激光熔覆工藝深度解析：原理、分類與材料選擇

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(hù)氣通道，粉束、光束與保護(hù)氣流交于一點(diǎn)。熔覆工作時該焦點(diǎn)處會形成熔池，隨著熔覆頭與工件做相對運(yùn)動，在工件表面形成覆層。

圖片：同軸送粉激光熔覆

圖片：同軸送粉激光熔覆

同軸送粉激光熔覆技術(shù)特點(diǎn)：

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(jī)器人或多軸運(yùn)動機(jī)床可以進(jìn)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(jìn)行激光同軸送粉3D打印。

2. 熔池惰性氣體保護(hù)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(jìn)行預(yù)置，隨著熔覆頭與工件做相對運(yùn)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。

旁軸送粉激光熔覆技術(shù)特點(diǎn)：

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(jìn)行掃描照射使其熔化，材料利用率可達(dá)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(yùn)動機(jī)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(jìn)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(dá)200m/min，普通激光熔覆最高2m/min）。

圖片：超高速激光熔覆

超高速激光熔覆技術(shù)特點(diǎn)：

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(dá)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(dá)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(jìn)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(yùn)動形成熔覆層。

圖：高速絲材激光熔覆

高速絲材激光熔覆技術(shù)特點(diǎn)：

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(dá)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(jìn)入熔池前已達(dá)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(dá)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?fù)p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(zhǔn)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(diǎn)

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(xué)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(diǎn)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(diǎn)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(diǎn)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(xué)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(xué)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(jìn)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(yán)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(diǎn)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(dá)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(diǎn)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(qiáng)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(xué)機(jī)械工程學(xué)院進(jìn)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(dāng)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(dá)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(diǎn)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?？梢灾苯蛹尤爰す馊鄢鼗蛘咧苯优c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(jìn)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(xué)者的廣泛重視?？傮w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(dá)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(qiáng)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(jìn)入熔池的Fe元素與熔池中的Cu合金呈液相分離狀態(tài);進(jìn)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(qiáng)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(jī)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(qiáng)的導(dǎo)電性和機(jī)械強(qiáng)度，并且SiC陶瓷顆粒的加入可以進(jìn)一步提高體系的強(qiáng)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(jìn)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(jī)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(xì)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(jìn)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(qiáng)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(dá)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(qiáng)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(jìn)行表面強(qiáng)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(xué)術(shù)界、工業(yè)界的熱點(diǎn)。

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審核編輯 黃宇