激光熔覆技术研究现状与发展趋势

崔佳鹏

摘 要：重点阐述了当前激光熔覆技术的研究现状及发展趋势，详细的介绍了熔覆材料体、熔覆过程和熔覆效果，并在文末提出了现阶段激光熔覆技术存在的技术瓶颈和未来发展方向及趋势。

关键词：激光熔覆;工艺;现状;趋势

中图分类号：TG174       文献标识码：A开放科学（资源服务）标识码

doi：10.14031/j.cnki.njwx.2019.12.014Open Science Identity（OSID）

激光熔覆可以应用于再制造技术和增材成形技术等领域，其工作原理是将熔覆粉末材料添加到基材表面，利用大功率高密度激光束对熔覆材料和基材表面进行加热，使其发生冶金熔合，并同时快速冷凝，形成高强度、耐腐蚀性熔覆层。

1 激光熔覆技术特性

与等离子喷焊、热喷涂和堆焊等传统表面改性工艺技术相比，熔覆技术具有明显技术优势，具体可以归纳为以下几点：（1）激光熔覆层结晶均匀致密，且具有较高的结合强度和耐磨耐蚀性能;（2）激光熔覆层材料稀释率较低，一般可以控制在5%以内，且熔覆层与基体层呈现冶金结合，结合强度较高，可形成较薄的熔覆层;（3）激光熔覆过程中激光能量集中，热影响区域小，熔覆后热变形小，基本可以忽略不计，能够很好的保证几何形态和力学性能;（4）激光熔覆工艺便于自动化控制，通过自动化控制可以有效提高熔覆质量，还可對难以接近的区域进行熔覆。

2 激光熔覆工艺方法

（1）预置粉末法。预置粉末法是通过粘接或喷洒的方式将熔覆粉末均匀放置于基体材料表面，在进行激光熔覆时，熔覆粉末和基体材料在激光能量的作用下同时熔化，熔化后的覆层在基体材质的热量吸收作用下快速冷却，形成冶金结合。

（2） 同步送粉法。同步送粉法是通过自动送粉装备在进行激光熔覆的同时将熔覆粉末送入熔池完成同步送粉，该种送粉方式熔覆层均匀，工作效率高，便于实现自动化控制。

3 激光熔覆材料种类

（1）自熔性熔覆粉末。自熔性熔覆粉末是指在Fe基、Ni基、Co基基质粉末中加入具有强烈脱氧和自熔作用的Si，B等元素，多数合金元素均能和Si，B元素形成低熔点共晶体，这些共晶体的形成可有效防止液态金属过度氧化，从而改善熔覆区熔体对基体金属的浸润能力，提升工艺成形性能。

（2）陶瓷粉末。陶瓷粉末一般可以分为两类：一类是包含硅化物陶瓷粉末，另一类是包含氧化物陶瓷粉末，这类粉末具有陶瓷材料所特有的隔热、耐蚀、耐磨、抗高温等良好性能。在需要制备高温耐磨耐蚀涂层和热障涂层时常常被使用。

（3）复合粉末。在Fe基、Ni基、Co基等自熔性熔覆粉末中加入各类化合物，例如：碳化物、氮化物、硼化物与硅化物等能够提高熔覆粉末熔点的硬质化合物性能，形成全新粉末体系，这类粉末体系具有较好的金属强韧性及较好的耐磨、耐蚀、耐高温和抗氧化特性。

4 激光熔覆技术应用领域

（1）航空航天领域中的应用。航空航天领域是最早引入激光熔覆技术的工业领域。其主要应用方向包括两个方面：一方面可以利用熔覆技术直接生产制造零部件，例如用来制造承受严苛工作环境的新型钛合金零件;另一方面可以用来修复因高载荷而造成表面失效的各类零部件，例如飞机叶轮叶片和飞船舱体等。

（2）汽车领域中的应用。在汽车工业领域中，激光技术最先常被用来进行钣金切割和局部热处理等，但随着熔覆技术的快速发展，它也被不断的应用于发动机进气门密封锥形面熔覆等精密件加工领域。

（3）其他工业技术领域中的应用。在煤炭矿山行业中的应用，例如在各类液压工程设备、发电机组、高载荷齿轮等设备的维修中均有较好的应用;在建筑材料行业，例如各类破碎机主轴、电机转子轴、搅拌机、减速机齿轮轴等设备的维修中均有较好的应用;在工程机械行业，例如各类变速箱齿轮轴、泵体柱塞、发动机缸体等设备的维修中均有较好的应用，只要金属部件发生了表面磨损，就可以通过激光熔覆技术，来进行再制造和改良。

5 激光熔覆技术难题

（1）熔覆过程中工艺参数的不可控因素。激光熔覆技术工艺参数对熔覆层的力学性能、组织结构起着决定性作用，熔覆过程中的主要技术参数包括激光能量、光斑尺寸、熔覆速度、预热温度、搭接尺寸、粉末进给方式及进给速度等，并且很多技术参数间还存在着相互影响和相互制约。目前各类科研及生产机构所使用的参数，还是以经验数据为主，缺乏理论依据。

（2）熔覆层中的裂纹缺陷。在激光熔覆过程中，熔覆区在激光的作用下快速熔合后又快速凝结，由于熔覆粉末与基体材料的物理收缩性能存在细微差异，因此在熔覆区进行快速冷却时，熔覆层受到冷态基体固有约素限制而产生内生拉应力，当内生拉应力超过覆层所能承受的极限时，便会在敷层表面产生裂痕，裂痕是影响熔覆质量的重要指标。

激光熔覆技术虽然还处于工业应用的初级阶段，但随着科学技术的不断发展，未来必定有着巨大的发展前景。建议相关专业技术人员从以下几个方向继续加强重点研究：（1）送熔覆原理上解决裂纹问题;（2）积累并建立工艺参数数据库;（3）新型熔覆材料体系的开发;（4）熔覆技术理论体系的进一步完善。

参考文献：

[1] 董世运，马运哲，徐滨士，等.激光熔覆材料研究现状[J].材料导报，2006，20（6）：5-9.

[2] 黄瑞芬，罗建民，王春琴.激光熔覆技术的应用及其发展[J].兵器材料科学与工程，2005，28（4）：57-58.