平均硬度達1200 HV，涂層平均摩擦系數(shù)為0.275，磨損形式主要表現(xiàn)為磨粒磨損和黏著磨損。

Yaqiong Ge等［17］采用超音速等離子噴涂系統(tǒng)在AZ31B鎂合金表面噴涂了Al-Si+1wt%nano-Si3N4涂層，并采用連續(xù)波CO2激光器重熔涂層。結果表明：激光重熔涂層與基體間具有優(yōu)異的冶金結合，細化了涂層的樹枝狀結構。涂層中的納米氮化硅完全分解，重熔層主要由 Al，AlN，Al9Si，Al3.21Si0.47和Mg2Si相組成。此外，摩擦磨損實驗表明重熔層顯微硬度提高到200～514 HV0.05。

激光重熔工藝參數(shù)的優(yōu)化選擇可以有效減少重熔層的微觀缺陷，提高重熔層致密度。因此，可通過對激光重熔工藝參數(shù)的控制，增加有益相并控制有害相的出現(xiàn)，消除原涂層內部波浪層狀結構和微裂紋等缺陷，提高重熔層致密度和結合強度，從而達到表面改性的作用。

3 激光重熔噴涂涂層仿真研究

由于激光重熔是“急熱驟冷”的冶金過程，并且在此過程中存在相變、傳質、傳熱、對流和擴散的復雜的物理化學反應，因此很難在實驗過程中對工藝參數(shù)進行精確測量。隨著有限元軟件的開發(fā)和完善，利用仿真軟件對重熔過程進行模擬得到了廣泛應用。

黃連杰等人［18］采用非線性熱彈性塑性有限元模型模擬等離子噴涂ZrO2-8%Y2O3激光重熔層的應力場，制備并檢測雙層熱障涂層與模擬結果做對比。結果發(fā)現(xiàn)：由于仿真過程中對模型進行了簡化，如未考慮到熔池的流動性而作出與實際不相符的假設，導致實測結果比仿真值偏大，但是最終結果和仿真結果仍能較好的吻合，說明仿真模擬能夠建立等離子噴涂ZrO2-8%Y2O3激光重熔模型。馮浩源等人［19］在單道重熔模型基礎上增加表面效應單元SURF152，模擬了多道激光搭接重熔 ZrO2-8%Y2O3涂層的溫度場。結果表明多道搭接重熔涂層時，前一道次會對后一道次有預熱影響。過大的搭接率會影響熔池的均勻性，增大熔深差距；過小的搭接率會導致兩道次之間涂層未熔，無法形成均勻致密的重熔層。李軍等人［20］利用ABAQUS軟件建立連鑄機拉矯輥輥面溫度場有限元模型，分析往復循環(huán)熱應力對拉矯輥輥面的影響，并制備厚度為300μm的雙層ZrO2陶瓷涂層。發(fā)現(xiàn)仿真結果和實驗結果基本吻合，ZrO2能夠降低涂層熱應力，增加熱循環(huán)次數(shù)，提高涂層壽命。

激光重熔伴隨著復雜的物理化學反應，現(xiàn)有的數(shù)值模擬常常把重熔模型簡化，如不考慮重熔過程中材料相變潛熱的影響、不考慮熱源的不均勻性、不考慮材料性質隨溫度的變化，導致模擬結果和最終測試結果有出入。充分考慮實際影響因素，建立可靠的有限元模型，能夠有效減少仿真值和實際值的誤差，使仿真結果與實際情況基本吻合，進而起到理論指導作用。

4 應 用

4.1 耐磨性和耐蝕性

零件表面磨損和腐蝕是導致零件失效的最主要形式，經激光重熔后得到均勻致密的重熔層，基本消除了涂層內部的孔隙和裂紋，晶粒尺寸得到細化，晶界數(shù)量大幅增加，提高了重熔層硬度和塑性變形能力，有效的防止零件被磨損和侵蝕。根據(jù)Cloaco R理論，磨損體積計算如式（3）所示：

式中，Q′為磨損體積；K′為比例系數(shù)；d為硬質顆粒直徑；H0為材料硬度；X為硬質相體積分數(shù)；λ′為硬質相脫落概率；FN為外部載荷；ψ為磨粒角度；β為常數(shù)。

由上式可知涂層耐磨性主要受硬質相顆粒直徑、硬質相體積分數(shù)和脫落概率、外部載荷的影響。經激光重熔后涂層內部晶粒細化，硬質相顆粒尺寸減小同時數(shù)量增加，涂層塑性變形能力得到提升，降低了硬質相脫落的幾率。因此在相同載荷下，激光重熔涂層磨損體積顯著減少。

王超等人［21］利用爆炸噴涂技術在馬氏體表面制備100μm厚Cr3C2-NiCr涂層，隨后進行激光重熔處理。進行摩擦磨損試驗后發(fā)現(xiàn)：基體、原始Cr3C2-NiCr和激光重熔后的重熔層磨損失重分別為 -288.9 mg， -7.9 mg， +0.4 mg，同時經激光重熔后的涂層表面銹蝕點較原始涂層減少。分析認為：重熔后的涂層硬度大于對磨件硬度，因此在無潤滑介質的干滑動摩擦中，對磨件表面材料剝落粘附于重熔層表面導致質量增加，并且重熔后的涂層致密度提高，有利于耐腐蝕性能的改善。

陳正涵等人［22-23］采用冷噴涂技術在鎳鋁青銅上制備Cu402F涂層，研究激光重熔對鎳鋁青銅合金涂層組織性能的影響。重熔涂層自腐蝕電位Ecoor相對于基體和冷噴涂涂層分別提高了9.2%和18.2%；重熔層摩擦系數(shù)降低到0.141，磨損失重較基體減少了約46%。分析其原因為在磨蝕過程中摩擦和腐蝕的協(xié)同作用，導致磨損和腐蝕成正相關。A.Rico［24］等通過火焰噴涂在基體AISI1045碳素鋼上制備了ZrO2（CaO）復合陶瓷涂層。在激光重熔處理后，基體表面形成連續(xù)致密的陶瓷涂層。由于噴涂涂層和激光重熔層都是由具有部分四方相的立方體ZrO2組成，涂層經過激光重熔后晶粒尺寸減小，微觀組織結構致密、均勻，因此磨損性行為得到明顯改善。

4.2 耐沖蝕性

水利機械中，葉片經常受到泥沙的沖蝕作用導致表面磨損嚴重。激光重熔可以細化晶粒，基本消除涂層內部孔隙和裂紋等缺陷，提高涂層塑性變形能力，達到“軟基體+硬質相”相結合的理想重熔狀態(tài)，從而提高涂層耐沖蝕性，提高零件使用壽命。楊可等人［25］使用YAG高能脈沖激光器對復合涂層進行重熔后，以26～40目不規(guī)則多角形石英砂以60°沖蝕角度處理2 min。研究結果表明：激光重熔使涂層中亞穩(wěn)相 γ-Al2O3向穩(wěn)定相 α-Al2O3轉變［26］，形成了α-Al2O3+TiAl2O5穩(wěn)定結構，消除了等離子噴涂涂層內部的層狀結構和孔隙等缺陷。此外，激光重熔后涂層內部形成穩(wěn)定的相結構，平均硬度由564.3提升至989.4 HV0.2；涂層內部晶粒細化，晶間距減小，形成緊密排列的柱狀晶結構；因此涂層耐沖蝕性能得到極大提升。

4.3 抗熱沖擊性

熱障涂層是沉積在耐高溫基體表面的陶瓷涂層，起到提高基體工作溫度和高溫抗腐蝕力、減少能耗、延長熱端使用壽命等作用。被廣泛應用在航空航天、噴嘴、汽輪機、燃燒室和葉片等場合。激光重熔可以顯著提高熱障涂層的結合強度，消除涂層內部缺陷，改善涂層質量。

張軍營等人［27］在4Cr5MoSiV1涂層表面制備0.2 mm熱障涂層，再用5 kW橫流CO2激光器做重熔處理。激光重熔可以降低由熱膨脹系數(shù)不一致引起的失配應力，封閉原涂層內部的孔隙和裂紋，重熔層表面開始出現(xiàn)裂紋和最終失效的熱循環(huán)次數(shù)分別由14和32次提高到43和94次，熱循環(huán)次數(shù)提升了3倍。分析認為：激光重熔后熔融層為柱狀晶組織，而晶間間隔為熱膨脹提供了空間，有效的降低了熱膨脹時的體積效應；同時激光重熔“快速加熱快速冷卻”的工藝特點使涂層表面出現(xiàn)網狀裂紋，從而提高了涂層應變容限，抑制了層間裂紋的擴展，進而提高涂層抗熱沖擊性能。

5 結 語

激光重熔技術消除了噴涂涂層內部層狀結構，細化了晶粒和增加晶界數(shù)量，提高涂層塑性變形能力，抑制了涂層中孔隙和微裂紋的產生和發(fā)展，大幅提高涂層耐磨性、耐腐蝕性、耐沖蝕性和抗熱沖擊性，使普通金屬材料獲得優(yōu)良的力學性能。由激光重熔對涂層表面改性顯著影響，相信其應用范圍將會越來越廣泛。通過現(xiàn)有激光重熔技術的分析和總結，對以后研究重點有以下幾點展望：

（1）在激光重熔技術快速凝固和復合涂層精細結構方面從理論上對做出深入的研究，揭示激光重熔過程本質。

（2）從工藝上對涂層的構成和質量進行控制與改進，以減少重熔后的熱應力和組織應力，改善涂層的摩擦學性能。根據(jù)現(xiàn)有的解決方案及作者見解，可以從兩個方面開展相關研究工作。①建立起重熔工藝—微觀組織結構—摩擦學性能的系統(tǒng)體系，探尋其內在的關聯(lián)性，實現(xiàn)對激光重熔工藝參數(shù)的優(yōu)化選擇，從而制備耐磨性能優(yōu)良的激光重熔涂層。②改善涂層材料和涂層結構，對涂層微結構進行調控，如添加納米顆粒提高涂層表面性能，有效緩解涂層裂紋的產生和擴展。

（3）運用有限元仿真模擬技術模擬重熔過程中實際溫度場和應力場，建立仿真模型。

（4）研究新工藝、新技術，實現(xiàn)工藝過程簡單、低耗、綠色、節(jié)約、高效。