0. 引言
等離子噴涂作為一種成熟的熱噴涂技術(shù)，具有生產(chǎn)效率高、射流溫度高、噴涂用材廣、涂層質(zhì)量好等優(yōu)點(diǎn)，目前已經(jīng)廣泛應(yīng)用于耐磨、耐腐蝕、耐高溫氧化、絕緣、隔熱、防輻射、防菌等涂層的工業(yè)生產(chǎn)制備中[1-3]。等離子噴涂技術(shù)通過(guò)等離子焰流高溫熔化粉末，使熔融或半熔融態(tài)粒子高速?zèng)_擊基體表面并沉積形成層狀涂層。由于受熔融效果不良、氧化等因素影響，涂層不可避免地存在裂紋、孔隙等缺陷，進(jìn)而影響到性能[4-5]。
近年來(lái)，學(xué)者就如何消除/減少等離子噴涂涂層的缺陷，延長(zhǎng)其使用壽命進(jìn)行了大量探索研究[6-8]。目前主要的研究思路包括調(diào)整噴涂工藝參數(shù)[9]，使用小顆粒添加劑對(duì)缺陷進(jìn)行填充[10]，對(duì)等離子噴涂涂層進(jìn)行熱處理[11]或激光重熔處理[12]等。激光重熔采用高能量束使涂層快速熔化后凝固[13]，促進(jìn)涂層重熔后再結(jié)晶，能夠有效細(xì)化晶粒、降低孔隙率、減少裂紋，使涂層與基體由機(jī)械結(jié)合向冶金結(jié)合轉(zhuǎn)變，并且重熔過(guò)程中還會(huì)形成新物相，進(jìn)而改善涂層性能。作為一種成熟的改性手段，激光重熔被廣泛應(yīng)用于各類金屬、陶瓷涂層的改性上[14-17]，激光重熔過(guò)程中涂層微觀結(jié)構(gòu)及物化性能演變研究已成為國(guó)內(nèi)外相關(guān)學(xué)科研究的熱點(diǎn)。
為了給相關(guān)研究人員提供參考，作者總結(jié)了激光重熔改性等離子噴涂金屬、陶瓷和復(fù)合材料涂層的研究進(jìn)展，探討了目前研究中存在的問(wèn)題，并對(duì)未來(lái)研究方向進(jìn)行展望。
1. 激光重熔等離子噴涂金屬涂層
鉬、鎢、鈦等金屬因具有強(qiáng)度和硬度高等特點(diǎn)，在工業(yè)中常用作等離子噴涂原料，形成的涂層韌性高，耐熱強(qiáng)度和耐腐蝕性能突出[18-21]。但是，等離子噴涂金屬單質(zhì)涂層中存在微裂紋及孔隙等缺陷，組織均勻性和致密性較差。通?？赏ㄟ^(guò)激光重熔后處理來(lái)有效減少涂層中的缺陷，從而改善涂層性能。MANJUNATHA等[22]研究發(fā)現(xiàn)：對(duì)等離子噴涂鉬涂層進(jìn)行激光重熔處理后，涂層孔隙率由10.83%降至1.34%，顯微硬度由630HV提高至750 HV，10~50N載荷下的磨損體積損失降至重熔前的1/4~1/3，涂層與基體間由弱機(jī)械結(jié)合轉(zhuǎn)變?yōu)橐苯鸾Y(jié)合。王進(jìn)[23]研究發(fā)現(xiàn)，等離子噴涂鋁涂層經(jīng)1000W功率激光重熔后與鈍鈦基體形成冶金結(jié)合，涂層主要組成相為TiAl3，在高溫氧化過(guò)程中，該相可以提供足夠鋁元素與氧元素結(jié)合生成Al2O3氧化膜，從而顯著提高高溫下的抗氧化性能。
相比等離子噴涂金屬單質(zhì)涂層，等離子噴涂合金涂層除了會(huì)出現(xiàn)氣孔和裂紋等缺陷外，若原料為金屬單質(zhì)混合粉末，還會(huì)出現(xiàn)因冷速過(guò)快導(dǎo)致的各組分無(wú)法完全反應(yīng)形成合金相而影響涂層性能的問(wèn)題。對(duì)等離子噴涂合金涂層進(jìn)行激光重熔，可以使半熔融或未熔融的金屬單質(zhì)相發(fā)生二次反應(yīng)，生成新的合金相，從而提高涂層硬度、耐腐蝕性等性能。?LIWI?SKI等[24]研究發(fā)現(xiàn)，激光重熔后，等離子噴涂Cr-Ni-Re合金涂層的結(jié)構(gòu)和化學(xué)成分趨于均勻，孔隙率由重熔前的5.6%降至0.2%。XU等[25]研究發(fā)現(xiàn)，對(duì)等離子噴涂NiAl合金涂層進(jìn)行激光重熔可以消除涂層中的單質(zhì)鎳和鋁，生成晶粒尺寸均勻的AlNi3相，涂層硬度達(dá)到（492.4±16.2） HV，是重熔前的3倍。LIAO等[26]研究發(fā)現(xiàn)，激光重熔能將鎳和銅純金屬相轉(zhuǎn)變?yōu)镹iCu合金相和CuO相，相比重熔前，重熔后涂層自腐蝕電位增大，自腐蝕電流密度降低，耐腐蝕性提升。除傳統(tǒng)合金外，激光重熔也被用于對(duì)新興的高熵合金（HEA）涂層進(jìn)行處理。研究[27-29]發(fā)現(xiàn)，對(duì)等離子噴涂高熵合金涂層進(jìn)行激光重熔，可以促進(jìn)二次反應(yīng)形成硬質(zhì)相，起到強(qiáng)化作用。JIN等[27]對(duì)FeCoCrNiAl0.5Si2.0高熵合金涂層進(jìn)行了激光重熔，發(fā)現(xiàn)涂層中形成了Cr3Si硬質(zhì)相，且面心立方相向硬度更高的體心立方相轉(zhuǎn)變，晶粒細(xì)化，顯微硬度由未重熔的500 HV提高至1100HV。JIN等[29]進(jìn)一步對(duì)AlCoCrFeNi（TiN）高熵合金涂層進(jìn)行激光重熔，發(fā)現(xiàn)涂層中形成了新物相（Al2O3+TiN），涂層晶粒得到細(xì)化，顯微硬度最高達(dá)到851HV，幾乎達(dá)到重熔前的兩倍。
目前，關(guān)于激光重熔改善等離子噴涂金屬涂層硬度及耐磨性等的研究已取得一定成果。但是，金屬涂層面臨的服役環(huán)境越來(lái)越嚴(yán)苛，對(duì)于耐高溫、耐腐蝕、耐磨蝕、耐氧化、抗菌等性能的要求也越來(lái)越高，采用激光重熔改性金屬材料涂層，能夠順應(yīng)未來(lái)發(fā)展方向，擴(kuò)大激光重熔和等離子噴涂相結(jié)合的應(yīng)用范圍。
2. 激光重熔等離子噴涂陶瓷涂層
等離子噴涂陶瓷涂層具有高熔點(diǎn)、高硬度、高耐磨性、高耐氧化性等優(yōu)點(diǎn)[30]。但是，陶瓷硬質(zhì)相顆粒和內(nèi)應(yīng)力的存在會(huì)引起等離子噴涂陶瓷涂層微裂紋的萌生和擴(kuò)展，導(dǎo)致涂層過(guò)早失效。激光重熔能夠精確控制能量輸入，其較高的凝固速率有利于形成細(xì)枝晶微觀結(jié)構(gòu)，促進(jìn)晶粒重新均勻分布，從而改善等離子噴涂陶瓷涂層的性能[31-32]。
2.1 硬度
激光重熔可以促進(jìn)元素在基體與涂層間擴(kuò)散，使基體和涂層形成冶金結(jié)合，未熔化顆粒和層狀結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變?yōu)闃?shù)枝狀晶體，消除涂層微觀結(jié)構(gòu)的不均勻性[33]。崔靜等[34]研究發(fā)現(xiàn)，對(duì)等離子噴涂氧化釔穩(wěn)定氧化鋯涂層進(jìn)行激光重熔后，涂層基體組織自上而下依次由條狀晶、針狀晶變?yōu)榧?xì)小的針狀晶、珠光體，顯微硬度高達(dá)2111 HV，約為重熔前的3倍。YANG等[35]研究發(fā)現(xiàn)，激光重熔在消除等離子噴涂Al2O3-40%TiO2（質(zhì)量分?jǐn)?shù)，下同）涂層中層狀缺陷的同時(shí)，將亞穩(wěn)相γ-Al2O3轉(zhuǎn)變?yōu)榉€(wěn)定相α-Al2O3，顯微硬度由460~630HV提高至980~1000HV，分布也更加均勻。DAS等[36]研究發(fā)現(xiàn)，由于激光重熔后涂層中的層狀結(jié)構(gòu)消失，其表面粗糙度由6~8µm降至1~2µm，孔隙率相比重熔前降低了90%以上，顯微硬度提高了28%。此外，激光能量密度、冷卻速率等激光重熔工藝參數(shù)對(duì)涂層改性效果存在較大影響。YU等[37]研究發(fā)現(xiàn)，隨著激光能量密度增加，激光重熔等離子噴涂Al2O3-20%ZrO2涂層的顯微硬度提高。
2.2 摩擦學(xué)性能
等離子噴涂陶瓷涂層具有優(yōu)異的耐磨性能，常用于機(jī)械零部件表面防護(hù)[38]。陶瓷材料的摩擦學(xué)性能在很大程度上取決于物相組成、晶粒尺寸、氣孔數(shù)量、微裂紋等組織特征。激光重熔可以消除陶瓷材料中的疏松結(jié)構(gòu)、氣孔等缺陷，從而改善等離子噴涂陶瓷涂層的摩擦學(xué)性能。DAS等[39]研究了激光重熔等離子噴涂Al2O3和Cr2O3涂層的抗劃傷性能和失效機(jī)制，結(jié)果表明：激光重熔使涂層中的層狀組織轉(zhuǎn)變?yōu)橹鶢罱M織，使涂層結(jié)構(gòu)更加致密；相比重熔前，激光重熔后Al2O3和Cr2O3涂層的體積磨損率分別降低80%，76%，主要失效機(jī)制是塑性變形、拉伸開(kāi)裂和層裂。ZHOU等[33]研究發(fā)現(xiàn)，等離子噴涂Al2O3–13%TiO2涂層經(jīng)激光重熔后，在磨損過(guò)程中質(zhì)量損失變化很小，且僅為重熔前的1/2~1/3。HAZRA等[40]研究發(fā)現(xiàn)，激光重熔顯著降低了等離子噴涂鋯剛玉（Al2O3–ZrO2）涂層的摩擦因數(shù)。
2.3 抗熱震性
等離子噴涂熱障涂層（TBCs）是一種陶瓷涂層，沉積在耐高溫金屬或超合金等材料表面，起到隔熱作用，廣泛用于發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪葉片等熱端部件。TBCs中孔隙和微裂紋的存在，會(huì)導(dǎo)致其在熱循環(huán)過(guò)程中生成熱生長(zhǎng)氧化物（TGO），損壞其抗熱震性，引發(fā)部件失效[41]。激光重熔可以減少TBCs中的未熔融顆粒、氣孔、微裂紋等缺陷，增加致密性，阻礙氧原子進(jìn)入，從而提高抗熱震性能。FENG等[42]對(duì)激光重熔等離子噴涂ZrO2-Y2O3（YSZ）和La2Zr2O7熱障涂層進(jìn)行1100℃高溫氧化試驗(yàn)，結(jié)果表明，氧原子難以通過(guò)外部致密的重熔涂層進(jìn)入內(nèi)部黏結(jié)涂層，相比重熔前，涂層中TGO含量增速慢且厚度較薄，有效降低了氧化質(zhì)量增加，提高了涂層的耐高溫氧化性。FENG等[41]還研究了影響YSZ熱障涂層抗熱震性的因素，發(fā)現(xiàn)影響因素主要包括TGO相變應(yīng)力、生長(zhǎng)應(yīng)力及其與黏結(jié)涂層之間的熱失配應(yīng)力，激光重熔可以降低TGO生長(zhǎng)應(yīng)力及其與黏結(jié)涂層之間的熱失配應(yīng)力，從而降低YSZ熱障涂層的層裂傾向，進(jìn)而提高抗熱震性。DAS等[43]通過(guò)拉曼光譜法表征了激光重熔等離子噴涂YSZ熱障涂層的殘余應(yīng)力演變，結(jié)果表明，激光重熔后涂層具有較低的殘余拉伸應(yīng)力（0.2~0.9GPa），其硬度、斷裂韌度和彈性模量分別提高了33%，42%，47%，這些性能的改善都有利于熱障涂層抗熱震性的提高。
內(nèi)應(yīng)力是影響等離子噴涂熱障涂層抗熱震性的主要因素，激光重熔能夠釋放內(nèi)應(yīng)力，從而有效提高涂層的工作壽命。后期可嘗試在激光重熔過(guò)程中加入稀土元素，優(yōu)化等離子噴涂熱障涂層的物相結(jié)構(gòu)，從而進(jìn)一步改善抗熱震性能。
2.4 其他性能
激光重熔除了顯著改善等離子噴涂陶瓷涂層的硬度、耐磨性和抗熱震性外，還會(huì)對(duì)涂層的導(dǎo)熱性和耐腐蝕性等其他關(guān)鍵性能產(chǎn)生積極影響[44-47]。XU等[48]研究了激光重熔等離子噴涂納米Al2O3-13%TiO2涂層中晶粒的生長(zhǎng)特性，發(fā)現(xiàn)納米顆粒生長(zhǎng)對(duì)溫度非常敏感，重熔層上部的納米顆粒長(zhǎng)大為亞微米顆粒，而重熔層下部的顆粒仍保持其納米級(jí)尺寸，在較優(yōu)的工藝參數(shù)下，激光重熔可獲得具有細(xì)小等軸晶的重熔層。CUBERO等[49]研究發(fā)現(xiàn)，激光重熔等離子噴涂Al2O3涂層由上部的致密重結(jié)晶氧化鋁層和靠近銅基體的多孔層組成，與重熔前相比，重熔后涂層的熱性能在40~70K范圍內(nèi)得到顯著改善，其傳熱系數(shù)高達(dá)9500~15500W·m−2·K−1。虞禮嘉等[50]研究發(fā)現(xiàn)，在950℃下75%Na2SO4+25%NaCl混合熔鹽中，激光重熔后等離子噴涂熱障涂層的耐熱腐蝕時(shí)間（100h）遠(yuǎn)長(zhǎng)于重熔前（50h）。
3. 激光重熔等離子噴涂復(fù)合材料涂層
復(fù)合材料可以同時(shí)發(fā)揮基體相與增強(qiáng)相材料的優(yōu)點(diǎn)，克服單一材料的缺陷，擴(kuò)大使用范圍，被廣泛應(yīng)用于航空航天、汽車、電子電氣、建筑等領(lǐng)域[51-52]。對(duì)等離子噴涂復(fù)合材料涂層進(jìn)行激光重熔，可以消除涂層孔隙率高、質(zhì)地不均勻、與基體結(jié)合力弱等缺陷，充分發(fā)揮復(fù)合材料優(yōu)勢(shì)[53-54]。
趙運(yùn)才等[55]研究發(fā)現(xiàn)：激光重熔消除了等離子噴涂WC/Fe復(fù)合涂層中的層狀結(jié)構(gòu)和孔隙等缺陷，重熔層頂部組織為等軸晶和細(xì)小枝晶，底部組織為胞狀晶，涂層與基體結(jié)合區(qū)組織為粗大的樹(shù)枝晶，二者形成了冶金結(jié)合；激光重熔層中形成了M23C6和Ni6BSi2等硬質(zhì)相，涂層平均顯微硬度高達(dá)1500HV，約為重熔前的2倍，室溫體積磨損率（8.5×10−5mm3·N−1·m−1）約為重熔前（25.13×10−5mm3·N−1·m−1）的1/3。何文等[56]研究發(fā)現(xiàn)，等離子噴涂WC/Ni涂層經(jīng)激光重熔后，WC再次發(fā)生分解，生成W2C等新的硬質(zhì)相，與周圍的鎳形成“軟基相+硬質(zhì)點(diǎn)”組合，孔隙率由重熔前的7.02%降至3.08%，涂層的耐磨性和顯微硬度顯著提高。
激光重熔參數(shù)的選擇對(duì)改善等離子噴涂復(fù)合材料涂層性能有著重要影響。上官緒超等[57]研究了激光功率對(duì)重熔等離子噴涂WC/Fe復(fù)合涂層組織及摩擦學(xué)性能的影響，發(fā)現(xiàn)：當(dāng)激光功率為800W時(shí)，涂層中各元素分布均勻，且原位生成的M7C3和FeSi等新物相彌散分布于奧氏體晶間，涂層組織最致密；600，800，1000W功率下激光重熔后涂層的平均摩擦因數(shù)分別為0.22，0.11，0.43，均明顯低于重熔前（0.81），激光重熔提高了涂層的耐磨性，且800W功率下改性效果最好。趙運(yùn)才等[58]研究了掃描速度對(duì)激光重熔等離子噴涂金屬陶瓷復(fù)合涂層組織與性能的影響，發(fā)現(xiàn)：當(dāng)掃描速度過(guò)低時(shí)，加熱時(shí)間較長(zhǎng)，能量吸收及熔池深度較大，稀釋率較高；當(dāng)掃描速度過(guò)高時(shí)，材料內(nèi)部熱量不足，導(dǎo)致未熔顆粒殘留并產(chǎn)生氣孔，孔洞和裂紋等缺陷較多；當(dāng)掃描速度為750mm·min−1時(shí)涂層組織最佳。趙運(yùn)才等[59]還進(jìn)一步研究了重熔軌跡對(duì)激光重熔等離子噴涂鐵基Ni/WC涂層組織和性能的影響，結(jié)果表明，圓形激光重熔軌跡下涂層的孔隙率較小，顯微硬度和磨損質(zhì)量損失分別為打點(diǎn)激光重熔軌跡涂層的1.4倍和33.7%。
綜上所述，激光重熔除了對(duì)等離子噴涂復(fù)合材料涂層起到晶粒細(xì)化作用外，還能夠促使涂層與基體間形成均勻分布的新物相，從而改善復(fù)合材料涂層的性能。激光參數(shù)的優(yōu)化可以使激光重熔效果得到顯著提升。
4. 結(jié)束語(yǔ)
等離子噴涂技術(shù)以其高效、靈活和廣泛的應(yīng)用性，在工業(yè)涂層制備領(lǐng)域占據(jù)了重要地位，常見(jiàn)的等離子噴涂涂層包括金屬涂層、陶瓷涂層、復(fù)合材料涂層等。然而，等離子噴涂涂層中常會(huì)產(chǎn)生孔隙、裂紋、層狀結(jié)構(gòu)等缺陷，并且涂層與基體常為弱機(jī)械結(jié)合，限制了涂層性能的進(jìn)一步提升。激光重熔作為一種有效的后處理方法，可通過(guò)細(xì)化晶粒、促進(jìn)冶金結(jié)合以及生成新物相等方式顯著提高等離子噴涂涂層的硬度、耐磨、抗熱震等性能。
目前，激光重熔改性等離子噴涂涂層的發(fā)展仍面臨以下問(wèn)題：激光重熔過(guò)程中的溫度場(chǎng)、應(yīng)力場(chǎng)等難以進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)；激光輻照導(dǎo)致熔池區(qū)域溫度梯度大，由此產(chǎn)生的熱應(yīng)力易使等離子噴涂涂層產(chǎn)生裂紋和剝落[60-61]；激光重熔工藝參數(shù)的選擇會(huì)很大程度上影響重熔效果，工藝參數(shù)與重熔效果之間的關(guān)系尚未研究透徹。針對(duì)以上問(wèn)題，未來(lái)可著眼于以下幾個(gè)方面的工作：
（1）將ANSYS、Abaqus、Comsol等模擬軟件與實(shí)際激光重熔等離子噴涂試驗(yàn)相結(jié)合，對(duì)溫度場(chǎng)、應(yīng)力場(chǎng)等難以實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)的數(shù)據(jù)進(jìn)行模擬，根據(jù)模擬結(jié)果優(yōu)化工藝及材料組成。
（2）探索激光重熔過(guò)程中涂層的開(kāi)裂和剝落機(jī)理，輔以其他工藝措施，降低重熔后冷卻速率和溫度梯度，改善重熔涂層開(kāi)裂敏感性。
（3）合理優(yōu)化激光重熔工藝參數(shù)，加強(qiáng)研究各參數(shù)間相互作用，以期通過(guò)最優(yōu)工藝組合減少重熔涂層缺陷，提高重熔涂層綜合性能。
文章來(lái)源——材料與測(cè)試網(wǎng)