激光熔覆纳米涂层及其在模具修复中的应用

王辉 马丽秋 胡增荣

摘 要：激光熔覆技术是一种较为有效的表面改性及修复技术。简述了激光熔覆纳米涂层技术的工作原理及特点，并简要介绍了其在模具修复领域的应用。指出激光熔覆适合对各类模具进行表面修复，并且通过熔覆制备适宜的纳米涂层进而有效提高修复后模具的表面性能。简单介绍了其存在的问题和今后研究的方向。

关键词：激光熔覆；模具；修复

中图分类号：TG1744 文献标识码：A

doi：10.14031/j.cnki.njwx.2018.10.006

基金项目：苏州大学应用技术学院第二十批大学生课外学术科研基金项目（ KY2018130A）

作者简介：王辉（1996-），男，江苏扬州人，本科，研究方向：先进制造技术，296348722@qq.com。

激光熔覆技术，是一种较新的表面改性及修复技术。其是在激光束作用下，将合金粉末或混有增强相的混合粉末，在高能激光束辐照下加热并熔化，当光束移开后自激冷却并与基体材料形成冶金结合涂层，从而能有效改善基体表面耐磨、耐蚀、耐热、抗氧化及电气特性等的一种表面强化和修复方法。例如，对45#钢进行镍基纳米Al2O3激光熔覆后，其硬度和耐磨性可以显著提高。在Q235 钢基体表面预置金属陶瓷粉末，采用CO2激光进行熔覆，得到的与基体为冶金结合的金属陶瓷熔覆层，熔覆层的硬度可以达到800 HV。

总的来说，激光熔覆是一种经济效益很高的新技术。它能够方便地在普通金属材料表面制备高性能的涂层，并且对基体材料性能的影响非常微弱。高性能的涂层能够有效改善某些零件的使用性能，另外激光熔覆技术也可以方便地应用到金属材料的表面修复中。对金属表面的磨损、划痕、裂纹等缺陷可以采用激光熔覆的方法，在基体上“长肉”，补全磨损量、缺陷，覆盖划痕、弥合裂纹等，然后再进一步进行加工处理，即可得到满足要求的最终制件。这些特点使其在材料表面改性和再制造行业有着广泛应用。当前，很多国家都对激光熔覆技术的研究及应用非常重视。

按粉末提供的方式不同激光熔覆可分为两大类：即预置粉末法和同轴送粉法。两种方法各有特点，预置粉末法简单方便，对激光头要求不高，而同轴送粉法要求增加送粉器和同轴激光头，设备较为复杂，但其易实现自动化控制，并且激光的利用率高，不容易产生内部气孔，熔覆层内分布较为均匀。

总体来说激光熔覆具有如下特点：（1）急速冷却（高达106 K/s），这样快速凝固的过程中容易得到细晶组织甚至非晶态等。（2）熔覆层化学成分稳定，并与基体能够形成冶金结合或界面扩散结合，结合紧密可靠。 （3）热影响及热变形小，当采用高功率密度快速熔覆时，变形可忽略不计。（4）对基体材料及粉末材料没有特别要求，几乎所有的基体材料和粉末都可以进行激光熔覆，做表面改性或修复。（5）通过连续熔覆，可以得到较厚的熔覆层，其单道送粉一次涂覆厚度在0.2～2.0 mm，可以与3D打印技术相结合，进行针对性熔覆，所以经济性好。（6）激光头和被熔覆工件几乎没有力的作用，通过光路调整，可以进行远距离熔覆。 （7）易于实现自动化，比如与机械手臂相结合等。

對传统的激光表面熔覆涂层进行改进，比如可以通过添加纳米粒子或使用辅助工艺进行超高速冷却以实现纳米复合涂层的制备。已有的研究表明，在高硬、高耐磨涂层中添加纳米相，可进一步提高涂层的硬度和耐磨性能，并保持较高的韧性，可显著地提高材料的耐高温、抗氧化性，以得到更加优异的综合性能。这对各类模具的表面修复和改性增强具有重要意义。

模具工作一段时间后表面会因磨损、腐蚀等原因造成失效，通常都是直接报废，这必然造成巨大浪费。采用适当的方法进行模具修复对延长模具使用寿命有重要作用，模具修复技术种类较多，其中激光熔覆是应用比较广泛、效果也比较好的一类新技术。当前激光熔覆，尤其是激光熔覆纳米涂层技术在模具修复领域主要有如下应用：

（1）压铸模具修复。金属压力铸造，尤其是轻合金的压力铸造在汽车、通讯等行业的产品上大量应用。压力铸造时熔融金属在高压、高速下充满模具型腔进而压铸成型，这一过程中模具反复与炽热金属接触，容易发生热疲劳、磨损、腐蚀等问题。虽然现在大量采用了各种表面强化技术对模具表面进行处理，但由于其工艺过程的特点决定，每年有大量的压铸模具因表面磨损、热裂纹和腐蚀等原因而不能再投入生产。这造成了巨大的浪费，对于这些模具就非常适合采用激光熔覆高性能纳米涂层的方法进行修复，由于激光处理的快速熔凝特点和纳米涂层的优越性，修复后的模具表面性能甚至可以优于新模具。比如某铝合金压铸企业采用激光熔覆修复的压铸模具使用寿命提高了1.5倍。

（2）砂型铸造模具修复。传统砂型铸造历史悠久，但手工造型效率太低，对于如汽车零件等的大批量生产基本都使用金属模具自动造型。金属模具的磨损，也可以采用激光熔覆的方法进行修复。不过相对于其他模具，砂型铸造模具精度要求和修复难度要小的多，所以实际生产中大多使用原子灰或树脂进行快速修补，但长期使用效果显然不如激光熔覆涂层。

（3）塑料模具修复。各种塑料模具，如注塑模、吹塑模等其表面也存在热疲劳及磨损腐蚀等问题，相对来说塑料模具较为复杂，精度要求也较高，所以其模具成本也较高，对这类报废模具的维修和强化就显得更有经济价值。

（4）锻压模具修复。锻压，不论是热锻还是冷锻对模具要求都非常高。而且模具的工况也更恶劣，更容易出现各种问题，从而导致损坏报废。对这类模具也可以采用激光熔覆技术进行模具表面裂纹、缺陷和磨损等问题的修复，同时熔覆高性能纳米涂层对其表面进行强化。

（5）冲压模具修复。在金属材料冷冲压过程中，模具在压力机的作用下使金属材料发生塑性变形或分离，大批量生产时模具的磨损是较为突出的问题。可以使用激光熔覆的方法修复磨损或出现缺陷的冲压模具。比如锤锻模冲头在根部出现的热裂纹及桥部塌陷使用激光熔覆工艺进行修复，冲裁模具的冲头磨损也可以使用激光熔覆高性能纳米涂层进行尺寸恢复及性能强化。如对用于冲裁4 mm厚Q235板材的Cr12冲裁模，其裂纹和刃口剥落采用激光熔覆修复就取得了良好的使用效果。

（6）其他应用。除了以上几类模具修复上的应用外，激光熔覆还可以广泛应用于其他模具或零件的修复上。比如冶金行业的轧辊，汽轮机叶片、阀门等。

当前激光熔覆技术快速发展，其在模具修复行业应用越来越广泛，但其还存在一些共性问题需要解决，比如：熔覆裂纹的控制，熔覆材料的研发，熔覆工艺数据库的开发等。

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