分享：激光重熔改善等離子噴涂涂層性能的研究進展

0.   引言

等離子噴涂作為一種成熟的熱噴涂技術，具有生產效率高、射流溫度高、噴涂用材廣、涂層質量好等優(yōu)點，目前已經廣泛應用于耐磨、耐腐蝕、耐高溫氧化、絕緣、隔熱、防輻射、防菌等涂層的工業(yè)生產制備中[1-3]。等離子噴涂技術通過等離子焰流高溫熔化粉末，使熔融或半熔融態(tài)粒子高速沖擊基體表面并沉積形成層狀涂層。由于受熔融效果不良、氧化等因素影響，涂層不可避免地存在裂紋、孔隙等缺陷，進而影響到性能[4-5]。 

近年來，學者就如何消除/減少等離子噴涂涂層的缺陷，延長其使用壽命進行了大量探索研究[6-8]。目前主要的研究思路包括調整噴涂工藝參數(shù)[9]，使用小顆粒添加劑對缺陷進行填充[10]，對等離子噴涂涂層進行熱處理[11]或激光重熔處理[12]等。激光重熔采用高能量束使涂層快速熔化后凝固[13]，促進涂層重熔后再結晶，能夠有效細化晶粒、降低孔隙率、減少裂紋，使涂層與基體由機械結合向冶金結合轉變，并且重熔過程中還會形成新物相，進而改善涂層性能。作為一種成熟的改性手段，激光重熔被廣泛應用于各類金屬、陶瓷涂層的改性上[14-17]，激光重熔過程中涂層微觀結構及物化性能演變研究已成為國內外相關學科研究的熱點。 

為了給相關研究人員提供參考，作者總結了激光重熔改性等離子噴涂金屬、陶瓷和復合材料涂層的研究進展，探討了目前研究中存在的問題，并對未來研究方向進行展望。 

1.   激光重熔等離子噴涂金屬涂層

鉬、鎢、鈦等金屬因具有強度和硬度高等特點，在工業(yè)中常用作等離子噴涂原料，形成的涂層韌性高，耐熱強度和耐腐蝕性能突出[18-21]。但是，等離子噴涂金屬單質涂層中存在微裂紋及孔隙等缺陷，組織均勻性和致密性較差。通?？赏ㄟ^激光重熔后處理來有效減少涂層中的缺陷，從而改善涂層性能。MANJUNATHA等[22]研究發(fā)現(xiàn)：對等離子噴涂鉬涂層進行激光重熔處理后，涂層孔隙率由10.83%降至1.34%，顯微硬度由630 HV提高至750 HV，10~50 N載荷下的磨損體積損失降至重熔前的1/4~1/3，涂層與基體間由弱機械結合轉變?yōu)橐苯鸾Y合。王進[23]研究發(fā)現(xiàn)，等離子噴涂鋁涂層經1 000 W功率激光重熔后與鈍鈦基體形成冶金結合，涂層主要組成相為TiAl3，在高溫氧化過程中，該相可以提供足夠鋁元素與氧元素結合生成Al2O3氧化膜，從而顯著提高高溫下的抗氧化性能。 

相比等離子噴涂金屬單質涂層，等離子噴涂合金涂層除了會出現(xiàn)氣孔和裂紋等缺陷外，若原料為金屬單質混合粉末，還會出現(xiàn)因冷速過快導致的各組分無法完全反應形成合金相而影響涂層性能的問題。對等離子噴涂合金涂層進行激光重熔，可以使半熔融或未熔融的金屬單質相發(fā)生二次反應，生成新的合金相，從而提高涂層硬度、耐腐蝕性等性能。?LIWI?SKI等[24]研究發(fā)現(xiàn)，激光重熔后，等離子噴涂Cr-Ni-Re合金涂層的結構和化學成分趨于均勻，孔隙率由重熔前的5.6%降至0.2%。XU等[25]研究發(fā)現(xiàn)，對等離子噴涂NiAl合金涂層進行激光重熔可以消除涂層中的單質鎳和鋁，生成晶粒尺寸均勻的AlNi3相，涂層硬度達到（492.4±16.2） HV，是重熔前的3倍。LIAO等[26]研究發(fā)現(xiàn)，激光重熔能將鎳和銅純金屬相轉變?yōu)镹iCu合金相和CuO相，相比重熔前，重熔后涂層自腐蝕電位增大，自腐蝕電流密度降低，耐腐蝕性提升。除傳統(tǒng)合金外，激光重熔也被用于對新興的高熵合金（HEA）涂層進行處理。研究[27-29]發(fā)現(xiàn)，對等離子噴涂高熵合金涂層進行激光重熔，可以促進二次反應形成硬質相，起到強化作用。JIN等[27]對FeCoCrNiAl0.5Si2.0高熵合金涂層進行了激光重熔，發(fā)現(xiàn)涂層中形成了Cr3Si硬質相，且面心立方相向硬度更高的體心立方相轉變，晶粒細化，顯微硬度由未重熔的500 HV提高至1 100 HV。JIN等[29]進一步對AlCoCrFeNi（TiN）高熵合金涂層進行激光重熔，發(fā)現(xiàn)涂層中形成了新物相（Al2O3+TiN），涂層晶粒得到細化，顯微硬度最高達到851 HV，幾乎達到重熔前的兩倍。 

目前，關于激光重熔改善等離子噴涂金屬涂層硬度及耐磨性等的研究已取得一定成果。但是，金屬涂層面臨的服役環(huán)境越來越嚴苛，對于耐高溫、耐腐蝕、耐磨蝕、耐氧化、抗菌等性能的要求也越來越高，采用激光重熔改性金屬材料涂層，能夠順應未來發(fā)展方向，擴大激光重熔和等離子噴涂相結合的應用范圍。 

2.   激光重熔等離子噴涂陶瓷涂層

等離子噴涂陶瓷涂層具有高熔點、高硬度、高耐磨性、高耐氧化性等優(yōu)點[30]。但是，陶瓷硬質相顆粒和內應力的存在會引起等離子噴涂陶瓷涂層微裂紋的萌生和擴展，導致涂層過早失效。激光重熔能夠精確控制能量輸入，其較高的凝固速率有利于形成細枝晶微觀結構，促進晶粒重新均勻分布，從而改善等離子噴涂陶瓷涂層的性能[31-32]。 

2.1   硬度

激光重熔可以促進元素在基體與涂層間擴散，使基體和涂層形成冶金結合，未熔化顆粒和層狀結構轉變?yōu)闃渲罹w，消除涂層微觀結構的不均勻性[33]。崔靜等[34]研究發(fā)現(xiàn)，對等離子噴涂氧化釔穩(wěn)定氧化鋯涂層進行激光重熔后，涂層基體組織自上而下依次由條狀晶、針狀晶變?yōu)榧毿〉尼槧罹?、珠光體，顯微硬度高達2 111 HV，約為重熔前的3倍。YANG等[35]研究發(fā)現(xiàn)，激光重熔在消除等離子噴涂Al2O3-40%TiO2（質量分數(shù)，下同）涂層中層狀缺陷的同時，將亞穩(wěn)相γ-Al2O3轉變?yōu)榉€(wěn)定相α-Al2O3，顯微硬度由460~630 HV提高至980~1 000 HV，分布也更加均勻。DAS等[36]研究發(fā)現(xiàn)，由于激光重熔后涂層中的層狀結構消失，其表面粗糙度由6~8 µm降至1~2 µm，孔隙率相比重熔前降低了90%以上，顯微硬度提高了28%。此外，激光能量密度、冷卻速率等激光重熔工藝參數(shù)對涂層改性效果存在較大影響。YU等[37]研究發(fā)現(xiàn)，隨著激光能量密度增加，激光重熔等離子噴涂Al2O3-20%ZrO2涂層的顯微硬度提高。 

2.2   摩擦學性能

等離子噴涂陶瓷涂層具有優(yōu)異的耐磨性能，常用于機械零部件表面防護[38]。陶瓷材料的摩擦學性能在很大程度上取決于物相組成、晶粒尺寸、氣孔數(shù)量、微裂紋等組織特征。激光重熔可以消除陶瓷材料中的疏松結構、氣孔等缺陷，從而改善等離子噴涂陶瓷涂層的摩擦學性能。DAS等[39]研究了激光重熔等離子噴涂Al2O3和Cr2O3涂層的抗劃傷性能和失效機制，結果表明：激光重熔使涂層中的層狀組織轉變?yōu)橹鶢罱M織，使涂層結構更加致密；相比重熔前，激光重熔后Al2O3和Cr2O3涂層的體積磨損率分別降低80%，76%，主要失效機制是塑性變形、拉伸開裂和層裂。ZHOU等[33]研究發(fā)現(xiàn)，等離子噴涂Al2O3–13%TiO2涂層經激光重熔后，在磨損過程中質量損失變化很小，且僅為重熔前的1/2~1/3。HAZRA等[40]研究發(fā)現(xiàn)，激光重熔顯著降低了等離子噴涂鋯剛玉（Al2O3–ZrO2）涂層的摩擦因數(shù)。 

2.3   抗熱震性

等離子噴涂熱障涂層（TBCs）是一種陶瓷涂層，沉積在耐高溫金屬或超合金等材料表面，起到隔熱作用，廣泛用于發(fā)動機渦輪葉片等熱端部件。TBCs中孔隙和微裂紋的存在，會導致其在熱循環(huán)過程中生成熱生長氧化物（TGO），損壞其抗熱震性，引發(fā)部件失效[41]。激光重熔可以減少TBCs中的未熔融顆粒、氣孔、微裂紋等缺陷，增加致密性，阻礙氧原子進入，從而提高抗熱震性能。FENG等[42]對激光重熔等離子噴涂ZrO2-Y2O3（YSZ）和La2Zr2O7熱障涂層進行1 100 ℃高溫氧化試驗，結果表明，氧原子難以通過外部致密的重熔涂層進入內部黏結涂層，相比重熔前，涂層中TGO含量增速慢且厚度較薄，有效降低了氧化質量增加，提高了涂層的耐高溫氧化性。FENG等[41]還研究了影響YSZ熱障涂層抗熱震性的因素，發(fā)現(xiàn)影響因素主要包括TGO相變應力、生長應力及其與黏結涂層之間的熱失配應力，激光重熔可以降低TGO生長應力及其與黏結涂層之間的熱失配應力，從而降低YSZ熱障涂層的層裂傾向，進而提高抗熱震性。DAS等[43]通過拉曼光譜法表征了激光重熔等離子噴涂YSZ熱障涂層的殘余應力演變，結果表明，激光重熔后涂層具有較低的殘余拉伸應力（0.2~0.9 GPa），其硬度、斷裂韌度和彈性模量分別提高了33%，42%，47%，這些性能的改善都有利于熱障涂層抗熱震性的提高。 

內應力是影響等離子噴涂熱障涂層抗熱震性的主要因素，激光重熔能夠釋放內應力，從而有效提高涂層的工作壽命。后期可嘗試在激光重熔過程中加入稀土元素，優(yōu)化等離子噴涂熱障涂層的物相結構，從而進一步改善抗熱震性能。 

2.4   其他性能

激光重熔除了顯著改善等離子噴涂陶瓷涂層的硬度、耐磨性和抗熱震性外，還會對涂層的導熱性和耐腐蝕性等其他關鍵性能產生積極影響[44-47]。XU等[48]研究了激光重熔等離子噴涂納米Al2O3-13%TiO2涂層中晶粒的生長特性，發(fā)現(xiàn)納米顆粒生長對溫度非常敏感，重熔層上部的納米顆粒長大為亞微米顆粒，而重熔層下部的顆粒仍保持其納米級尺寸，在較優(yōu)的工藝參數(shù)下，激光重熔可獲得具有細小等軸晶的重熔層。CUBERO等[49]研究發(fā)現(xiàn)，激光重熔等離子噴涂Al2O3涂層由上部的致密重結晶氧化鋁層和靠近銅基體的多孔層組成，與重熔前相比，重熔后涂層的熱性能在40~70 K范圍內得到顯著改善，其傳熱系數(shù)高達9 500~15 500 W·m−2·K−1。虞禮嘉等[50]研究發(fā)現(xiàn)，在950 ℃下75%Na2SO4+25%NaCl混合熔鹽中，激光重熔后等離子噴涂熱障涂層的耐熱腐蝕時間（100 h）遠長于重熔前（50 h）。 

3.   激光重熔等離子噴涂復合材料涂層

復合材料可以同時發(fā)揮基體相與增強相材料的優(yōu)點，克服單一材料的缺陷，擴大使用范圍，被廣泛應用于航空航天、汽車、電子電氣、建筑等領域[51-52]。對等離子噴涂復合材料涂層進行激光重熔，可以消除涂層孔隙率高、質地不均勻、與基體結合力弱等缺陷，充分發(fā)揮復合材料優(yōu)勢[53-54]。 

趙運才等[55]研究發(fā)現(xiàn)：激光重熔消除了等離子噴涂WC/Fe復合涂層中的層狀結構和孔隙等缺陷，重熔層頂部組織為等軸晶和細小枝晶，底部組織為胞狀晶，涂層與基體結合區(qū)組織為粗大的樹枝晶，二者形成了冶金結合；激光重熔層中形成了M23C6和Ni6BSi2等硬質相，涂層平均顯微硬度高達1 500 HV，約為重熔前的2倍，室溫體積磨損率（8.5×10−5 mm3·N−1·m−1）約為重熔前（25.13×10−5 mm3·N−1·m−1）的1/3。何文等[56]研究發(fā)現(xiàn)，等離子噴涂WC/Ni涂層經激光重熔后，WC再次發(fā)生分解，生成W2C等新的硬質相，與周圍的鎳形成“軟基相+硬質點”組合，孔隙率由重熔前的7.02%降至3.08%，涂層的耐磨性和顯微硬度顯著提高。 

激光重熔參數(shù)的選擇對改善等離子噴涂復合材料涂層性能有著重要影響。上官緒超等[57]研究了激光功率對重熔等離子噴涂WC/Fe復合涂層組織及摩擦學性能的影響，發(fā)現(xiàn)：當激光功率為800 W時，涂層中各元素分布均勻，且原位生成的M7C3和FeSi等新物相彌散分布于奧氏體晶間，涂層組織最致密；600，800，1 000 W功率下激光重熔后涂層的平均摩擦因數(shù)分別為0.22，0.11，0.43，均明顯低于重熔前（0.81），激光重熔提高了涂層的耐磨性，且800 W功率下改性效果最好。趙運才等[58]研究了掃描速度對激光重熔等離子噴涂金屬陶瓷復合涂層組織與性能的影響，發(fā)現(xiàn)：當掃描速度過低時，加熱時間較長，能量吸收及熔池深度較大，稀釋率較高；當掃描速度過高時，材料內部熱量不足，導致未熔顆粒殘留并產生氣孔，孔洞和裂紋等缺陷較多；當掃描速度為750 mm·min−1時涂層組織最佳。趙運才等[59]還進一步研究了重熔軌跡對激光重熔等離子噴涂鐵基Ni/WC涂層組織和性能的影響，結果表明，圓形激光重熔軌跡下涂層的孔隙率較小，顯微硬度和磨損質量損失分別為打點激光重熔軌跡涂層的1.4倍和33.7%。 

綜上所述，激光重熔除了對等離子噴涂復合材料涂層起到晶粒細化作用外，還能夠促使涂層與基體間形成均勻分布的新物相，從而改善復合材料涂層的性能。激光參數(shù)的優(yōu)化可以使激光重熔效果得到顯著提升。 

4.   結束語

等離子噴涂技術以其高效、靈活和廣泛的應用性，在工業(yè)涂層制備領域占據(jù)了重要地位，常見的等離子噴涂涂層包括金屬涂層、陶瓷涂層、復合材料涂層等。然而，等離子噴涂涂層中常會產生孔隙、裂紋、層狀結構等缺陷，并且涂層與基體常為弱機械結合，限制了涂層性能的進一步提升。激光重熔作為一種有效的后處理方法，可通過細化晶粒、促進冶金結合以及生成新物相等方式顯著提高等離子噴涂涂層的硬度、耐磨、抗熱震等性能。 

目前，激光重熔改性等離子噴涂涂層的發(fā)展仍面臨以下問題：激光重熔過程中的溫度場、應力場等難以進行實時監(jiān)測；激光輻照導致熔池區(qū)域溫度梯度大，由此產生的熱應力易使等離子噴涂涂層產生裂紋和剝落[60-61]；激光重熔工藝參數(shù)的選擇會很大程度上影響重熔效果，工藝參數(shù)與重熔效果之間的關系尚未研究透徹。針對以上問題，未來可著眼于以下幾個方面的工作： 

（1）將ANSYS、Abaqus、Comsol等模擬軟件與實際激光重熔等離子噴涂試驗相結合，對溫度場、應力場等難以實時監(jiān)測的數(shù)據(jù)進行模擬，根據(jù)模擬結果優(yōu)化工藝及材料組成。 

（2）探索激光重熔過程中涂層的開裂和剝落機理，輔以其他工藝措施，降低重熔后冷卻速率和溫度梯度，改善重熔涂層開裂敏感性。 

（3）合理優(yōu)化激光重熔工藝參數(shù)，加強研究各參數(shù)間相互作用，以期通過最優(yōu)工藝組合減少重熔涂層缺陷，提高重熔涂層綜合性能。

文章來源——材料與測試網