激光熔覆技术研究现状及展望

王斌修，李成彪

(青岛理工大学机械工程学院，山东青岛266033)

激光熔覆技术是材料表面改性技术中的一种重要方法，它利用高能激光束 (104106W/cm2)，将具有不同成分、性能的材料与基材表面快速熔化、扩展并迅速凝固，形成一层具有特殊物理、化学或力学性能的复合材料，从而获得基体所不具备的性能，如高硬度、耐磨性、耐腐蚀性以及高温下的抗氧化性等，这种复合材料具备了熔覆材料和基体二者的优势，弥补了相互间的不足。采用该技术可使涂层与基体的结合方式由常规热处理中的机械结合变为冶金结合，从而更能胜任摩擦、磨损条件较为苛刻的场合。

1 激光熔覆技术的优点

与各种常规表面处理技术，如涂料涂层、电镀、堆焊和等离子喷涂等相比，激光熔覆技术具有以下优点:(1)激光能量密度高，加热速度快，熔覆层热影响区小，工件变形小;(2)激光能量密度可调，在确保基材极低稀释率的同时，能够保证熔覆层和基体间呈良好的冶金结合;(3)激光熔覆时，加热、冷却速度快，熔覆层晶粒细小、结构致密，能够获得较高的硬度和良好的耐磨、耐腐蚀性能;(4)光斑照射区域可通过导光系统进行处理，可对工件局部或难加工部位进行选区熔覆;(5)适用范围广，理论上几乎所有的金属、陶瓷材料都可通过激光熔覆将其熔覆到任何合金上。

2 激光熔覆技术的工艺方法

与激光熔覆相关的工艺主要是材料表面预处理方法、熔覆材料供给方式、预热和后续热处理。熔覆材料供应方法可分为合金同步法与合金前置法。

2.1 合金同步法

合金同步法是指在激光照射基材的同时，通过专门的送料系统将熔覆材料送入激光作用区，使熔覆材料和基材同时熔化，继而冷却结晶形成合金熔覆层。该方法工艺过程简单，易控制和实现自动化，并且熔覆材料利用率高，实际生产中采用较多。文献 ［1］研制了一种适用于垂直面送粉激光表面强化的喷嘴，建立了一套完整的垂直面送粉激光强化系统，并使用该系统进行了垂直面送粉激光强化技术的研究，利用该系统能够确保垂直面送粉各方向的均匀性和激光熔覆熔池的良好惰性气体保护和光束折弯镜片的保护，很好地保证了熔覆层与基体的冶金结合和稀释率的关系。

2.2 合金前置法

合金前置法是将待熔覆的合金材料预先涂敷在材料表面，利用激光照射，使整个合金覆盖层和一薄层基体熔化，待激光束离开后，熔化部分迅速凝固而使得熔覆层和基体间呈冶金结合。该方法工艺过程简单、操作方便，但涂敷层厚度不易控制，很难保证稀释率和结合强度。因其操作过程的简便性，还是得到了许多研究者的喜爱，如文献 ［2］利用合金前置法在45钢表面预先涂敷Ni基WC金属陶瓷涂层，然后采用DL5KWCO2横流激光成套设备对其进行激光熔覆，预置厚度为1 mm，在特定的激光参数下，获得了耐磨性提高约15倍、耐腐蚀性提高近3倍的熔覆层，并且将该技术应用于抽油泵柱塞上，柱塞寿命提高了3倍以上，应用效果良好。

3 激光熔覆技术的材料

自激光熔覆技术开发应用以来，最初应用和研究最广的涂层材料是自熔性合金材料。随着人们对熔覆涂层的使用要求越来越高，单纯的自熔性合金材料已无法满足要求，于是就出现了复合材料和陶瓷材料。

3.1 自熔性合金材料

自熔性合金材料主要特点是含有硅和硼，所以具有自我脱氧和造渣的性能，即所谓的自熔性。该合金被重熔时，硅和硼分别形成SiO2和B2O2，并在熔覆层表面形成薄膜，该薄膜能防止合金中元素被氧化，并与这些元素的氧化物形成熔渣。自熔性合金粉末分类及其特点见表1［3］。选材时，应根据不同的需求选择不同类型的合金材料。

表1 自熔性合金材料的粉末分类及其特点

自熔性合金粉末研发最早且应用最为广泛，文献［4］选用镍基合金，利用激光熔覆技术成功对地损坏了的HL8-4离心压缩机齿轮轴实现了修复。安装运行后发现修复后的齿轮轴各项指标均达到修复前水平，且推力面的硬度还有了进一步的提高。文献［5］选用钴基合金，在H13模具钢表面进行激光熔覆处理，成功制备了钴基合金涂层。涂层与基体间呈良好的冶金结合，硬度和耐磨性得到了显著改善。文献［6］选用铁基合金，采用5 kW横流CO2激光器，在304L不锈钢基体上熔覆了Fe75.5C7.0Si3.3B5.5P8.7非晶涂层。涂层无微观裂纹、夹杂等缺陷，与基体结合良好。涂层的显微硬度呈梯度分布，中部硬度最高，最高硬度为HV441.3，大约是基体硬度的3倍。

3.2 复合材料

复合粉末的出现是为了获得金属陶瓷复合涂层，它兼并了金属的强韧性、良好的工艺性和陶瓷材料的耐热、耐蚀、高温抗氧化性能，是近些年激光熔覆技术领域研究的热点。复合涂层的陶瓷相可以通过“机械外加法”或“原位自生颗粒法”获得。机械外加法是指直接将陶瓷颗粒与合金粉末混合均匀，然后进行激光熔覆。原位合成法是指在一定条件下，通过元素与元素或者元素与化合物之间的化学反应，原位生成陶瓷颗粒相。文献［7］采用激光熔覆和重熔的方法在低碳钢CCS-B上制备Fe-Ni-Si-B-Nb系非晶纳米晶复合涂层，该涂层具有良好的摩擦磨损性能。文献 ［8］采用激光熔覆技术，利用镍包铝、镍基合金与铝的混合粉，在钢基底上原位合成了NiAl、Ni3Al金属间化合物覆层。该研究不仅改善了熔覆质量，同时降低了基底中铁元素的熔化量，减轻了其对涂层的稀释作用，原位合成涂层的硬度达到HV490540。

3.3 纯陶瓷材料

纯陶瓷粉末主要包含硅化物陶瓷粉末和氧化物陶瓷粉末，目前应用较多的是氧化物陶瓷粉末，如氧化镍、氧化铝。陶瓷粉末具有良好的耐磨、耐蚀、耐高温以及抗氧化性能，常被用于制备高温耐磨耐蚀涂层和热障涂层。但陶瓷相与基体的热物性差异较大且之间的相互作用以及颗粒加入时引起熔池中能量、动量和传输条件的改变都会影响涂层的成形效果。目前，生物陶瓷材料作为一个研究热点，受到了广泛关注，文献［9］采用激光熔覆技术，在Ti-6Al-4V合金表面制备了生物陶瓷复合涂层，涂层质量完好且与基体呈冶金结合，硬度高达 HV1474。文献 ［10］以80CaCO3-20CaHPO3·H2O另加1%Y2O3为原料，利用激光熔覆技术，在TC4钛合金表面成功制备出以羟基磷灰石为主的、具有梯度特征的生物陶瓷涂层。该涂层致密度由表及里呈现出逐步提高的特征，显微硬度则逐渐降低。

4 存在的问题及解决方法

目前激光表面熔覆技术仍存在着有待解决的问题，具体如下。

(1)涂层裂纹的控制。在激光作用层内存在大的热应力和开裂倾向，特别是熔覆层与基体交界处的开裂，常常导致表面熔覆层剥落，这是目前激光熔覆技术工业化的主要障碍之一。对于裂纹的控制通常采取下列方法［11］:①工艺条件的改善。合理选择工艺参数的原则有:严格控制激光熔覆过程中的线能量;合理调节激光功率，从而控制热输入量;适当选择光斑大小。另外，选择预热和熔覆后续处理也对防止裂纹有积极影响。②熔覆合金成分的设计。通过限制合金粉末中某些元素的含量或向合金粉末中加入某些具有特殊性质的元素以达到控制裂纹产生或增加涂层抗裂能力的效果。研究表明:在满足性能要求的前提下，控制合金粉末中B、Si的含量，或者在合金粉末中加入能够增加其韧性的某些合金元素，如V2O5，均能有效控制涂层裂纹的产生。另外，在基材与熔覆层之间设置一层良好的中间过渡层，可以保证熔覆层和基材之间有良好的应变协调能力，也能起到一定的防止裂纹产生的作用。

(2)粘结剂和预置膜。合金前置法中预置膜厚度的控制、合金元素均匀性的保持以及粘结剂成分的选用等在现有文献中几乎都是一笔带过。预置膜的厚度会影响激光能量在涂层和基体间的分配，预置膜过厚导致基体熔化过少，影响涂层和基体间的冶金结合;反之，则基体熔化过多，影响涂层的稀释率。合金元素的均匀与否与熔覆层的整体质量息息相关。粘结剂的使用对实验结果有不可忽视的影响。粘结剂应仅仅起到将合金粉末粘附在基体上的作用，不能与基材或熔覆材料发生化学反应，而且最佳的结果是激光照射后粘结剂挥发或者气化，从而减少实验结果的影响因素。

(3)大面积熔覆。要将激光熔覆技术广泛应用于实际生产，大面积熔覆是必不可少的，这必然要采用多次搭接技术。搭接意味着在每个相邻扫描带的结合处出现了二次加热效应，这就难以控制材料表面的显微硬度。这一缺陷严重制约了激光熔覆技术投入实际生产。现有文献中提出的大面积光斑技术使激光光束由圆形变成矩形［12］，虽然在一定程度上减少了搭接率，却是治标不治本。为了改善因搭接而产生的缺陷，除了依赖更大功率的激光器减少搭接率之外，还应加大对搭接处显微组织的理论研究，从改善加工工艺和调整激光加工参数入手，才能从根本上解决这一难题。

5 展望

鉴于激光熔覆技术具有许多传统表面处理技术不可比拟的优势，作者有理由相信，它会在未来工业中发挥出巨大作用。然而就目前而言，虽然激光熔覆技术经历了数十年的发展，但真正在工业中的应用才刚刚起步，许多关键技术还有待研究者的进一步努力，作者认为未来一段时间对激熔覆技术的研究重点应放在以下几个方面。

(1)加强激光熔覆基础理论的研究。加强对激光与基材及熔覆材料的作用机制的研究，模拟激光熔覆过程中温度场、熔凝规律并建立模型，进一步完善激光熔覆过程中关键因素的实时检测。只有以足够成熟的理论作为指导，激光熔覆技术才能真正实现产业化。

(2)开发新工艺。鉴于目前激光熔覆技术存在的缺陷，可以考虑开发新的工艺方法，如激光复合熔覆［13］，即采用普通加热方法，再加上激光复合加热来完成熔覆处理工作，汇集二者的优点，同时克服各自的缺点，实现优势互补。

(3)汇总现有研究成果，注重细节研究。尽管近些年来有关激光熔覆技术的研究成果不断出现，但多数都是零散的。一项成熟的技术，必须要做到有据可查，所以必须对现有激光熔覆的工艺方法、工艺参数、熔覆材料等进行汇总和分类，建立数据库，以方便研究者和企业的进一步研究与应用。统筹规划的同时，应更加注重细节的研究，如粘结剂的配置与选用、同步送粉装置的设计、熔覆材料与激光工艺参数的选择、激光扫描路线的制定等，只有把握住每一个细节，才能获得最为理想的研究结果。

(4)在实际条件下进行研究。在实验室研究阶段，要充分考虑实际生产条件，利用计算机仿真技术，模拟实际生产条件和激光熔覆过程。此外，还要重视在实际条件下的研究，使激光熔覆技术能够真正解决实际生产中所遇到的问题。

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