摘 要：高溫合金激光熔覆鐵基合金過(guò)程中容易在涂層與基材的結(jié)合處形成缺陷和開裂。通過(guò)選擇合理的涂層合金配方及工藝參數(shù)，增設(shè)韌性良好的過(guò)渡層，并加入2wt%的稀土氧化物，獲得了無(wú)裂紋缺陷，顯微組織均勻，并具有硬度平緩過(guò)渡的優(yōu)質(zhì)熔覆層。 關(guān)鍵詞：激光熔覆；鎳基合金；裂紋；過(guò)渡層 0 前 言 激光熔覆是利用高能激光束將預(yù)置于或同步送入金屬材料表面的合金粉末熔化，并使基材微熔一薄層，同時(shí)實(shí)現(xiàn)涂層與基材的冶金結(jié)合，該涂層具有與原合金粉末同樣的優(yōu)異性能（如耐磨、耐蝕、抗氧化等），從而達(dá)到表面改性或修復(fù)的目的，既滿足了對(duì)材料表面特定性能的要求，又節(jié)約了大量的貴重元素，因此激光熔覆技術(shù)應(yīng)用前景十分廣闊。 國(guó)內(nèi)外已有大量文獻(xiàn)報(bào)道了激光熔覆的研究，如激光工藝參數(shù)、送粉方式、合金粉末選擇等對(duì)涂層組織、涂層與基材的結(jié)合狀態(tài)的影響［1～4］。眾所周知，燃?xì)廨啓C(jī)葉片是用高溫合金制造的，有的高溫合金中含有較高的Al、Ti含量和γ、γ′共晶組織，可焊性極差。在激光處理過(guò)程中，如果不采用特殊的工藝控制對(duì)基材的熱輸入量，在涂層表面和涂層與基材的過(guò)渡區(qū)，極易產(chǎn)生裂紋。因此，如何選用合理的工藝配置，降低激光處理過(guò)程中對(duì)基材的熱沖擊和熱輸入，避免涂層表面與內(nèi)部出現(xiàn)裂紋，成了激光熔覆技術(shù)在燃汽輪機(jī)制造業(yè)和維修業(yè)獲得實(shí)際應(yīng)用的關(guān)鍵因素。國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)于裂紋的形成機(jī)理和裂紋的預(yù)防工作做了一些研究工作［5～7］。本文通過(guò)綜合運(yùn)用優(yōu)化工藝參數(shù)、預(yù)置過(guò)渡層及增加少量稀土元素的辦法來(lái)預(yù)防裂紋，提高涂層質(zhì)量，獲得了較好的效果。迄今為止，這方面的研究工作還少有報(bào)道。 1 材料及試驗(yàn)方法 基材選用GH33高溫合金，其化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%）為：C 0.03-0.08、Cr 19.0-22.0、Al 0.60-1.00、Ti 2.40-2.80、余量為Ni。熔覆材料選擇鐵基合金（如表１）。采用5 kW橫流電激勵(lì)CO2激光器，自動(dòng)送粉。激光熔覆功率為3.2 kW，掃描速度為450 mm/min，光斑直徑為3 mm。 利用Olympus PMG-3型金相顯微鏡及日立S-450掃描電子顯微鏡進(jìn)行組織結(jié)構(gòu)分析，用HX-1型顯微硬度計(jì)對(duì)熔覆層硬度進(jìn)行分析。表１ Fe基合金粉末化學(xué)成分（wt%） 2 激光熔覆層金屬學(xué)特征 2.1 激光熔覆層組織觀察 如圖１所示，激光熔覆分為三部分，即熔覆層，熔覆層與基材結(jié)合區(qū)及基材三部分。熔覆層靠近基體為胞狀晶組織，中部為柱狀枝晶組織和等軸晶組織。熔覆層與基材的結(jié)合界面清晰，且無(wú)任何缺陷，形成緊密的冶金結(jié)合。在激光熔覆過(guò)程中很容易產(chǎn)生裂紋等內(nèi)部缺陷，如圖２所示，嚴(yán)重影響了熔覆層的質(zhì)量。 圖1 激光熔覆層顯微組織 圖2激光熔覆層裂紋200×2.2 激光熔覆層缺陷的防止 從帶有裂紋的激光熔覆試樣中，常發(fā)現(xiàn)熔覆層中裂紋多發(fā)源于熔覆層與基體交界處，見圖２。裂紋產(chǎn)生的原因很多，但主要還是與激光熔覆處理后材料內(nèi)部存在較大的殘余應(yīng)力有關(guān)。其來(lái)源可分為兩部分：熱應(yīng)力和相變應(yīng)力。如果基材與熔覆材料二者的熱物理參數(shù)（如膨脹系數(shù)、熱導(dǎo)率等）差別較大，在高能激光束的作用下，很容易導(dǎo)致熱應(yīng)力的產(chǎn)生。另一方面，熔覆層的熔化和凝固過(guò)程，交界面處基材的固態(tài)相變等都會(huì)發(fā)生體積變化，均會(huì)產(chǎn)生組織應(yīng)力。當(dāng)這兩部分應(yīng)力綜合作用結(jié)果表現(xiàn)為拉應(yīng)力狀態(tài)時(shí)，容易在氣孔、夾雜物尖端等處形成應(yīng)力集中，導(dǎo)致裂紋產(chǎn)生。 消除激光熔覆層氣孔和夾雜物的有效方法是調(diào)整激光工藝參數(shù)以改善熔體的流動(dòng)性來(lái)凈化熔覆材料。為改善熔覆層的應(yīng)力狀態(tài)和消除裂紋，可在基材與熔覆層之間設(shè)置一層韌性良好的中間過(guò)渡層，它能保證較硬的熔覆層與基材之間有良好的應(yīng)變協(xié)調(diào)能力。如圖３所示。本實(shí)驗(yàn)中選用純Ni基合金韌性較好，而且鎳與鐵可在界面處形成固溶體，提高結(jié)合質(zhì)量。此外，鎳、鐵的熱導(dǎo)率和熱膨脹系數(shù)相近，有利于降低溫度梯度引起的熱應(yīng)力。 圖3 有過(guò)渡層的熔覆顯微組織在實(shí)驗(yàn)中，我們?cè)谌鄹膊牧蟽?nèi)加了2%wt左右的Y2O3的稀土氧化物，實(shí)驗(yàn)表明，它有效促進(jìn)了涂層材料中Si、B等元素的脫氧造渣反應(yīng)。同時(shí)，稀土元素可減小殘?jiān)c熔體的表面張力，防止氧化。因此，少量稀土元素的應(yīng)用可減少涂層內(nèi)部的夾雜等缺陷，改善熔覆層的表面質(zhì)量。此外，稀土元素還有利于提高熔覆合金的結(jié)晶成核率，有效地細(xì)化涂層晶粒。如圖４、５所示，提高熔覆層的強(qiáng)韌性。這是因?yàn)椋旱谝唬⊥裂趸颵2O3在激光作用下發(fā)生分解，形成活性銥離子吸附在晶核表面，阻止晶核快速成長(zhǎng)，使晶粒進(jìn)一步細(xì)化，尤其使二 次枝晶臂間距減? ５詼⊥獵仡樸胩⒛乜上嗷ソ檔突疃齲黽尤芙舛齲欣諍轄鴰? 圖4 未加稀土涂層顯微組織400× 圖5 加稀土涂層顯微組織400×2.3 激光熔覆層的顯微硬度分析 圖６為預(yù)置涂層及添加稀土元素試樣顯微硬度壓痕的照片。圖７為顯微硬度分布曲線。由圖７可見，曲線A為沒(méi)有Ni基合金中間過(guò)渡層的硬度分布，熔覆層與基體間的硬度發(fā)生突變，這樣易在界面處產(chǎn)生裂紋。曲線B為有過(guò)渡層及少量稀土元素的硬度分布。在交界面處的硬度值介于最外層和基材之間的中間過(guò)渡層，使得硬度值分布呈緩慢過(guò)渡，而且，純Ni基合金過(guò)渡層塑性好，耐沖擊性能強(qiáng)，有利于預(yù)防和減少裂紋的產(chǎn)生和擴(kuò)展。 圖6 涂層及基材顯微硬度分布 400× 圖7 熔覆層的顯微硬度分布曲線４ 結(jié) 論 分析表明，激光熔覆層的主要問(wèn)題是容易在界面處發(fā)生開裂。通過(guò)選擇合理的工藝參數(shù)，在熔覆層和基材之間預(yù)置韌性較好的過(guò)渡層，加入少量稀土氧化物，有利于減少產(chǎn)生開裂的傾向和改善熔覆層的質(zhì)量。 參考文獻(xiàn)： ［1］ Murphy M,et al Studies in rapid protoyping by laser surface cladding［J］Surf Coat Technol,1991,49(1): 40-45. ［2］ Haude R,et al Development of laser cladding using paste bonded coatings［A］Johnson Proc ICALEO,orland［C］ FL,USA:Laser Institute of America,1993,288-300. ［3］ 楊永強(qiáng),等激光熔覆高溫合金及其應(yīng)用［J］中國(guó)激光,1995 (8):632. ［4］ 劉其斌,等高溫合金激光表面熔鑄涂層組織與性能的研究［J］金屬熱處理學(xué)報(bào), 1997,18(2):51. ［5］ 宋武林,等激光熔覆層結(jié)晶方向?qū)Ω矊恿鸭y方向和開裂敏感性的影響［J］中國(guó)激光, 1995(4):308. ［6］ 劉其斌,等稀土含量對(duì)激光表面熔鑄涂層開裂敏感性的影響［J］貴州工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào),1996,25(6):77. ［7］ 鄒鴻承,等 激光熔覆層的熱變形及熱力學(xué)分析［J］應(yīng)用激光, 1995(2):56. A method of improving laser cladding Fe-based alloy coating on high temperature alloy LIU Qi-bin1,ZHU Wei-dong1,CHEN Jiang2 (1.Guiyang University of Technology,Guiyang 550003,China; 2.Institute of Corrosion and protection of Metals,CAS,Shenyang 110015,China) Abstract：This paper introduces some methods of reducing the cracks and defects,which always appear in the laser cladding Fe-based alloy coating on high temperature alloy:1the selection of reasonable parameters;2application of a tough transition layer,3the addition of 2wt-% mixed rare earthThe experimental results indicate that the laser cladding coating has a uniform microscopic structure,it is free from crakcs,and its microhardness curve is smoother than that without the soft transition layer. Key words:laser cladding;Fe-based alloy;crack;transition layer