Технология лазерной наплавки, являющаяся передовым методом обработки и восстановления поверхностей, использует высокоэнергетический лазерный луч для быстрого расплавления предварительно нанесенных или синхронно подаваемых порошков сплавов, образуя металлургически связанный наплавленный слой на поверхности подложки. Это значительно повышает износостойкость, коррозионную стойкость и высокотемпературные характеристики обрабатываемой детали. На протяжении всего процесса лазерной наплавки выбор порошкового материала напрямую влияет на качество наплавки и эксплуатационные характеристики. В данной статье систематически рассматриваются широко используемые порошковые материалы для лазерной наплавки , включая самофлюсующиеся порошки сплавов, композитные порошки, керамические порошки и другие материалы на основе металлов, анализируются их классификация, свойства и сценарии применения, чтобы предоставить справочную информацию для выбора материала.

1. Самофлюсующиеся порошки сплавов

Самофлюсующиеся порошки из сплавов являются наиболее исследованными и широко применяемыми материалами в лазерной наплавке . В основном они включают сплавы на основе железа, никеля и кобальта. Эти порошки содержат такие элементы, как бор и кремний, которые обеспечивают им превосходные свойства раскисления и шлакообразования, эффективно снижая окисление и пористость в наплавленном слое и улучшая качество процесса. В лазерной наплавке эти порошки хорошо адаптируются к различным подложкам (таким как углеродистая и нержавеющая сталь) и широко используются для ремонта и улучшения промышленных компонентов.

1.1 Самофлюсующиеся порошки сплавов на основе железа

Порошки на основе железа подходят для изготовления деталей с локальным износом и легкой деформацией, обычно изготавливаемых из чугуна или низкоуглеродистой стали. Основные преимущества — широкий выбор сырья, низкая стоимость и хорошая износостойкость. Однако к недостаткам относятся более высокая температура плавления и худшая стойкость к окислению, что может привести к растрескиванию и пористости во время лазерной наплавки . В последние годы добавление редкоземельных элементов в порошки на основе железа значительно улучшило их коррозионную стойкость и устойчивость к растрескиванию, расширив их потенциал применения в лазерной наплавке.

1.2 Порошки самофлюсующихся сплавов на основе никеля

Порошки на основе никеля широко используются в лазерной наплавке благодаря их превосходной смачиваемости, коррозионной стойкости и высокотемпературным самосмазывающимся свойствам. В жестких условиях (например, при сильных ударах или абразивном износе) в порошок на основе никеля часто вводят твердые частицы, такие как карбиды и нитриды, для образования композитных покрытий, что еще больше повышает их характеристики.

1.3 Самофлюсующиеся порошки сплавов на основе кобальта

Порошки на основе кобальта известны своей превосходной термостойкостью, коррозионной стойкостью и ударопрочностью, и широко используются в высокотехнологичных промышленных областях, таких как нефтехимия и энергетика. В процессе лазерной наплавки материалы на основе кобальта быстро образуют упрочняющую фазу при плавлении, а добавление легирующих элементов, таких как никель и хром, эффективно подавляет образование трещин и улучшает прочность сцепления между покрытием и подложкой.

2. Композитные порошки

Композитные порошки обычно изготавливаются путем смешивания или нанесения покрытий из металлов (таких как никель или кобальт) с высокотемпературными керамическими частицами (такими как карбиды и оксиды). Эти порошки используются в лазерной наплавке для создания керамических композитных покрытий с металлической матрицей, сочетающих в себе прочность металлов с износостойкостью и высокотемпературными свойствами керамики. Например, порошки, покрытые карбидом вольфрама или карбидом хрома, могут эффективно предотвращать деградацию и разложение керамических частиц в процессе лазерной обработки, значительно повышая эксплуатационные характеристики покрытия. Это одно из наиболее актуальных направлений исследований в технологии лазерной наплавки .

3. Керамические порошки

Керамические порошки, в основном включающие оксиды (такие как оксид алюминия, оксид циркония) и силициды, используются в лазерной наплавке благодаря их превосходной высокотемпературной стабильности, износостойкости и коррозионной стойкости, часто в качестве теплозащитных покрытий или защитных слоев в особых условиях. Однако керамические и металлические подложки имеют значительные различия в коэффициентах теплового расширения и модулях упругости, что приводит к образованию трещин и отслоению после лазерной наплавки . Исследователи разработали переходные слои или добавили такие компоненты, как CaO и SiO₂, для снижения этих напряжений, но это остается серьезной проблемой в лазерной наплавке.

4. Другие облицовочные материалы на основе металлов

Помимо перечисленных выше категорий, особую ценность в лазерной наплавке показали также специальные металлические порошки, такие как материалы на основе меди, титана, алюминия, магния и циркония. Например:

Материалы на основе меди : Благодаря хорошей электропроводности и свойствам разделения жидкой фазы, порошки на основе меди могут использоваться для создания самоармирующихся композитных покрытий.

Материалы на основе титана : широко используемые для улучшения биосовместимости или коррозионной стойкости, композитные порошки на основе титана, применяемые при лазерной наплавке, могут значительно повысить износостойкость медицинских титановых сплавов.

Материалы на основе алюминия и магния : они часто используются для модификации поверхности легких сплавов. Лазерная наплавка порошками на основе алюминия может эффективно повысить твердость и коррозионную стойкость магниевых сплавов.

Материалы на основе циркония : Лазерная наплавка порошков на основе циркония на титановые сплавы образует высокотвердый некристаллический упрочняющий слой, что делает их пригодными для применения в высокопрочных конструкциях.

5. Резюме и перспективы применения

Выбор материалов при лазерной наплавке напрямую влияет на характеристики наплавляемого слоя и успешность процесса. Различные порошковые системы значительно различаются по стоимости, производительности и технологической адаптивности, что требует тщательного выбора в зависимости от конкретных потребностей применения. В настоящее время технология лазерной наплавки играет решающую роль в восстановлении деталей, упрочнении поверхностей и ремонте высокотехнологичного оборудования. Например, ремонт ключевых компонентов, таких как ролики, пресс-формы и гидравлические колонны, позволяет восстановить их характеристики более чем на 90% от первоначальных параметров, при этом затраты составляют лишь около одной пятой от стоимости их замены, что значительно увеличивает срок службы оборудования и повышает его экономичность.

Однако материалы для лазерной наплавки еще не систематизированы и не стандартизированы, а разработка состава и прогнозирование характеристик все еще находятся на стадии исследований. В будущем, с непрерывным развитием материалов и оптимизацией процессов, ожидается, что технология лазерной наплавки заменит традиционные процессы нанесения покрытий и наплавки в большем количестве промышленных применений, став ключевой технологией в высокотехнологичном производстве и экологически чистой переработке.