激光熔覆技術(shù)是指以不同的填料方式在被涂覆基體表面上放置選擇的涂層材料，經(jīng)激光輻照使其基體表面一薄層同時熔化，并快速凝固后形成稀釋度極低并與基體材料成冶金結(jié)合的表面涂層，從而顯著改善基體材料表面的耐磨、耐蝕、耐熱、 抗氧化及電器特性等的工藝方法。

激光熔覆分類

按照激光熔覆的材料類型和材料與激光束的耦合形式，可將常見的激光熔覆技術(shù)分為同軸送粉激光熔覆技術(shù)、旁軸送粉激光熔覆技術(shù)（也叫側(cè)向送粉激光熔覆技術(shù)）、高速激光熔覆技術(shù)（也叫超高速激光熔覆技術(shù)）及高速絲材激光熔覆技術(shù)。

01 同軸送粉激光熔覆技術(shù)

同軸送粉激光熔覆技術(shù)一般采用半導(dǎo)體光纖輸出激光器和盤式氣載送粉器，熔覆頭采用中心出光的圓形光斑方案，光束周圍環(huán)狀送粉或者多束送粉，并設(shè)置由專門的保護氣通道，粉束、光束與保護氣流交于一點。熔覆工作時該焦點處會形成熔池，隨著熔覆頭與工件做相對運動，在工件表面形成覆層。

圖片：同軸送粉激光熔覆

來源：Laser-aided direct metal deposition of metals and alloys

圖片：同軸送粉激光熔覆

來源：Discussion on powder feeding mode of laser cladding

同軸送粉激光熔覆技術(shù)特點：

1. 自由度高、容易實現(xiàn)自動化。由于其熔覆時向任意方向移動均可得到形貌一致、質(zhì)量相同的熔覆層，因此其熔覆方向沒有限制，配合工業(yè)機器人或多軸運動機床可以進行任意路徑或任意形狀零件的表面熔覆，作為3D打印的打印頭時，可進行激光同軸送粉3D打印。

2. 熔池惰性氣體保護效果好。在熔覆頭上設(shè)置有專門的惰性氣體流道，熔覆過程中熔池處于良好的局部惰性氣體氛圍中。

3. 熔池小、粉末受熱均勻、熔覆層抗裂性好。同軸送粉激光熔覆的光斑尺寸一般為∮1-∮5mm，粉末與光束均勻接觸，熔覆過程中的熱量傳遞更均勻，因此熔覆層抗裂性好。

02 旁軸送粉激光熔覆技術(shù)

旁軸送粉激光熔覆技術(shù)也叫側(cè)向送粉激光熔覆技術(shù)，其一般采用半導(dǎo)體直輸出激光器或半導(dǎo)體光纖輸出激光器和重力送粉器，熔覆頭采用矩形光斑+旁軸寬帶送粉方案。熔覆頭工作時，合金粉末經(jīng)送粉嘴輸送至工件表面進行預(yù)置，隨著熔覆頭與工件做相對運動，矩形的激光束掃描預(yù)置的合金粉末并將其熔化形成熔池，冷卻后形成熔覆層。

圖片：旁軸寬帶送粉激光熔覆

來源：oeshow

旁軸送粉激光熔覆技術(shù)特點：

1. 材料利用率高。旁軸送粉激光熔覆通過將粉末預(yù)置在工件表面，激光束再進行掃描照射使其熔化，材料利用率可達到95%以上，節(jié)省了較多的材料成本。

2. 熔覆效率高。旁軸送粉激光熔覆技術(shù)采用矩形光斑方案，在保證熔覆方向光斑的能量密度不變的情況下，可以加大激光功率和光斑寬度，使熔覆效率大幅提升。

3. 無惰性氣體消耗。旁軸送粉激光熔覆技術(shù)一般采用重力送粉器，不需要消耗惰性氣體，因此對粉末材料的抗氧化性有一定的要求，限制了其一定的應(yīng)用領(lǐng)域。

03 超高速激光熔覆技術(shù)

超高速激光熔覆技術(shù)采用光束質(zhì)量較好的半導(dǎo)體光纖輸出激光器或光纖激光器，采用精密設(shè)計的高速激光熔覆頭和高轉(zhuǎn)速或移動速度快的運動機構(gòu)。其激光束與粉束、惰性氣體氣流的耦合經(jīng)過精密設(shè)計，工作時使一部分激光能量用于加熱粉束，另一部分穿透粉束的激光束加熱基材，粉末在進入熔池之前就已經(jīng)熔化或加熱至很高的溫度，縮短了粉末熔化所需的時間，因此可以實現(xiàn)非常高的熔覆線速度（線速度最高可達200m/min，普通激光熔覆最高2m/min）。

圖片：超高速激光熔覆

來源：youtube

超高速激光熔覆技術(shù)特點：

1. 激光能量利用效率高。超高速激光熔覆技術(shù)的激光束穿過粉束照射熔池，大部分作用于粉末和工件，減少了激光的反射和散射損耗，大幅度提高的激光能量利用效率，使激光能量利用率高達65%左右。

2. 熔覆效率高。超高速激光熔覆技術(shù)有較高的激光能量利用率，和非常高的熔覆線速度以及較薄的熔覆層，可實現(xiàn)非常高的熔覆效率（熔覆效率可達0.7m²/以上）。

3. 熔覆層稀釋率低。超高速激光熔覆技術(shù)熔覆線速度高，熔池存在時間短，因此熔覆層的稀釋率很低。

4. 熔覆層粗糙度好、抗裂性好以及工件變形小。

04 高速絲材激光熔覆技術(shù)

高速絲材激光熔覆技術(shù)采用半導(dǎo)體光纖輸出激光器、高精度送絲系統(tǒng)和精密熔覆頭，以金屬絲材為熔覆材料進行激光熔覆。工作時，金屬絲由側(cè)向送入激光束，激光束將金屬絲熔化后形成熔池，隨著熔覆頭與工件的相對運動形成熔覆層。

圖：高速絲材激光熔覆  

來源：wococarbide

高速絲材激光熔覆技術(shù)特點：

1. 環(huán)保性好。高速絲材激光熔覆技術(shù)采用金屬絲代替?zhèn)鹘y(tǒng)的金屬粉末，剛性的絲材會完全熔化形成熔覆層，熔覆過程中無飛濺和金屬粉塵的拋灑，其環(huán)保性要高于傳統(tǒng)粉末激光熔覆。

2. 材料利用率高。通過精密的熔覆頭設(shè)計和金屬絲材設(shè)計，金屬絲會完全被熔化，且熔化過程非常柔和、無飛濺，使得高速絲材激光熔覆擁有很高的材料利用率（可達99%）。

3. 熔覆效率高。高速絲材激光熔覆技術(shù)采用特殊復(fù)合能量，使得金屬在進入熔池前已達到半熔化狀態(tài)，只需要很小的能量和很短的時間即可完全熔化形成熔池，因此高速絲材激光熔覆的熔覆效率高于傳統(tǒng)的粉末激光熔覆。

4. 熱輸入小、線能量低、工件變形小。高速絲材激光熔覆過程通過精確控制能量輸入和較高的熔覆線速度，使得其線能量低至0.29KJ/cm，大大降低了由于熱輸入造成的工件變形。

5. 熔覆層致密、稀釋率低、缺陷率低。

工藝參數(shù)對熔覆效果的影響

激光熔覆的工藝參數(shù)主要有激光功率、光斑直徑、熔覆速度、離焦量、送粉速度、掃描速度、預(yù)熱溫度等。這些參數(shù)對熔覆層的稀釋率、裂紋、表面粗糙度以及熔覆零件的致密性等有很大影響。不合適的工藝參數(shù)組會導(dǎo)致熔覆涂層與基體之間的冶金結(jié)合不良，不利于多層通道形成。激光熔覆有3個重要的工藝參數(shù)：

1、激光功率

基材熔化體積主要由激光功率決定，激光功率的增加導(dǎo)致基材融化體積迅速增加，激光功率越大，融化的熔覆金屬量越多，產(chǎn)生氣孔的概率越大。隨著激光功率增加，熔覆層深度增加，周圍的液體金屬劇烈波動，動態(tài)凝固結(jié)晶，使氣孔數(shù)量逐漸減少甚至得以消除，裂紋也逐漸減少；激光功率過小，僅表面涂層融化，基體未熔，此時熔覆層表面出現(xiàn)局部起球、空洞等，達不到表面熔覆目的。

2、光斑直徑

激光束一般為圓形，熔覆層寬度主要取決于激光束的光斑直徑，光斑直徑增加，熔覆層變寬。一般來說，在小尺寸光斑下，熔覆層質(zhì)量較好，隨著光斑尺寸增大，熔覆層質(zhì)量下降。但光斑直徑過小，不利于獲得大面積的熔覆層。

 3、熔覆速度

熔覆速度與激光功率有相似的影響。熔覆速度過高，合金粉末不能完全融化，未起到優(yōu)質(zhì)熔覆的效果；熔覆速度太低，熔池存在時間過長，粉末過燒，合金元素損失，同時基體的熱輸入量大，會增加變形量。

工藝參數(shù)對熔覆層形狀、表面質(zhì)量有重要的決定作用，它將影響熔覆層和基體的結(jié)合性以及冷卻速率，對工藝參數(shù)的精準控制，可以有效完成激光熔覆技術(shù)的目的和要求。

激光熔覆表面成形技術(shù)特點

1、冷卻速度快，具有快速凝固的特征；

2、熱變形小，涂層稀釋率低，涂層與基體形成良好的冶金結(jié)合,成品率高；

3、涂層材料的選擇范圍大，如鐵基、鎳基、銅基、鈦基等；

4、涂層厚度一般為0.2mm~2mm，適用于磨損件的修復(fù)；

5、加工精度高，可處理較小或難加工的區(qū)域；

6、工藝過程易于實現(xiàn)自動化。

激光熔覆材料體系

除了激光熔覆參數(shù)外，選擇合適的涂層材料對于獲得具有所需性能和表面質(zhì)量的激光熔覆涂層也具有重要意義。一般來說，應(yīng)同時考慮基材和涂層材料的物理化學性質(zhì)，根據(jù)使用情況來選擇合適的涂層材料。

激光熔覆合金粉末按照材料成分構(gòu)成可分為：自熔性合金粉末、復(fù)合粉末和陶瓷粉末。其中，自熔性合金粉末的在現(xiàn)實中研究與應(yīng)用最多。

1、自溶性合金粉末

自熔性合金粉末可以分為鐵基(Fe)、鎳基(Ni)、鈷基(Co)合金粉末，其主要特點是含有硼(B)和硅(Si)，因而具有自脫氧和造渣性能;還含有較高的鉻，它們優(yōu)先與合金粉末中的氧和工件表面氧化物一起熔融生成低熔點的硼硅酸鹽等覆蓋在熔池表面，防止液態(tài)金屬過度氧化，從而改善熔體對基體金屬的潤濕能力，減少熔覆層中的夾雜和含氧量，提高熔覆層的工藝成形性能，因而具有優(yōu)異的耐蝕性和抗氧化性。對碳鋼、不銹鋼、合金鋼、鑄鋼等多種基材有較好的適應(yīng)性，能獲得氧化物含量低、氣孔率小的熔覆層。但對于含硫鋼的材料，由于硫的存在，在交界面處易形成一種低熔點的脆性物相，使得覆層易于剝落，因此應(yīng)慎重選用。

（1）鐵基(Fe)自熔性合金粉末

Fe基合金材料具有成本低、力學性能好、應(yīng)用范圍廣等優(yōu)勢,特別是不銹鋼體系的鐵基合金因其良好的力學性能和優(yōu)異的耐蝕性能在激光熔覆技術(shù)中得到廣泛應(yīng)用。

在鐵基合金粉末成分中，通過調(diào)整合金元素含量來調(diào)整涂層的硬度，并通過添加其它元素改善熔覆層的硬度、開裂敏感性和殘余奧氏體的含量，從而提高熔覆層的耐磨性和韌性。目前采用激光熔覆技術(shù)制備的不銹鋼涂層的類型主要有:奧氏體不銹鋼、馬氏體不銹鋼、鐵素體不銹鋼以及雙相不銹鋼。

近年來，有關(guān)激光熔覆的研究，不少人圍繞鐵基粉末中加入其它成分進行實驗。結(jié)果表明，加入稀土改善了熔覆層表面鈍化膜的抗剝落能力，在不同程度上減輕了材料的腐蝕失重，提高了熔覆層的耐腐蝕能力。

（2）鎳基(Ni)自熔性合金粉末

Ni基自熔性合金粉末以其良好的潤濕性、耐蝕性、高溫自潤滑作用和適中的價格在激光熔覆材料中研究最多、應(yīng)用最廣。Ni基自熔性合金粉末在滑動、沖擊磨損和磨粒磨損嚴重的條件下，單純的自熔性合金粉已不能勝任使用要求，此時可在自熔性合金粉末中加入各種高熔點的碳化物、氮化物、硼化物和氧化物陶瓷顆粒，制成金屬復(fù)合涂層。

有研究表明，在Q960E鋼表面使用激光熔覆技術(shù)制備Ni基WC涂層，熔覆后 Ni-WC 涂層的耐磨粒磨損性能達Q960E基材的6倍以上,有效利用Ni基粉末特性實現(xiàn)了使用要求。

（3）鈷基(Co)自熔性合金粉末

Co基自熔性合金粉末具有優(yōu)良的耐熱、耐蝕、耐磨、抗沖擊和抗高溫氧化性能，常被應(yīng)用于石化、電力、冶金等工業(yè)領(lǐng)域的耐磨耐蝕耐高溫等場合。Co基合金粉末體系中，常用的材料Co-Ni、Co-Cr-Ni、鈷鐵、鈷鎳鐵等。為提高涂層與基體的潤濕性，降低鍍層中的氧含量，粉末中常添加B和Si，形成自熔性合金粉末。

Co基自熔性合金潤濕性好，其熔點較碳化物低，受熱后Co元素最先處于熔化狀態(tài)，而合金凝固時它最先與其它元素形成新的物相，對熔覆層的強化極為有利。目前，鈷基合金所用的合金元素主要是鎳、碳、鉻和鐵等。其中，鎳元素可以降低鈷基合金熔覆層的熱膨脹系數(shù)，減小合金的熔化溫度區(qū)間，有效防止熔覆層產(chǎn)生裂紋，提高熔覆合金對基體的潤濕性。

江南大學機械工程學院進行了利用激光熔覆技術(shù)在TC4鈦合金表面制備鈷基/氧化石墨烯(GO)復(fù)合熔覆層的研究，結(jié)果表明:熔覆層中主要包含 TiC、Co2Ti、γＧCo、αＧTi和Cr3C2相,GO在低功率下與TC4基體原位生成TiC,同時與半固態(tài)的Co2Ti組織共同作用, GO在高功率下迅速分解,熔覆層成分主要為Co2Ti組織，當激光功率為P2=1300W時熔覆效果最佳,成形組織均勻,與TC4基體呈冶金結(jié)合，熔覆層硬度高達1100HV0.2,幾乎是基體硬度390HV0.2的2.82倍。

2、復(fù)合粉末

復(fù)合粉末主要是指碳化物、氮化物、硼化物、氧化物及硅化物等各種高熔點硬質(zhì)陶瓷材料與金屬混合或復(fù)合而形成的粉末體系。其中，碳化物合金粉末和氧化物合金粉末的研究和應(yīng)用最多，主要應(yīng)用于制備耐磨涂層。復(fù)合粉末中的碳化物顆粒可以直接加入激光熔池或者直接與金屬粉末混合成混合粉末，但更有效的是以包覆型粉末(如鎳包碳化物、鈷包碳化物)的形式加入。

3、陶瓷粉末

陶瓷粉末主要包括硅化物陶瓷粉末和氧化物陶瓷粉末，其中又以氧化物陶瓷粉末(氧化鋁和氧化鋯)為主。氧化鋯比氧化鋁陶瓷粉末具有更低的熱導(dǎo)性和更好的熱抗震性能，因而也常用于制備熱障涂層。由于陶瓷粉末具有優(yōu)異的耐磨、耐蝕、耐高溫和抗氧化特性，所以它常被用于制備高溫耐磨耐蝕涂層。

目前對激光熔覆生物陶瓷材料的研究主要集中在Ti基合金、不銹鋼等金屬表面進行激光熔覆的羥基磷灰石(HAP)、氟磷灰石以及含Ca、Pr等生物陶瓷材料上。羥基磷灰石生物陶瓷具有良好的生物相容性，作為人體牙齒早已受到國內(nèi)外有關(guān)學者的廣泛重視。總體來說激光熔覆生物陶瓷材料的研究起步雖然較晚，但發(fā)展非常迅速，是一個前景廣闊的研究方向。

4、其他合金粉末

除以上幾類激光熔覆粉末材料體系，目前已開發(fā)研究的熔覆材料體系還包括：銅基、鈦基、鋁基、鎂基、鋯基、鉻基以及金屬間化合物基材料等。這些材料多數(shù)是利用合金體系的某些特殊性質(zhì)使其達到耐磨、減摩、耐蝕、導(dǎo)電、抗高溫、抗熱氧化等一種或多種功能。

（1）銅基

銅基激光熔覆材料主要包括Cu-Ni-B-Si、Cu-Ni-Fe-Co-Cr-Si-B、Cu-Al2O3、Cu-CuO等銅基合金粉末及復(fù)合粉末材料。利用銅合金體系存在液相分離現(xiàn)象等冶金性質(zhì)，可以設(shè)計出激光熔覆銅基自生復(fù)合材料的銅基復(fù)合粉末材料。研究表明，其激光熔覆層中存在大量的自生硬質(zhì)顆粒增強體，具有良好的耐磨性。單際國等利用Cu與Fe具有液相分離和母材與堆焊材料的冶金反應(yīng)特性，采用激光熔覆制備了Fe3Si彌散分布的銅基合金復(fù)合熔覆層。研究表明：激光熔覆過程中，由母材熔化而進入熔池的Fe元素與熔池中的Cu合金呈液相分離狀態(tài);進入溶池的Fe由于密度小而上浮，上浮過程中與熔池中的Si反應(yīng)生成Fe3Si，F(xiàn)e3Si在激光熔覆層中呈彌散狀梯度分布于α-Cu基體中。

銅及銅基合金因其高導(dǎo)熱性、高導(dǎo)電性和綜合性能強而被廣泛應(yīng)用于電氣、交通、航空航天、制造等高科技領(lǐng)域。用于電樞、引線框架和其他應(yīng)用的銅合金不僅必須確保優(yōu)異的導(dǎo)熱性和導(dǎo)電性，而且還必須具有包括硬度和耐摩擦磨損性在內(nèi)的機械品質(zhì)，以延長其在惡劣工作環(huán)境下的使用壽命。激光熔覆技術(shù)在合金表面形成動態(tài)溫度場，然后快速冷卻凝固。研究表明，在激光熔覆技術(shù)下，Cu-Cr-SiC體系表現(xiàn)出很強的導(dǎo)電性和機械強度，并且SiC陶瓷顆粒的加入可以進一步提高體系的強度和彈性模量。

（2）鈦基

鈦基熔覆材料主要用于改善基體金屬材料表面的生物相容性、耐磨性或耐蝕性等。研究的鈦基激光熔覆粉末材料主要是純Ti粉、Ti6Al4V合金粉末以及Ti-TiO2、Ti-TiC、Ti-WC、Ti-Si等鈦基復(fù)合粉末。張松等在氬氣氛環(huán)境下，在Ti6Al4V合金表面激光熔覆Ti-TiC復(fù)合涂層，研究表明復(fù)合涂層中原位自生形成了微小的TiC顆粒，復(fù)合涂層具有優(yōu)良的摩擦磨損性能。

有研究發(fā)現(xiàn)，使用激光熔覆分別沉積Ti6Al4V 和Ti6Al4V+TiC混合物的無缺陷涂層改進鈦部件，在TiGr2樣品上熔覆Ti6Al4V，將基材的硬度從120HV提高到300 HV，Ti6Al4V 樣品表面的硬度有所提高，耐磨性和耐磨性也有所提高。結(jié)果表明激光熔覆技術(shù)對修復(fù)和制造鈦的機械部件有一定的適用性。

（3）鎂基

鎂基熔覆材料主要用于鎂合金表面的激光熔覆，以提高鎂合金表面的耐磨性能和耐蝕性能。J.DuttaMajumdar等在普通商用鎂合金上熔覆鎂基MEZ粉末(成分：Zn：0.5%，Mn：0.1%，Zr：0.1%，RE：2%，Mg：Bal)。研究結(jié)果顯示：熔覆層顯微硬度由HV35提高到HV 85～100，并且因為晶粒細化和金屬間化合物的重新分布，熔覆層在3.56wt%NaCl溶液中的抗腐蝕性能比基體鎂合金大大提高。

（4）鋁基

采用激光熔覆技術(shù)對鋁合金結(jié)構(gòu)件進行修復(fù)，可以有效避免在修復(fù)過程中輸入大量熱量，產(chǎn)生裂紋的問題。有研究表明，用激光熔覆技術(shù)在AA6063鋁合金表面制備了TiC增強Al3Ti復(fù)合涂層,激光熔覆層由樹枝晶Al3Ti、枝晶間α-Al和均勻分布的TiC顆粒組成,涂層和基材為良好的冶金結(jié)合;與基材相比,激光熔覆層的耐腐蝕性能顯著提高,且隨著TiC含量的增加,熔覆層的耐腐蝕性能提高。SorinIgnat等在WE43和ZE41兩種鎂合金基體上采用3kW的Nd∶YAG激光器側(cè)向送粉熔覆鋁粉，得到了結(jié)合性能良好的熔覆層。研究發(fā)現(xiàn)，涂層硬度值達到HV0.05120～200，硬度提高的主要原因是Al3Mg2和Al12Mg17金屬化合物的存在。ZMei等在鎂基ZK60/SiC基體上激光熔覆鋁基Al-Zn粉末，得到了冶金良好的熔覆層。

結(jié)   語

激光熔覆技術(shù)主要應(yīng)用于航空航天、汽車、石化、冶金、軌道交通等領(lǐng)域的修復(fù)和表面強化。為重要損壞部位的修復(fù)提供了一種新方法，從而大大降低了成本，提高了工作效率，利用激光熔覆技術(shù)對重要零件進行表面強化，可以提高零件的性能，從而延長其使用壽命。激光熔覆技術(shù)隨著大功率激光技術(shù)的日益成熟、制造成本的降低，以及表面工程和增材制造領(lǐng)域應(yīng)用研究的深入，將成為學術(shù)界、工業(yè)界的熱點。

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轉(zhuǎn)自：晶高優(yōu)材

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