激光熔覆技術（Laser Cladding）是一種先進的材料表面改性技術，最早是由Gnanamuthu于1974年提出專利申請，興起于20世紀80年代。隨著激光器技術的發展和資源節約的需求，激光熔覆技術的基礎研究和應用推廣得到了快速的發展。它是以激光為熱源，將填充材料（粉末、絲材或板材）和基材表面一起熔凝，在基材表面形成與其冶金結合的熔覆層，從而顯著改善其表面耐磨、耐蝕、耐熱及抗氧化等性能的工藝 ，涉及光、機、電、物理、材料、化學、計算機等多門學科。該技術可對局部易破損的零部件進行表面強化及修復，以延長其使用壽命，有利于降低成本，提高效益，節約貴重稀有金屬材料，符合國家循環經濟和可持續發展戰略。因此，激光熔覆技術備受各國的關注和重視，成為當前的研究熱點之一。

與其他表面強化技術，如堆焊、噴涂、氣相沉積和電鍍等相比，激光熔覆技術具有以下特點：激光能量密度高，加熱速度快，對基材的熱影響區域小，引起的工件熱變形??；冷卻速度快（102～106 K/s），涂層晶粒細小，組織致密；涂層稀釋率低，涂層與基體呈冶金結合，結合強度高；材料選擇性廣，金屬材料、陶瓷材料及復合材料均可作為熔覆材料；易實現自動化，無環境污染 。因此，該技術在航空航天、礦山機械、石油化工、汽車、船舶、電力、鐵路等行業具有廣闊的應用前景。激光熔覆技術與其他表面工程技術的參數對比見表1。

本文從激光熔覆噴頭、激光熔覆工藝、激光熔覆材料、激光熔覆技術的工業應用4個方面綜述了激光熔覆技術的研究進展，并對發展趨勢做出了展望。

表1 表面工程技術特性對比

1. 激光熔覆噴頭

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、光料的耦合方式是熔覆噴頭的關鍵技術。

1.1 激光熔覆光斑及送料方式

激光熔覆噴頭內集成有光束鏡組，主要用于激光束的傳輸、變換及聚焦，可根據不同的加工需求對光束進行處理，包括變換光斑形狀、光斑尺寸、光斑能量分布等。光學鏡組一般包括準直鏡、整形鏡和聚焦鏡。一般首先通過準直鏡對輸入的發散光束進行準直，然后對準直后的光束進行整形，變換成所需的光束，如圓形實心光斑轉換為環狀或矩形狀，呈高斯分布的光束變換為光能均勻分布的平頂光束，單光束分成多光束等，最后將光束聚焦至加工面，以滿足加工所需的尺寸形狀和光強分布。

目前，常見的光斑形狀有圓形、環形、矩形和線形，其形狀和能量分布如圖1所示。圓形實心光斑能量呈高斯分布，其特點是中心能量大，邊緣能量小，在激光熔覆過程中易造成熔覆層中間過燒而邊緣熔化不足。環形光斑能量呈雙高斯分布，其特點是兩邊緣能量高，中間無能量，可通過錐透鏡 、錐鏡-反射聚焦鏡等對光束轉換獲得，如圖2所示。在激光掃描過程中，在熱傳導和熱對流作用下，熔池兩側的溫度略高于中心，這有利于邊緣有足夠的能量熔化粉末顆粒，減少側壁粉末的粘附。矩形光斑能量分布較均勻，具有激光熱加載均勻、加工效率高等特點，通過微透鏡陣列、空間光調制器、非球面透鏡組 、衍射光學元件、帶式積分鏡等對光束整形獲得。線形光斑掃描寬度大，大大提高了加工效率，且熱作用過程均勻，可顯著改善加工質量。

 按照熔覆材料的添加方式（下文中的材料均以粉末為例），激光熔覆送粉可以分為預置粉末法和同步送粉法。預置粉末法是將粉末以粘結或噴涂的方式預置在基材表面，然后采用激光輻射掃描熔化形成熔覆層。此方法工藝簡單，操作靈活，但粉末燒損嚴重，熔覆層存在氣孔和裂紋多、組織不致密、表面粗糙等缺陷。同步送粉法是采用送粉器使粉末連續輸送至激光作用區，實現材料的熔覆加工。同步送粉法具有自動化程度高、熔覆速度快、成形性好等特點，在激光熔覆中得到了廣泛的應用，但該方法對粉末的顆粒粒度和流動性等方面要求較高。

圖1 激光光斑形狀

圖2 環形光束的轉換示意圖

1.2 光粉耦合模式及熔覆噴頭

按照激光束和粉末的耦合形式，可將激光熔覆噴頭分為旁軸送粉熔覆噴頭和同軸送粉熔覆噴頭。對于旁軸送粉熔覆噴頭，其送粉噴嘴相對聚焦光束傾斜噴粉，粉束和激光束軸線之間存在夾角。旁軸送粉熔覆噴頭結構簡單，送粉噴嘴調節靈活，粉末穩定好，可實現異型零件的激光熔覆。隨著高功率激光器技術發展以及使用成本的大幅下降，旁軸激光熔覆噴頭由傳統的“圓形光斑+單束送粉”方式發展為“矩形光斑+寬帶送粉”方式。采用大光斑的激光熔覆方式極大提升了熔覆效率，單道熔覆寬度可達30 mm，適用于形狀簡單的零件表面的大面積激光熔覆。但變化掃描方向時，光粉耦合會出現明顯的方向性，影響熔覆層的性能。

對于同軸送粉熔覆噴頭，粉束和激光束同軸耦合輸出，粉末流各向同性，克服了旁軸送粉方向性的限制，可保證任意路徑下熔覆層的一致性。目前激光熔覆多采用同軸送粉熔覆噴頭。由于同軸送粉熔覆噴頭無方向性問題，也可應用于激光金屬增材制造（3D打?。?，通過逐層沉積可近凈成形大型結構件、復雜結構件等。按照激光束和粉束的相對位置，同軸送粉熔覆噴頭可分為光外同軸送粉噴頭和光內同軸送粉噴頭。光外同軸送粉噴頭是采用“粉包光”的光粉耦合模式，激光束從中心出射，光束周圍為傾斜布置的多個粉嘴送粉或環狀送粉，工作時，激光束和粉束匯聚在工作表面并形成熔池，如圖3a所示。光內同軸送粉噴頭是采用“光包粉”的光粉耦合模式，圓形實心光束轉換為圓環錐形光束或多光束，中空無光區域垂直放置送粉管，實現光束中空，粉管居中，光內送粉，如圖3b所示。粉末垂直加工面噴射，由于粉末噴射方向與包圍粉束的準直氣流方向、外圍聚焦環錐形光束軸線方向均相同，故三相流互不干涉，粉末發散小，集束性好，因此在一定的長度范圍內能夠保證光束、保護氣都包圍粉束，大大提高粉末利用率，減少熔覆層的表面粘粉和熔覆過程中的飛濺。光外同軸送粉和光內同軸送粉效果如圖4所示。從圖中可以看出，同軸環形噴嘴比同軸多管噴嘴匯聚效果好，可實現更小的匯聚粉斑，適合精密熔覆加工。同軸單束粉管正向送粉，粉末流細小，挺度高，可進行長距離、大傾角熔覆加工。由于光粉真正同軸實現了“光包粉”，一般無需在熔覆前預調光斑粉斑與工作面的對準，掃描過程中還可離焦變焦，熔覆出變寬的熔道。

圖3 同軸送粉熔覆噴頭原理示意圖

圖4 同軸送粉效果

隨著大功率激光器技術的發展與推廣，寬帶同軸送粉熔覆噴頭得到了越來越多的應用，如圖5所示。圖5a為武鋼華工激光研制的光外寬帶同軸噴頭，主要由送粉道、保護氣道和激光束通道組成。中心為矩形光斑，光束外兩側為與激光光斑相適應的矩形粉末流道。此噴頭適用于6～20 k W的激光熔覆加工，特別是煤礦機液壓支架立柱等回轉件的大批量生產。圖5b為蘇州大學與激光加工技術國家工程中心聯合研發的光內寬帶同軸噴頭，矩形送粉裝置位于噴頭中心，外層為雙光束通道，其熔覆效果如圖5c所示，熔覆寬度達40 mm。

在一些特殊工況下的熔覆加工，激光熔覆噴頭的內光路、粉路、水路、氣路等結構有所不同。如針對圓筒形、腔體類等內壁熔覆的深孔激光熔覆噴頭，針對各方位（如水平面、立面、仰面等）熔覆的全方位激光熔覆噴頭，針對水下修復的激光熔覆噴頭等。深孔激光熔覆噴頭將激光熔覆加工從工件的外表面延伸到孔的內壁表面，此噴頭呈細長狀，光路系統采用長聚焦鏡，并利用反射鏡將光束反射至加工位置。德國弗洛霍夫研究所研制的深孔熔覆噴頭最小內孔徑達33 mm，工作孔深可達0.5～3 m，技術處于領先地位。圖6a為武鋼華工激光研制的深孔熔覆噴頭，最小內孔徑為50 mm，孔深為0.5 m。全方位激光熔覆噴頭可實現±180三維空間熔覆，在噴嘴口與聚焦鏡間設置防護氣簾，可防止噴頭連續變換方位時，熔覆材料落到聚焦鏡上而損壞鏡片，其在仰面位置的熔覆加工如圖6b所示。水下激光熔覆噴頭集成了排水裝置將水排出，從而形成局部的穩定氣體空間，實現水下激光熔覆修復。

圖5 寬帶同軸送粉熔覆噴頭

圖6 特殊工況下的激光熔覆噴頭

2 激光熔覆工藝

2.1 激光熔覆工藝參數

激光熔覆過程中涉及眾多工藝參數，包括激光功率、掃描速度、光斑直徑、送粉速率、氣體流量和搭接率等，這些工藝參數影響熔覆層的質量。熔覆層的質量包括宏觀形貌（寬度、高度、寬高比、稀釋率、裂紋、表面粗糙度等）和組織性能（氣孔、雜質、組織形態、力學性能等）。

熔覆層的宏觀形貌與工藝參數的關系模型可通過數據統計分析方法和數值模擬的方法進行預測。根據預測的關系模型，對目標進行優化，從而獲得最佳的工藝參數組合。目前常用的數據統計分析方法有單因素法、正交法、神經網絡和響應曲面法等。邢彬等采用正交試驗法研究了工藝參數對IC10高溫合金熔覆層寬度、深度和高度的影響，結果表明激光功率對寬度影響最大，離焦量對深度影響最大，而各參數對高度的影響無顯著差別。過低的熱輸入會造成基體與涂層未熔合，過高的熱輸入易形成氣孔缺陷。倪立斌等基于神經網絡建立了熔覆層特征與工藝參數之間的預測模型，誤差小于4.5%。Ansari等采用響應曲面法建立了回歸模型，優化獲得了稀釋率小的熔覆層。以上均是對多輸入單輸出進行優化，而激光熔覆是一個多輸入多輸出過程，因此參數優化是一個多目標優化問題，需要對多個目標值進行綜合評價。目前有PCA-TOPSIS法、NSGA-Ⅱ算法、灰色關聯分析法等。趙堯等以熔覆層寬度、稀釋率和表面硬度為優化目標，基于PCA-TOPSIS法獲得了激光功率、掃描速度和送粉速率的優化組合。Wang等以熔覆層寬度、平整度和欠熔面積為優化目標，采用灰色關聯分析法將這些目標轉化為單一目標，并通過主成分分析法確定權重，最終通過回歸分析，建立了灰色關聯度與工藝參數的關系模型。采用數值模擬法預測熔覆層宏觀形貌，有利于簡化工藝驗證過程，揭示熔覆層成形機理，推動自動化、智能化的發展。李亞敏等利用Ansys軟件建立了瞬態三維有限元溫度場模型，數值模擬了工藝參數對熔池的影響，確定了最優工藝參數并進行試驗驗證，大幅減少了實驗量。Li等建立了多場耦合三維數學模型，得到了激光熔覆過程中溫度場和速度場的分布狀態和演化規律。

熔覆層的組織性能除與熔覆材料有關外，還與成形的工藝參數有關。不同的工藝參數會形成不同的凝固組織，從而影響熔覆層性能。楊丹等研究了工藝參數對Ni基組織的影響，組織的大小與激光功率呈正相關，與送粉速率呈負相關，隨著掃描速度的增加，組織先變小后變大。曾維華等研究了工藝參數對熔覆層耐腐蝕性能的影響，結果表明熔覆層的耐腐蝕性能隨著激光功率的增加而降低，隨著掃描速率的增加而先增加后降低。顧賽男等發現不同的工藝參數下，熔覆層內的W顆粒會呈現團簇、均勻分布、沿著熔覆層邊緣分布及“W包Cu”結構的不同形態。

綜上所述，熔覆層的宏觀形貌和組織性能是工藝參數綜合作用的結果，合理選擇工藝參數組合，有利于提高熔覆層的質量。

2.2 激光熔覆復合工藝

國內外學者研究發現，將輔助加工工藝與激光熔覆復合，能夠較好地改善熔覆層缺陷，提高熔覆層質量?，F有的輔助復合加工方法有電磁場、機械振動、超聲振動、感應、磁場、微弧、TIG電弧、微鍛造、激光沖擊等。

研究發現，部分復合工藝能夠細化晶粒、減少氣孔裂紋、調控組織分布、降低殘余應力等。王梁等研究了電磁復合場對激光熔覆增強顆粒WC分布的調控，結果表明在電磁場的作用下，熔池流速受到抑制，當施加的定向洛倫茲力與重力同向時，增強顆粒集中在上層，反之集中在下層。Jiang等研究了超聲振動角度對激光熔覆涂層組織和性能的影響，結果表明超聲振動可以細化組織，使元素分布均勻化，當超聲振動為45時，摩擦系數最小，耐磨性得到了顯著的提高。林英華等研究表明，電磁復合場能夠抑制Ni60熔覆層表面裂紋，消除涂層內部氣孔，減小脆性相的尺寸和顆粒偏聚，有效抑制內部裂紋的產生。Farahmand等采用激光-感應復合熔覆Ni-WC復合涂層，研究發現在感應加熱的輔助下，可獲得無裂紋和氣孔的復合涂層。綜上所述，通過復合工藝的方法可以減少熔覆層缺陷，提高涂層的耐磨、耐腐蝕等性能。

2.3 超高速激光熔覆

超高速激光熔覆技術由德國弗勞恩霍夫激光技術研究所和亞琛工業大學提出并聯合進行研發，主要解決傳統激光熔覆加工效率低的問題。此技術可在短時間內制備大面積涂層，極大提高了生產效率和降低了成本，同時響應了政府提倡的發展綠色無污染加工的要求，有望成為替代傳統電鍍的技術之一。

與常規激光熔覆技術相比，從能量分配看，常規激光熔覆中基板吸收的光能要多于粉末顆粒，基板吸收能量形成熔池，將輸送至熔池的粉末熔化，而超高速激光熔覆改變了能量分配，粉末顆粒吸收的能量要高于基板。因此，超高速激光熔覆調整了激光、粉束和熔池的匯聚位置，使粉束匯聚點位于熔池上方（如圖7a所示），同時提高了激光束和粉束的匯聚性，光束和粉束的匯聚直徑小于1 mm，從而增加了匯聚光斑內的激光能量密度，使粉末顆粒吸收足夠的能量，在落入熔池前溫度已達到熔點，進而減小了粉末在熔池內的熔化時間。制備的涂層如圖7b所示，可見熔覆層表面光滑，只需經磨削加工就可達到精加工要求。

圖7 超高速激光熔覆

弗勞恩霍夫激光技術研究所的Schopphoven等研究表明，超高速激光熔覆的沉積速率由常規激光熔覆的0.5～2 m/min提升至20～500 m/min，沉積率由50 cm2/min提升至500 cm2/min，涂層厚度為10～250μm，稀釋率小于1%。Li等研究表明，超高速激光熔覆涂層相較于常規激光熔覆涂層的組織更加細密，成分分布更均勻。

2.4 激光熔覆過程控制

為了提高激光熔覆過程的穩定性和熔覆層質量，需要對成形過程中的相關信息進行監測和控制。監測對象主要有熔池溫度、熔池幾何特征和熔覆層幾何特征。通過監測這些工況信息的變化，實時調控激光功率、掃描速度、噴頭提升量等工藝參數，從而實現熔覆過程的閉環控制，補償工藝過程中的偏差。

熔池溫度和熔池形貌信息可通過高溫計、CCD圖像采集、熱成像儀等設備監測獲得。song等用雙色高溫計監測熔池溫度，并采用廣義預測控制器，通過調整激光功率實現了熔池溫度的閉環控制。楊柳杉等采用CCD攝像機和圖像處理軟件實現了熔池寬度的在線檢測。熔覆層形貌信息主要為熔覆層的高度。石拓等基于光學三角法原理，采用高速CCD相機監測層高，并設計了P和PI堆高閉環控制器，提高了成形尺寸精度。

3 激光熔覆材料

目前激光熔覆材料主要有自熔性合金粉末、陶瓷粉末和復合粉末。自熔性熔覆粉末有Fe基、Ni基和Co基，粉末中含有脫氧和自熔作用的Si、B等元素，具有較好的工藝成形性。陶瓷粉末有碳化物陶瓷粉末、氮化物陶瓷粉末、氧化物陶瓷粉末和硅化物陶瓷粉末，具有較好的耐磨、耐蝕、耐高溫和高溫抗氧化性能，常被用于制備高溫耐磨耐蝕涂層和熱障涂層。復合粉末是指金屬材料與陶瓷材料混合或復合而成的合金粉末，它將金屬和陶瓷的性能有效結合起來，是激光熔覆技術研究的熱點。復合涂層的陶瓷相可通過機械外加法或原位合成法獲得。機械外加法是將陶瓷顆粒直接加入合金粉末中，并混合均勻。原位合成法是指元素在一定的條件下發生化學反應，原位生成陶瓷相。此方法獲得的增強相可與金屬基體具有良好的浸潤性能和界面結合性能。

 為獲得質量良好的功能涂層，需要選擇合適的材料體系。熔覆材料要與基體材料具有良好的匹配性，如相似的物理性質（如熔點、彈性模量和熱脹系數等）和化學性質，以保證兩者較佳的潤濕性。若兩者材料性質相差太大，會因不同材料界面引起的較大熱應力而產生涂層開裂或剝落。此時，可采用中間過渡層的方法來制備梯度涂層，從而減小基體和涂層之間的性質突變。如Chen等 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。

 熔覆材料吸收激光能量后迅速升溫熔化，在和外界環境的熱交換以及基體熱傳導的作用下快速降溫，產生“液-固相變”。隨著溫度的進一步下降，組織會發生“固-固相變”，這決定了材料的最終組織。由于激光熔覆快速熔化和快速凝固的特點，熔體的過冷度較大，在非平衡凝固條件下，可生成細晶組織、亞穩定相、非晶態合金等。

4 激光熔覆技術的工業應用

4.1 礦山機械

煤礦機械工作環境復雜苛刻，粉塵顆粒、有害氣體、濕氣和煤渣對機械設備造成磨損、腐蝕，縮短了設備的使用壽命，如截齒、刮板運輸機的運輸槽、液壓支架立柱、齒輪、軸類零部件等。采用激光熔覆技術可對零件易失效部位進行強化或修復，提高耐磨損、耐腐蝕性能，延長設備使用壽命。

蘇倫昌等在截齒上熔覆了THPR-50合金粉末（鐵基合金加Ti、W、Mo），涂層中原位生成了碳化物相，耐磨性提高了3倍。曹青等采用激光熔覆技術在運輸槽上了制備了35%Ni50+65%WC無裂紋的熔覆層，并應用于730刮板機中，每10萬噸的過煤量，其平均磨損量為0.1 mm，提高了使用壽命。李春強等在立柱上制備了Ni60熔覆涂層，具有很高的顯微硬度和較強的耐腐蝕性能。

4.2 模具

模具作為成形物品的工具，其性能要求較高，價格昂貴，尤其是大型復雜精密模具。若模具局部磨損而報廢，則加工周期長，造價高，嚴重影響生產。模具種類繁多，包括壓鑄模具、砂型鑄造模具、塑料模具、鍛壓模具和沖壓模具等，在長期的工作中，會出現表面磨損、熱裂紋、熱疲勞、腐蝕等問題，從而造成模具失效報廢。因此，對模具表面進行處理以提高其使用壽命，以及對失效模具進行修復具有重要的意義。

 Kattire等采用激光熔覆技術在H13工具鋼上制備了CPM9V涂層，發現馬氏體和殘余奧氏體中析出高硬度的碳化釩，涂層硬度比基體提高了4倍。劉建永等對汽車覆蓋件拉深模易磨損區域進行局部激光熔覆強化，以Fe40合金涂層為打底層，用GXN-65A和XY-27F-X40合金分別強化模具的上部分和下部分，以滿足不同部位的硬度要求。

4.3 鐵路

磨損和滾動接觸疲勞是影響鋼軌使用壽命的兩個因素。對鋼軌關鍵部位進行強化，以及對鋼軌的周期性維修和隨時的現場搶修，有利于提高鋼軌的使用壽命，減少鐵路運營的成本。

Seo、Lewis等研究了各合金粉末對激光熔覆涂層耐磨性和滾動接觸疲勞性能的影響。Liu等在列車制動盤表面熔覆了鈷基涂層，并分析在不同溫度下的磨損行為。結果表明，在高溫環境下，Co06涂層比基材具有更好的耐磨性和抗氧化性能。Lai等在鋼軌表面熔覆了410L不銹鋼涂層，并研究了掃描方向、預熱和后熱處理對涂層組織和性能的影響，如圖8所示。

圖8 激光熔覆修復鋼軌

4.4 其他行業

激光熔覆技術還可應用在航空航天、冶金、工程機械、汽車、船舶、3D增材制造等行業，具有非常廣泛的應用前景。如航空發動機鈦合金葉片的修復、船用螺旋槳的修復、曲軸的修復、飛機大型復雜結構件的激光增材制造等。

 激光熔覆技術是經濟效益高的新型表面改性技術，不僅可以減少生產成本，縮短制造周期，還可以提高零部件的使用壽命。該技術屬于先進制造、綠色制造領域，是“中國制造2025”的重大戰略規劃發展方向之一，有利于加快發展先進制造業，推動信息技術與制造技術深度融合。

5 展望

1）在激光熔覆噴頭方面，改進光束傳輸變換聚焦方式，優化工作光斑及能場分布；變革送粉方式，提高粉末利用率和沉積率；實現光料精準耦合，提升工藝能力并擴展應用功能；高功率寬帶熔覆噴頭和超高速熔覆噴頭可實現大面積高效激光熔覆，極大提高制造效率。這些都是表面工程領域和增材制造領域的研究熱點。在制備過程中的成形工藝、成形精度、路徑規劃、缺陷控制以及組織性能的研究方面需進一步加強。同時，激光熔覆噴頭需集成測控系統，加強工況實時監測和反饋控制技術的研究，向自動化、智能化方向發展。

2）在激光熔覆對象方面，熔覆面由規則的平面向非規則的曲面發展，成形軌跡由二維直線向空間曲線發展，加工方位從水平面、小傾角面向立仰面、空間任意方向噴射熔覆發展。在朝空間任意方位進行激光熔覆時，激光束、粉束、熔池、工作面之間的耦合關系將發生變化，從而影響熔覆層成形質量。需要對空間不同方位下光粉氣的噴射規律、空間不同方位甚至倒掛熔池的流動與凝固規律、熔覆層形貌特征規律、組織生長規律及其性能等方面進行研究。

3）在激光熔覆應用方面，便攜移動式激光熔覆原位修復技術會得到發展與應用。關鍵技術主要包括：高功率、小型化、智能化、便攜式的熔覆成套裝備，光粉氣空間噴射耦合技術與全方位全位置熔覆成形技術及裝備，室外環境下的惰性氣氛保護裝置，激光熔覆工藝及后處理工藝等。

4）在激光熔覆復合方面，將該技術應用于激光增材制造過程中，成形高質量的復雜結構件、大型結構件等。如激光熔覆與微壓鍛、激光沖擊等復合的增材制造，可有效抑制成形零件的開裂、氣孔、殘余應力大等問題，提高成形件的組織性能和抗疲勞等綜合性能。