以Ti6Al4V沉积层为基体，研究基体表面预处理对超音速激光沉积涂层/基体界面结合的影响。试验前，基体表面经过三种不同方式的预处理，分别为抛光、打磨和喷砂。利用X射线衍射仪和表面轮廓仪对基体表面的物相组成和粗糙度进行了分析，利用光学显微镜对涂层/基体界面结合进行了分析，利用单颗粒撞击有限元模型对颗粒与不同表面粗糙度基体的结合情况进行了分析。研究结果表明，打磨处理的基体由于表面生成氧化钛陶瓷相，涂层发生脱落。抛光处理的基体较喷砂处理的基体有更低的表面粗糙度，其涂层/基体界面结合更紧密。数值模拟表明，基体表面的起伏特征在颗粒/基体界面处促成温度和应变的不均匀分布，阻碍颗粒与基体间的紧密结合。

为了提高铜(Cu)材料的耐磨性能,扩大Cu材料的应用领域,采用超音速激光沉积技术在纯Cu表面制备了石墨/Cu复合涂层,研究了不同石墨含量对复合涂层微观组织、显微硬度以及耐磨损性能的影响。研究结果表明,当原始粉末中石墨的质量分数从5%增加至15%时,复合涂层的沉积效率呈下降趋势。石墨作为一种软固体润滑剂,其在复合涂层中含量的提高会降低涂层抵抗塑性变形的能力,进而复合涂层的显微硬度随石墨含量的增加,从122.48 HV_0.2降至95.02 HV_0.2。此外,复合涂层的磨损率也随涂层中石墨含量的增加而降低。故当原始粉末中石墨的质量分数为15%时,所制备的复合涂层具有最优的耐磨损性能,平均摩擦系数为0.179,磨损率为0.71×10 ^-4 mm ³/(N·m)。不含石墨时涂层的磨损机制为黏着磨损,随着涂层中石墨含量的增加,磨损机制从黏着磨损转为磨粒磨损。

为了系统研究激光辐照对超音速激光沉积(SLD)Ti6Al4V涂层颗粒界面结合及致密性的影响并揭示涂层界面结合与其耐磨损性能的关系,采用不同功率激光在Ti6Al4V基板上制备了SLD-Ti6Al4V涂层,利用扫描电子显微镜(SEM)、能谱仪(EDS)、X射线衍射仪(XRD)、显微硬度仪和摩擦磨损仪等对涂层的微观特性、物相组成、显微硬度和摩擦磨损性能进行了分析。结果表明,激光辐照会诱使SLD-Ti6Al4V涂层中的颗粒在界面处发生原位氮化反应,生成氮化钛陶瓷相,且随着激光辐照功率的升高,氮化钛的尺寸和含量会增加。当激光辐照功率为800 W时,氮化钛陶瓷相的宽度可达4.5 μm,且在涂层中的面积占比可达28.06%。由于界面处的氮化钛陶瓷的相对孔隙具有闭合效应,SLD-Ti6Al4V涂层的孔隙率可从冷喷涂(CS)Ti6Al4V涂层的8.28%降至1.85%。由于高硬度陶瓷相的存在,SLD-Ti6Al4V涂层的显微硬度可达到360~370 HV。此外,SLD-Ti6Al4V涂层较Ti6Al4V基体和CS-Ti6Al4V涂层具有更优的耐磨损性能,这是由于SLD-Ti6Al4V涂层在高能激光束加热与高压氮气源的共同作用下,在颗粒界面处原位生成了Ti₂N、TiN等氮化物反应层,涂层致密度得到提高,颗粒之间形成了冶金结合,界面结合强度也得到提高。这些原位生成且结合良好的氮化钛陶瓷相使SLD-Ti6Al4V涂层的耐磨损性能得到提高。

利用超音速激光沉积(SLD)和激光熔覆(LC)两种基于激光的加工技术在17-4 PH不锈钢的表面上制备Stellite-6涂层,并对涂层的微观特性以及气蚀机制进行分析。结果表明,LC技术所制备的涂层在气蚀过程中表现出较大的累积失重量和气蚀速率,SLD技术所制备的涂层则保持较小的气蚀速率。由于SLD技术的激光能量密度小于LC技术,故SLD技术所制备的涂层保持原始粉末中细小的枝晶组织结构,避免基体元素对涂层的稀释。对于SLD技术所制备的涂层,由粉末颗粒塑性变形导致的加工硬化使其硬度与弹性模量的比高于LC技术所制备的涂层。上述因素均是SLD技术所制备涂层的抗气蚀性能优于LC技术所制备涂层的原因。

超音速激光沉积(SLD)是新近发展起来的一种激光复合制造技术,该技术将激光辐照与冷喷涂相结合,利用高能激光束的热能与高速粒子动能的协同作用,实现了宽范围材料的沉积,并获得了特殊的微观组织和性能。结合本课题组在SLD领域的研究成果,从SLD原理、沉积材料范围、微观组织结构以及性能表征等方面综述了国内外的最新研究进展,从工艺探索、设备开发以及性能评估等方面对SLD技术未来的发展趋势和挑战进行了展望。

利用超音速激光沉积技术在316L基体上制备了WC/SS316L复合沉积层, 并分析了该复合沉积层中颗粒的沉积行为、界面结合、组织结构特征以及其在电化学环境下的失效机理。研究结果表明, 由于激光辐照的软化作用, SS316L颗粒在高速撞击过程中表现出较好的塑性变形能力, 能够实现有效沉积; 在激光辐照和高速粒子塑性变形的双重作用下, 超音速激光沉积层较单一冷喷(CS)沉积层具有更好的界面结合行为。由于高速粒子塑性变形产生了加工硬化现象, 沉积层中SS316L的显微硬度较原始粉末的明显增大。在电化学腐蚀环境下, WC/SS316L界面较易发生腐蚀行为。

采用超音速激光沉积(SLD)和激光熔覆(LC)在316L不锈钢基体上制备了WC/SS316L复合沉积层，对沉积层的宏观形貌、WC分布、显微组织、相成分及磨损性能进行了对比分析。结果表明,LC多道搭接的沉积层中有明显的宏观裂纹，而SLD沉积层表面平整致密，无宏观缺陷。在LC沉积层中，陶瓷相WC呈部分聚集的不均匀分布，而在SLD沉积层中，陶瓷相WC呈弥散状的均匀分布。LC沉积层组织成分分布不均匀，且产生了有害相，而SLD沉积层保持了沉积粉末原有的组织和性能，且表现出形变强化效果。SLD沉积层的摩擦系数比LC沉积层低28%，表现出较优的抗磨损性能。

超音速激光沉积技术(SLD)将激光技术与冷喷涂技术相结合，在保持冷喷涂固态沉积的优势下，极大地拓展了单一冷喷涂技术的可喷涂材料范围。采用超音速激光沉积技术制备了单一冷喷涂难以制备的WC/Stellite 6金属基复合涂层(MMC)，并与激光熔覆(LC)涂层在宏观形貌、显微组织、界面稀释、未熔WC 占比、涂层抗裂纹扩展性能等方面进行对比研究。研究表明：具有固态沉积特点的超音速激光沉积涂层避免了热加工过程中的WC 分解与溶解问题，在采用相同比例的WC/Stellite 6复合材料情况下，超音速激光沉积涂层中WC 体积占比为27.6%，高于激光熔覆层的3.7%；激光熔覆层稀释率约为8.9%，而超音速激光沉积涂层无宏观稀释区；大载荷压痕测试结果显示激光熔覆涂层压痕处出现大量放射状裂纹而超音速激光沉积涂层无裂纹出现，表明超音速激光沉积涂层抗裂纹扩展能力优于激光熔覆涂层。

超音速激光沉积技术(SLD)将冷喷涂技术与激光技术相复合，保持了冷喷涂固态沉积的优势，并极大地拓展了单一冷喷涂技术的可喷涂材料范围。采用SLD制备了Stellite 6硬质涂层，并与激光熔覆(LC)Stellite 6涂层在宏观形貌、显微组织、界面稀释和显微硬度等方面进行对比研究。研究表明，SLD 涂层保留了原始Stellite 6颗粒内部组织，不同于LC涂层的粗大枝晶组织；LC涂层稀释率约为12%，而SLD 涂层无宏观稀释区；与LC热影响区相比，SLD 热影响区变窄；SLD Stellite 6涂层平均显微硬度达到694 HV0.2，约为LC Stellite 6涂层的1.45倍。

超音速激光沉积技术(SLD)是一种将激光辐照与冷喷涂相结合的新型涂层制备工艺，因其结合了激光技术和冷喷涂技术的优势，能够沉积冷喷涂难以沉积或不可能沉积的材料。利用超音速激光沉积技术在中碳钢基材上成功制备了Ni60 涂层，并采用扫描电子显微镜(SEM)、能谱分析(EDS)、X 射线衍射(XRD)、显微硬度测试等手段对涂层的沉积效率、显微组织成分、结合机理以及显微硬度进行了表征分析。研究结果表明：随着激光加热温度升高，涂层沉积厚度增加，表面球型凹坑逐渐减少；Ni60 涂层保持了冷喷涂固态沉积的特征，显微组织结构以及相组成与原始粉末相一致；激光加热导致Ni60 沉积层与基体间同时存在机械咬合与冶金结合；涂层的平均显微硬度为867 Hv0.3，比原始粉末提高8%~10%，沉积过程产生了冷作硬化。