激光熔覆技術(shù)

激光熔覆技術(shù)，也被稱為激光堆焊技術(shù)，是一種涉及計(jì)算機(jī)、光學(xué)、材料、物理、化學(xué)等多門學(xué)科的有效且實(shí)用的表面處理技術(shù) 。它是在上個(gè)世紀(jì) 60年代提出，隨后在 1974 年底由美國(guó) AVCO 公司 D.S. Gnanamuthn 提出專利申請(qǐng)，并于 1976 年授權(quán)的一項(xiàng)闡述高能激光熔覆的專利 。20 世紀(jì) 70 年代中后期，海外激光熔覆的發(fā)展速度并不迅速。激光表面處理發(fā)表的論文篇數(shù)遠(yuǎn)少于切割和焊接，切割方面的論文數(shù)量大約是表面處理方面論文的 3 倍，焊接方面的論文數(shù)量居中 。進(jìn)入 80 年代之后，激光熔覆技術(shù)才得到了迅猛的發(fā)展，結(jié)合各種新型技術(shù)的發(fā)展，激光熔覆技術(shù)又煥發(fā)出了新的活力 。

在不對(duì)基體材料產(chǎn)生大的影響的前提下，激光熔覆能在基體表面形成具有優(yōu)良性能的合金熔覆層，從而降低成本、提高效益，節(jié)約貴重稀有金屬材料的使用 。因此，不管是在國(guó)內(nèi)還是國(guó)外，激光熔覆的發(fā)展一直備受關(guān)注和重視。

      1 基本原理 激光熔覆是用高能激光束（ 10 4 ～10 6 W/cm 2） 輻照金屬基體表面，使金屬基體表面薄層和其上的熔覆材料一起相互作用，經(jīng)過快速熔化、凝固形成具有硬度高、耐磨性好、抗腐蝕等特殊物理化學(xué)特性的涂覆層的工藝過程 。這是一種新型的復(fù)合材料，可以補(bǔ)充基體所不具備的優(yōu)良性能，更充分地發(fā)揮二者的優(yōu)勢(shì)，克服彼此之間的不足，從而顯著地改善基層表面的耐磨損、耐腐蝕、耐熱、抗氧化等物理化學(xué)性能。

      同之前的表面技術(shù)相比較，激光熔覆技術(shù)具備如下特點(diǎn) : 1） 冷卻速度非?？?，高達(dá) 10 6℃ /s;2） 加熱速度快，工件畸變小，涂層稀釋率能通過對(duì)激光的輸入能量的控制保持在較低的程度（ 一般小于8%） ; 3） 可精準(zhǔn)地選擇熔覆區(qū)域，原料耗損少，性價(jià)比相對(duì)較高； 4） 通過光束進(jìn)行瞄準(zhǔn)，能夠加工平常不易接近的區(qū)域，實(shí)現(xiàn)熔覆工藝過程的自動(dòng)化； 5） 適用范圍廣。正因?yàn)榧す馊鄹驳纳鲜鰞?yōu)點(diǎn)，近些年來的發(fā)展在改良基體表面性能方面受到了高度關(guān)注和重視。 2 研究現(xiàn)狀 2. 1 激光熔覆材料體系 在設(shè)計(jì)熔覆材料體系的時(shí)候，不僅要考慮涂層的使用性能，還需要考慮熔覆材料的各種成分以及基體的相容性和匹配性。熔覆合金中的各種成分以及基材的膨脹系數(shù)不一致，是熔覆層產(chǎn)生裂紋的一個(gè)重要因素； 因此在設(shè)計(jì)熔覆層的材料體系時(shí)就需要考慮熔覆層和基材之間熱膨脹系數(shù)的差異，當(dāng)兩者的差異越小，熔覆層產(chǎn)生裂紋的可能性就越小 。

通常，可將熔覆材料分為以下三類，即自熔性合金粉末、氧化物陶瓷粉末和碳化物復(fù)合粉末。在上述的三種熔覆材料體系中，對(duì)于自熔性合金粉末的研究最多，應(yīng)用也最普遍。 2. 1. 1 自熔性合金粉末 在自熔性合金粉末體系里，又可將其分為以下三類： Ni 基自熔合金、Co 基自熔合金和 Fe 基自熔合金 。當(dāng)合金中的鎳、鉻等元素與硼或碳相互作用時(shí)，會(huì)形成硬度很高的化合物，所以當(dāng)合金中的含硼量和含碳量較高時(shí)，合成的硼化物和碳化物的數(shù)量也會(huì)增加，自熔合金的硬度也會(huì)相應(yīng)增大。但是當(dāng)基材是含有硫元素的鋼材時(shí)，硫元素會(huì)和合金中的其他物質(zhì)相互反應(yīng)，形成一種脆性很高的物象，使得熔覆層極易出現(xiàn)裂紋甚至剝落現(xiàn)象，此時(shí)應(yīng)當(dāng)慎重考慮熔覆材料的選用 。 1）

Ni 基自熔性合金粉末 

由于 Ni 基自熔性合金粉末的性能較好，價(jià)格也適中，所以 Ni 基自熔性合金粉末不管是在科學(xué)研究中，還是在生產(chǎn)實(shí)踐中，都扮演了重要的角色。在三種自熔性合金粉末材料體系中，Ni 基自熔性合金粉末被研究得最多，應(yīng)用也最為普遍［16 －17］ 。對(duì)于局部要求耐腐蝕，耐磨損等性能比較高的工件，常采用 Ni基自熔性合金粉末。王傳琦等［18］ 采用激光熔覆的方法在 45 鋼的基體上熔覆了一層 Ni 基合金熔覆層，研究表明，回火前熔覆層區(qū)域的顯微硬度比基材提高了 4. 9 倍，回火后提高了 5. 8 倍。孫鴻卿等［19］在鎳基高溫合金基體上激光熔覆 In-conel 738 來研究熔覆層的裂紋敏感性問題，研究表明： 晶界處的共晶物（ γ + γ‘） 以及其他低熔共晶偏析物成為主要的裂紋源。張松等［20］ 利用激光熔覆技術(shù)在 Monel 400合金表面上制備了鎳基合金的改性層，研究表明： 與Monel 400 合金基材相比，鎳基合金激光改性層的顯微硬度是基體的 7 倍，摩擦系數(shù)顯著降低，相對(duì)耐磨性提高了 8. 6 倍。 2）

Co 基自熔性合金粉末

Co 基自熔性合金不僅具備優(yōu)良的耐腐蝕、耐磨損性能，還有很好的耐高溫性能，這就使得 Co 基自熔性合金粉末被應(yīng)用在了各種工況惡劣的環(huán)境下，在冶金、電力等行業(yè)得到了較為廣泛的應(yīng)用。鈷基合金中的鈷元素的熔點(diǎn)相對(duì)于其他的碳化物來說較低，所以會(huì)最先處于熔融狀態(tài)，與其他元素結(jié)合形成新的物相，這對(duì)于熔覆層的強(qiáng)化來說是極其有利的。當(dāng)前，鈷基合金的主要元素包括 C、Ni、Cr 和 Fe 等，Ni 能降低鈷基合金的熱膨脹系數(shù)，減小其熔融區(qū)間，減小熔覆層產(chǎn)生裂紋的可能性，改良鈷基合金整體的潤(rùn)濕性。

石巖等采用輔助工藝裝置及同軸送粉激光熔覆方法對(duì)高硬度多微孔小型零件進(jìn)行激光表面熔覆鈷基合金熔覆層強(qiáng)化處理，研究表明： 激光熔覆處理后的閥座表面的耐油流沖蝕性能顯著增強(qiáng)，使用壽命提高 40%。張春華等在 316L 不銹鋼表面用激光熔覆的方法制備了鈷基合金熔覆層，研究表明，在 316L 不銹鋼表面激光熔覆鈷基合金粉末，可獲得表面平整、無(wú)裂紋，且與基體呈良好冶金結(jié)合的熔覆層。 3）

Fe 基自熔性合金粉末 

當(dāng)基體是鑄鐵或者低碳鋼時(shí)，經(jīng)常采用 Fe 基自熔性合金粉末，可以滿足要求局部耐磨損且易變形的工件； 鐵基自熔性合金的價(jià)格低廉，耐磨防腐性能可以滿足多數(shù)場(chǎng)合的要求，在自熔性合金粉末體系中占據(jù)了一定的地位。B 和 Si 可以改善 Fe 基合金的硬度和耐磨性等，Ni 元素的加入會(huì)使其熔覆層的開裂問題得到一定程度的解決，所以在設(shè)計(jì) Fe 基合金自熔性粉末的時(shí)候，常常要加入這些元素以改良熔覆層的性能。周野飛等通過激光熔覆技術(shù)，制備了不同碳含量的高碳鐵基合金熔覆層，研究表明，當(dāng)激光熔覆高碳鐵基合金中的碳含量由 2. 5% 增加到 4. 5% 時(shí)，其平均顯微硬度由 913. 96 HV 增大到1421. 54 HV。李美艷等在柱塞表面激光熔覆制備高硬度鐵基涂層，采用 SEM、XＲD、EPMA 和 TEM等手段研究熔覆層組織特征及耐磨性，研究表明，激光熔覆鐵基涂層硬度顯著提高，維氏硬度最大值達(dá)850 GPa，約為 45 鋼的 4 倍。 

綜合上述分析可以得出，Ni 基自熔性合金的性能優(yōu)良，價(jià)格適中，因此被研究最多，應(yīng)用也最為廣泛； Co 基自熔性合金粉末的性能最好，價(jià)格較高，屬于戰(zhàn)略性資源，被用在要求比較苛刻的耐高溫，耐腐蝕、耐磨損的惡劣工況下； Fe 基自熔性合金的性能一般，但價(jià)格低廉，便于取材，能夠滿足一般要求，在自熔性合金粉末體系中占據(jù)了一定地位。在實(shí)際的工程實(shí)踐中，要根據(jù)自己的需要合理地選擇合金體系。 

2. 1. 2 氧化物陶瓷粉末 

除了氧化物陶瓷粉末之外，還有硅化物陶瓷粉末，不過氧化物陶瓷粉末的應(yīng)用更廣，研究也更多。通?？梢詫⒀趸锾沾煞勰┓譃閮纱箢悾?氧化鋁系列和氧化鋯系列。氧化物陶瓷粉末具備優(yōu)良的耐磨損，耐腐蝕性能，還具有良好的隔熱性和抗氧化性能，在熱噴涂材料體系中占據(jù)重要地位，常被用于制備熱障涂層或高溫耐磨耐蝕涂層，也是當(dāng)前備受關(guān)注的激光熔覆材料 。與氧化鋁陶瓷粉末體系相比，氧化鋯系列的抗熱震性能和熱導(dǎo)性更好，所以常常被用作熱障層材料的優(yōu)選材料。 

2. 1. 3 碳化物復(fù)合粉末體系 

復(fù)合粉末主要是指以各種高熔點(diǎn)的化合物材料作為硬質(zhì)相與金屬（ 或合金） 作為粘結(jié)相混合（ 或復(fù)合） 而形成的合金粉末體系。粘接相可對(duì)粉末體系的硬質(zhì)相起到一定程度的保護(hù)作用，使其免受氧化或者分解，尤其是針對(duì)經(jīng)預(yù)處理的碳化物復(fù)合粉末，其保護(hù)作用更為明顯，使得熔覆層表現(xiàn)出硬質(zhì)合金的性能。復(fù)合粉末可以用激光熔覆技術(shù)在金屬基體上制備出陶瓷顆粒，將金屬的工藝性、強(qiáng)韌性和陶瓷的耐高溫、耐腐蝕、耐磨損等性能有機(jī)的結(jié)合起來，滿足特定工況的要求，這也是當(dāng)前激光熔覆領(lǐng)域的一個(gè)重要研究方向 。 

2. 2 工藝種類 

通?？梢詫⒓す馊鄹驳墓に嚪譃橐韵聝深?，即粉末預(yù)置法和同步送粉法。粉末預(yù)置法是將熔覆材料先預(yù)置在基體上，然后進(jìn)行激光處理； 而同步送粉法則是在進(jìn)行激光處理的時(shí)候把熔覆材料同步地送到基體材料上 。 總體而言，預(yù)置法工藝較簡(jiǎn)單、操作較靈活，但是基體熔深不易控制、稀釋度較大，因而對(duì)預(yù)涂層粉末的厚度、粘結(jié)劑等有較高的要求。同步法對(duì)激光能量的利用較為充分、便于控制各個(gè)工藝參數(shù)、生產(chǎn)效率較高、熔覆層的質(zhì)量更好，但要求配置能夠精確計(jì)數(shù)的送粉設(shè)備、對(duì)粉末的要求較高（ 粒度，流動(dòng)性等） 、且粉末的浪費(fèi)程度較大［29］ 。

2. 3 工藝參數(shù) 

激光熔覆的過程中有許多工藝參數(shù)會(huì)影響熔覆層的質(zhì)量?jī)?yōu)劣，諸如激光功率、光斑直徑、激光掃描速度等。激光熔覆過程是一個(gè)極其復(fù)雜的動(dòng)態(tài)過程，上述參數(shù)不僅直接影響熔覆層的質(zhì)量?jī)?yōu)劣，還會(huì)在彼此之間產(chǎn)生相互作用、或者相互制約，共同影響著熔覆的微觀組織結(jié)構(gòu)和宏觀理化性能。在科研過程中，通常通過單因子變量或者正交試驗(yàn)的方法來研究上述參數(shù)對(duì)熔覆層質(zhì)量的影響； 在科研過程或工程實(shí)踐中，可以通過以下三個(gè)量來完成對(duì)熔覆層質(zhì)量的控制，它們包括： 功率密度（ P/S） 、比能量 E（ = P/Dv） 和線性輸入（ P/v）［30 －31］ ，但這種方法并沒有得到廣泛認(rèn)可。 

3 現(xiàn)存問題 

通常從宏觀和微觀兩個(gè)角度去討論熔覆層質(zhì)量的優(yōu)劣： 在宏觀上，是否有明顯的裂紋、氣孔等缺陷，以及表面的平整度等； 在微觀上，是否形成致密均勻的組織，能否保證所要求的性能等。當(dāng)前的激光熔覆技術(shù)由于發(fā)展的時(shí)間比較短，還存在著一系列的問題，以下是兩個(gè)比較突出的問題 。 1） 

裂紋 

在大面積的激光熔覆中，熔覆層易出現(xiàn)裂紋仍然是最棘手的問題 。熔覆層產(chǎn)生裂紋主要是由于各種殘余應(yīng)力的存在，包括熱應(yīng)力、組織應(yīng)力等。 此外，當(dāng)各個(gè)工藝參數(shù)以及熔覆層的材料體系的選擇不當(dāng)時(shí)，都會(huì)引起熔覆層的開裂。如果要徹底解決裂紋的開裂問題，還需要從更微觀的角度入手，分析裂紋的形成機(jī)理。 2） 激光熔覆層的材料體系 制約激光熔覆技術(shù)進(jìn)一步推廣應(yīng)用的是激光熔覆的材料體系問題，目前缺少激光熔覆專用的材料體系。另外，對(duì)激光熔覆的熔覆層的質(zhì)量評(píng)價(jià)問題，現(xiàn)在還沒有一個(gè)統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn) ?，F(xiàn)在國(guó)內(nèi)外的許多高校和科研院所都已經(jīng)在激光熔覆技術(shù)專用熔覆材料方面開展了研究 。當(dāng)前激光熔覆的材料體系還是沿用之前的噴涂用合金粉末體系，不能滿足激光熔覆技術(shù)在工藝方面的要求，需要開發(fā)出新型的系列化的熔覆層材料體系，實(shí)現(xiàn)資源的優(yōu)化配置 。 

4 未來發(fā)展 。 

雖然激光熔覆技術(shù)現(xiàn)在已經(jīng)進(jìn)入了工業(yè)應(yīng)用的階段，但是由于該項(xiàng)技術(shù)的發(fā)展時(shí)間過短，還存在著許多需要解決的問題。以后還需要在以下幾個(gè)方面展開更加深入的研究［39 －41］ : 1） 基礎(chǔ)理論的研究。應(yīng)當(dāng)從更深的基礎(chǔ)理論角度出發(fā)，研究激光熔覆過程中的快速凝固現(xiàn)象，揭示其發(fā)生相變的本質(zhì)規(guī)律，進(jìn)而完善相應(yīng)的工藝參數(shù)。 2） 理論模型的建立。建立更加接近實(shí)際的科學(xué)理論傳輸模型，包括能量傳輸模型、動(dòng)量傳輸模型以及質(zhì)量傳輸模型。通過對(duì)上述模型的分析研究，在完成對(duì)熔池定性分析的基礎(chǔ)上對(duì)其進(jìn)行定量分析，進(jìn)而獲得熔池的相關(guān)信息，對(duì)熔覆過程中的相變機(jī)理做進(jìn)一步分析討論。 3） 

專用材料體系的開發(fā)和應(yīng)用。開發(fā)出新的激光熔覆技術(shù)專用材料體系，完善熔覆層的評(píng)價(jià)和應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)，從而實(shí)現(xiàn)激光熔覆技術(shù)的推廣應(yīng)用。 4） 熔覆技術(shù)的自動(dòng)化。應(yīng)當(dāng)將激光光學(xué)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和大功率激光器的開發(fā)結(jié)合起來，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)激光熔覆設(shè)備的改進(jìn)，實(shí)現(xiàn)大面積熔覆的問題，提高激光熔覆的效率，從而進(jìn)一步推廣其應(yīng)用。

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