激光熔覆再制造技术影响因素的研究

韩辉辉，黎文强，王腾飞，马宗彬

(河南省煤科院耐磨技术有限公司，河南 郑州 450001)

随着制造业的快速发展，钢铁材料已被广泛应用在工程机械、煤矿机械等各行各业，但每年因机械部件表面磨损和腐蚀导致材料损伤或失效而消耗钢钢材量占钢材总量的10%左右。机械零部件的磨损腐蚀不仅致使设备使用寿命大幅度缩短，同时存在较大安全隐患。为减少磨损腐蚀造成的损失，工业上广泛在高精密零件的关键部位的表面进行耐磨耐腐蚀强化处理及再制造技术，提高零部件使用寿命[1]。设备零部件表面强化及修复的方法主要有等离子堆焊、电镀、气相沉积、激光熔覆等。激光熔覆再制造技术与其他表面处理技术相比具有其独特的优势，具有稀释率低、工件变形小、熔覆层组织致密、界面结合强度高、绿色环保等特点，是一种新兴的绿色表面再制造强化技术。其不仅可以对已失效工件进行再制造强化处理，实现工件的重复利用，还可以对新零件关键部位进行耐磨耐腐蚀强化处理，能够显著延长工件的使用寿命，有效降低成本，符合国家制定的可持续发展战略[2-4]。

1 激光熔覆再制造技术简介

激光熔覆再制造技术以激光为加热热源，将合金粉末以预置或同步的送粉方式涂覆在基体表面，经过高能量密度的激光照射后，熔覆合金粉末与基体表层材料同时快速熔化、快速凝固，形成稀释率较低、耐磨、耐腐蚀、抗氧化、组织致密的熔覆层，同时保持基材拥有原有的强度和韧性的高端表面强化技术。激光熔覆再制造技术可以在不影响基体力学性能的前提下，增强基体表面硬度、耐磨、耐腐蚀性能，具有能量密度集中，熔覆层融化和结晶速度快，组织致密，晶粒细小，对工件热输入少，热影响区小，粉末可选择性多，易于实现自动化，工件可批量化生产等其他工艺所无法比拟的优点。激光熔覆再制造技术修复的工件不受熔覆厚度及熔覆次数的限制，磨损腐蚀的工件可以得到多次重复利用，使用寿命加长，同时避免其回炉冶炼工序，节约稀有贵重金属材料，为国家节约了大量能源及稀有资源。国内在20世纪80年代初期开始对激光熔覆再制造技术展开研究。目前，这项技术在国内发展迅速，已广泛应用在航空航天、煤矿、化工、汽车、轨道交通、冶金等多个领域[5]。

2 激光熔覆再制造技术的影响因素

(1)激光熔覆材料。激光熔覆材料是关乎激光熔覆层表面是否表现出优异的耐磨性、耐腐蚀性及抗氧化性等物理特性的关键影响因素。主要由于激光熔覆材料中的合金元素种类及含量决定着表面熔覆层的热膨胀系数、导热性、流动性等一些物理特性和熔覆层组织成分物象种类、数量，而这些物理特性及组织成分最终影响着熔覆层质量、性能及缺陷等问题[6]。

激光熔覆层的质量好坏与选择的粉末材料种类密切相关。因不同种类的合金粉末具有不同的性能及性质，通常激光熔覆再制造技术要求合金粉末材料与基体材料之间具有相似的熔点、热膨胀系数等物理性质，以保证熔覆过程中两者润湿性和匹配性。若热膨胀系数相差较大的2种材料结合，在界面处易产生较大内应力，使熔覆层产生裂纹，严重情况下甚至开裂、脱落。而自熔性合金粉末因其良好的力学性能、成型性及与基体结合良好的匹配性被激光熔覆再制造技术广泛使用。

(2)工艺参数对激光熔覆层影响。激光熔覆是利用高能量激光将雾化合金粉末快熔快凝，同时具有流动、传质、传热现象的冶金过程。在工艺参数影响激光熔覆层质量因素中，对熔覆层质量和性能起关键作用的主要包括激光功率密度，送粉速度，扫描速度，搭接率等。这些参数的综合协调作用下才能确保熔覆层具有较好质量，最为直观的不会出现气孔、裂纹等宏观缺陷。

激光功率密度是激光熔覆层热量输入的核心控制参数，对激光熔覆层宽度、厚度和稀释率都有较大影响。随着激光功率密度增加，熔覆层的厚度、宽度和稀释率都增加，这是由于激光功率密度增大使合金粉末接收的能量增多，单位时间进入熔池的合金粉末增多，基体融化深度增加。但激光功率过大时，一方面工件稀释率大，基体输入热量过多，导致工件变形严重；另一方面，熔池温度过高导致合金粉末元素烧损严重和熔覆层表面氧化严重，降低熔覆层耐磨耐腐蚀性能。激光功率过小时，会造成合金粉末熔化不充分、熔覆层与基体结合力不够等现象，严重影响熔覆层质量。因此，激光功率密度大小的选择成为制备高质量激光熔覆层的关键因素之一。杜学芸等[7]研究不同功率密度对激光熔覆层的影响，研究表明，随着激光功率密度的提高，熔覆层显微组织晶粒变的粗大，Cr元素分布不均匀，易造成局部贫铬，导致激光熔覆层的耐蚀性能变差。

扫描速度是指激光光斑在工件上的移动速度，对激光熔覆效率和熔覆的厚度起着关键作用。随着扫描速度的提高，虽然提高了熔覆效率，但代表着光斑在工件表面停留时间降低即单位时间接收的能量减少，熔池存在时间减少，熔覆层冷却速度增大，产生气孔裂纹倾向增大，同时参与形成熔覆层粉末减少，熔覆层的厚度下降。扫描速度过大会造成熔覆层厚度较薄，达不到产品的工业应用标准，影响产品最终使用性能[7]。

搭接率是影响激光熔覆效率和熔覆层平整度的关键工艺参数。减小搭接率可以一定程度上提高熔覆效率，但会使两搭接熔覆层之间形成小的沟壑，导致熔覆层表面不平，平整度降低。搭接率增高虽然可以提高熔覆层平整度，但会造成熔覆效率降低，搭接处出现裂纹气孔缺陷的几率增加，因此需要选择合适的搭接率在保证熔覆层平整度的同时提高熔覆效率[8]。

送粉速度对熔覆层厚度影响尤为明显。在不改变其他工艺参数的条件下，提高送粉速度会使熔覆层厚度增加，但过多粉末输送到熔池内，使合金粉末熔化不充分，一方面导致粉末利用率降低，造成粉末浪费；另一方面粉末出现黏接现象，影响熔覆层表面成型质量。在实际生产过程中，应严格控制送粉速度，在保证熔覆层厚度满足要求的前提下适当降低送粉速度，有效防止粉末因未熔化而浪费[9]。

综述所述，激光熔覆再制造技术要获得高质量的熔覆层，需要综合考虑各工艺参数对熔覆层的作用，合理搭配，消除各因素的相互影响，进而制备出组织致密、表面无缺陷、性能优异激光熔覆层。

3 技术存在问题

(1)理论研究不够深入，不可控因素多。国内激光熔覆再制造技术一方面起步晚，研究历程短，另一方面企业只重视实际应用，轻视机理的原因，导致目前科研及生产单位应用的激光熔覆技术参数以经验数据为主，缺乏基础的原理性研究，理论研究不够深入，如激光熔覆层的凝固原理、晶粒生长机制、缺陷形成机理等。另外激光熔覆的过程受到粉末种类，工艺参数、基体尺寸等多种因素的影响，这些参数相互影响和相互制约，不可控因素较多，使激光熔覆再制造技术理论研究变得更为复杂化[10]。

(2)熔覆层易产生缺陷。在激光熔覆再制造技术制备熔覆层过程中，熔覆层表面易出现裂纹、气孔、凹坑、氧化及工件变形等缺陷问题，对激光熔覆再制造技术的发展产生不利影响。激光熔覆层缺陷形成受到熔覆层材料与基体材料之间热膨胀系数偏差、工件表面与熔覆层之间较大温差、激光熔覆急速加热快速冷却特性、工艺参数选择不适合及熔覆层组织与基体之间形成内应力等一种或多种因素的影响。在多种不利因素综合影响下，熔覆层表面易出现裂纹、气孔等多种不良缺陷。

(3)高端核心部件国产化程度低。目前国内市场应用较广泛激光熔覆设备零部件多为进口技术特别是激光器，主要是因为进口激光器相比国内激光器的稳定性和使用寿命相对较好。但购买进口产品存在较大弊端，一方面，采购周期长，不利于企业关键技术形成核心竞争力，抢占有利的市场份额；另一方面，限制了国内相关技术的发展，科学技术的研发需要大量资金支持，国内企业研发产品卖不出去，就会导致激光器芯片、整形镜片、激光器光栅等高端核心部件国产化技术发展缓慢，以至于出现核心产品的发展受制于人的情况。

4 改善措施

针对激光熔覆过程出现的气孔和裂纹等缺陷，可以通过加强理论研究、合理设计粉末成分、优化工艺参数、结合一些辅助手段等措施改善，提高激光熔覆层的整体质量和使用性能。

(1)加强理论研究，为激光熔覆再制造技术发展提供理论支撑。加强理论研究，从理论上解释各工艺参数对激光熔覆层的作用原理及缺陷形成机理，才能从根本上解决问题，使激光熔覆再制造技术满足客户需求，达到工件服役要求，有效避免熔覆层出现裂纹、气孔等缺陷。

(2)调整熔覆材料成分，优化激光熔覆工艺参数。熔覆工艺和熔覆材料是影响激光熔覆层组织和使用性能的至关重要因素，加强其研究对激光熔覆技术的开发至关重要。裂纹和气孔是激光熔覆层最易出现的缺陷。热应力是影响熔覆层裂纹产生的重要因素，热应力可表达为：

式中，αc和αm分别为熔覆层和基体的热膨胀系数，Tm和Tc分别为熔覆前的起始温度和熔覆层的熔点，Ec为熔覆层弹性模量，εc为熔覆层材料的泊松比。

通过公式分析可以得知，可以采取调整熔覆层合金元素成分缩短熔覆层与基体之间的热膨胀系数差，基体激光熔覆前预热处理、减小熔覆层材料的弹性模量等措施有效减少熔覆层热应力，进而防止裂纹的产生。另外可以通过优化工艺参数，合金粉末进行防潮保存，激光熔覆前将粉末进行干燥等措施都能有效减少气孔的产生。在粉末中添加可形成韧性相的合金元素，能够有效降低裂纹敏感性，如铁基合金粉末中加入一定量的镍、钴元素后，形成一些增强熔覆层韧性的组织结构，有效降低了熔覆层裂纹形成概率。

(3)超声振动辅助提高激光熔覆层质量。由于激光熔覆是极快的速度熔化和冷却过程，凝固后熔覆层内极易残留较大的内应力，同时熔池内元素存在偏析的原因，导致裂纹和气孔的产生。超声辅助装置利用超声波的声流效果和机械效应，一方面，引起熔池液态金属上下翻滚，起到搅拌熔池和除气作用，减小成分偏析和应力集中，进而抑制裂纹和气孔的产生；另一方面，可缩短熔池凝固时间，打碎初生和正在长大的晶粒，将组织内晶粒细化。因此，超声振动辅助激光熔覆技术不但改善熔覆层组织结构，提高熔覆层致密性，还有效阻止激光熔覆层裂纹、气孔等缺陷产生。申井义等[11]研究了空载式超声振动对激光熔覆层组织和性能的影响，结果表明，对熔池施加超声振动后，熔覆层组织改善，气孔和裂纹减少，与未施加超声振动相比，熔覆层耐磨性能得到大幅度提高。

(4)电磁场辅助提高激光熔覆层质量。其主要利用电磁力对激光熔覆层金属内部的搅拌和涡旋作用，实现与材料不直接接触细化熔覆层组织晶粒，减小熔覆层中气孔和裂纹等不良缺陷，提高熔覆层的组织质量及性能。杨光等研究了电磁搅拌对激光熔覆层熔池凝固过程的影响，研究表明，施加电磁搅拌后，熔池内部及表面液体流动性明显增强，内部热交换加快，熔池内温度分布更加均匀，有效促进熔池内柱状晶向等轴晶的转变，减少熔覆层成分偏析，降低裂纹开裂敏感性[12]。

5 结论

激光熔覆再制造技术是随着激光器应用的逐渐成熟而兴起一种绿色表面再制造强化技术。该技术已广泛应用到失效圆轴类高精密零件表面的耐磨耐腐蚀再制造强化处理，实现了待报废产品的循环再利用，节约大量的钢铁资源以及冶炼能源，减少对环境的污染，符合国家长远可持续发展理念，具有广阔的应用前景和市场发展需求。经过多年研究发展，我国在激光熔覆再制造技术行业已经积累了大量的工业经验，激光熔覆再制造技术得到不断优化改进，但仍然存在基础理论研究不够深入、熔覆层出现裂纹、气孔等缺陷、核心部件国产化低等问题。只有采取不断加强基础理论知识研究、优化熔覆工艺参数及研发高性能的合金粉末等措施，才能制备出高质量、高性能的激光熔覆层。另外还要加强激光器相关核心部件国产化，才不会被国外卡脖子，实现国内激光熔覆再制造技术的健康可持续发展。