Metal laser cladding powder classification and characteristics

    Laser cladding technology refers to the process of placing the selected coating alloy powder on the surface of the substrate in different filling methods, irradiating it with a high-energy laser beam, causing it to act on the surface of the substrate, rapidly melting, expanding and solidifying on the surface of the substrate, and then forming a covering layer combined with the base material. This newly generated covering layer can improve or even regenerate the base material, enabling it to achieve wear resistance, heat resistance, corrosion resistance, oxidation resistance and other target properties.

    Laser cladding technology is a complex physical and chemical metallurgical process, and the setting of laser parameters has a great influence on the quality of the cladding layer. In addition, the selection of alloy powder is also an important factor. Laser cladding alloy powder can be divided into self-fluxing alloy powder, composite powder and ceramic powder according to the material composition. Among them, self-fluxing alloy powder is more studied and applied in reality.

    1. Self-fluxing alloy powder

    Self-fluxing alloy powder can be divided into iron-based (Fe), nickel-based (Ni), and cobalt-based (Co) alloy powders. Its main characteristics are that it contains boron (B) and silicon (Si), so it has self-deoxidation and slag-making properties; it also contains a high level of chromium, which preferentially melts with the oxygen in the alloy powder and the oxide on the surface of the workpiece to form low-melting-point borosilicates, etc., which cover the surface of the molten pool to prevent excessive oxidation of the liquid metal, thereby improving the wetting ability of the melt to the base metal, reducing the inclusions and oxygen content in the cladding layer, and improving the process forming performance of the cladding layer, so it has excellent corrosion resistance and oxidation resistance. It has good adaptability to a variety of substrates such as carbon steel, stainless steel, alloy steel, and cast steel, and can obtain a cladding layer with low oxide content and low porosity. However, for sulfur-containing steel, due to the presence of sulfur, a low-melting-point brittle phase is easily formed at the interface, making the coating easy to peel off, so it should be selected with caution.

    01 Iron-based (Fe) self-fluxing alloy powder

    Fe基自溶合金粉末は、局所的な耐摩耗性が必要で変形しやすい部品に適しています。マトリックスは主に鋳鉄と低炭素鋼です。その利点は、材料源が広く、コストが低く、耐摩耗性に優れていることです。欠点は、融点が高く、耐酸化性が低く、割れやすく、クラッド層に気孔があることです。鉄基合金粉末の組成では、合金元素の含有量を調整することでコーティングの硬度を調整し、他の元素を添加することでクラッド層の硬度、割れ感受性、残留オーステナイト含有量を向上させ、クラッド層の耐摩耗性と靭性を向上させます。レーザークラッディング用の鉄基自溶合金粉末は、オーステナイト系ステンレス鋼型と高クロム鋳鉄型の

   
    鉄基合金粉末の2種類に分けられます

    。近年、レーザークラッディングの研究では、鉄基粉末に他の成分を添加する実験が多く行われています。結果は、希土類元素の添加により、クラッディング層表面の不動態膜の剥離防止能力が向上し、材料の腐食による重量損失がさまざまな程度に減少し、クラッディング層の耐食性が向上することを示しています。

    02ニッケル基（Ni）自溶合金粉末

    Ni基自溶合金粉末は、濡れ性、耐腐食性、高温自己潤滑効果に優れ、価格も手頃であるため、広く研究され、レーザークラッディング材料に応用されています。ニッケル

    基合金粉末ニッケル

    基（Ni）自溶合金粉末激しい滑り、衝撃摩耗、研磨摩耗の条件下では、単純な自溶合金粉末では使用要件を満たすことができなくなりました。このとき、様々な高融点炭化物、窒化物、ホウ化物、酸化物セラミック粒子を自溶性合金粉末に加えて金属複合コーティングを作製することができる。03

    コバルト基（Co）自溶性合金粉末コバルト

    基（Co）自溶合金粉末は、耐熱性、耐腐食性、耐摩耗性、耐衝撃性、高温酸化耐性に優れており、石油化学、電力、冶金などの産業分野で耐摩耗性、耐腐食性、高温耐性が必要な場合によく使用されます。Co基自溶合金は濡れ性が良く、融点は炭化物よりも低いです。加熱後、Co元素は最初に溶融状態になり、合金が凝固するときに最初に他の元素と新しい相を形成し、それがクラッド層の強化に有利です。現在、コバルト基合金に使用される合金元素は、主にニッケル、炭素、クロム、鉄です。その中で、ニッケルはコバルト基合金クラッド層の熱膨張係数を低減し、合金の融点範囲を低下させ、クラッド層の亀裂を効果的に防止し、クラッド合金の基材への濡れ性を向上させることができます。

    コバルト基合金粉末を総合的に分析すると

    、Ni基またはCo基自溶性合金粉末系は自溶性、耐腐食性、耐摩耗性、耐酸化性に優れていますが、価格が比較的高いことがわかります。Fe基自溶性合金粉末は安価ですが、自溶性が悪く、割れや酸化が発生しやすいです。したがって、実際の用途では、使用要件に応じて自溶性合金粉末系を合理的に選択する必要があります。2

    .複合粉末

    複合粉末とは、主に炭化物、窒化物、ホウ化物、酸化物、ケイ化物などのさまざまな高融点硬質セラミック材料と金属を混合または複合して形成された粉末系を指します。複合粉末は、レーザークラッディング技術を用いてセラミック粒子強化金属ベースの複合コーティングを作製することができます。この技術は、金属の靭性と優れた加工性と、セラミック材料の優れた耐摩耗性、耐腐食性、耐高温性、耐酸化性を有機的に組み合わせ、炭化物の酸化分解をある程度防ぐことで、高い耐摩耗性と硬度を備えたコーティングを実現します。これは、レーザークラッディング技術における現在の研究開発のホットスポットです。その中でも、炭化物合金粉末と酸化物合金粉末は広く研究・応用されており、主に耐摩耗性コーティングの作製に使用されています。複合粉末中の炭化物粒子は、レーザー溶融池に直接添加することも、金属粉末と直接混合して混合粉末を形成することもできますが、コーティング粉末（ニッケルコーティング炭化物やコバルトコーティング炭化物など）の形で添加する方が効果的です。

    ニッケル基タングステンカーバイド粉末のレーザークラッディングプロセスでは、

    、コーティングされた粉末のコーティングされた金属は、コア炭化物を効果的に保護し、炭化物に対する高エネルギーレーザーの直接的な影響を低減し、炭化物の燃焼、炭素損失、揮発などの現象の発生を効果的に低減または回避できます。

    3.セラミック粉末

    セラミック粉末には、主にシリサイドセラミック粉末と酸化物セラミック粉末が含まれ、その中で酸化物セラミック粉末（アルミナとジルコニア）が主なものです。ジルコニアはアルミナセラミック粉末よりも熱伝導率が低く、耐熱衝撃性に優れているため、遮熱コーティングの製造にもよく使用されます。セラミック粉末は耐摩耗性、耐腐食性、耐高温性、耐酸化性に優れているため、高温耐摩耗性および耐腐食性コーティングの製造によく使用されます。現在、バイオセラミック材料は研究のホットなトピックです。

    ジルコニアセラミック粉末

    セラミック粉末の欠点：母材の熱膨張係数、弾性率、熱伝導率が大きく異なり、クラッド層に亀裂や穴などの欠陥が発生しやすい。使用中に変形したり、割れたり、剥がれたり、損傷したりしやすい。

    純粋セラミックコーティングの亀裂や金属基材との高強度接合を解決するために、一部の学者は中間遷移層を使用し、セラミック層にCaO、SiO2、TiO2などの低融点かつ高膨張係数の材料を添加して内部応力を低減し、亀裂傾向を緩和しようとした。 しかし、既存の研究では、純粋セラミックコーティングの亀裂や剥離の問題は十分に解決されていないことが示されているため、さらに深い研究が必要です。

    現在、レーザークラッディングバイオセラミック材料の研究は、主にTiベース合金やステンレス鋼などの金属の表面にレーザークラッディングされたハイドロキシアパタイト（HAP）、フルオロアパタイト、およびCaおよびPrを含むバイオセラミック材料に焦点を当てています。 ハイドロキシアパタイトバイオセラミックは生体適合性に優れており、古くから人間の歯として国内外の関連学者に広く認められてきました。一般的に、レーザークラッディングバイオセラミックス材料の研究は遅れて始まったものの、非常に急速に発展しており、幅広い展望を持つ研究分野です。4

    . その他の金属粉末

    In addition to the above types of laser cladding powder material systems, the cladding material systems that have been developed and researched also include: copper-based, titanium-based, aluminum-based, magnesium-based, zirconium-based, chromium-based and intermetallic compound-based materials. Most of these materials utilize certain special properties of the alloy system to achieve one or more functions such as wear resistance, friction reduction, corrosion resistance, conductivity, high temperature resistance, and thermal oxidation resistance.

    1. Copper-based

    Copper-based laser cladding materials mainly include copper-based alloy powders and composite powder materials such as Cu-Ni-B-Si, Cu-Ni-Fe-Co-Cr-Si-B, Cu-Al2O3, and Cu-CuO. Using the metallurgical properties of the copper alloy system such as the liquid phase separation phenomenon, copper-based composite powder materials for laser cladding copper-based self-generated composite materials can be designed. Studies have shown that there are a large number of self-generated hard particle reinforcements in the laser cladding layer, which has good wear resistance. Dan Jiguo et al. used the liquid phase separation of Cu and Fe and the metallurgical reaction characteristics of the parent material and the surfacing material to prepare a copper-based alloy composite cladding layer with Fe3Si dispersed distribution by laser cladding. Studies have shown that during the laser cladding process, the Fe element that melts into the molten pool from the parent material is in a liquid phase separation state with the Cu alloy in the molten pool; the Fe that enters the molten pool floats due to its low density, and reacts with Si in the molten pool to form Fe3Si during the floating process. Fe3Si is dispersed in the α-Cu matrix in the laser cladding layer.

    2. Titanium-based

    Titanium-based cladding materials are mainly used to improve the biocompatibility, wear resistance or corrosion resistance of the surface of the base metal material. The titanium-based laser cladding powder materials studied are mainly pure Ti powder, Ti6Al4V alloy powder and titanium-based composite powders such as Ti-TiO2, Ti-TiC, Ti-WC, and Ti-Si. In an argon atmosphere, a Ti-TiC composite coating was laser clad on the surface of Ti6Al4V alloy. The study showed that tiny TiC particles were formed in situ in the composite coating, and the composite coating had excellent friction and wear properties.

    Titanium-based alloy powder (TC)

    3. Magnesium-based

    マグネシウム基クラッド材は、主にマグネシウム合金の表面をレーザークラッディングして、マグネシウム合金表面の耐摩耗性と耐食性を向上させるために使用されます。 マグネシウム基MEZ粉末（組成：Zn：0.5％、Mn：0.1％、Zr：0.1％、RE：2％、Mg：Bal）を一般的な市販のマグネシウム合金にクラッドしました。 研究によると、クラッド層の微小硬度はHV35からHV85-100に増加し、結晶粒の微細化と金属間化合物の再分布により、3.56wt％NaCl溶液中のクラッド層の耐食性はベースのマグネシウム合金と比較して大幅に向上しました。

    マグネシウム基合金粉末

    4、アルミニウム基クラッド

    アルミニウム粉末を、3kW Nd：YAGレーザーを使用して横方向の粉末供給で2つのマグネシウム合金基板WE43とZE41にクラッドし、良好な接合性能を持つクラッド層を得ました。研究では、コーティングの硬度値がHV0.05120-200に達し、硬度の増加の主な理由はAl3Mg2およびAl12Mg17金属化合物の存在であることがわかりました。 ZMeiらは、アルミニウムベースのAl-Zn粉末をマグネシウムベースのZK60 / SiC基板にレーザークラッディングし、冶金的に良好なクラッディング層を得ました。 研究によると、クラッディング層の腐食電位は標準サンプル電位より300mV高く、腐食電流は少なくとも3桁低いことが示されています。

    アルミニウムベースの合金粉末

    5。

    純チタン基板へのジルコニウムベースのZrAlNiCu合金粉末のジルコニウムベースのレーザークラッディング、およびコーティングを研究および分析しました。 コーティングは、高比強度、高硬度の金属間化合物と少量のアモルファス相で構成され、優れた機械的特性を備えていることがわかりました。 ZrAlNiCu合金粉末に2wt%のBと2.75wt%のSiを添加すると、コーティング中の非晶質含有量が増加し、硬度が向上することが分かりました。2つのコーティングの高硬度はそれぞれHV909.6とHV1444.8に達しました。

    ジルコニウム基合金粉末

    5. 要約：

    異なるクラッド材は、クラッド後の特性、価格、性能が大きく異なります。実際の使用では、異なる加工要件に応じて、異なる性能の合金粉末を選択できます。ワークピースの表面に合金粉末をレーザークラッディング（レーザークラッディング）することで、基材の特性に影響を与えることなく、安価な金属基材上に高性能の合金表面を作製でき、生産コストを効果的に削減し、貴重なレアメタル材料を節約できます。肉盛、溶射、電気めっきなどの従来の表面処理技術と比較して、レーザークラッディングは、希釈度が低く、組織が緻密で、コーティングと基材の相性が良く、さまざまなクラッド材に適しており、粒子サイズと含有量の変化が大きく、加工品質が高く、制御性が良い（3次元自動加工が可能）などの利点があります。

    現在、主に材料の表面改質（油圧コラム、ローラー、ギア、ガスタービンブレードなど）、製品表面の補修（ローター、金型、摩耗により破損したベアリング内孔など）に利用されており、補修部品の強度は元の強度の90％以上に達し、補修コストは製品交換コストの1/5以下です。さらに重要なのは、メンテナンス時間を短縮し、大企業の主要設備一式の回転部品の迅速な修理問題を効果的に解決することです。また、主要部品の表面を耐摩耗性・耐腐食性

    合金でレーザークラッディングすることで、部品表面の変形がなく、部品の耐用年数を大幅に向上させることができます。金型表面のレーザークラッディング処理は、金型強度を向上させるだけでなく、製造コストを2/3削減し、製造サイクルを4/5短縮します。

    一般的に、レーザークラッディング技術はハイテクな表面改質技術および設備メンテナンス技術であり、その研究開発は重要な理論的意義と経済的価値を有しています。

    レーザークラッディング材料は、レーザークラッディング技術の発展と応用を制限する主な要因です。レーザークラッディング材料の開発は一定の進歩を遂げていますが、設計されたクラッディング部品の性能と用途要件に応じて合金組成を定量的に設計するには、まだ長い道のりがあります。レーザークラッディング材料はシリーズ化や標準化には程遠く、より深い研究のための努力が必要です。