工藝簡介

1. 激光熔覆技術

1.1 分類：熔覆技術根據熱源的不同，可以分為激光熔覆技術、等離子熔覆技術、感應熔覆技術及復合熔覆技術等。

1.2 定義：激光熔覆技術興于20世紀70年代，是通過不同的添料方式，并利用高功率密度激光束對材料表面進行非接觸加熱熔融，然后通過熔覆層材料的快速冷卻，以及形成具有不同性質微觀組織結構的熔覆層來實現表面改性，激光熔覆是一個復雜的物理、化學冶金過程。

1.3 優點：激光熔覆技術優勢（如下圖）

1.4 應用：基于激光束的特點（高能量密度（104～106 W/cm2），激光熔覆技術可實現對多種金屬、非金屬的熔覆，特別是可以實現高硬度、高脆性及高熔點材料的快速結合（冷卻速度通常達到 102～106 ℃/s），粉末選擇范圍廣，且可精準熔覆；同時易于形成冶金結合，結合強度較高，自動化程度高等優點，被廣泛應用于汽車制造、石油化工、 航天航海、機械制造與修復等領域；

常用工藝對比

激光熔覆系統示意圖

激光熔覆設備主要包括： 激光器、熔覆噴頭、加工平臺和送料裝置。

而激光熔覆噴頭是激光熔覆系統的關鍵核心部件，可實現激光束傳輸、變換、聚焦和熔覆材料的同步輸送，在基材表面實現激光束、熔覆材料、熔池之間的精確耦合并連續形成熔覆層。其中激光束的整形變換聚焦、材料的傳輸噴射匯聚、光粉的耦合方式是熔覆噴頭的關鍵技術。

激光熔覆的分類

1. 按工作介質分為 4 類（如下表 ）；

2. 按工作方式分為連續型和脈沖型；

3. 按熔覆材料的供給方式分為兩類， 即預置粉末激光熔覆和同步送粉激光熔覆；SLS和SLM工藝方式同樣屬于預置粉末型；預置式的手工涂覆效率較低；同步式的熔覆工藝過程簡單，熔覆速度快，效率高，自動化程度高，適合大規模工業生產。但該方法對粉末的顆粒粒度和流動性等方面要求較高。

4. 目前廣泛應用的激光器主要是橫流CO2激光器和YAG激光器。YAG激光器的輸出波長為1.06μm，較CO2激光波長小一個數量級，吸收率相對高；但因CO2激光器轉換功率高，器件結構簡單、造價低廉，目前仍為激光熔覆主要采用的激光器。

5. 光纖激光器也逐漸應用到激光熔覆中（具有多種優勢，如光纖的可撓性帶來的小型化、集約化；多維空間的加工；光電效率達30%以上，有效降低成本；可調諧性好等）；這種激光器是以摻入某些激活離子的光纖作為工作介質，或利用光纖自身的非線性光學效應制成。

6. 二極管激光器體積小、成本低、波長短(金屬吸收率高)、功率大，是極有開發和應用前景的熔覆用激光器。

熔覆噴頭系統

研究表明，采用矩形光斑或激光－感應復合熔覆技術等均有利于提高熔覆效率。如在寬帶光束模式下，不僅可以增加熔覆帶寬度，還能夠降低裂紋敏感度。同時，利用熔池邊緣溫度梯度形成的表面張力起到攪拌熔體合金使其均勻分布的作用。

熔覆層的稀釋率

稀釋率是影響熔覆層質量的重要因素，稀釋率過低，熔覆層與基材的結合性能較差，甚至無法實現冶金結合；稀釋率過高，基材元素過度稀釋熔覆層，極易導致熔覆層產生裂紋、氣孔等缺陷。研究表明，稀釋率取值范圍在 10% ～15% 之間熔覆層性能最好。以稀釋率范圍為約束條件，采用最佳顯微硬度值選取最優熔覆工藝參數。

熔覆層的熱應力

熔覆層裂紋的產生是由工藝原因、組織因素、 殘余應力及顯微偏析等綜合作用的結果，但其中又以熔覆過程中各種應力綜合作用的影響最大?？傮w上，涂層內部的應力可分為三類：

· 

l 由熔池快速凝固引起的驟冷應力。

l 熔覆結束后，涂層和基體共同冷卻到室溫導致的熱應力，其是由涂層和基體的熱膨脹系數失配造成的殘余應力。

l 溫度變化過程中組織變化等帶來的相變應力。

熱應力在激光熔覆層中的表現形式為拉應力，該拉應力的大小可以由以下公式計算：

式 中：σth 代表熱應力，MPa；E 為彈性模量，MPa；ν 代表泊松比；Δα 為基材材料與熔覆層材料的熱膨脹系數之差；ΔT 熔覆層溫度與環境溫度之差，℃；σ1， σ2 分別為熔覆層與基體的抗拉強 度，MPa；E' 代表基體材料的彈性模量，MPa。

由表達式（2）可知，熱應力值與溫差、泊松比、彈性模量以及膨脹系數之差有關。隨著 Δα 減小，熱應力也隨之減小。

同時由式（3）可知，Δα 應控制一個合理區間內。因此，盡可能地選取與基體熱物理特性參數接近的熔覆材料，可以有效地降低熱應力，從而降低熔覆層發生開裂的敏感性。

熔覆層的質量評價指標

8.1 評價熔覆層質量的好壞，主要從兩個方面來考慮：

一是從宏觀上，考察熔覆道形狀、表面平整度、 裂紋、氣孔及稀釋率等；

二是從微觀上，考察是否形成良好的組織，能否提供所需要的性能。

8.2 激光熔覆技術面臨的主要問題是：

1）傳統的激光熔覆層質量不太穩定性。在激光熔覆過程中，加熱和冷卻的速度極快，再加上熔覆層和基體材料在溫度梯度和熱膨脹系數等性能上的差異，從而使熔覆層中容易產生多種缺陷，主要包括氣孔、裂紋、變形和表面不平度等，導致激光熔覆技術在國內還未實現完全產業化；

2）激光熔覆過程的在線檢測和自動化控制還不太成熟；

3）熔覆層脆性高，裂紋傾向大。激光熔覆層的開裂敏感性，仍然是困擾國內外研究者的一個難題，也是工程應用及產業化；

4）大面積熔覆等亟待解決的問題限制了它的應用發展；及設備昂貴等問題。

激光熔覆工藝的性能優點

激光熔覆工藝的參數優化

在實際工藝中常用比能量 E（＝P / DVH)、來評價熔覆層質量；

其中：

E為激光能量密度，J/mm3；

P為激光功率，W；

V為激光掃描速度，mm/s ;

D為光斑直徑，mm；

H為鋪粉厚度，mm。

SLM打印工藝參數選用GE M2機型使用的鈦合金打印參數，即Р激光功率為370W，V掃描速度為1700mm/s，D光斑直徑為130μm，H鋪粉層厚為60μm。該參數的激光能量密度由公式1推導出，為27.9J/mm3。

激光束的整形變換聚焦、材料的傳輸噴射匯聚、光粉的耦合方式是熔覆噴頭；

比能量過大會造成合金粉末過燒，熔覆深度大，稀釋率大，嚴重降低熔覆層的耐磨、耐蝕性能，熔覆材料過燒、蒸發，表面呈散裂狀，涂層不平度增加;

比能量過小會使熔化不完全,稀釋率太小,潤濕性差,熔覆層和基體結合不牢，容易剝落,熔覆層表面出現氣孔等外觀缺陷;表面不平整；

光斑直徑過小，熱能量過于集中，晶粒細化效果不佳，會導致熔覆層硬度不夠，也不利于大面積的涂層；增大光斑直徑，激光熔池增大，熔池表面張力減小，熔覆層表面質量提高；若光斑直徑過大，則輸入熱能過低，不能徹底熔融，結合質量下降，導致裂紋開裂傾向增大；

搭接率過小會使各熔覆道之間出現凹陷。隨著搭接率提高，激光熔覆表面粗糙度會降低，熔覆層表面會變得平整。但過大的搭接率會導致氣孔、裂紋的產生；

熔覆材料的設計原則

設計和選擇熔覆材料時要遵 循熱膨脹系數相近原則、熔點相近原則和潤濕性原則；

1）熱膨脹系數若相差太大，在熱應力的作用下，熔覆層可能產生一系列的缺陷，如裂紋、剝落等；

2）二者的熔點也應相近，相差太多，得不到較好的冶金結合效果，熔點過高或過低都會使熔覆表面熔合比變大。熔覆材料熔點過高會導致材料與基體在熔覆的過程中熔化量較少，熔覆層的表面粗糙度較高; 熔點過低則會導致熔覆材料的熔化量過多、金屬流動性較強、易產生氣孔和夾雜；

3）熔覆材料與基體之間具有良好的潤濕性能夠有利于熔覆層的鋪展和生長， 使二者結合更加牢固（潤濕角小，界面結合良好）；

4）不同材料對激光的吸收性能和結合強度不同，直接影響激光熔覆層和熔覆層與基體界面處的質量。

激光熔覆涂層材料體系

自熔性熔覆粉末應用與研究比較廣泛（ Fe 基、Ni 基和 Co 基為主，具有良好的力學性能，且對基體有很好的適用性，具有較好的工藝成形性），粉末中中加入合金化元素( Si、B 等)可以降低合金的熔點，改善其濕潤性和流動性，并具有自我脫氧和造渣功能及自熔作用， 而且熔渣上浮的同時，還可將部分氣體雜質等帶出；它們優先與合金粉末中的氧以及工件表面氧化物一起熔融生成低熔點共晶體的硼硅酸鹽等覆蓋在熔池表面，防止液體金屬過度氧化，但是，B、Si 元素過多時則易與 Ni、Cr、Fe 等元素形成在奧氏體晶界富集的硬脆低熔點共晶組織，延展性降低，裂紋敏感性提高。

熔覆層質量的優化方向

影響熔覆層質量的因素：（熔覆層組織性能、顯微硬度、 缺陷影響）

1）激光功率、光斑尺寸、激光掃描速度是最主要的參數，通常用比能量進行優化設計（大量研究表明：隨著掃描速度提高，裂紋率增加。激光功率提高，開裂傾向降低。送粉速率增加，開裂傾向也隨之加大。隨熔覆層數的增加，裂紋數增多，開裂傾向增大）-（熔覆過程控制的自動化--紅外線測溫儀對熔池溫度進行實時動態監測反饋補償激光功率速度調節機制、凸字形激光光斑）；

2）激光作用在基材表面的吸收率；工件的預熱和緩冷處理（影響了熔覆層溫度梯度的分布，進而改變熔覆層的應力狀況），材料的熱物理特性等差異（裂紋尤其容易發生在熔覆層和基體交接界面處，基體材料和熔覆層材料熱物理特性不相匹配所導致）；

3）采取對稱熔覆工藝可以解決產品變形的問題；以及對熔覆順序（橫向和豎向熔覆）的變現差異；

4）合理設計熔覆層（激光熔覆修復用合金粉末的最佳配比）；以及梯度功能涂層，例如：在銅合金上依次激光熔覆了Ni基合金和Co基合金，形成了Cu-Ni-Co梯度涂層，以鎳基合金作為過渡層解決了Cu和Co之間性質差異大的問題，提高了銅合金表面的耐磨性，過渡層的添加有效抑制了涂層的開裂；

5）復合激光熔覆工藝：如激光熔覆輔加電磁攪拌、超聲波、機械振動、交變磁場等（使熔覆層組織的晶粒均勻細化，并能夠消除熔覆層內的氣孔和微裂紋，提高熔覆層質量）

6）熔覆過程時間較短，若合金粉末的脫氧造渣不能被及時排除，就容易在熔覆層形成孔洞、夾渣等缺陷，造成孔洞、夾渣裂紋。氣孔的形成機制：普遍認為氣孔是由于殘余的保護氣體或在激光熔覆過程中形成的氣體沒有足夠的時間從熔池中逸出而形成的。對于氣孔的控制，可以通過優化工藝參數、減少氣體來源( 如烘干熔覆合金粉末) 、預熱緩冷、略微延長熔池時間來實現。

復合激光熔覆技術

高溫工況，電磁輔助設備對高溫應具有一定的耐性，因此普遍采用的電磁設備都需要與高溫區保持一段的距離，而電磁力作用于熔池的效果對距離有較大的敏感性，所以電磁設備在高溫環境下的作用方式仍需改進。

感應加熱的溫度有限，同時制約了感應熔覆技術的發展，同時感應線圈會產生磁場，而磁場對熔池的流動也有影響。

超聲振動激光熔覆技術

1）利用超聲振動對合金熔體的空化效應、聲流效應、諧振效應以及熱效應，增加熔液的流動性，可以促進熔體中氣泡的逸出，加速溶質元素的擴散，打碎粗大的晶粒，實現晶粒的細化。液態金屬在加入超聲振動后，熔覆層的成形質量得到顯著提升，晶粒明顯細化，平均顯微硬度以及表面粗糙度等性能都得到了提高。

2）ULC 技術的推廣應用， 當前仍存在以下問題亟須解決：

l 超聲振動在激光熔覆熔池中的多種效應的耦合機理有待明確；

l ULC 過程的精確數值模擬技術；

l 超聲振動模塊的集成化設計與高效耦合；

l 基于ULC技術的工藝設計與優化

超聲振動激光熔覆技術

超高速激光熔覆技術

超高速激光熔覆技術(Extreme High Speed Cladding)利用同軸送粉的方式，通過調整粉末焦平面與激光焦平面的相對位置，使熔覆粉末在基體上方與激光束交匯發生熔化，使大部分的激光能量直接作用在粉末上，熔覆粉末在到達熔池前就處于熔化或半熔化狀態，從而減少粉末在熔池中存在的時間，降低了對基體的熱輸入，極大地提高了熔覆效率和粉末利用率。在送粉時為了滿足熔覆效率和熔覆質量的要求，其粉末應具有優異的流動性，且要使粉末在基體上方完全熔化，粉末粒徑不宜過大。它與傳統激光熔覆本質的區別是改變了粉末的熔化位置，它解決了制約傳統熔覆技術大規模推廣的最大瓶頸—效率，從而也帶來了成本的大幅度降低。

1）熱輸入明顯減少（降幅達70%+），超低的熱輸入和較高的熔覆速度有助于提高冷卻速度，因此導致枝晶細化；熔覆層晶粒更加細小且分布均勻，涂層的顯微組織更為致密；

2）熔覆沉積速率快（提升100～250倍），可用于大面積零件的涂覆；

3）表面光潔度高，且粉末利用率高，用傳統激光熔覆制備的涂層的厚度通常大于 0.5 mm，而超高速激光熔覆制備的涂層厚度在25～250μm之間，且表面粗糙度可降至原來的 1/10。