激光熔覆工艺的优化探究

激光熔覆技术是20世纪70年代随着大功率激光器的发展而兴起的一种新的表面改性技术。激光表面熔敷技术是在激光束作用下将合金粉末或陶瓷粉末与基体表面迅速加热并熔化，光束移开后自激冷却形成稀释率极低，与基体材料呈冶金结合的表面涂层，从而显著改善基体表面耐磨、耐蚀、耐热、抗氧化及电气特性等的一种表面强化方法。

激光熔覆按送粉工艺的不同可分为两类：粉末预置法和同步送粉法。预置式激光熔覆是将熔覆材料事先置于基材表面的熔覆部位，然后采用激光束辐照扫描熔化，熔覆材料以粉、丝、板的形式加入，其中以粉末的形式最为常用。SLM工艺就是采用的粉末预置法。同步式激光熔覆则是将熔覆材料直接送入激光束中，使供料和熔覆同时完成。熔覆材料主要也是以粉末的形式送入，有的也采用线材或板材进行同步送料。同步送粉法具有易实现自动化控制，激光能量吸收率高，无内部气孔等优点，尤其熔覆金属陶瓷，可以显著提高熔覆层的抗开裂性能。LENS便是采用的同步送粉法。同步送粉法的激光熔覆原理示意图如图2-63所示。同步送粉法又分为侧向同步送粉与同轴同步送粉两种方式，如图2-64所示。

与堆焊、喷涂、电镀和气相沉积相比，激光熔覆具有稀释度小、组织致密、涂层与基体结合好、适合熔覆材料多、粒度及含量变化大等特点。激光熔覆法的特点如下：

1）冷却速度快（高达106K/s），属于快速凝固过程，容易得到细晶组织或产生平衡态所无法得到的新相，如非稳相、非晶态等。

2）涂层稀释率低（一般小于5%），与基体呈牢固的冶金结合或界面扩散结合，通过对激光工艺参数的调整，可以获得低稀释率的良好涂层，并且涂层成分和稀释度可控。

3）热输入和畸变较小，尤其是采用高功率密度快速熔覆时，变形可降低零件的装配公差。

4）粉末选择几乎没有任何限制，特别是在低熔点金属表面熔敷高熔点合金。

5）熔覆层的厚度范围大，单道送粉一次涂覆厚度在0.2～2.0mm。

6）能进行选区熔敷，材料消耗少，具有卓越的性价比。

7）光束瞄准可以使难以接近的区域熔敷。

8）工艺过程易于实现自动化。

图2-63 激光熔覆原理

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图2-64 激光熔覆同步送粉的两种方式

激光熔覆的工艺参数主要有激光功率、光斑直径、熔覆速度、离焦量、送粉速度、扫描速度、预热温度等。这些参数对熔覆层的稀释率、裂纹、表面粗糙度以及熔覆零件的致密性等有很大影响。各参数之间也相互影响，是一个非常复杂的过程，需采用合理的控制方法将这些参数控制在激光熔覆工艺允许的范围内。

激光熔覆过程中有如下三个重要的工艺参数：

（1）激光功率 激光功率越大，熔化的熔覆金属量越多，产生气孔的概率越大。随着激光功率增加，熔覆层深度增加，周围的液体金属剧烈波动，动态凝固结晶，使气孔数量逐渐减少甚至消除，裂纹也逐渐减少。当熔覆层深度达到极限深度后，随着功率提高，基体表面温度升高，变形和开裂现象加剧，激光功率过小，仅表面涂层融化，基体未熔，此时熔覆层表面出现局部起球、空洞等，达不到表面熔覆目的。

（2）光斑直径 激光束一般为圆形，熔覆层宽度主要取决于激光束的光斑直径，光斑直径增加，熔覆层变宽。光斑尺寸不同会引起熔覆层表面能量分布变化，所获得的熔覆层形貌和组织性能有较大差别。一般来说，在小尺寸光斑下，熔覆层质量较好，随着光斑尺寸增大，熔覆层质量下降。但光斑直径过小，不利于获得大面积的熔覆层。

（3）熔覆速度 熔覆速度与激光功率有相似的影响。熔覆速度过高，合金粉末不能完全融化，未起到优质熔覆的效果；熔覆速度太低，熔池存在时间过长，粉末过烧，合金元素损失，同时基体的热输入量大，会增加变形量。

激光熔覆参数不是独立地影响熔覆层宏观和微观质量，而是相互影响的。为了说明激光功率P、光斑直径D和熔覆速度V三者的综合作用，提出了比能量Es的概念

Es=P/（DV） （2-1）

即单位面积的辐照能量，可将激光功率密度和熔覆速度等因素综合在一起考虑。

比能量减小有利于降低稀释率，同时比能量与熔覆层厚度也有一定的关系。在激光功率一定的条件下，熔覆层稀释率随光斑直径增大而减小；当熔覆速度和光斑直径一定时，熔覆层稀释率随激光束功率增大而增大。同时，随着熔覆速度的增加，基体的熔化深度下降，基体材料对熔覆层的稀释率下降。

激光熔覆技术是一种经济效益很高的新技术，它可以在廉价金属基材上制备出高性能的合金表面而不影响基体的性质，降低成本，节约贵重稀有金属材料，因此，世界上各工业先进国家对激光熔覆技术的研究及应用都非常重视。

激光熔覆技术在20世纪70年代末期兴起，但直到20世纪90年代，国内外众多研究机构才开始对同轴送粉激光3D打印技术的原理、成型工艺、熔凝组织、零件的几何形状和力学性能等基础性问题开展大量的研究工作。经过十几年发展，国外激光直接沉积增材制造系统典型代表包括德国Trumpf和美国POM公司DMD505、美国Huffman公司HP—205、美国Optomec公司Lens850等。国外利用这些商业化的技术及设备已经取得了实质性的成果，可制备叠层材料、功能复合材料、裁缝式地制成“变成分”材料或研制零件整体叶盘、框、梁等关键构件，且其力学性能达到锻件的水平。该技术相关成果已在武装直升机、AIM导弹、波音7X7客机、F/A—18E/F、F22战机等方面均有实际应用，已成为美国航空航天国防武器装备金属结构件的核心制造新技术之一。

自“十五”开始，国内激光直接沉积增材成型技术获得总装预研计划、国家“973”计划、国防基础科研计划、国家自然科学基金委员会等重点项目支持。北京航空航天大学、西北工业大学、中航工业北京航空制造工程研究所、北京有色金属研究总院等国内研究机构先后开展激光成型与修复技术及其设备开发研制，并取得一定成果。其中，北京航空航天大学在飞机大型整体钛合金主承力结构件激光熔覆及装机应用关键技术研究方面取得突破性进展，研制出某型号飞机钛合金前起落架整体支撑框、C919接头窗框等金属零部件；中航工业北京航空制造工程研究所成功修复了某型号TC11钛合金整体叶轮，并通过试车考核。但是，金属零件激光熔覆增材技术目前仍然面临着包括成型过程应力及变形、材料组织及性能控制、质量检测及标准建立等方面的诸多挑战。