前言

所謂激光熔覆陶瓷涂層，就是指用激光涂覆技術(shù)產(chǎn)生陶瓷涂層。眾所周知，陶瓷作為一種重要的結(jié)構(gòu)材料，具有高強(qiáng)度、高硬度、耐高溫、耐腐蝕等優(yōu)點(diǎn)，無論在傳統(tǒng)工業(yè)領(lǐng)域還是在新型的高技術(shù)領(lǐng)域都有著廣泛的應(yīng)用。尤其是在科學(xué)技術(shù)高速發(fā)展的今天，對(duì)材料表面性能要求越來越高，陶瓷材料作為高溫耐磨耐蝕涂層和熱障涂層材料備受關(guān)注。

（圖片來源于網(wǎng)絡(luò)）

激光熔覆技術(shù)是一種新型的涂層技術(shù)，以不同的添加方法在基體上鋪放所需的涂層粉末材料，同時(shí)經(jīng)過高能密度激光束輻照加熱，使其與基體表面熔化并快速凝固，從而在基材表面形成與基體結(jié)合性良好的功能涂層。激光熔覆技術(shù)經(jīng)過將近半個(gè)世紀(jì)的發(fā)展，已從實(shí)驗(yàn)室進(jìn)入到了實(shí)際工業(yè)應(yīng)用，在汽車工業(yè)、航空航天、石油行業(yè)、軋輥行業(yè)、機(jī)械動(dòng)力行業(yè)和模具等諸多領(lǐng)域中都有著廣泛的應(yīng)用。

激光熔覆陶瓷涂層技術(shù)的特點(diǎn)

與傳統(tǒng)的表面涂層技術(shù)如堆焊、鍍層、噴涂和氣相沉積相比較，激光熔覆陶瓷涂層技術(shù)有如下特點(diǎn)：

1、可以通過混合不同的合金粉末進(jìn)行成分設(shè)計(jì)，得到完全致密的冶金結(jié)合熔覆層；

2、涂層的稀釋度可以降低到最低限度，從而得到所設(shè)計(jì)的表面性能；

3、激光熔覆加熱和冷卻速度極快，凝固速度約104℃/s，易獲得涂層組織結(jié)構(gòu)的改善；

4、局部表層區(qū)域的快速凝固對(duì)基體或被涂工件的熱影響甚微，易實(shí)現(xiàn)選區(qū)涂層；

5、熔覆涂層與基體的結(jié)合得到改善，界面為冶金結(jié)合；

6、涂層成分、厚度可控，工藝過程易實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化；

7、可以適應(yīng)復(fù)雜零件的形狀變化，得到均勻致密的熔覆涂層。

熔覆材料的選擇原則

激光熔覆材料與基材的匹配一般遵循以下原則：

1、熔覆材料與基材的熱膨脹系數(shù)同一性原則；

2、熔覆材料與基材熔點(diǎn)相近原則；

3、熔覆材料對(duì)基材的潤濕性原則。

陶瓷涂層材料

01

氧化物涂層

氧化物陶瓷粉末常用的氧化物陶瓷粉末有Al 2 O 3 、ZrO 2 、TiO 2 ，它們具有優(yōu)良的抗高溫氧化能力、隔熱、耐磨和耐蝕性能，是一類重要的激光熔覆材料。采用激光熔覆技術(shù)在不銹鋼和其它合金基材表面制備Al-Al 2 O 3 、Al 2 O 3 -TiO 2 、CaO-ZrO 2 -SiO 2 、ZrO 2 -Y 2 O 3 、TiB 2 -TiC-Al 2 O 3 等陶瓷涂層，可顯著提高基體材料的耐磨性、耐蝕性和抗熱沖擊性，同時(shí)還可以提高其力學(xué)性能。然而，激光熔覆氧化物陶瓷涂層存在脆性高、結(jié)合強(qiáng)度低、易產(chǎn)生裂紋等缺陷。在激光燒結(jié)冷卻過程中會(huì)產(chǎn)生收縮性，從而導(dǎo)致不同的部分開裂，這最有可能造成陶瓷顆粒在分散體中的數(shù)量不足從而形成缺陷。

02

碳化物涂層

碳化物陶瓷涂層以優(yōu)良的高溫力學(xué)性能、高溫抗氧化性能、耐蝕耐磨性能和特殊的電、熱性能備受人們關(guān)注。TiC、SiC、WC、BC等碳化物材料具有高熔點(diǎn)和高硬度等優(yōu)異特性，不僅能滿足高溫和高強(qiáng)度的要求，而且具有優(yōu)異的耐蝕性。這些碳化物作為熔覆材料，可提高基材表面的耐磨性和硬度。目前，采用激光熔覆技術(shù)制備的碳化物陶瓷涂層主要有TiC、SiC、SiC-SiO 2 和SiC-Si復(fù)合陶瓷涂層等，以及Ni-TiC、Ni-TiC-C、Fe-TiC、NiCrAl-TiC、TiC-CNTs、Ni-WC和Co-B 4 C等陶瓷顆粒摻雜在金屬制備的復(fù)合陶瓷涂層，其中摻雜的碳化物顆粒起到增強(qiáng)相的作用，而且還可以細(xì)化晶粒尺寸，可提高其耐磨性、耐腐蝕性和力學(xué)性能。

03

生物涂層

生物陶瓷涂層作為無機(jī)生物醫(yī)學(xué)材料，沒有毒副作用，且與基體有良好的生物相容性，按材料功能主要分為生物活性陶瓷涂層和惰性生物陶瓷涂層等，其中生物活性陶瓷涂層有羥基磷灰石材料(Hydroxyapatite，HA)和鈣硅酸鹽等材料組成，其中HA生物活性陶瓷涂層是應(yīng)用最廣泛，而常見的惰性生物陶瓷涂層材料有氧化鋁和氧化鋯等。

目前存在的問題

激光熔覆陶瓷涂層過程中，激光束高能密度所產(chǎn)生的近似絕熱的快速加熱過程，使得激光熔覆對(duì)基材的熱影響較小，引起的變形也小，通過控制激光的輸入能量，可以保持原熔覆材料的優(yōu)異性能。熔覆材料對(duì)熔覆層的性能有很大的影響，目前激光熔覆陶瓷涂層材料是氧化物和碳化物粉末，而復(fù)合粉末的熔覆性能還不夠穩(wěn)定，關(guān)于激光熔覆陶瓷涂層技術(shù)主要存在的問題有以下幾個(gè)方面：

1、雖然激光熔覆的材料廣泛，但都不是專門為激光熔覆工藝開發(fā)的，在陶瓷材料的激光吸收性能和熔覆層結(jié)合強(qiáng)度等方面缺乏針對(duì)性，需要對(duì)激光熔覆專用材料進(jìn)行研究開發(fā)；

2、熔覆層質(zhì)量的穩(wěn)定性差。由于熔覆層和基體材料的溫度梯度和熱膨脹系數(shù)的差異，可能在熔覆層中產(chǎn)生氣孔、裂紋、變形和表面不平等多種缺陷；

3、激光熔覆熱循環(huán)造成的殘余應(yīng)力會(huì)引起熔覆層裂紋；

4、隨著3D激光打印技術(shù)的日益發(fā)展，所遇到的一些問題如：陶瓷涂層與基材界面的結(jié)合性不好，易產(chǎn)生微裂紋和氣孔缺陷等將隨著原材料選材和工藝優(yōu)化得以解決，有望實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)。

針對(duì)這些問題，首先應(yīng)該加強(qiáng)設(shè)計(jì)和開發(fā)適于激光熔覆陶瓷材料，并對(duì)熔覆工藝參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化研究，尤其是對(duì)抑制裂紋的方法深入探索，采用合理的預(yù)熱以提高結(jié)合度，熔覆后及時(shí)進(jìn)行熱處理以消除殘余應(yīng)力，避免微裂紋的形成。

參考來源：

[1]吳王平等.激光熔覆陶瓷涂層研究

[2]張萬紅.激光熔覆陶瓷涂層的研究現(xiàn)狀及發(fā)展

[3]黃偉容，肖澤輝.激光熔覆陶瓷涂層的研究現(xiàn)狀