超音速激光沉积技术

封面文章|姚建华,吴丽娟,李波,张群莉. 超音速激光沉积技术:研究现状及发展趋势[J]. 中国激光, 2019, 46(3): 0300001

激光复合制造技术是近年来先进制造技术的典型代表之一,通过将激光技术与外部能场或其他工艺进行复合和有效调控,使其优点大于各工艺优点的简单叠加,即达到1+1>2的效应,从而实现更高效率、更好质量、更优性能的产品制造,具有广阔的应用前景。

超音速激光沉积技术(Supersonic Laser Deposition,SLD)是新近发展起来的一种新型激光复合制造技术,在表面改性领域引起了国内外学者的广泛关注,通过将激光辐照与冷喷涂相结合,利用高能激光束的热能与高速颗粒撞击动能的协同作用,实现宽材料范围的沉积,并获得特殊的微观结构和性能。

基本原理

SLD技术的原理如图1所示。

在该技术中,高压气流(压缩空气或者N2)分为两路:一路通过送粉器携带喷涂颗粒进入混合腔,另一路通过气体加热器进行预热,然后在混合腔与携带喷涂颗粒的气流充分混合形成气固两相流。混合后的气固两相流进入拉瓦尔喷嘴加速,喷涂颗粒以超音速的速度撞击激光同步加热的基体表面形成沉积层。激光头与基体表面的法线成一定的角度,拉瓦尔喷嘴与基体表面垂直,激光束与喷涂粉末束会有部分重叠,因此激光不仅能对基体表面区域加热,还能对喷涂粉末进行预热,可以对二者起到软化的作用。喷涂区域的沉积温度可通过红外高温仪实时监控,并通过闭环反馈系统实时调节激光输出功率,可以保证沉积层制备过程中沉积温度的恒定。


1 超音速激光沉积技术原理图

特征

SLD技术与单一冷喷涂或者单一激光熔覆、热喷涂等技术相比,具有如下的技术特征:

1)SLD技术是基于冷喷涂技术发展起来的材料沉积方法,没有熔化凝固带来的冶金相变,可保持原始粉末的成分不变。同时,沉积效率大幅度提升,有望达到现有单一激光沉积制造的4~10倍。

2)由于沉积过程中仍然保持了冷喷涂低热量输入的沉积特性,材料沉积温度远低于激光熔覆、热喷涂等技术,因此可有效避免高热输入中存在的相变、变形、开裂等热致不良影响,尤其是在沉积一些热敏感材料时优势更为明显。同时,SLD过程中,由于激光的加热作用,使沉积粉末和基体材料得到有效软化,增加了粉末和基体材料的塑性变形能力,因此所制备的沉积层较单一冷喷涂沉积层更致密、结合强度更高,有望获得高性能沉积层。

3)SLD技术由于激光的引入,沉积粉末的临界沉积速度较单一冷喷涂大大降低,可以在较低的撞击速度下形成沉积层。因此,可用压缩空气或者N2替代价格昂贵的He气作为载气,有望大大降低制造成本。此外,临界沉积速度的降低,可以提高沉积粉末的沉积效率和利用率,从而降低材料成本。

4)SLD技术由于结合了冷喷涂与激光技术的优势,突破了一些传统沉积层技术在沉积材料范围方面的局限性,在沉积材料和基体材料的选择方面具有较大的灵活度,工艺适应性好,可满足宽领域范围的表面改性与再制造需求。

沉积材料范围

SLD技术由于结合了冷喷涂与激光技术的优势,可在不同的基材上制备单一材料沉积层或复合材料沉积层。表1是目前文献报道的利用SLD技术所制备沉积层的概况。

1 超音速激光沉积制备沉积层概况

其中浙江工业大学姚建华教授课题组利用SLD技术成功制备了无石墨化、无开裂、高金刚石含量的Diamond/Ni60复合沉积层,如图2所示,这是单一激光熔覆或者单一冷喷涂技术无法实现的。

金刚石在高温、氧化气氛中易发生石墨化相变和氧化烧蚀,Ni60在激光熔覆过程中具有较高的裂纹敏感性,因此,采用基于材料高温熔融过程的激光熔覆技术难以获得高质量的Diamond/Ni60复合沉积层。而冷喷涂技术是依赖材料塑性变形实现沉积的,难以制备高硬度、低塑性的材料沉积层。

由此可见,SLD技术可以突破一些传统沉积层技术在沉积材料范围方面的局限性,在沉积材料和基体材料的选择方面具有较大的灵活度,工艺适应性好,可满足宽领域范围的表面改性与再制造需求。


2 利用了SLD45钢上制备了无石墨化的Diamond/Ni60复合沉积层:a图为沉积层的横截面图,b 图为沉积层的微观组织图,涂层致密,金刚石颗粒形貌清晰

沉积层的性能  

沉积层致密性

SLD技术由于引入了激光对沉积粉末和基体进行加热,粉末得到有效的软化,在沉积过程中塑性变形更充分、粉末之间的结合更好,因此沉积层的致密性更优。

此外,SLD技术在制备致密的金属-陶瓷复合沉积层方面具有极大的优势,激光辐照能有效软化金属粘结相,脆硬的陶瓷颗粒高速撞击并嵌入粘结相中形成致密结合的复合沉积层。

Bray等人对比分析了SLD与超音速火焰喷涂(HVOF)制备的钛沉积层的孔隙率,结果显示HVOF钛沉积层的孔隙率高达5.4%,而SLD制备的钛沉积层的孔隙率仅为0.5%,如图3所示。


3 超音速激光沉积(a)与超音速火焰喷涂(b)钛沉积层的孔隙率

Olakanmi等人研究了不同激光功率对SLD制备 Al-12 wt.% Si沉积层孔隙率的影响,结果表明沉积层孔隙率随激光功率的增加先升高后降低,激光功率为2.5 kW时,孔隙率最低,仅为0.16%。

李波等人研究了不同激光辐照温度对SLD制备WC/SS316L复合沉积层致密性的影响,结果显示激光辐照温度的提高有利于改善复合沉积层的致密性。

结合性能

在单一的冷喷涂技术中,喷涂材料发生绝热剪切失稳并在压力作用下产生塑性流,导致颗粒间、颗粒与基体材料间的混合和机械咬合,沉积层/基体间呈现机械结合,结合强度并不高,当厚度到一定程度将导致剥落。

SLD技术在冷喷涂的基础上引入激光同步辐照。在激光加热和绝热升温两种温度作用下容易导致沉积层内部元素和界面处元素的扩散,形成冶金结合。SLD沉积层内部、沉积层/基体的结合机制为机械咬合和冶金结合共存,沉积层结合性能远优于冷喷涂沉积层的结合性能,因此可以实现任意厚度的有效沉积。

Koivuluoto等人利用SLD技术分别在Al6060和Fe52基体上制备Al沉积层,并用拉伸法对沉积层/基体界面结合强度进行了测试,结果显示Al/Al6060和Al/Fe52界面结合强度分别是冷喷涂的1.8倍和4倍。

姚建华等人对SLD制备的Ni60和Stellite-6沉积层/基体的界面结合进行了表征。研究结果显示,SLD沉积层的界面结合机制从冷喷涂的机械结合向冶金结合与机械结合共存的混合机制转变,从而提高了界面结合强度。图4是SLD制备的Ni60沉积层/基体界面结合特征,可以看出,界面处除了材料混合导致的机械结合以外,还出现了元素扩散层。


4 超音速激光沉积Ni60沉积层/基体界面结合

除了沉积层/基体界面结合以外,沉积层内部的结合强度也是非常重要的。

Jones等人利用三点弯曲试验测得SLD制备的W沉积层的内部结合强度高达724 MPa,与锻态金属W的拉伸强度相当。

李波等人研究了SLD制备的WC/Stellite-6复合沉积层中WC增强相与Stellite-6粘结相的界面结合情况,结果发现在增强相/粘结相界面结合处存在过渡层,出现了元素扩散现象,具有冶金结合的特征。

耐磨损性能

沉积层的耐磨性能与沉积层的硬度、附着力、柔韧性等物理性能密切相关。

SLD技术沉积过程中,喷涂颗粒与沉积区域连续高速撞击,使得两者产生剧烈塑性变形。在材料塑性变形过程中,晶粒发生滑移,位错密度不断增加,产生固定割阶和位错缠结等阻碍位错的进一步运动,沉积层产生加工硬化现象,使得沉积层的硬度增加。同时,SLD技术保持原始材料的成分和精细结构,确保了沉积层韧性。此外,由于激光加热,沉积层内的部分沉积颗粒之间发生元素互渗,增加了沉积层内部的结合强度。

因此,SLD制备的特征对沉积层的硬度、附着力、柔韧性等方面的贡献导致制备的沉积层的耐磨性能优于激光熔覆和冷喷涂沉积层。

Olakanmi等人研究了不同激光功率对SLD制备Al-12 wt.% Si沉积层显微硬度的影响,结果显示激光功率为2.5 kW时,沉积层具有均匀的显微硬度,这与沉积层中无孔隙和裂纹有关。

李波等人研究发现由于激光辐照软化的效应,SLD制备的Cu沉积层的显微硬度会随着激光功率的增大而减小。

耐腐蚀性能

SLD技术沉积过程中,在激光辐照软化以及高速冲击的夯实作用下,沉积层的孔隙率较低,沉积层表面组织较为致密,能有效的抵挡了腐蚀介质的渗入,为基体提供有效的耐蚀性保护。

另外,SLD是一个固态沉积过程,能避免基体对沉积层的稀释,保留原始喷涂材料的成分和相结构,继承喷涂材料优异的耐腐蚀性能。

Kulmala等人研究了SLD制备的Cu/Ni+Al2O3沉积层的耐腐蚀性能,结果显示由于激光辐照可以增加沉积层的致密性,因此SLD沉积层抵抗溶液渗入腐蚀的能力要高于CS沉积层。

Tlotleng等人研究了Ti+HAP复合沉积层的生物耐蚀性能,结果表明HAP的添加能显著提升纯Ti的腐蚀热力学性能。

技术应用推广的三大突破口

1. SLD技术是一种复合技术,涉及的工艺参数众多,若单纯依靠试验手段去优化工艺参数,将会费时费力。因此,非常有必要通过数值模拟与试验相结合的方法去探索各参数之间的相互影响规律,建立激光与超音速粒子动能的能量场之间的耦合机制,阐明激光与沉积颗粒的相互作用关系以及沉积机理,从而为工艺参数的优化和选择提供理论指导;

2. SLD技术系统涉及多个关键单元,绝非是简单的叠加,如何实现多能场之间的协同耦合,智能化控制将是难点,尤其要用该技术实现增材制造,如何有效实施路径规划与分层,研制专用工艺软件及成套装备迫在眉睫;

3. 由于SLD技术对粉体材料加速性能与塑性等有较高要求,需要进一步针对SLD技术对颗粒材料进行研究,研究满足SLD条件的材料设计方法,获得适用于该项技术的材料体系。

总结

SLD技术由于结合了冷喷涂和激光技术的优势,是一种非常有潜力的复合制造技术,不仅是一种新的表面改性与再制造技术,也有望成为一种新的增材制造(3D打印)技术,将大大突破增材制造的效率、材料范围和质量控制难题,是极具发展前景的增材制造与再制造技术之一。