激光熔覆技術的研究概況及其發展趨勢

陳冠秀， 安立周， 王 碩， 錢 坤， 譚業發

（陸軍工程大學 野戰工程學院， 江蘇 南京 210007）

0 引言

隨著科技與制造業的飛速發展， 人們對機械設備的工作性能提出了更高的要求。 由于機械設備往往需要在高溫、強載、高壓等惡劣環境條件下長期穩定運行，極易造成零部件磨損、腐蝕、氧化等表面損傷，嚴重影響零部件的使用壽命，阻礙機械設備的工作效率、安全性和可靠性[1]。 因而，通過運用表面工程技術對機械零部件表面進行表面改性和表面強化處理，以提高其使用性能，延長服役壽命和安全可靠性，一直是廣大科研人員研究的重點。新興起的激光熔覆技術[2]能在不影響零件基體性能的前提下，在基體表面形成一層耐高溫、硬度高、耐疲勞等功能的熔覆層，從而提高機械設備的綜合性能，為機械設備的穩定運行提供安全、可靠的保證[3]。

1 激光熔覆技術的原理與特點

1.1 基本原理

激光熔覆技術以高能密度（104～106W/cm2）的激光束為熱源，并在惰性氣體的保護下，按照設定的掃描軌跡，將激光束照射于同步送出或預先涂敷在基體表面的材料（以粉末為主）上，使熔覆材料和基體表層迅速熔化，快速凝固，最終形成與基體具有冶金結合特性的功能性涂層，從而顯著改善基體表層特性[4-6]。

1.2 特點

相比于其他表面強化技術（堆焊、熱噴涂、電鍍等），激光熔覆技術具有以下優點[7-9]：

（1）凝固過程熔池冷卻速度快（102～106℃/s），熔覆層組織為典型快速凝固組織，以柱狀枝晶和等軸晶為主，而當選用特定材料體系時則有可能得到非晶相、超彌散相、亞穩相等新相，且晶粒細小、致密，缺陷少，有助于提升熔覆層性能。

（2）熔覆過程中激光束的能量密度和能量利用率高，升溫速度快，熱循環時間短（0.001s～0.01s），熱量輸入少，對基體產生的熱畸變和熱損害程度低，基體形變程度小、性能穩定。

（3）熔覆材料選擇種類多，搭配多樣性，可以根據不同需求選擇不同材料、改變材料成分或混合多種材料，使得熔覆層性能優異[10]。

2 激光熔覆技術的研究現狀

2.1 材料體系

激光熔覆作為一種集成了材料、物理、化學、光電和自動化控制等學科的綜合性表面強化技術， 在熔覆過程中會受到多種因素的影響， 其中熔覆材料的影響排在首位[6，9]。 由于熔覆材料直接決定了熔覆層的性能，所以自激光熔覆問世以來， 熔覆材料的研究便受到廣大學者的關注。 目前常見的熔覆材料包括自熔性合金粉末和硬質顆粒增強合金復合粉末[11]。

2.1.1 自熔性合金粉末

自熔性合金粉末是指在了鐵、鈷、鎳及其他有色金屬合金粉末中加入硅、硼元素，使其在熔覆過程中具有自行脫氧造渣和強烈自熔作用，即自熔性[12]。 在激光熔覆過程中，Si、B 等元素易與粉末中的氧發生反應生成SiO2、B2O等氧化物， 并在熔融狀態下與其他氧化物反應生成熔點低的硼硅酸鹽，從而降低熔覆材料的熔點[13]。 同時，生成的硼硅酸鹽和氧化物會以薄膜態覆蓋于熔池表面， 避免熔池內其他元素與氧接觸，防止熔池中液相過度氧化，提高液相流動性，促使熔池中雜質溢出，降低熔覆層中的含氧量和夾雜物含量，提高熔池對基體的潤濕能力，進而提升熔覆層的成型功能[14]。

（1）鐵基自熔性合金粉末。 Fe 基自熔性合金粉末由于其極高的性價比、 優良的機械性能和與鋼材基體優異的界面潤濕性，主要用于溫度要求低、易變性和局部磨損性差的零件[15]。 比如應用于石油鉆桿、礦山機械、機械工程等易磨損零部件。

張曉等[16]通過采用SEM 和XRD 技術研究了LC3530鐵基粉末熔覆層的性能，結果表明，熔覆層組織主要是細小、致密的等軸晶，且硬度分布均勻，約為基體（254.1HV）的2.5 倍，在摩擦磨損試驗中，熔覆層的磨損量和磨損系數遠低于基體，分別是基體的0.14 和0.5。 Chen 等[17]在純鈦基體上制備了鐵基涂層， 利用AISI52100 鋼球進行了摩擦磨損性能測試。結果表明：制備的鐵基涂層平均硬度和平均磨損率分別為860.4HV0.2，2.0×10-6mm3/（N·m），遠低于純鈦基體，表明涂層有較好的硬度和摩擦性能。

（2）鈷基自熔性合金粉末。 Co 基自熔性合金粉末憑借著其高溫時較好的機械性能和耐磨損、耐腐蝕性能，主要應用于機械、電力和航空等領域，如汽輪機的葉片和燃料噴嘴、核電廠的閥座和航空航天器內的高溫耐磨零件[18-19]。

邵延凡等[20]通過制備Co 基合金涂層來提高不銹鋼基體的性能， 發現涂層內部組織以樹枝晶為主并且向涂層內部生長，在涂層底部存在少量的平面晶和胞狀晶。Fu等[21]采用激光熔覆技術制備無鈷鎳鉻基涂層， 并通過XRD 進行物相觀察。 結果表明，熔覆層的初生相為Ni 基固溶體，其主要有M7C3和M23C6碳化物。

（3）鎳基自熔性合金粉末。與Fe 基合金相比，Ni 基合金具有更好的延展性和塑性，并以其高強度、優異的耐磨、耐蝕和耐高溫性能以及低于Co 基合金的價格，成為激光熔覆中研究和應用最廣泛的材料，比如應用于渦輪葉片、模具、刃具、閥桿閥座和液壓活塞桿等零件的修復[22-23]。

周志杰[24]通過制備Ni60A 鎳基合金涂層來提高20Cr13不銹鋼的表面性能， 并對涂層的宏觀形貌和微觀組織進行研究。結果表明，涂層表面連續完整，無斷裂、燒蝕等缺陷；涂層組織主要以柱狀晶和樹枝晶為主，在涂層底部，有一條平面晶組織組成的明顯白亮帶。 Liu 等[25]在銅基體上制備了Ni1015 鎳基合金涂層， 并對其微觀結構進行了分析。 結果表明，涂層表面光滑、均勻、連續，與基體結合良好，且界面完整無缺陷。 在鎳基合金中加入銅后，涂層與基體二者之間的熱膨脹系數和熔點接近， 導致快速冷卻時應力較低。

（4）其他自熔性合金粉末。 除上述三種合金外，Cu基、Ti 基、Al 基分別憑借各自的特點，如Cu 基合金良好的塑性、導熱性和導電性[26]，Ti 基合金優良的比強度、生物相容性和耐腐蝕性[27]，Al 基合金的高塑性、輕質和易成型性[28]，應用于激光熔覆的多種場合。 崔澤琴等[29]采用激光熔覆技術在AZ31B 鎂合金表面制備了Cu-Ni 合金，發現熔覆層與基體結合良好，且界面完整幾乎無缺陷，硬度分布均勻（75HV0.05），高于基體的45HV0.05。 Liu 等[30]研究了在TA2鈦合金表面激光熔覆的Ti-Ni 熔覆層， 結果表明熔覆層內存在NiTi、NiTi2和NiTi3等金屬間化合物，顯著提升了熔覆層的抗氧化性，其硬度約為721HV0.2，是基體的4.56 倍。 靳坤等[31]利用激光熔覆在AZ91D 鎂合金表面制備了Al-Ti-Ni/C 熔覆層，發現熔覆層的硬度為284.5HV，是基體的3.9倍，腐蝕電位增加了332mV，腐蝕電流密度減小了63.27%。

2.1.2 硬質顆粒增強合金復合粉末

為了進一步提升熔覆層的性能，具有優良耐磨性、耐蝕性和耐高溫性的硬質顆粒是廣大學者優先考慮的增強材料，如TiN[32]、SiC[33]和WC[34]等。然而，由于硬質顆粒的熱物理性能與基體的相差很大， 不滿足相容性和潤濕性原則， 所以純硬質顆粒熔覆層易出現與基體結合不牢固以及裂紋、孔隙等缺陷，無法有效發揮熔覆層性能[35]。 而將硬質顆粒增強合金復合粉末作為熔覆材料可以解決上述問題。 通過以自熔性合金為基材，硬質顆粒為增強相，既可以發揮硬質顆粒的優良性能， 又能夠結合自熔性合金的良好成型性和塑韌性，進而避免上述缺陷的產生[36]。

（1）TiC 顆粒增強合金復合粉末。劉建仁等[37]在12Cr1MoV合金鋼制備了不同含量的TiC/NbC 復合涂層， 并進行了相關測試。 結果表明，隨著Ti/Nb 比例的下降，TiC 逐漸轉變為NbC，涂層的組織變得致密，晶粒向等軸晶轉化，涂層硬度變大。 當Ti/Nb 比為1∶1 時， 涂層綜合性能最好。Quan[38]研究了原位TiC 增強Co 基復合涂層的組織和性能，結果表明：涂層中主要有Cr23C6、TiC、Co3Ti 等物相，隨著TiC 顆粒含量的增加，涂層的組織更加細小均勻，涂層內等軸晶的數量越來越多。當TiC 含量為30wt.%時，涂層的顯微硬度增幅最高為35.7%。

（2）WC 顆粒增強合金復合粉末。 Yan 等[39]在PH13-8Mo 鋼基體上激光熔覆制備了NiCrBSi-WC 復合涂層，并分析、測試了涂層的組織和摩擦性能。 結果表明，涂層中含有大量二次碳化物和γ -（Ni，Fe）固溶體，包括W2C，Ni3B 和M23C6。熔覆區、結合區、熱影響區和基體的平均顯微硬度分別為1008HV0.2、842HV0.2、386HV0.2、356HV0.2。 在摩擦試驗中，涂層有較好的摩擦學性能，其摩擦系數和磨損率均為最佳。 樊增彬[40]通過對WC/Ni 基合金涂層的試驗、分析，發現采用單道激光熔覆時，涂層表面無明顯缺陷；而在多道搭接時，涂層外表面出現明顯裂紋；當涂層的稀釋率在5%左右時，涂層與基體結合最好。

（3）SiC 顆粒增強合金復合粉末。 段曉溪等[41]研究了不同尺寸的SiC 顆粒對316L 熔覆層的影響， 結果表明，10%納米SiC 顆粒含量的熔覆層性能最好，其顯微硬度分別比316L 和含有微米SiC 的熔覆層高227HV、100HV。摩擦試驗中，10%納米SiC 顆粒含量的熔覆層摩擦性能最好，其摩擦系數與磨損量最低。 Li 等[42]通過激光熔覆Ti+SiC 熔覆層來提高TC4 合金的性能，結果表明，熔覆層內除了Ti、SiC 還有反應生成的TiC、Ti5Si3；當SiC 含量增加至20wt.%時，和基體（摩擦系數0.45，磨損深度15.5μm，顯微硬度350HV）相比，熔覆層硬度高達900HV，摩擦系數和磨損深度僅為0.1 和0.35μm。

2.2 工藝參數

激光熔覆的目的是改善基體的性能，因此，熔覆層的質量就顯得至關重要。 激光熔覆的工藝參數會直接影響熔覆層的組織形態、幾何特性、物相分布和綜合性能等，進而對熔覆層的成型質量產生確定性作用。因此，很有必要對掃描速度、 光斑直徑和激光功率等工藝參數進行優化，來制備性能優良的熔覆層[9，13]。

2.2.1 激光功率

激光功率的大小決定了熔池的最高溫度， 進而影響熔池的存在時間和形狀尺寸。激光功率過低，會導致熔池的溫度比熔覆材料的熔點低，熔池內存在未熔融顆粒，熔覆層內易產生組織不均勻、氣孔和局部球化等現象。并且低激光功率難以使基體表層熔化， 導致熔覆層的結合強度較低，難以與基體形成冶金結合界面，易在外部載荷的作用下脫落。 而激光功率過高則會導致熔覆材料過熔甚至產生氣化現象，熔覆層與基體間的稀釋作用更加嚴重，導致材料的利用率降低。

Han 等[43]采用不同激光功率在316L 不銹鋼表面制備了鎳基WC 涂層，并觀察了涂層的微觀結構。 結果表明：隨著激光功率從2500W 增加到3500W，涂層顯微組織逐漸細化；當激光功率為4000W 時，涂層顯微組織變粗大，出現燒蝕現象。 姚芳萍等[44]通過研究不同激光功率對鎳基涂層的影響， 發現涂層表面的缺陷 （裂紋、氣孔等）隨著激光功率的增大越發明顯；1600W 時的樹枝晶數量比1400W 時的明顯增加，且以針狀樹枝晶為主。

2.2.2 掃描速度

掃描速度的大小決定了熔覆材料的加熱時間， 進而影響熔池的存在時間。掃描速度過低，熔覆材料加熱時間長，熔池液相保溫時間增加，導致凝固速度變慢，進而導致冷卻速度減小，使晶粒生長充分，從而形成組織粗大的晶體，對熔覆層的性能產生不利影響[45]。 而掃描速度過高，熔覆材料的加熱時間和熔池存在時間變短，熔覆材料可能未完全熔化， 導致熔覆層與基體的界面結合情況變差，容易造成脫落。

Li 等[46]為了研究掃描速度對涂層稀釋率和微觀組織的影響規律，制備了Ti/TiBCN 復合涂層，發現涂層的稀釋率與掃描速度成反比趨勢：掃描速度增大稀釋率下降。涂層的微觀結構基本上是相同的，與掃描速度關系不大，主要由AlTi-Al3Ti 相，TiBCN 相、TiB2相、TiN 相、TiC 相組成。涂層的微觀組織在掃描速度為7mm/s 時最佳，幾乎無缺陷。 郭士銳等[47]研究了掃描速度對鈷基合金涂層的影響，結果表明，涂層的微觀組織隨掃描速度的增加逐漸變得細小， 而硬度和耐磨性能隨掃描速度的增加出現先增強后降低的變化規律； 涂層硬度與耐磨性在掃描速度為15mm/s 時最佳。

2.2.3 光斑直徑

光斑直徑大小會通過影響到單位面積下熔覆材料所吸收的激光能量， 產生與激光功率和掃描速度類似的作用效果，進而直接影響熔池的存在。 光斑直徑過小，表明激光束照射下的熔覆材料升溫速度更快，最高溫度更高，熔池面積變小，與周圍未熔化材料之間的溫度梯度變大，會導致熔覆層稀釋率高，孔隙和裂紋數量多。光斑直徑過大，會帶來如材料未完全熔化、熔覆層組織粗大、結合強度和性能不足等不良影響。

付福興等[48]通過在40Cr 基體上激光熔覆Ni60 粉末來研究激光光斑直徑對裂紋的影響。研究表明，激光光斑直徑會影響裂紋的產生，熔覆層裂紋的數量和開裂程度會隨激光光斑直徑的增大逐步變多變大。 當激光光斑為4mm時，熔覆層的成型質量最好，裂紋數量最少，開裂程度最低。 于克東等[49]研究了離焦量對TiCoNiCrFe 高熵合金涂層組織和性能的影響，發現涂層主要以枝狀晶為主，隨著離焦量的增加，在枝晶間析出一種白色金屬間化合物，致使枝狀晶逐漸細化。 涂層的顯微硬度隨離焦量的增大出現先增加后減小的變化，其最高硬度（為400.5HV）出現在離焦量為15mm 時。

3 結束語

激光熔覆技術在我國經過多年發展已趨于成熟，取得了數千項科技成果，大量運用于工業生產中，為傳統產業升級、優化產品質量提供了新方法[49]。 雖然激光熔覆技術已日趨完善，但仍然存在部分問題需亟待解決。

（1）開發熔覆材料的專用體系。熔覆材料是影響激光熔覆技術發展的決定性因素，一直以來，激光熔覆由于缺少屬于自己的專用粉末材料， 常用熱噴涂材料代替進行激光熔覆，但這不能滿足激光熔覆技術的要求，反而會造成熔覆層因為流動性不好而產生氣孔、 開裂、 夾雜等問題，影響熔覆層質量。

（2）研制新型設備。研發功率大、壽命高、體積小和便于攜帶的激光熔覆設備， 進一步減少環境因素對設備的影響以適應規模化生產和加工，提高生產效率；加強控制系統的優化，使其更為精確，并逐步實現自動化和一體化的生產方式。

（3）開發新工藝。 鑒于目前激光熔覆技術存在的氣孔、成分及組織不均勻、開裂及裂紋等缺陷，可以考慮開發激光熔覆與其他激光增材制造技術的復合新技術， 匯集兩種技術的優點，同時克服各自存在的問題，實現“1+1>2”的效果，不斷擴大激光熔覆技術的應用前景。