激光熔覆納米涂層及其在模具修復中的應用

王輝 馬麗秋 胡增榮

摘 要：激光熔覆技術是一種較為有效的表面改性及修復技術。簡述了激光熔覆納米涂層技術的工作原理及特點，并簡要介紹了其在模具修復領域的應用。指出激光熔覆適合對各類模具進行表面修復，并且通過熔覆制備適宜的納米涂層進而有效提高修復后模具的表面性能。簡單介紹了其存在的問題和今后研究的方向。

關鍵詞：激光熔覆；模具；修復

中圖分類號：TG1744 文獻標識碼：A

doi：10.14031/j.cnki.njwx.2018.10.006

基金項目：蘇州大學應用技術學院第二十批大學生課外學術科研基金項目（ KY2018130A）

作者簡介：王輝（1996-），男，江蘇揚州人，本科，研究方向：先進制造技術，296348722@qq.com。

激光熔覆技術，是一種較新的表面改性及修復技術。其是在激光束作用下，將合金粉末或混有增強相的混合粉末，在高能激光束輻照下加熱并熔化，當光束移開后自激冷卻并與基體材料形成冶金結合涂層，從而能有效改善基體表面耐磨、耐蝕、耐熱、抗氧化及電氣特性等的一種表面強化和修復方法。例如，對45#鋼進行鎳基納米Al2O3激光熔覆后，其硬度和耐磨性可以顯著提高。在Q235 鋼基體表面預置金屬陶瓷粉末，采用CO2激光進行熔覆，得到的與基體為冶金結合的金屬陶瓷熔覆層，熔覆層的硬度可以達到800 HV。

總的來說，激光熔覆是一種經濟效益很高的新技術。它能夠方便地在普通金屬材料表面制備高性能的涂層，并且對基體材料性能的影響非常微弱。高性能的涂層能夠有效改善某些零件的使用性能，另外激光熔覆技術也可以方便地應用到金屬材料的表面修復中。對金屬表面的磨損、劃痕、裂紋等缺陷可以采用激光熔覆的方法，在基體上“長肉”，補全磨損量、缺陷，覆蓋劃痕、彌合裂紋等，然后再進一步進行加工處理，即可得到滿足要求的最終制件。這些特點使其在材料表面改性和再制造行業有著廣泛應用。當前，很多國家都對激光熔覆技術的研究及應用非常重視。

按粉末提供的方式不同激光熔覆可分為兩大類：即預置粉末法和同軸送粉法。兩種方法各有特點，預置粉末法簡單方便，對激光頭要求不高，而同軸送粉法要求增加送粉器和同軸激光頭，設備較為復雜，但其易實現自動化控制，并且激光的利用率高，不容易產生內部氣孔，熔覆層內分布較為均勻。

總體來說激光熔覆具有如下特點：（1）急速冷卻（高達106 K/s），這樣快速凝固的過程中容易得到細晶組織甚至非晶態等。（2）熔覆層化學成分穩定，并與基體能夠形成冶金結合或界面擴散結合，結合緊密可靠。 （3）熱影響及熱變形小，當采用高功率密度快速熔覆時，變形可忽略不計。（4）對基體材料及粉末材料沒有特別要求，幾乎所有的基體材料和粉末都可以進行激光熔覆，做表面改性或修復。（5）通過連續熔覆，可以得到較厚的熔覆層，其單道送粉一次涂覆厚度在0.2～2.0 mm，可以與3D打印技術相結合，進行針對性熔覆，所以經濟性好。（6）激光頭和被熔覆工件幾乎沒有力的作用，通過光路調整，可以進行遠距離熔覆。 （7）易于實現自動化，比如與機械手臂相結合等。

對傳統的激光表面熔覆涂層進行改進，比如可以通過添加納米粒子或使用輔助工藝進行超高速冷卻以實現納米復合涂層的制備。已有的研究表明，在高硬、高耐磨涂層中添加納米相，可進一步提高涂層的硬度和耐磨性能，并保持較高的韌性，可顯著地提高材料的耐高溫、抗氧化性，以得到更加優異的綜合性能。這對各類模具的表面修復和改性增強具有重要意義。

模具工作一段時間后表面會因磨損、腐蝕等原因造成失效，通常都是直接報廢，這必然造成巨大浪費。采用適當的方法進行模具修復對延長模具使用壽命有重要作用，模具修復技術種類較多，其中激光熔覆是應用比較廣泛、效果也比較好的一類新技術。當前激光熔覆，尤其是激光熔覆納米涂層技術在模具修復領域主要有如下應用：

（1）壓鑄模具修復。金屬壓力鑄造，尤其是輕合金的壓力鑄造在汽車、通訊等行業的產品上大量應用。壓力鑄造時熔融金屬在高壓、高速下充滿模具型腔進而壓鑄成型，這一過程中模具反復與熾熱金屬接觸，容易發生熱疲勞、磨損、腐蝕等問題。雖然現在大量采用了各種表面強化技術對模具表面進行處理，但由于其工藝過程的特點決定，每年有大量的壓鑄模具因表面磨損、熱裂紋和腐蝕等原因而不能再投入生產。這造成了巨大的浪費，對于這些模具就非常適合采用激光熔覆高性能納米涂層的方法進行修復，由于激光處理的快速熔凝特點和納米涂層的優越性，修復后的模具表面性能甚至可以優于新模具。比如某鋁合金壓鑄企業采用激光熔覆修復的壓鑄模具使用壽命提高了1.5倍。

（2）砂型鑄造模具修復。傳統砂型鑄造歷史悠久，但手工造型效率太低，對于如汽車零件等的大批量生產基本都使用金屬模具自動造型。金屬模具的磨損，也可以采用激光熔覆的方法進行修復。不過相對于其他模具，砂型鑄造模具精度要求和修復難度要小的多，所以實際生產中大多使用原子灰或樹脂進行快速修補，但長期使用效果顯然不如激光熔覆涂層。

（3）塑料模具修復。各種塑料模具，如注塑模、吹塑模等其表面也存在熱疲勞及磨損腐蝕等問題，相對來說塑料模具較為復雜，精度要求也較高，所以其模具成本也較高，對這類報廢模具的維修和強化就顯得更有經濟價值。

（4）鍛壓模具修復。鍛壓，不論是熱鍛還是冷鍛對模具要求都非常高。而且模具的工況也更惡劣，更容易出現各種問題，從而導致損壞報廢。對這類模具也可以采用激光熔覆技術進行模具表面裂紋、缺陷和磨損等問題的修復，同時熔覆高性能納米涂層對其表面進行強化。

（5）沖壓模具修復。在金屬材料冷沖壓過程中，模具在壓力機的作用下使金屬材料發生塑性變形或分離，大批量生產時模具的磨損是較為突出的問題。可以使用激光熔覆的方法修復磨損或出現缺陷的沖壓模具。比如錘鍛模沖頭在根部出現的熱裂紋及橋部塌陷使用激光熔覆工藝進行修復，沖裁模具的沖頭磨損也可以使用激光熔覆高性能納米涂層進行尺寸恢復及性能強化。如對用于沖裁4 mm厚Q235板材的Cr12沖裁模，其裂紋和刃口剝落采用激光熔覆修復就取得了良好的使用效果。

（6）其他應用。除了以上幾類模具修復上的應用外，激光熔覆還可以廣泛應用于其他模具或零件的修復上。比如冶金行業的軋輥，汽輪機葉片、閥門等。

當前激光熔覆技術快速發展，其在模具修復行業應用越來越廣泛，但其還存在一些共性問題需要解決，比如：熔覆裂紋的控制，熔覆材料的研發，熔覆工藝數據庫的開發等。

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