淺談激光熔覆技術研究進展

肖林林，任 雁，高秋華，李 征，王 智

(1.北京北方車輛集團有限公司，北京 100072；2.陸軍某軍事代表室，北京 100072)

激光熔覆就是將所需合金粉與基材很薄的表面同時瞬時熔化并快速凝固，在基材上形成致密的冶金結合熔覆合金層。這項先進的新型表面新材料和新技術的優點是凝固時初生物細小，均勻分布在固溶體基體中，沒有合金元素偏析，只有很小的熱影響區等[1]。

激光熔覆是近年來比較受關注的表面處理方式，由于熔覆層組織細密，熔覆材料的選擇范圍很廣，可以通過熔覆材料的選擇實現高耐蝕性、高耐磨性、高硬度等性能要求。在航空航天、重型機械等行業有較廣泛的應用。目前，激光熔覆工藝在鋼鐵上的應用較為成熟，在鋁合金上也有部分應用。激光熔覆與電鍍性能對比見表1。

表1 激光熔覆與電鍍性能對比

1 激光熔覆的種類

激光熔覆的主要生產方式分為預置熔覆法和同步送粉法，2種方法根據施工時送粉方式的不同而得名。預置就是通過粘接、噴涂或者其他方法，將粉料放在需要進行激光熔覆的部位，然后再對該部位進行激光處理。而同步送粉則是送粉與激光同步進行。2種方法各有利弊。預置材料可以是粉末、合金絲或者是板材等狀態。預置熔覆法的激光熔覆工藝流程為：基體預處理→預置材料→激光掃描→后處理。預置熔覆法的工藝流程較長，工序復雜，涂層均勻性差，對激光功率要求較高，且粘接劑的分解容易對熔覆層造成污染，可能形成氣孔、開裂等缺陷。

同步送粉熔覆，粉料在經過激光束時發生溶化，滴入到基體溶化后產生的熔池中，在激光離開后，迅速冷卻結晶形成熔覆層。同步送粉的優點是工藝過程相對簡單，可以實現自動化控制，效率高，在許多企業已得到推廣應用。同步送粉的激光熔覆工藝流程為：基材表面預處理→同步送粉激光熔化→后續工藝處理[2]。

目前超高速激光熔覆技術非常受歡迎。相較于普通激光熔覆技術，超高速激光熔覆形成的組織更細密，由于光斑較小，形成的搭接率較高，可達到60%～80%，熔覆速度更高，表面粗糙度可與熱噴涂狀態相近，目前部分設備可實現20～30 μm，熔覆層的尺寸控制精度也有明顯提升，可實現0.2～0.5 mm。

對常用的激光熔覆工藝參數進行梳理(見表2)。

表2 激光熔覆常用工藝參數

2 激光熔覆三維直接制造技術

基于激光熔覆的三維金屬零件直接制造技術，也稱為激光直接制造技術(Direct Laser Fabrication，DLF)，是一種不需借助任何模具和刀具，只要將CAD/CAM數據輸入數控系統，借助自動送粉激光熔覆工藝，即可直接從CAD文件制造出致密金屬零件的先進制造技術[3]。

目前市場上常用的粉料有非金屬粉料和金屬粉料，其中非金屬粉料有ABS、PC、PLA、尼龍、陶瓷類等，金屬類主要有鋼鐵、鋁合金、鈦合金等。

SLM即選區激光熔化成型技術，采用預置粉末方面用聚焦光斑快速熔化預置金屬粉末的方式，獲取任意形狀的構件，該類工藝形成的構件為完全冶金結合，致密度可達到99%以上。結構較復雜的構件需要設計支撐部分成形后再去除。

SLS即選區激光燒結成型技術，與SLM相似，但激光功率較低。如果功率過大，尺寸誤差增大，容易產生翹面變形，適合收縮率較小的材料，加工前需要對粉末進行預熱來進一步減小變形率。SLS和SLM工藝方式同樣屬于預置粉末型。

LMD即激光熔覆成型技術，也常被稱為DMD、DLF、LRF等，該技術采用同步送粉方式，粉末與激光匯于一點，在工作臺面上熔覆冷卻成實體。

3 激光熔覆修復技術

隨著逆向工程技術和激光熔覆再制造修復技術的快速發展，激光熔覆作為綠色再制造技術的關鍵技術之一，已被廣泛應用在航空、石化等領域。失效零件的破損區域提取是激光熔覆機器人實現智能路徑規劃的基礎，其研究具有重要意義。由于不同工業生產制造領域零件的失效形式不同，因此對其進行熔覆修復，需要根據具體零件情況進行可修復性評價制定可修復的依據，零件破損區域的前處理工作及待修復部分三維掃描提取及其幾何重構還不是很成熟，修復區域的軌跡規劃都是需要進一步研究的問題；其次，在熔覆的過程設備的自動化控型控性工藝、根據零件實際情況熔覆材料的選擇及熔覆工藝參數的選取，到最后后處理及熔覆結果的可行性評價方式方法，都需要進一步解決和優化。

2005年，宋建麗等[4]進行了鎳基合金Ni25、Ni60和316L不銹鋼多層激光熔覆成形試驗，采用同步送粉法對不同材料進行試驗，材料組織成形快速，凝固沿最大溫度梯度方向外延生長，形成的零件組織細小、致密，無缺陷，層與層之間為冶金結合，結合強度高。

2008年，李寶增[5]從材料合金化原理出發，綜合考慮了激光熔覆過程中熔化與凝固的特點以及基材與粉末的物理化學特性，對航空發動機葉片進行了激光熔覆修復試驗，主要研究了激光熔覆修復用合金粉末的最佳配比以及激光熔覆工藝參數對組織結構與性能的影響。

2012年，傅強等[6-7]進行了齒輪軸受損齒面的激光熔覆修復研究，在試驗中對順序熔覆和對稱熔覆后軸的徑向變形分別進行測量和分析。采取對稱熔覆工藝可以解決產品變形的問題。這種方法對激光熔覆的施工工藝提出了新的思路。

2017年，程相榜等[8]對液壓千斤頂活塞桿進行了激光熔覆研究，提出了通過工藝手段，精細控制結合各類檢測手段，降低熔覆層的稀釋和表面缺陷對耐蝕性能的影響，并提出了提高熔覆效率的新方向。

2018年，王鑫龍[9]圍繞著失效零件破損區域提取方式方法及激光熔覆再制造破損零件可修復性進行研究，在工藝試驗和實際再制造修復零件的過程中，結合傳統熔覆質量檢測和無損檢測相結合的方式，來進行可修復性研究。

2019年，劉干成等[10-11]圍繞小模數齒輪表面制備鎳基合金涂層，采用雙光束激光熔覆手段改善單光束熔覆過程中易出現的熔覆缺陷問題，在細化熔覆層組織的同時達到了提高熔覆層硬度的效果。

綜上所述，對各種修復工藝類型、性能進行對比(見表3)。

表3 激光熔覆常用性能指標

多年以來，從各種材料的激光熔覆可行性研究，到能夠滿足各種特異功能的激光熔覆粉料的研究，再到激光熔覆設備光斑、功率以及各類激光頭的設計研究，整個激光熔覆行業正逐步趨于完善。

激光熔覆作為增材技術的有效手段，在再創造修復的領域內有良好的前景，但由于激光熔覆技術的成本仍高于電鍍鉻、焊接等傳統工藝，極大地限制了該工藝的廣泛應用。目前在航空、航天、大型機械設備等高價值構件上得到應用，民用工程及附加值較低的產品中仍以傳統工藝為主。因此，降低激光熔覆技術的成本是該領域發展的關鍵。

4 結語

近幾年，激光熔覆的研究主要在粉料的研制與涂層性能的提供，對于質量檢測尚無明確的標準，尤其是涂層內部可能存在的裂縫或空隙缺陷，熔覆后產品變形度等問題缺少便捷檢測的方法和能力，對激光熔覆技術的產業化工業化應用，存在不可忽視的影響。由于成本問題限制了激光熔覆技術的廣泛應用，未來有效控制成本將成為該領域發展的關鍵。