激光增材制造熔覆Ni基合金涂層組織性能研究進(jìn)展

作者：修虎,米國發(fā),李雷等
來源： 特種鑄造

激光增材制造技術(shù)（3D 打印）是建立在三維建模、數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)處理、三維模型構(gòu)建之上的一項(xiàng)立體快速制造技術(shù)，其基本原理是將激光束掃描到材料成形區(qū)域?qū)⒉牧先刍�，或�(qū)⑷鄹卜勰┤刍�，形成�?guī)則或具有目標(biāo)形狀的瞬時(shí)熔池，通過逐層覆蓋堆積最終成為三維零件的過程，激光熔覆則是激光增材制造技術(shù)其中的一種表面修復(fù)與改性技術(shù)。目前，激光增材制造技術(shù)主要有電子束熔煉技術(shù)、選擇性激光燒結(jié)技術(shù)、選擇性熱燒結(jié)技術(shù)、選擇性激光熔化沉積技術(shù)以及直接金屬激光燒結(jié)激光熔化沉積技術(shù)，金屬結(jié)構(gòu)件激光增材制造技術(shù)應(yīng)用較多的是粉床鋪粉方式的選區(qū)激光熔化（SLM）技術(shù)和同步送粉方式的的激光熔化沉積（LMD）技術(shù)。SLM和LMD兩種技術(shù)的特點(diǎn)和應(yīng)用對(duì)象區(qū)別較為明顯，SLM技術(shù)精度高，成形件致密，但很容易受到預(yù)鋪基板尺寸大小的限制,適用于小型精密器件的小批量生產(chǎn)和快速制造；而LMD技術(shù)的激光能量較大，將金屬粉末直接噴涂到激光束上進(jìn)行熔化沉積，通常運(yùn)用五軸數(shù)控，可以實(shí)現(xiàn)大尺寸、多材料、多角度構(gòu)件的高性能修復(fù)和快速制造，但粉末粒徑大會(huì)導(dǎo)致材料表面的粗糙度較大，適合大面積、大體積鑄件的直接成形。目前用于高溫鎳基合金的激光熔覆表面改性也主要采用SLM和LMD技術(shù)。

金屬激光增材制造技術(shù)由于其設(shè)計(jì)自由、無模、快速、全致密以及近凈成形等特點(diǎn)被用于復(fù)雜高性能金屬結(jié)構(gòu)零件的快速制造，同時(shí)也用于激光熔覆基體表面來進(jìn)行缺陷的修復(fù)以及表面性能的合金化改良[1-3]。近年來關(guān)于激光熔覆表面改性的研究越來越多，以Ni為基體的鎳基高溫合金，高溫下表現(xiàn)出優(yōu)異的力學(xué)性能并具有良好組織穩(wěn)定性，鎳基合金激光熔覆層則成為了相關(guān)領(lǐng)域研究的熱點(diǎn)。目前，激光熔覆鎳基合金可以達(dá)到甚至超過鍛件的綜合力學(xué)性能，但合金內(nèi)部往往會(huì)出現(xiàn)一定的元素偏析、裂紋孔洞、殘余應(yīng)力等缺陷，因此需要在采用激光熔覆技術(shù)的基礎(chǔ)上，通過改善工藝參數(shù)、添加改良元素以及輔助處理在一定程度上優(yōu)化鎳基合金激光熔覆層的性能。此外，在一些苛刻的服役條件下，如冶金裝備上的前卷取側(cè)導(dǎo)板、頂頭、芯棒等，由于需要同時(shí)承受高溫和高速摩擦，對(duì)材料的表面損耗就很大，因此為適應(yīng)更高的工作要求，激光熔覆鎳基合金的高溫耐磨性需要得到進(jìn)一步研究與改進(jìn)。

河南理工大學(xué)聯(lián)合上海電機(jī)學(xué)院材料學(xué)院、上海僅博激光技術(shù)有限公司在2023年第43卷第12期《特種鑄造及有色合金》發(fā)表了題為“激光覆 Ni 基合金涂層組織性能的研究進(jìn)展”的文章，文章指出鎳基合金因其具有良好的耐高溫、抗蠕變性，故作為性能良好的激光熔覆材料廣泛應(yīng)用于各種高性能復(fù)雜結(jié)構(gòu)件的快速修復(fù)及表面改性。激光增材制造鎳基合金表面雖具有良好的硬度和耐高溫性，但在苛刻的服役條件下同時(shí)承受高溫和高速摩擦作用，熔覆層表面損耗仍然很大，故鎳基合金熔覆層的高溫耐磨性需要得到進(jìn)一步提高與優(yōu)化。從激光熔覆工藝參數(shù)、合金元素含量、增強(qiáng)相、自潤滑相及輔助處理對(duì)鎳基合金激光熔覆層的高溫耐磨性能研究現(xiàn)狀進(jìn)行綜合闡述，分析其所面臨的主要難題并提出改進(jìn)措施和進(jìn)行展望。

工藝參數(shù)對(duì)鎳基合金熔覆層的影響
激光熔覆的主要工藝參數(shù)為激光功率、掃描速度、搭接率、進(jìn)粉速率以及光斑尺寸，這些參數(shù)的組合決定了熔覆層的幾何特征，并對(duì)熔覆層的溫度場(chǎng)、應(yīng)力場(chǎng)、內(nèi)部組織轉(zhuǎn)變產(chǎn)生不同的作用，進(jìn)而對(duì)熔覆層的晶粒尺寸、相組成、硬度和耐磨性造成不同的影響；研究工藝參數(shù)對(duì)熔覆層的影響，可通過有限元分析與數(shù)值模擬設(shè)計(jì)驗(yàn)證、改變單一變量進(jìn)行試驗(yàn)對(duì)比、統(tǒng)計(jì)學(xué)建立工藝參數(shù)與熔覆層幾何特征或稀釋率的聯(lián)系來進(jìn)行驗(yàn)證。

NIE P等利用流體力學(xué)，有限元分析和數(shù)值模擬預(yù)測(cè)了熔覆層凝固組織，以及熔覆層凝固組織與粉末尺寸、激光功率和激光掃描速度等工藝參數(shù)的關(guān)系， 發(fā)現(xiàn)當(dāng)激光功率和激光掃描速度在一定比例下同時(shí)增加時(shí)，粉末粒徑對(duì)冷卻速率和二次枝晶臂間距的影響程度減弱，這項(xiàng)工作有助于對(duì)激光熔覆產(chǎn)生更為全面的認(rèn)識(shí)，并為控制鎳基高溫合金激光熔覆層的微觀組織提供了理論基礎(chǔ)。其他一些研究人員通過鎳基合金熔覆層的激光工藝參數(shù)的改變進(jìn)行實(shí)驗(yàn)對(duì)比，得到一些具體一定特征的實(shí)驗(yàn)結(jié)果：YU S F等研究了激光工藝參數(shù)對(duì)鎳基合金熔覆層的影響，發(fā)現(xiàn)在激光功率為2.0 kW，進(jìn)粉速率15 g/min，激光掃描速度為4 mm/s時(shí)，鎳基合金熔覆層與基體具有較好的冶金結(jié)合且熔覆層具有良好的晶粒度，稀釋率低。CAI Z B等在研制Ni-Cr-Co-Ti-V高熵合金涂層時(shí)，發(fā)現(xiàn)當(dāng)激光功率為1 kW，激光光斑直徑為3 mm，激光速度為10 mm/s時(shí)，激光重熔后富鈦相的體積分?jǐn)?shù)顯著增加。顯微硬度高至900 HV。LEI J B等為了提高鎳基涂層的耐磨性和耐蝕性，采用激光熔覆制備了碳纖維增強(qiáng)鎳基復(fù)合涂層，發(fā)現(xiàn)隨著激光掃描速度的提高，復(fù)合涂層中碳纖維的形貌更加完整，復(fù)合涂層的耐蝕性和耐磨性得到提高，當(dāng)激光掃描速度為8mm/s，激光功率為2.4 kW，熔覆層的硬度耐磨性最好。LI R F等在對(duì)鎳基非晶合金的激光熔覆中也發(fā)現(xiàn)在一定的范圍內(nèi)硬度和耐磨性隨著激光掃描速度提高而增加，當(dāng)激光掃描速度為8 mm/s時(shí)，激光功率為800 W時(shí)熔覆層硬度和耐磨性達(dá)到最大。

激光熔覆工藝參數(shù)對(duì)鎳基合金熔覆層的影響在一定程度上具有相似性，但限于研究對(duì)象的不同，以及激光器功率等多重變量因素下無法規(guī)律的探討工藝參數(shù)對(duì)合金涂層的具體影響。但是激光工藝參數(shù)對(duì)熔覆層的影響往往通過改變?nèi)鄢貎?nèi)稀釋率和熔覆層幾何形狀間接影響到熔覆層的性能,因此可以通過研究激光工藝參數(shù)對(duì)熔覆層幾何特征以及稀釋率的線性特征擬合把握激光工藝參數(shù)對(duì)其性能的影響。CAO Q等發(fā)現(xiàn)激光功率與鎳基合金熔覆層的高度、寬度以及稀釋率呈現(xiàn)正相關(guān);然而掃描速度與熔覆層高度和寬度呈現(xiàn)負(fù)相關(guān)，與稀釋率呈現(xiàn)正相關(guān)；進(jìn)粉速率與熔覆層高度成正相關(guān)，與熔覆層寬度和稀釋率成負(fù)相關(guān)，此發(fā)現(xiàn)對(duì)進(jìn)一步有效控制熔覆層的質(zhì)量提供了理論依據(jù)。

添加相對(duì)鎳基合金熔覆層的影響
鎳基高溫合金是一種性能優(yōu)良的激光熔覆材料，同時(shí)為了滿足優(yōu)異的抗氧化、抗疲勞、抗蠕變和抗腐蝕等綜合性能，通常會(huì)在合金粉末中加入Al、Ti、Zr、Nb、Mo、Co、C、等一些固溶強(qiáng)化元素。加入微量元素的種類、含量都會(huì)對(duì)鎳基合金熔覆層的性能產(chǎn)生極大的影響，引入不同種類及含量的外加元素可以顯著提升熔覆層的硬度和耐磨性。

在多數(shù)情況下，鎳基合金的熔覆層會(huì)隨著溫度的升高，合金表面發(fā)生氧化而使耐磨性降低，KRELL J等在研究激光熔覆制備Ni3Si合金的高溫耐磨性時(shí)，發(fā)現(xiàn)Ti的加入雖然降低了Ni3Si合金的抗氧化性，但Ti的加入?yún)s改善了其摩擦學(xué)性能，隨著Ti含量的增加，高溫下熔覆層的磨損機(jī)制發(fā)生改變，提高了耐磨性。CHEN Y K等利用激光熔覆制備了添加Ti元素的鎳基合金熔覆層。結(jié)果表明，Ti的加入使Ni60-20WC 原始涂層中原位生成了Cr5B3和M23C6兩種硬質(zhì)碳化物，溶解了WC，生成了TiC顆粒且分散的TiC顆粒形成的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，使得塊狀Cr5B3顆粒均勻化的分布在組織中，涂層的硬度得好極大提高。為提高球墨鑄鐵的鎳基復(fù)合涂層的綜合性能，蔣智秋等向激光熔覆鎳基合金粉末添加了不同含量的Al，結(jié)果表明在Al含量為6%時(shí)，涂層的耐磨性提高最為顯著；在Al含量8%時(shí)，850 ℃的高溫下抗氧化能力最強(qiáng)。Nb可以促進(jìn)鎳基合金中晶粒的細(xì)化，降低氣孔，裂紋等缺陷的產(chǎn)生，且可以在熔覆過程中與熔融體中的C原位生成NbC增強(qiáng)相，NbC具有高硬度以及熔點(diǎn)等特性。DONG G等采用激光熔覆法在AISI1045碳鋼上熔覆了不同Nb含量的鎳基合金，結(jié)果表明Nb的加入使Ni基合金熔覆層中析出了NbC顆粒和M23C6型碳化物，鍍層的顯微硬度和耐磨性隨鈮含量的增加而增加。張偉等在鎳基合金中加入了V元素，結(jié)果表明隨著V元素的增加，涂層中原位生成的VC增多，耐磨性增強(qiáng)。雍耀維通過將二氧化鋯和石墨按照反應(yīng)摩爾比混合的方式在Ni25、Ni45和 Ni60中添加了Zr元素成功制備了三類含有原位自生ZrC顆粒的ZrC/Ni25、ZrC/Ni45、ZrC/Ni60鎳基復(fù)合涂層。在涂層中，C和ZrO2反應(yīng)生成 ZrC，原位生成的ZrC 不僅細(xì)化了組織結(jié)構(gòu)，而且阻止了M7C3粗大碳化物和 γ-Ni+M23C6 繼續(xù)生長，進(jìn)而提高組織穩(wěn)定性，增加了耐磨性。

微量元素的加入可通過固溶強(qiáng)化、抗氧化改變磨損機(jī)理、細(xì)化晶粒減小裂紋萌生、促進(jìn)強(qiáng)化相溶解而生成新的增強(qiáng)相來改變鎳基涂層的性能，針對(duì)不同的情況可選擇適當(dāng)元素和含量來制備高溫耐磨鎳基復(fù)合涂層。

硬質(zhì)相添加對(duì)鎳基合金熔覆層的作用一般分為兩種，一種在鎳基合金粉末中直接添加硬質(zhì)顆粒，在熔覆過程中的硬質(zhì)相顆粒大部分不融化，直接作為強(qiáng)化相來提高熔覆層的性能；另外一種則是作為過度相，通過促進(jìn)形核細(xì)化晶�；蛏�成新的強(qiáng)化相來強(qiáng)化涂層。鎳基合金熔覆層常用硬質(zhì)相顆粒添加的包括金屬碳化物陶瓷和金屬氧化物陶瓷。

WC是最常用作直接添加的硬質(zhì)相來制備鎳基復(fù)合涂層，WC可與鎳基合金具有良好的冶金結(jié)合，并能制備出冶金性能良好的復(fù)合涂層，采用鎳包WC的方式可使WC在涂層中分布均勻，提高涂層的耐磨性 ，WC也可作為增強(qiáng)相，進(jìn)一步添加微量元素制備耐磨性能更好的復(fù)合鎳基涂層。FU F X等在2Cr13鋼表面制備了添加WC的鎳基合金熔覆層，結(jié)果表明:當(dāng)合金粉末中WC的含量為20%時(shí)，合金涂層具有優(yōu)良的硬度、耐磨和耐沖蝕性能，可有效延長設(shè)備的使用壽命。WANG K M等在Q235鋼表面制備了激光熔覆Ni60A/WC復(fù)合涂層，結(jié)果表明，WC顆粒部分溶解并與其他元素反應(yīng)形成共晶，共晶以塊狀、條狀和球形的形式存在，提高了硬度和耐磨性。YU S F等通過研究NbC加入量對(duì)鎳基合金摩擦磨損性能的影響，發(fā)現(xiàn)當(dāng)NbC的加入量達(dá)到6%時(shí)，熔覆層的磨損量最小，耐磨性最好。TIAN A W等在鎳基粉末中添加Nb2O5利用激光熔覆技術(shù)在A35剛表面進(jìn)行了熔覆實(shí)驗(yàn)，結(jié)果表明在Nb2O5為wt.15%時(shí)，涂層晶粒得到細(xì)化且具有良好的冶金結(jié)合，耐磨性增加了一倍。CHAO M J等研究了TiO2摻雜對(duì)鎳基復(fù)合涂層的影響，結(jié)果表明TiO2的加入，原位生成了較多的TiB2和TiC，增加了成核位點(diǎn)的數(shù)量，提高了形核率，硬質(zhì)相增多的同時(shí)細(xì)化了晶粒和組織，提升了耐磨性。Sahoo CK等在鎳基合金粉末中添加TiC采用激光熔覆技術(shù)在鋼上制備了鎳基合金熔覆層（見圖1），結(jié)果表明TiC的加入，不僅使熔覆層具有良好的冶金結(jié)合，而且熔覆層中的TiC、以及新生成的Ni和Ti等金屬間化合物顯著的提高了熔覆層的耐磨性。LIU Y等在NiFeBSi鎳基合金粉末中添加了SiC,利用激光熔覆技術(shù)獲得了與NiFeBSi形貌相同的鎳基復(fù)合涂層，且隨著SiC的加入，致使γ（Fe,Ni）枝晶間出現(xiàn)了多種類型的碳化物，因此極大地提高了熔覆層的硬度和耐磨性。

圖1 高倍FESEM圖像TiC-Ni涂層組織分布

向鎳基合金粉末中添加硬質(zhì)顆粒來提高激光熔覆層的硬度和耐磨性，主要有以下幾種原理：①硬質(zhì)顆粒與熔覆層擁有良好的冶金結(jié)合，直接作為硬質(zhì)相均勻分布在基體中起到增加強(qiáng)度提高耐磨性的效果。②金屬氧化物的添加往往起到細(xì)化晶粒，增強(qiáng)冶金結(jié)合，減少空洞裂紋萌生的作用。③硬質(zhì)相參與了激光熔池的冶金反應(yīng)，致使涂層中原位生成新的碳化物及其他增強(qiáng)相彌散到晶體間起到增加硬度和耐磨性的作用{Sahoo, 2017 #90;Liu, 2012 #33;Chao, 2004 #85}。

為了減少材料的摩擦、磨損率，最佳的方式就是通過自潤滑來達(dá)到減磨耐磨的效果，潤滑就是用一層具有潤滑效果的薄膜將兩個(gè)發(fā)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)的表面隔開，是物體在摩擦中減少接觸，來實(shí)現(xiàn)減少材料損耗的目的,通過添加自潤滑相，在鎳基合金中起到減磨效果也是增加鎳基合金涂層增加耐磨性的一個(gè)重要途徑。常用作自潤滑相的物質(zhì)有軟金屬、石墨、碳包合金以及硫化物等。

TORRES H等采用激光熔覆手段，將Au、Ag等不同的軟金屬固體潤滑劑通過過渡金屬二鹵族化合物(WS2, MoS2)包裹加入鎳基復(fù)合涂層，使其均勻分布在組織內(nèi)，得到了在室溫到600℃以內(nèi)耐磨性提高的鎳基復(fù)合涂層。馬超等在40CrNi2Si2MoV鋼表面采用了激光熔覆技術(shù)制備了不同含量的鎳包石墨制備了鎳基復(fù)合涂層（見圖2），結(jié)果表明隨著鎳包石墨含量的增加，熔覆層的組織逐漸細(xì)化，并伴隨著石墨相的出現(xiàn)，在鎳包石墨為6%時(shí)，表現(xiàn)出良好的耐磨性。LI M Y等采用激光熔覆技術(shù)，并運(yùn)用離子滲流的方式加入硫元素，在鎳基合金熔覆層表面形成FeS自潤滑相來達(dá)到減磨效果，結(jié)果表明由于FeS的作用，復(fù)合熔覆層的摩擦系數(shù)和磨損量都在減小。ZHU R等在Inconel625合金基體上運(yùn)用激光熔覆技術(shù)制備了鎳基自潤滑涂層NiCrAlY/Ag2O/Ta2O5，結(jié)果表明室溫下Ag為主要的潤滑作用，在350 ℃時(shí)NiO和Ag共同作用進(jìn)行潤滑，當(dāng)550 ℃時(shí)，Ag失去潤滑效果，而NiO和CrO2形成的耐磨釉層為熔覆層起到了主要的潤滑作用，使其在高溫下的耐磨性有很大提高。LU L X等在Ti6Al4V基板上通過激光熔覆手段制備了不同六方氮化硼（hBN）含量的Ni60-hBN復(fù)合鍍層，結(jié)果表明隨著hBN含量的增加涂層的耐磨性和潤滑性也在不斷的增加，在Ni60-10%hBN涂層在高溫(300 ℃和600 ℃)下表現(xiàn)出優(yōu)異的摩擦學(xué)行為。LIU X B等通過激光熔覆手段在NiCr-Cr3C2鎳基合金粉末中加入了WS2自潤滑粉末，并通過電鍍封裝防止WS2的分解，結(jié)果表明在WS2含量為30%時(shí)，涂層在300℃到600℃以內(nèi)具有良好的潤滑和耐磨性。

圖2 不同鎳包石墨含量復(fù)合涂層中石墨的分布狀態(tài)

(a)6.0%鎳包石墨；(b)10.0%鎳包石墨；(c)14.0%鎳包石墨；(d)原始鎳包石墨顆粒

通過添加自潤滑相來達(dá)到熔覆層減磨目的主要有以下兩種形式：①所加入的軟金屬、石墨等自潤滑相均勻分布在組織內(nèi)，使得熔覆層的組織整體具有良好的穩(wěn)定性和潤滑性。②加入硫化物，非金屬等物質(zhì)通過物理化學(xué)結(jié)合的方式在熔覆層的表面形成潤滑層及耐磨釉層來達(dá)到減磨耐磨的目的。通過自潤滑的方式來增加耐磨性在中低溫度往往達(dá)到較好的耐磨效果，但在較高溫度（600 ℃以上）自潤滑相，耐磨釉層會(huì)發(fā)生不同程度的分解，導(dǎo)致耐磨機(jī)制變化，從而使磨損率提高，耐磨變差。因此，有待進(jìn)一步開發(fā)高溫耐磨自潤滑減磨材料體系。

稀土元素被稱為“工業(yè)的維生素”，在鎳基合金粉末中加入稀土元素可使熔覆層的性能大為改善，主要作用可細(xì)化組織晶粒，減少裂紋、缺陷和氣孔、降低熔覆基體稀釋率，提高抗氧化能力，使熔覆層具有更好的冶金結(jié)合能力等。     

NING Z等將Ni60合金粉末和La2O3混合，利用激光熔覆手段在30CrMnSiNi2A基板上制備了添加稀土元素（Re,La2O3)的鎳基復(fù)合涂層，結(jié)果表明La在枝晶間偏析，限制了次生枝晶的粗化，使熔覆層的表面組織得到細(xì)化，顯著的減少了熔覆層中地裂紋和氣孔，使熔覆層地耐磨性得到極大的提高。ZHANG G Y等在Ni60合金粉末中加入稀土CeO2利用激光熔覆在6063-Al上制備了鎳基合金熔覆層，結(jié)果表明在 CeO2含量為5wt.%時(shí)，在Ni60熔覆層具有較好的組織和形貌，且減少了裂紋和氣孔，尤其是在熔覆層的表面作用更為明顯，從而使熔覆層的耐磨性提高。WANG C等同樣在6063-Al表面制備了不同稀土含量的鎳基合金熔覆層，結(jié)果表明添加4% CeO2、5% La2O3和5% Y2O3的Ni60熔覆層比Ni60的熔覆層具有更好的形貌特征，氣孔和裂紋明顯減少，熔覆層的硬度隨著熔覆層深度而逐漸減小，且稀土的加入使熔覆層的稀釋度增加。CAI Y等在Cr12MoV鋼表面利用激光熔覆手段制備了不同CeO2含量的Ti/Ni復(fù)合涂層（見圖3），結(jié)果表明熔覆層從底部到表面依次是柱狀晶、胞狀晶、等軸晶，適當(dāng)?shù)南⊥猎�素使得熔覆層組織細(xì)化，并在表面析出較多的TiC顆粒，使得表面的耐磨性提高；過量的稀土元素會(huì)污染晶界且導(dǎo)致TiC顆粒過度的燒損，從而降低熔覆層耐磨性。

圖3 不同含量稀土復(fù)合涂層界面

(a)0 %; (b) 2 %; (c) 4 % ; (d) 6 %

稀土元素的加入對(duì)熔覆層的影響主要有以下特點(diǎn)：①稀土的加入并沒有產(chǎn)生新的相，對(duì)枝晶的生長產(chǎn)生重要影響，彌散的稀土元素釘扎晶界長大，產(chǎn)生偏析，增加了等軸晶數(shù)量，從而達(dá)到細(xì)晶強(qiáng)化。②稀土對(duì)熔覆層晶粒的作用敏感度從頂部到深處越來越弱，熔覆層頂部的晶粒最為細(xì)化，涂層表面更加致密，耐磨性硬度最好。③稀土元素的另外一個(gè)主要的作用是凈化合金晶界，吸附熔覆層中難溶化合物磷、硫等，減少熔覆層缺陷生成，但過量加入則會(huì)燃燒晶界。

輔助處理對(duì)鎳基合金涂層的影響
未經(jīng)輔助處理的熔覆層往往會(huì)存在較大的殘余應(yīng)力、裂紋、氣孔等，適當(dāng)?shù)妮o助處理不僅可以減少缺陷的產(chǎn)生，也可以優(yōu)化熔覆層的性能，隨著激光熔覆的發(fā)展以及熔覆件性能的要求，輔助處理對(duì)激光熔覆鎳基合金的研究也在不斷深入，常見的對(duì)鎳基合金熔覆層輔助處理的方式有熱處理、電磁場(chǎng)，超聲等手段。

FERREIRA A A等研究了基材預(yù)熱對(duì)鎳基合金熔覆層的影響，結(jié)果表明在基板預(yù)熱300 ℃時(shí)對(duì)鎳基合金熔覆層和基材界面區(qū)域有較大影響，減少了熔覆層中有害Laves相的形成，使涂層組織更加均勻。GONG F B等采用激光熔覆在FV520B鋼表面制備了FeCrNi合金熔覆層，研究了熱處理對(duì)鎳基合金的影響，結(jié)果表明在1 073 ~ 1 273 K的熱處理過程中，二次淬火的作用使基體材料的晶粒得到細(xì)化，并使熔覆層與基體結(jié)合的硬度軟區(qū)得到了有效去除;當(dāng)熱處理溫度為1 073 K時(shí)，熔覆層獲得了最大的抗拉強(qiáng)度，但也在一定程度影響了其耐磨性。DURGE G等在AISI410不銹鋼表面熔覆了NiCrBSi合金涂層，并在625℃下熱處理了1.5 h，結(jié)果表明熱處理后的NiCrBSi熔覆層硬度提升約1/3，并且熱處理過程中涂層中形成了額外的硼化物、碳化物沉淀，其耐磨性也有明顯的提高。

YAO F P等為了在不增加強(qiáng)化相的情況下使鎳基合金熔覆層的性能最大優(yōu)化，采用了不同頻率的超聲輔助對(duì)鎳基合金熔覆層進(jìn)行了處理，并使用摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)對(duì)熔覆層進(jìn)行了硬度和摩擦磨損的測(cè)試，實(shí)驗(yàn)表明適度的超聲頻率能顯著的細(xì)化熔覆層的組織，使熔覆層的硬度和耐磨性得到顯著提高，且熔覆層具有良好的細(xì)晶粒。HU G F等創(chuàng)新性的將電磁和超聲疊加輔助處理在鎳基合金熔覆層上，并采用有限元分析對(duì)熔覆場(chǎng)流體的輔助影響模擬（見圖4），模擬結(jié)果表明聲流改變了熔池的宏觀運(yùn)動(dòng)，電磁場(chǎng)加劇了熔池的對(duì)流，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：輔助場(chǎng)的加入細(xì)化了組織，內(nèi)部元素偏析均勻，由于熔池對(duì)流加劇，元素偏析被抑制，枝晶生長被打破，進(jìn)一步細(xì)化了組織，與未加輔助場(chǎng)的熔覆層相比，極大的提高了硬度和耐磨性。

圖4 復(fù)合場(chǎng)輔助處理鎳基合金熔覆層表面微觀組織

無論是單一輔助場(chǎng)，還是復(fù)合場(chǎng)均可對(duì)鎳基合金熔覆層組織性能進(jìn)行調(diào)控，主要的作用機(jī)理可分為：①基板預(yù)熱處理，增加冶金結(jié)合，提高熔覆層抗裂性，改善激光熔覆工藝性。②后期熱處理，通過退火消除應(yīng)力集中，進(jìn)行時(shí)效強(qiáng)化，改善熔覆層的組織結(jié)構(gòu)，提高硬度耐磨性。③超聲和電磁場(chǎng)的輔助通過增加熔池液體對(duì)流，產(chǎn)生枝晶破碎使組織更加均勻，從而細(xì)化晶粒，起到增加硬度和耐磨性。

結(jié)語與展望
（1）激光工藝參數(shù)對(duì)鎳基合金熔覆層的影響基于合金成分不同和復(fù)雜多變不可控量未有規(guī)范可循的參考，但可以從激光功率等參數(shù)對(duì)稀釋率、熔覆層幾何形狀等角度對(duì)工藝參數(shù)進(jìn)行調(diào)節(jié)，對(duì)于具體的影響和作用仍需大量的研究和統(tǒng)計(jì)學(xué)分析去標(biāo)準(zhǔn)化。

（2）微量元素、合金成分、稀土元素對(duì)鎳基合金的影響具有相輔相成的作用，往往通過細(xì)化晶粒、枝晶偏析、固溶強(qiáng)化等單一或共同作用來提高熔覆層性能，不同之處在于稀土的加入往往不會(huì)產(chǎn)生新相，而合金元素加入可原位促進(jìn)新的強(qiáng)化相和增強(qiáng)相來提高熔覆層耐磨性。添加相對(duì)于熔覆層的影響已相當(dāng)成熟，仍需在提高鎳基合金熔覆層耐高溫、高速摩擦、強(qiáng)腐蝕方面繼續(xù)深耕。

（3）自潤滑相的加入改變了鎳基合金熔覆層的磨損機(jī)理，在600 ℃以下往往表現(xiàn)出優(yōu)異的耐磨性，在600 ℃及以上溫度潤滑相的氧化和耐磨釉層的分解需要進(jìn)一步優(yōu)化。

（4）輔助處理可對(duì)鎳基合金熔覆層組織的細(xì)化和殘余應(yīng)力、缺陷的消除具有至關(guān)重要的影響，但目前關(guān)于鎳基合金熔覆層的輔助處理研究還比較少，在定性、定量使用輔助處理熔覆層時(shí)仍需做進(jìn)一步研究。

對(duì)鎳基合金熔覆層高溫耐磨的研究一直在深入，在工藝參數(shù)方面可以早日實(shí)現(xiàn)規(guī)范具體的參考標(biāo)準(zhǔn)，再通過具體的元素強(qiáng)化、自潤滑相減磨、輔助處理的多方位優(yōu)化，有望實(shí)現(xiàn)激光熔覆鎳基合金涂層優(yōu)異的耐高溫磨損性能，進(jìn)一步推廣其工業(yè)應(yīng)用。