激光熔覆技術研究現狀及應用

謝玉萍，師文慶，黃江，李思東，安芬菊，李永強

（1.廣東海洋大學電子與信息學院，廣東湛江524088；2.廣東海洋大學化學與環境學院，廣東湛江524088；3廣東海洋大學機械與動力工程學院，廣東湛江524088）

激光熔覆技術研究現狀及應用

謝玉萍1，師文慶1，黃江1，李思東2，安芬菊3，李永強1

（1.廣東海洋大學電子與信息學院，廣東湛江524088；2.廣東海洋大學化學與環境學院，廣東湛江524088；3廣東海洋大學機械與動力工程學院，廣東湛江524088）

在論述激光熔覆技術的原理、特點及所采用的主要材料的基礎上，重點綜述了激光熔覆技術的國內外研究與應用現狀，指出了激光熔覆技術亟待解決的問題和進一步研究的方向。

激光；熔覆；研究現狀

激光熔覆（Laser Cladding）技術是激光加工技術中一個重要的工藝方法，該技術解決了振動焊、氬弧焊、噴涂、鍍層等傳統工藝方法無法解決的選材局限性、工藝過程的熱應力、熱變形、基體材料結合強度難以保證等問題。激光熔覆技術是對基礎材料進行表面改性或者修復的技術，該技術方法不僅滿足于基礎材料的特定性能需求，而且又能節約大量的貴重金屬。近年來，激光熔覆技術越來越受到國內外的重視，已成功應用于船舶、電力、冶金、石化、機械、汽車、模具、五金等行業。

1 激光熔覆原理

1.1 激光熔覆技術概念與特點

激光熔覆技術的主要特點是以激光為作用熱源，采用不同方式在被熔覆的基體靶材上添料特定的熔覆材料，經過激光熱源的照射，使基體與表面熔覆層一起熔化，冷卻凝固后形成冶金結合的表面涂層，從而改善基體材料表面，使之具有耐磨損、耐腐蝕、耐高溫、抗氧化等特殊應用性能。

激光熔覆技術與其他表面強化技術（如電刷鍍、堆焊、熱噴涂）相比較（見表1），具有：①冷卻速度快（高達105~106 K/s）；②熱源輸入小，不易變形，涂層稀釋率低（一般小于5%）；③合金粉末幾乎沒有任何限制；④熔覆層的厚度范圍大；⑤可進行選區熔覆，材料消耗少；⑥光束可對復雜和難接近的區域進行激光熔覆等優異的特點。

表1 常見表面改性技術及其特點

1.2 激光熔覆的作用機理

激光熔覆實質并非將基體表面熔覆金屬作為溶劑，而是熔覆合金粉末使其成為基體材料的主體合金，同時基體材料也會熔化一薄層，形成冶金。該技術的整個過程實際上是激光與粉末、激光與基體、粉末與基體實現相互作用的優異結果。圖1所示為激光熔覆原理圖。

圖1 激光熔覆原理示意圖

（1）激光與粉末相互作用。激光光束作用于粉末時，粉末會吸收一部分熱源的能量，而到達基體材料時能量會損失，粉末受熱源的作用，在形成金屬熔池之前，其形態會依據吸收能量多少，存在熔化態、半熔化態以及未熔化態三種。

（2）激光與基體相互作用。激光與粉末作用之后的能量，改熱量會使基體材料熔化并產生熔池，該能量既決定了基體熔化深度，也對熔覆層的稀釋產生影響。

（3）粉末與基體相互作用。合金粉末在經噴口出送粉之后受外界因素的影響會發散，導致一部分粉末未進入金屬熔池，而是被飛濺到未熔區域的基體上，影響粉末的利用率以及熔覆層的質量。

1.3 激光熔覆材料

熔覆材料可分為粉末狀、膏狀、絲狀、棒狀和薄板狀，其中粉末材料應用最廣泛的是。在工業以及海洋工程應用中，絕大多數選用金屬粉末，而在金屬粉末中自熔性合金粉末的研究與應用最多[1]。

激光熔覆技術中人們最先最為常用的熔覆材料為Ni基、Co基、不銹鋼基和Fe基等自熔性合金粉末[2-3]。表2為常用幾種合金粉末的特點。熔覆層的性能主要取決于粉末體系的選擇，因此，選擇合理的粉末應該遵循以下幾點原則[4]：

（1）根據性能需求進行熔覆層材料的選擇，比如耐高溫、耐磨損、耐腐蝕等性能。

（2）激光熔覆一般會選擇同步送粉法，熔覆層材料最好選擇流動性較好的粉末。

（3）熔覆層粉末要有一定的干燥性，使其具有較好的流動性。

（4）熔覆層粉末的熔點不能太高，高熔點粉末很難控制其熔覆層的稀釋率，進而會使熔覆層的性能變差。

（5）涂覆層粉末的熱導性、熱膨脹系數等最好接近于基體材料，性能差異帶來的殘余應力會影響熔覆層的質量。

表2 幾種自熔性合金粉末特點

2 激光熔覆的研究現狀

2.1 國內研究現狀

我國激光熔覆技術的工藝研究始于上世紀90年代初期，該研究內容的主要內容集中在以下幾個方面：

（1）激光熔覆技術的工藝參數

北京航空航天大學的王華明通過研究激光不同掃描速度對熔覆質量的影響，指出掃描速度對熔覆層的顯微組織、顯微硬度以及熔覆層厚度都有關[5]；清華大學、哈爾濱工業大學、北京工業大學、華中科技大學等單位都通過工藝參數對熔覆質量的優化進行了詳細的研究。

（2）激光熔覆材料的制備及性能研究

①Ni合金熔覆材料：王華明教授還對Ti2Ni3Si/ Ni3Ti熔覆層的硬度、耐磨性和耐蝕性[6]等做了研究。吳宏亮[7]利用CO2激光器在TA2鈦合金表面熔覆Ni基合金，相比較熔覆層的硬度比原基體本身提高了4倍。

②鈷基合金粉。Liu[8]利用5000W的CO2激光器在TA15鈦合金表面熔覆KF-Co50鈷基合金粉末，試驗結果表明熔覆層磨損率約為鈦合金的8.3%，熔覆層的顯微硬度相比于基體提高了約2倍。

③Fe基合金粉末。譚文等[9]研制出一種Fe-CSi-B（成本低、性能優異）的合金粉末，與普通Ni基對比，其潤濕性更佳。

2.2 國外研究現狀

國外對于激光熔覆技術的研究于上世紀80年代開始，比我國早十年。其主要研究內容包括：激光熔覆材料的制備及性能研究。

Anandkumar[10]在UNS A03560鑄造Al合金基底上激光熔覆混合物Al-12wt%Si合金和SiC的粉末，研究了反應過程中激光熔覆層與其機械-微觀結構的關系。瑞士S.Nieder hauser，B.Karlsson等，研究了鋼上熔覆Co-Cr，實驗結果表明，提高了其熔覆層的表面硬度、拉伸強度、使用壽命等性能[11]。荷蘭格羅寧根大學V.Oce-lik，D.Mat thews and J.Th.M，利用激光熔覆TiB2/Ti-6A1-4V，SiC/Al-8Si，WC/Ti-6Al-4V等材料。研究表明，其提高了熔覆層表面的摩擦性能[12]。德國A.Bakkar，R.Galun等，在AS41-Mg上熔覆Al-12Si合金層，并研究了其顯微組織和防腐特性[13]。Song等[14]利用Fe/SiC納米復合材料對比純鐵試樣，其拉伸強度高出753 MPa.Majumdar等[15]利用激光熔覆技術在316L不銹鋼粉末中摻雜了20%和5%的SiC顆粒，其熔覆層的表面硬度和抗磨性都得到了顯著提高。他們還[16]研究了在低碳鋼表面上涂覆85%Fe+15%SiC和95%Fe+5%SiC的梯度層，其提高了耐磨性和耐蝕性。

3 激光熔覆技術的應用

目前激光熔覆技術在工業、航空以及海洋工程方面都有廣泛的應用，綜合來說體現在“對材料的表面改性”和“對產品的表面修復”兩個方面。前者的優勢是可以大大提高零部件的使用壽命、降低成本、縮短制造周期；后者可保證修復后強度可達原件的90%以上，節省重置資金，并且可解決企業成套設備連續運行所必須解決的轉動部件快速搶修難題。隨著激光熔覆技術的發展，該技術在工業、汽車等各個領域的應用越來越廣泛。

（1）機械工業中的應用

機械工業中軸承、曲軸、轉子、絲杠等這些配件在運行工作過程中易受到磨損，磨損后會導致整個機床的走位和震動，直接影響數控機床零件的加工。

針對工業配件的修復問題，各學者們也一直在探索研究中，例如劉永剛[17]采用激光熔覆技術修復壓縮機轉子軸。鄒輝[18]利用激光熔覆技術在進口風機齒輪軸修復中得以應用，并利用該技術在新輥或失效輥表面制備了無氣孔裂紋、厚度大于0.4 mm的耐磨熔覆層。

另外激光表面熔覆技術的表面改性技術也已廣泛地應用在模具的表面性能強化和修復中。閆忠琳[19]等通過對玻璃模具的激光熔覆處理，使得模具總使用時間提高了10倍。而為了提高沖壓模具的硬度、耐磨性以及耐腐蝕等特性，馬向東[20]等研究了4 mm厚的Q235板材結構件的沖裁車，利用激光熔覆的修復技術對Cr12沖裁模具進行了修復。

（2）航空中的應用

目前國內航空業，仍然依賴于國外進口，飛機的后期維修以及部分關鍵零部件都需要花費昂貴資金從國外采購。為此，采用激光熔覆技術針對民航各種零部件的修復具有很高的經濟價值。

美國AeroMet公司通過激光熔覆成型Ti-6A1-4V并具有高強度、耐熱、耐疲勞和耐腐蝕的鈦合金零部件，且已經在實際飛行中得以使用，其中F-22上的全尺寸接頭提高了兩倍疲勞壽命、F/A-18E/F的翼根吊環提高了四倍；降落用的連接桿也通過了試飛要求，其超出壽命要求的30%[21].通過激光熔覆工藝制造的零件，可以降低庫存和減少制造時間，解決傳統零件制造工藝產品制造周期長、生產周期長等難以克服的缺點。

（3）海洋工程中的應用

在海洋特殊環境下，經常處于海水環境的船舶上的泵，閥門、緊固桿等必須具有高防腐性。目前最常用的防腐基體材料是不銹鋼和銅，雖然具有耐腐蝕性，但是長期浸沒在海水里也會形成一些點腐蝕、縫隙腐蝕等局部腐蝕，局部腐蝕嚴重時就會發展成為潰瘍腐蝕，因此海洋工程材料的防腐是科研工作者一直研究的方向。

應用激光熔覆的表面改性技術可使常用的基體材料具有高耐腐蝕性。例如：Tsai等[22]通過激光表面熔覆技術，在鐵素體和奧氏體上熔覆一層硅氮化物，從而得到表面含有Si、N元素的不銹鋼。Kwok等[23]利用激光熔覆技術在UNSS31603奧氏體上熔覆一層0.15 mm厚的NiCrSiB合金粉末，并對其表面的熔覆層進行了點蝕性能的研究。

此外，激光熔覆還可以應用于鋼鐵冶金、油田、工程機械等其他行業。隨著“中國制造2025”規劃的不斷推進及發展，激光熔覆技術的應用也必將給工業生產帶來巨大的經濟效益。

4 激光熔覆技術存在的問題及發展趨勢

雖然激光熔覆技術已經應用到各行各業，但是目前衡量激光熔覆層質量優劣還沒有明確的標準。研究者一般從宏觀和微觀兩方面評判：宏觀上一般為熔覆層的形狀、表面平整度、裂紋、氣孔等；微觀上一般主要考察是否形成良好的組織、稀釋度、使用性能等。

4.1 當前激光熔覆技術面臨的問題

（1）目前激光熔覆技術還未能產業化的最主要的原因是熔覆層表面的不穩定性。由于熔覆的合金材料和基體材料存在物理性能以及機械性能的較大差異，使得熔覆層產生氣孔、裂紋、應力、形變以及表面不平整度等缺陷。

（2）激光熔覆技術的自動化控制和熔覆質量得檢測還不夠成熟。

（3）激光熔覆層的開裂敏感性，不僅困擾許多研究學者，也影響了其在工程應用及產業化方面的發展，尤其是金屬陶瓷復合熔覆，在其微裂紋方面的控制和實施中還不夠成熟。

4.2 激光熔覆技術的發展前景

激光熔覆技術是可以在廉價基體上制備出優異性能合金的一種高經濟效益技術，既可以降低成本，又能節約稀有材料。

目前我國激光熔覆技術已取得了階段性的研究成果，但仍處于工業化應用的起步階段，所以今后還要不斷突破各技術難點：

（1）激光熔覆技術基礎理論的系統研究，例如熱力學、動力模型的建立和數值模擬等。

（2）熔覆材料（成分、組織、性能）的設計和開發，特別是涉及非晶相、納米技術等先進材料的研發。

（3）熔覆層與基體過渡層之間的成分、組織、梯度性能的研發。

（4）激光熔覆層質量的控制、分析、各顯微表征，以及不同工藝環境下熔覆層的機械性能表征。

（5）大面積高效熔覆技術，通過激光器及其光學系統的設計，實現大面積且高效率的激光熔覆技術。

5 結束語

目前我國激光熔覆技術還尚未達到市場需求，對實現工業化應用還需要逐一解決各關鍵問題。隨著國家對制造業的重視和2025年的發展規劃，相信在不久的將來激光熔覆技術會給世界帶來一次真正的市場改革。

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Laser Cladding Technology Research Status and Applications

XIE Yu-ping1，SHI Wen-qing1，HUANG Jiang1，LI Si-dong2，AN Fen-ju3，LI Yong-qiang1
（1.College of Electronics&Information Engineering，Guangdong Ocean University，Zhanjiang Guangdong 524088，China；2.College of Chemistry and Environment，Guangdong Ocean University，Zhanjiang Guangdong 524088，China；3.School of Mechanical and Power Engineering，Guangdong Ocean University，Zhanjiang Guangdong 524088，China）

Based on the principle，characteristics and the main materials of laser cladding technology，reviewed the research and application of laser cladding technology，laser cladding technology has pointed out the problems and the direction of further study.

laser；cladding；the research status.

TG174.44

A

1672-545X（2017）06-0050-04

2017-03-03

項目資助：廣東海洋大學高校重大科研項目培育計劃資助（項目編號：GDOU2014050231）；廣東海洋大學創新強校工程項目（項目編號：GDOU2017052504）

謝玉萍（1989-），女，山東臨沂人，研究生，助理實驗師，研究方向：激光加工技術。