摘要

在航空航天、石化和汽車(chē)等行業(yè)中，不同機(jī)器的許多零件都處于高溫高壓環(huán)境中，并且容易磨損和腐蝕。因此，高溫下的耐磨性和穩(wěn)定性需要進(jìn)一步提高。激光熔覆技術(shù)具有稀釋率低、熱影響區(qū)小、涂層與基體冶金結(jié)合好等優(yōu)點(diǎn)，目前廣泛應(yīng)用于機(jī)械零件的修復(fù)和功能涂層。本文從過(guò)程模擬、監(jiān)測(cè)和參數(shù)優(yōu)化等方面詳細(xì)介紹了液相色譜法。同時(shí)，隨著高熵合金、非晶合金和單晶合金在液晶材料中逐漸顯示出相對(duì)于傳統(tǒng)金屬材料的優(yōu)勢(shì)，本文對(duì)液晶材料系統(tǒng)進(jìn)行了全面的綜述。此外，還概述了液晶在功能涂層和機(jī)械零件維修中的應(yīng)用。討論了液晶顯示技術(shù)存在的問(wèn)題和發(fā)展趨勢(shì)。

1介紹

鈦合金、鎂合金和其他合金具有優(yōu)異的性能，例如比強(qiáng)度高、韌性好和密度低。同時(shí)，由于其在地球上的豐富儲(chǔ)量，被廣泛應(yīng)用于航空航天、汽車(chē)工業(yè)等領(lǐng)域。然而，隨著工業(yè)的發(fā)展，這些材料將越來(lái)越多地用于高溫、高壓和磨損環(huán)境。耐磨性差和高溫穩(wěn)定性差的缺點(diǎn)限制了其應(yīng)用。為了解決這些問(wèn)題，人們采用了許多表面強(qiáng)化技術(shù)來(lái)提高這些合金表面的耐磨性和耐腐蝕性，例如等離子噴涂、物理氣相沉積（PVD）、化學(xué)氣相沉積（CVD）、堆焊、滲碳、氮化等。

由于其高能量密度、良好的相干性和良好的方向性，激光已廣泛用于材料的表面處理。激光表面處理技術(shù)包括激光表面合金、激光噴丸、激光熔覆（LC）、激光重熔等。值得一提的是，LC是一種新型的表面強(qiáng)化和修復(fù)技術(shù)。在激光照射下，熔覆粉末在基板表面快速熔化和固化。由于溫度梯度較大，它將在基材表面形成細(xì)粒度和韌性涂層。與其他表面強(qiáng)化技術(shù)相比，它具有以下優(yōu)點(diǎn)：（1）涂層能與基體形成良好的冶金結(jié)合，稀釋率和熱影響區(qū)?。唬?/span>2）由于溫度梯度較大，可以形成精細(xì)的微觀結(jié)構(gòu)；（3） LC具有環(huán)保、簡(jiǎn)單、靈活和節(jié)省材料的優(yōu)點(diǎn)。本文從液晶、覆層材料體系和液晶應(yīng)用三個(gè)方面綜述了液晶的發(fā)展現(xiàn)狀、存在的問(wèn)題和未來(lái)的發(fā)展趨勢(shì)。

 由LIHRC在A3鋼上制備的Ni60A+20 wt%WC復(fù)合涂層的結(jié)構(gòu)（a）E=20 J/mm²，ψ=55.1 g/dm²，（b）E=18.4 J/mm²，ψ=55.1 g/dm²，（c）E=20 J/mm²，ψ=61.7 g/dm²。

2 激光熔覆工藝

LC是一種多學(xué)科技術(shù)，集成了激光技術(shù)、計(jì)算機(jī)輔助制造技術(shù)和控制技術(shù)。LC是一個(gè)復(fù)雜的物理、化學(xué)和冶金過(guò)程。本節(jié)從原理、模擬、監(jiān)測(cè)和參數(shù)優(yōu)化等方面介紹了LC過(guò)程的發(fā)展現(xiàn)狀。

2.1. 工藝原理

LC使用高功率激光器作為熱源，在處理基板上形成熔覆層。根據(jù)送粉方式，可分為四種類(lèi)型：同軸送粉系統(tǒng)、預(yù)放置送粉系統(tǒng)、離軸送粉系統(tǒng)和送絲系統(tǒng)。最常用的液相色譜方法是同軸粉末系統(tǒng)和預(yù)放置粉末系統(tǒng)。圖1是同軸粉末系統(tǒng)和預(yù)放置粉末系統(tǒng)的示意圖。當(dāng)粉末被載氣從送粉噴嘴噴出時(shí)，激光束照射基板以形成液態(tài)熔池。在與激光相互作用后，粉末進(jìn)入液態(tài)熔池，并在送粉噴嘴與激光束同步移動(dòng)時(shí)形成熔覆層。與同軸粉末系統(tǒng)不同的是，在預(yù)放置粉末系統(tǒng)中，覆層材料預(yù)放置在基板上。然后，通過(guò)激光束掃描熔化預(yù)先放置的粉末，并快速冷卻熔池以形成熔覆層。LC樣品通常可分為四部分：包層區(qū)（CZ）、界面區(qū)（IZ）、熱影響區(qū)（HAZ）和基板（SUB）。一般來(lái)說(shuō)，預(yù)置換粉末系統(tǒng)操作簡(jiǎn)單，熔覆質(zhì)量較好，但熔深不易控制，稀釋度大。同軸粉末系統(tǒng)具有較高的激光利用率，但對(duì)熔覆設(shè)備的質(zhì)量要求較高。

圖1 同軸粉末系統(tǒng)和預(yù)放置粉末系統(tǒng)的示意圖。

2.2. 過(guò)程模擬分析

LC是激光、熔覆材料和基板之間相互作用的過(guò)程，因此通過(guò)建立LC過(guò)程模擬，可以更好地分析不同工藝條件下熔池的溫度、應(yīng)力和流場(chǎng)。在實(shí)踐中，LC過(guò)程的模擬分析在改善熔覆層的宏觀形貌、微觀結(jié)構(gòu)和性能方面發(fā)揮著重要作用。許多學(xué)者基于流體力學(xué)和物理相場(chǎng)過(guò)程模擬了粉末沉積過(guò)程、溫度場(chǎng)、應(yīng)力場(chǎng)和熔覆層的微觀結(jié)構(gòu)。

在液晶中，粉末與激光、基板和噴嘴的相互作用會(huì)影響粉末的分布。粉末的流動(dòng)特性影響其利用效率和熔覆層的宏觀形貌。粉末的流體動(dòng)力學(xué)特性不僅與其粒徑、形狀和外部空氣壓力有關(guān)，還與粉末噴嘴的類(lèi)型有關(guān)，如圖2所示。在粉末和激光的相互作用中，激光的能量被粉末吸收、反射和散射，從而增加了流動(dòng)粉末的溫度分布。粉末的溫度分布與激光功率和噴嘴與激光焦點(diǎn)之間的距離有很大關(guān)系。因此，應(yīng)選擇合適的激光功率和噴嘴與激光焦點(diǎn)之間的距離。因此，粉末分布的能量全部包含在激光輻射區(qū)域，并獲得均勻的溫度分布。熔池附近的粉末分布與基體有很大關(guān)系。在保護(hù)氣體的作用下，粉末沖擊基材并反彈或分散，從而影響上部粉末流的分布。因此，在對(duì)粉末沉積過(guò)程進(jìn)行模擬分析時(shí)，應(yīng)充分考慮基體的作用。

圖2 噴嘴和粉末射流參數(shù)的計(jì)算。

溫度場(chǎng)和流場(chǎng)的分布直接影響熔覆層的宏觀形貌、微觀結(jié)構(gòu)和其他物理化學(xué)性能。溫度場(chǎng)和流場(chǎng)的數(shù)值模擬對(duì)于LC過(guò)程中工藝參數(shù)的設(shè)計(jì)至關(guān)重要。Khamidullin等人建立了二維LC模型，并模擬了熔覆層的宏觀形貌、結(jié)晶過(guò)程、溫度場(chǎng)和速度場(chǎng)。圖3（c）是二維熔覆層宏觀形貌、速度和溫度場(chǎng)的模擬結(jié)果?？梢园l(fā)現(xiàn)，模擬更好地反映了熔覆層的實(shí)際宏觀和微觀形貌（圖3（a））。三種流動(dòng)類(lèi)型（圖3（b））可以清楚地反映出來(lái)。然而，通過(guò)比較僅在低速送粉情況下二維和三維熔覆層的宏觀形貌、溫度場(chǎng)和應(yīng)力場(chǎng)，該模型具有良好的可預(yù)測(cè)性。因此，應(yīng)進(jìn)一步優(yōu)化該模型。LC過(guò)程的有限元模型綜合考慮了流體流動(dòng)、傳熱、表面張力和自由表面運(yùn)動(dòng)，對(duì)熱輸入具有良好的預(yù)測(cè)能力。

圖3 激光開(kāi)啟0.8秒后，在0.5 kW高斯激光束的影響下，模擬的微珠形狀以及微珠內(nèi)部的金屬流動(dòng)結(jié)構(gòu)。

在LC過(guò)程中，會(huì)產(chǎn)生熱應(yīng)力和殘余應(yīng)力。因此，應(yīng)力場(chǎng)的模擬分析為有效減少熔覆層中的裂紋等缺陷提供了理論基礎(chǔ)。Ghorashi等人考慮了多軌跡中的非線性運(yùn)動(dòng)硬化特性，并將循環(huán)塑性理論引入到LC Inconel 718模擬模型中，這不僅將殘余應(yīng)力預(yù)測(cè)誤差降低了約50%，還分析了熔覆過(guò)程中的表面松弛。Zhang等人通過(guò)建立單軌和多軌鈷基涂層的溫度場(chǎng)和應(yīng)力場(chǎng)，分析了感應(yīng)熱應(yīng)力對(duì)熔覆層殘余應(yīng)力的影響。然而，感應(yīng)預(yù)熱對(duì)單軌的影響僅進(jìn)行了分析，因此應(yīng)進(jìn)一步分析多軌。實(shí)際上，液晶是一個(gè)多場(chǎng)相互作用的過(guò)程。因此，應(yīng)建立一個(gè)全面的模擬模型，以獲得未來(lái)在完全耦合的熱-冶金-機(jī)械有限元模型下的微觀結(jié)構(gòu)和殘余應(yīng)力分布。

2.3. 過(guò)程監(jiān)控

LC作為一種有效的表面強(qiáng)化和修復(fù)技術(shù)，得到了越來(lái)越廣泛的應(yīng)用，有時(shí)會(huì)出現(xiàn)熔覆層質(zhì)量差和重復(fù)性差的問(wèn)題。然而，計(jì)算機(jī)和傳感技術(shù)的發(fā)展可以幫助我們更好地監(jiān)測(cè)溫度場(chǎng)、熔池的形態(tài)以及粉末和激光之間的相互作用過(guò)程，所有這些都與熔覆層的內(nèi)部微觀結(jié)構(gòu)、缺陷和幾何精度密切相關(guān)。LC是一個(gè)復(fù)雜的物理-化學(xué)冶金過(guò)程，可以通過(guò)溫度信號(hào)、圖像信號(hào)和光譜信號(hào)更好地理解。

圖像信號(hào)或光譜信號(hào)可用于監(jiān)測(cè)粉末的流動(dòng)和分布，然后通過(guò)優(yōu)化噴嘴參數(shù)來(lái)提高粉末利用效率。Gulyaev等人使用光學(xué)診斷系統(tǒng)Yuna（主要由CMOS數(shù)碼相機(jī)和光譜儀組成）研究了不同氣體流速下激光對(duì)粉末流動(dòng)外觀、速度和溫度的影響。監(jiān)測(cè)結(jié)果如圖4所示?？梢钥闯?，在激光的作用下，粉末流從原來(lái)的氣流輸送方向擴(kuò)展到35°-40°的扇形。當(dāng)氣體流速G_tr從5 slpm增加到15 slpm時(shí)，粉末流的平均溫度和激光束方向的平均速度都會(huì)增加。當(dāng)氣體流量G_tr繼續(xù)增加到20 slpm時(shí)，激光束方向上粉末流動(dòng)的平均速度和平均溫度降低，因此存在一個(gè)合適的氣體流量，以最大限度地發(fā)揮激光對(duì)粉末的影響。同時(shí)，分析了不同工藝參數(shù)下熔池的流速。然而，在某些過(guò)程參數(shù)下，由于感興趣區(qū)域的亮度差異很大，很難獲得足夠質(zhì)量的視頻。因此，未來(lái)可能會(huì)考慮使用帶通濾波器的照明激光器。

圖4 粉末顆粒流的軌跡、溫度和速度分布。

溫度傳感器可以監(jiān)測(cè)固定點(diǎn)溫度、熔池的溫度分布和熔池周?chē)臏囟确植肌?/span>熱歷史與熔覆層中微觀結(jié)構(gòu)的生長(zhǎng)有直接關(guān)系。Gopinath等人使用紅外高溫計(jì)監(jiān)測(cè)熔池的熱歷史，并研究熔池壽命、冷卻速率、熔覆層的微觀結(jié)構(gòu)和潤(rùn)濕性。從紅外高溫計(jì)獲得的原位合成inconel718/TiC復(fù)合涂層上熔池的熱歷史曲線，可以識(shí)別固化架的位置，從而可以在線識(shí)別過(guò)度稀釋率。熔池中TiC顆粒凝固框架斜率的變化是在線評(píng)估不同工藝參數(shù)下TiC顆粒狀態(tài)的有效指標(biāo)。圖5是在1200 W激光功率和200 mm/min掃描速度下記錄的典型熱循環(huán)。該熱循環(huán)決定了不同相的形成和涂層/部件的機(jī)械性能。同時(shí)，熔池的壽命和WC與金屬基體之間良好潤(rùn)濕性的冷卻速率可由熱歷史確定。

圖5 在1200 W激光功率和200 mm/min掃描速度下，Inconel 718+TiC的LC期間記錄的典型熱循環(huán)。

液晶的物理和化學(xué)變化極其復(fù)雜，因此僅靠上述三種監(jiān)測(cè)信號(hào)進(jìn)行自適應(yīng)控制是不夠的。需要使用更先進(jìn)的傳感器和監(jiān)測(cè)設(shè)備直接監(jiān)測(cè)間隙、熱應(yīng)力、稀釋率和其他指標(biāo)。

2.4. 工藝參數(shù)優(yōu)化

在LC過(guò)程中，熔覆層的稀釋度、縱橫比、微觀結(jié)構(gòu)和力學(xué)性能與激光功率、掃描速率、送粉速率、掃描方法、散焦量和其他工藝參數(shù)密切相關(guān)。為了獲得組織精細(xì)、成分均勻、力學(xué)性能良好的熔覆層，許多學(xué)者從不同角度對(duì)工藝參數(shù)進(jìn)行了分析。

熔覆速度v和透鏡噴嘴與表面熔覆距離L對(duì)熔覆軌道尺寸的影響。

上圖可以觀察到高度H和寬度B值與包層條件的關(guān)系。將噴嘴與沉積表面之間的距離增加1.4倍，軌跡寬度減小1.1倍/1.2倍，其高度減小1.7倍/2.6倍。這是因?yàn)楫?dāng)噴嘴/工件距離減小時(shí)，激光束會(huì)發(fā)生一些散焦，表面加熱增加；然而，它的溫度較低。這解釋了單軌尺寸的減少。另一方面，激光光斑的速度增加了3倍，軌道的寬度減小了1.15倍/1.3倍，軌道的高度減小了2倍/2.9倍。這種變化可以通過(guò)沉積材料體積在較長(zhǎng)長(zhǎng)度上的分布來(lái)解釋。

適當(dāng)?shù)募す夤β蕦p少裂紋、空洞，并產(chǎn)生質(zhì)量和性能良好的熔覆層。高激光功率導(dǎo)致熔覆層開(kāi)裂和變形，當(dāng)激光功率太小時(shí)，粉末不會(huì)完全熔化，并導(dǎo)致局部起球和空洞。Song等人分析了激光功率對(duì)涂層宏觀形貌和微觀結(jié)構(gòu)的影響，結(jié)果如圖6所示?？梢园l(fā)現(xiàn)，隨著激光功率的增加，熔覆層的高度、寬度和穿透力都會(huì)增加。大多數(shù)裂紋從熱影響區(qū)開(kāi)始，沿垂直于接頭表面的方向一直延伸到覆層表面。隨著激光功率的增加，熔覆層底部分別出現(xiàn)柱狀枝晶、少量等軸晶、均勻柱狀枝晶和晶粒生長(zhǎng)。這是因?yàn)殡S著功率的增加，冷卻速率逐漸降低，晶粒尺寸與其呈負(fù)相關(guān)。隨著激光功率的降低，微結(jié)構(gòu)也變得更細(xì)。除了激光功率外，掃描速度對(duì)熔覆層的形成也起著重要作用。

圖6 不同激光功率的K403高溫合金涂層的橫截面。

影響熔覆層表面形貌和內(nèi)部微觀結(jié)構(gòu)的工藝參數(shù)通常不是單一的，它們往往相互作用并相互影響。所以，通過(guò)各種優(yōu)化算法和經(jīng)驗(yàn)公式來(lái)獲得最佳工藝參數(shù)的組合非常重要。選擇激光功率、掃描速度和送粉速度作為要優(yōu)化的工藝參數(shù)，熔覆高度和稀釋率是優(yōu)化的響應(yīng)目標(biāo)。找到了能夠?qū)崿F(xiàn)最大熔化寬度、最小熔化高度和適當(dāng)稀釋率的最佳工藝參數(shù)組合。通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了優(yōu)化后的參數(shù)組合，灰色關(guān)聯(lián)值提高了0.1533282。Wu等人研究了LC-NiCrBSi合金涂層的孔隙率和裂紋，結(jié)果表明，線性能量密度可用于確定消除大孔隙率的閾值。

采用響應(yīng)面法獲得了孔隙率最小的激光功率、掃描速度和送粉速率等工藝參數(shù)。通過(guò)在基板下方放置預(yù)熱至300°C的絕緣層，可以有效消除裂紋。然而，在最佳工藝參數(shù)下，熔覆層中仍然存在少量氣孔。因此，通過(guò)優(yōu)化LC設(shè)備有望進(jìn)一步減少氣孔缺陷。建立工藝參數(shù)與熔覆層熔化高度、熔透深度和稀釋率之間的經(jīng)驗(yàn)公式，可以大大減少優(yōu)化實(shí)驗(yàn)的次數(shù)，顯著提高熔覆質(zhì)量和效率。Bax等人提出了一種基于Inconel 718單包層的LC工藝參數(shù)圖的系統(tǒng)評(píng)估方法。不僅得到了激光功率、掃描速度、送粉速率與熔覆層寬度、高度、面積之間的半經(jīng)驗(yàn)關(guān)系，而且建立了工藝參數(shù)與粉末利用率之間的工藝參數(shù)圖。但是，它僅適用于單軌，因此應(yīng)進(jìn)一步加強(qiáng)對(duì)多軌的研究。Reddy等人通過(guò)LC非晶態(tài)Fe-Cr-B合金的單軌優(yōu)化實(shí)驗(yàn)，建立了粉末沉積效率、稀釋度、孔隙率和工藝參數(shù)之間的模型，并通過(guò)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了驗(yàn)證。

總之，有許多工藝參數(shù)影響熔覆層的宏觀形貌、微觀結(jié)構(gòu)和性能，每個(gè)工藝參數(shù)也相互影響。因此，在實(shí)際應(yīng)用中，應(yīng)根據(jù)熔覆層的要求綜合考慮各工藝參數(shù)。

2.5. 外場(chǎng)輔助激光熔覆

通過(guò)優(yōu)化工藝參數(shù)，可以在一定程度上減少覆層的內(nèi)部結(jié)構(gòu)缺陷，但有時(shí)仍會(huì)存在孔洞、元素偏析和結(jié)構(gòu)不均勻。為了顯著減少這些缺陷對(duì)微觀結(jié)構(gòu)的影響，并生產(chǎn)出性能良好的涂層。近年來(lái)，許多學(xué)者將LC與其他技術(shù)相結(jié)合，形成了感應(yīng)加熱激光熔覆（LIHC）、超聲波輔助激光熔覆、電磁輔助激光熔覆等技術(shù)。器件結(jié)構(gòu)示意圖如圖7（a）（d）（h）所示。

圖7 外場(chǎng)輔助LC的原理圖及其有益影響。

由于液晶的溫度梯度較大，涂層容易出現(xiàn)裂紋等缺陷。研究表明，感應(yīng)預(yù)熱可以降低溫度梯度。Bidron等人研究了高溫感應(yīng)預(yù)熱（溫度范圍為）對(duì)熱影響區(qū)裂紋的敏感性。如圖7（c）所示，2 mm厚基板上的熱影響區(qū)中沒(méi)有裂紋，這可以歸因于感應(yīng)預(yù)熱溫度影響熱影響區(qū)的微觀結(jié)構(gòu)，從而改變裂紋的跡象。此外，感應(yīng)預(yù)熱溫度對(duì)最大沉積速率和激光能量效率也有重要影響。在激光功率和掃描速度不變的情況下，隨著感應(yīng)預(yù)熱溫度的升高，最大沉積速率和激光能量效率增加，但增長(zhǎng)速率逐漸降低。因此，感應(yīng)預(yù)熱溫度應(yīng)控制在適當(dāng)?shù)姆秶鷥?nèi)。

超聲振動(dòng)作為一種外部物理場(chǎng)，對(duì)熔池中微觀結(jié)構(gòu)的生長(zhǎng)和凝固以及元素分布具有重要影響。Li等人分析了超聲振動(dòng)輔助下LC-MMC涂層的微觀結(jié)構(gòu)、元素組成和性能。隨著超聲功率的增加，熔覆層中的WC顆粒似乎均勻地聚集在底部，然后到達(dá)底部，如圖7（e）所示。因此，在適當(dāng)?shù)某暪β氏?，超聲空化效?yīng)和超聲聲流效應(yīng)可以克服重力作用下WC顆粒分布不均勻的缺點(diǎn)。超聲振動(dòng)對(duì)熔池的影響導(dǎo)致枝晶斷裂和晶粒細(xì)化，并促進(jìn)WC顆粒的分解。分別如圖7（f）（g）所示。在超聲振動(dòng)輔助激光熔覆中，超聲作用于微觀結(jié)構(gòu)、氣孔和其他缺陷生長(zhǎng)的機(jī)理需要進(jìn)一步研究。

電磁場(chǎng)主要與材料中的電子相互作用，影響化學(xué)反應(yīng)過(guò)程，進(jìn)而影響微觀結(jié)構(gòu)和元素分布。如圖7（j）所示，Zhai等分析了不同電磁場(chǎng)下的熔覆層稀釋?zhuān)l(fā)現(xiàn)穩(wěn)定的磁場(chǎng)可以顯著降低涂層稀釋率，但電磁場(chǎng)對(duì)其影響不大。對(duì)涂層組成相的分析發(fā)現(xiàn)，不同層中的相幾乎沒(méi)有變化。這是因?yàn)殡姶艌?chǎng)對(duì)熔體池中的熱條件幾乎沒(méi)有影響。如圖7（i）E-H所示，當(dāng)施加與重力方向相同的安培力時(shí)，等效重力加速度增加。因此，作用在孔隙上的合成浮力相應(yīng)增加，熔體池中孔隙的流速增加。最終，孔隙度和孔徑都會(huì)降低。如圖7（i）A-C所示，當(dāng)施加向上的安培力時(shí)，熔體池中的孔隙溢出將更加困難。然而，它只改變電場(chǎng)的大小和方向，因此應(yīng)研究磁場(chǎng)方向變化下熔覆層的微觀結(jié)構(gòu)。

來(lái)源：Recent research and development status of laser cladding: A review, Optics & Laser Technology, doi.org/10.1016/j.optlastec.2021.106915

參考文獻(xiàn)：Composition optimization of low modulus and high-strength TiNb-based alloys for biomedical applications