了有利的条件。研究表明,与传统涂层相比,纳米结
构涂层在强 度、韧性、抗蚀、耐磨、热障、抗热 疲劳等
方面有显著改善
[
2
,
3
]
。将纳 米 粉体与表 面 工程技术
相结合,制备含有纳米结构的表面复合涂层,可使表
面的力学、物理和化学性能得到改善,赋予表面新的
功能
,达到 材 料 表 面 改 性 与 功 能 化 相 结 合 的 目 的。
2000
年,徐 滨 士 等
[
4
]
提 出 了 “纳 米 表 面 工 程 ”的 概
念。现在纳米结构及纳米改性涂层的制备已成为国
内外研究的热点,主要有纳 米 热喷涂技 术
[
5
,
6
]
、纳 米
复合镀层技 术
[
7
,
8
]
、溶胶
凝 胶 法(
sol
g
el
)
[
9
,
10
]
、气相
沉积法
[
11
,
12
]
和磁控溅射等。
激光 熔 覆技术
[
13
~
16
]
是新兴的 激 光技术与 金 属
热处理相结合的产 物,是 在 材料表面 施 加极高的 能
量
,使之发生物理化学变化,从而显著地改变材料的
表面硬度、耐磨性、耐蚀性和高温性能的技术。由于
高能量密度产生极 快的加热 速 度、功 率 输出精确 可
控和熔覆表面区域 的可选择 性,激光熔 覆 技术已引
起了广泛的关 注。 将其应 用 于纳米结 构 涂层制备,
有利于目前 纳 米 结 构 涂 层 制 备 中 材 料 晶 粒 过 度 生
长、致密度不高等问题的解决,从而获得良好纳米结
构的涂层;另外,纳米颗粒的弥散强化机制也可使熔
覆层具有优异的强韧性从而解决激光熔覆层易开裂
的问题
[
17
,
18
]
。
根据 熔覆对象的 不同,激 光表面熔覆 制备纳米
结构涂层主要分为激光熔覆纳米粉末和激光熔覆预
制纳米结构涂层。 其中,纳米粉末 可 分为纯纳 米 粉
末
[
19
~
26
]
、纳米/微米混合粉末
[
27
~
34
]
以及构造纳 米粉
末
[
35
~
45
]
等;而预制纳米结构涂层主要有热喷涂纳米
结构涂层
[
26
,
45
~
53
]
、纳 米 复 合 镀 层
[
54
~
60
]
和
sol
g
el
纳
米结构涂层
[
61
~
64
]
等。
本文 综述了国内、外激 光表面熔覆 制备纳米结
构涂层的研究进展,并对其 存 在的问题 及 发展趋势
进行了探讨。
2
激光熔覆纳米粉末
2.1
激光熔覆纯纳米粉末
当粉 末粒度降低 到纳米级范 围时,其 本身和由
它构成的纳米固体 主要有如 下 三个方面 的 效应,即
小尺寸效应、表面与界面效应及量子尺寸效应,并由
此派生出 大 块 固 体 所 不 具 备 的 许 多 特 殊 性 质。 因
此,最初研究者都希望 通 过对纯纳 米 粉末直接 进 行
激光熔覆制备纳米结构涂层。
姚建华等
[
19
]
在
2Cr13
不 锈 钢 基 体 上 进 行 了 激
光熔覆纳米
WC
粉末的试验。 结果 表 明,采 用激光
熔覆 纳 米
WC
粉 末 的 方 法 可 以 得 到 致 密 的 复 合 涂
层;涂层熔覆 区 呈 现 出 典 型 的
Fe
胞 状 树 枝 晶 和 树
枝晶间的
FeCW
组 织;
X
射 线 衍 射(
XRD
)分 析 表
明,复 合 涂 层 主 要 由
Fe
,
WC
,
W
2
C
和
Fe
3
C
几 种 相
组成;涂层的 性 能 测 试 结 果 表 明,表 面 硬 度 为
1750
HV
,熔覆层平均硬度为
1200 HV
,耐磨损性能比基
体提高了
2.5
倍。
张光钧等
[
20
]
则对铸铝(
ZL104
)表面激光熔覆纳
米
Al
2
O
3
/
TiO
2
涂层 的 耐 磨 性 进 行 了 研 究,结 果 表
明,其相 对 耐 磨 性 比 同 样 基 材 表 面 热 喷 涂
Al
2
O
3
/
TiO
2
涂 层 有 明 显 改 善。 按
ASTMG99
及
DIM50324
测试标准,在选定的 试验条件下,激光 熔
覆层的相对磨损体积比热 喷 涂 层 减 少 了
92%
。 这
是激光快速熔覆工艺及引入纳米材料的“纳米效应”
的综合作用结果。
本课题组在 这方面也开 展了一些有 益的尝试,
分别进行了纳米
SiC
[
21
,
22
]
,
Al
2
O
[
23
,
24
]
3
粉末的激光熔
覆(烧 结 )试 验。 对
SiC
纳 米 粉 末 的 熔 覆 结 果 表
明
[
21
,
22
]
,选用合 理 的 工 艺 参 数,利 用 激 光 熔 覆 可 以
得到质量较好 的 纳米
SiC
陶瓷涂层,但
SiC
晶 粒 尺
寸有所长大,且 熔 覆 过 程 中 有 分 解 反 应,产 生 纳 米
Si
与
C
。 对
Al
2
O
3
纳 米 粉 末 的 激 光 熔 覆 结 果 表
明
[
23
,
24
]
,在优化 的 工 艺 参 数 下,能 制 备 出
Al
2
O
3
纳
米结构陶瓷涂层,涂层材 料 内部具有 独 特的组织 结
构,晶粒尺寸能保持在原纳米晶粒尺寸范围。另外,
也进行了将纳米粉末压制成薄片后再进行激光熔覆
的尝试,如图
1
所示
[
25
,
26
]
。图
1
(
a
)为激光熔覆压制
纳米
SiC
粉末薄片的 整体形貌,同无 预压置激光 熔
覆层相比,内部孔洞明显减少,有相当多的纳米粒子
已经完全重熔形成 大晶粒组 织 的重结晶 基 体相,同
时在基体相内部还存在着许多未完全长大的残存纳
米粒子。图
1
(
b
)是重结晶区域的高倍形貌,可以看
到重结晶颗粒尺寸 大约在几 个 微米左右,呈现出致
密化进行中的特点,纳米粒 子 重熔长大 形 成的等轴
晶结合在一起
,但是大 量 残余气孔 相 仍未来得 及 排
出
。图
1
(
c
)则是未长大纳米粒 子的高倍形 貌,在激
光作用后,纳米
SiC
粉末快速扩散结合,形成“菜花”
状聚集体分布形态,聚集体由大量纳米粒子组成,如
图
1
(
b
)中微米级等轴晶的雏形状态。
研究表明,激光熔 覆 纯纳米粉 末 制备的纳 米 结
构涂层性能优于 常 规涂层。 然而,由于纳 米 粉末的
表面与界面效应,使得纳米粉末较微米、亚微米粉末
更易团聚。因为它们的表面能更大,表面活性更高,
因此单个纳米粉末 极不稳定,具有强烈 的 吸附周围
9961
11
期
王东生等:激光表面熔覆制备纳米结构涂层的研究进展
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