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，同時實現(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），從而達到表面改性或修復(fù)的目的，既滿足了對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。 

         國內(nèi)外已有大量文獻報道了激光熔覆的研究，如激光工藝參數(shù)、送粉方式、合金粉末選擇等對涂層組織、涂層與基材的結(jié)合狀態(tài)的影響。眾所周知，燃氣輪機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。在激光處理過程中，如果不采用特殊的工藝控制對基材的熱輸入量，在涂層表面和涂層與基材的過渡區(qū)，極易產(chǎn)生裂紋。因此，如何選用合理的工藝配置，降低激光處理過程中對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)在燃汽輪機制造業(yè)和維修業(yè)獲得實際應(yīng)用的關(guān)鍵因素。國內(nèi)外學(xué)者對于裂紋的形成機理和裂紋的預(yù)防工作做了一些研究工作。本文通過綜合運用優(yōu)化工藝參數(shù)、預(yù)置過渡層及增加少量稀土元素的辦法來預(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道。 

        基材選用GH33高溫合金，其化學(xué)成分（質(zhì)量分數(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CO2激光器，自動送粉。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掃描電子顯微鏡進行組織結(jié)構(gòu)分析，用HX-1型顯微硬度計對熔覆層硬度進行分析。

表１ Fe基合金粉末化學(xué)成分（wt%） 

        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，且無任何缺陷，形成緊密的冶金結(jié)合。在激光熔覆過程中很容易產(chǎn)生裂紋等內(nèi)部缺陷，如圖２所示，嚴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×

       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程，交界面處基材的固態(tài)相變等都會發(fā)生體積變化，均會產(chǎn)生組織應(yīng)力。當這兩部分應(yīng)力綜合作用結(jié)果表現(xiàn)為拉應(yīng)力狀態(tài)時，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)以改善熔體的流動性來凈化熔覆材料。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。本實驗中選用純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 有過渡層的熔覆顯微組織

        在實驗中，我們在熔覆材料內(nèi)加了2%wt左右的Y2O3的稀土氧化物，實驗表明，它有效促進了涂層材料中Si、B等元素的脫氧造渣反應(yīng)。同時，稀土元素可減小殘渣與熔體的表面張力，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，有效地細化涂層晶粒。如圖４、５所示，提高熔覆層的強韌性。這是因為：第一，稀土氧化物Y2O3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，使晶粒進一步細化，尤其使二次枝晶臂間距減小。第二，稀土元素釔與鐵、鎳元素可相互降低活度，增加溶解度，有利于合金化。

 
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×

        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為沒有Ni基合金中間過渡層的硬度分布，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渡層，使得硬度值分布呈緩慢過渡，而且，純Ni基合金過渡層塑性好，耐沖擊性能強，有利于預(yù)防和減少裂紋的產(chǎn)生和擴展。#p#分頁標題#e#

 
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

       分析表明，激光熔覆層的主要問題是容易在界面處發(fā)生開裂。通過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。