激光熔覆技术的应用与发展

1.激光熔覆工艺方法

激光熔覆是一种利用高能密度激光束作为热源将覆于表面的合金粉末熔化，使熔覆材料与基体形成冶金结合从而获得高性能合金层的表面熔覆技术。根据合金粉末的供应方式，激光熔覆工艺可分为合金材料预置式和合金同步供给式两种。

（1）合金材料预置式 合金材料预置式是指将待熔覆的合金材料通过某种方式（如粘接、喷涂、电镀等）预先置于基体表面，然后采用激光束进行表面扫描将其熔化。同时通过热传导将表面热量向内部传递，使整个合金预置层及一部分基体熔化，激光束离开后，熔化的金属快速凝固而在基体表面形成冶金结合的合金熔覆层。合金材料预置式激光熔覆工艺原理如图14-17所示。

图14-17 合金材料预置式 激光熔覆工艺原理

合金材料可以是粉末，也可以是丝材或板材。对于粉末类合金材料，主要采用热喷涂或粘接等进行预置。热喷涂法的主要优点是喷涂效率高，涂层厚度均匀且与基体结合牢固，但粉末利用率低，需要专门的设备和技术。粘接法是采用胶粘剂将合金粉末调和成膏状涂在基体表面，该方法效率低，且难以获得厚度均匀的涂层，常在实验室采用。对于丝类合金材料，既可以采用热喷涂进行喷涂沉积，也可采用粘接法预置；而板类合金材料主要采用粘接法或者将合金板材与基体预压在一起。

在合金材料预置式熔覆过程中，激光的能量透过粉末层。由于粉末层的热导率低，熔池在到达基体表面之前几乎处于绝热状态。这样，熔池凝固后只形成固／液界面的连接。这种连接的强度比完全熔接强度低。继续加热将会重熔已经凝固的材料，继而形成熔接。但这种方式实现低稀释率熔覆的允许操作范围很窄。

合金材料预置式熔覆的主要问题是易形成缺陷。预置粉末的重熔过程从粉末表层开始，容易引起气泡和在近基体处的不完全熔化。另一缺陷来自粉末胶粘剂。因预置粉末熔覆过程难以保证在光束熔化粉末时粉末位置不变，预置粉末通常需加胶粘剂固定在基体表面。常用的胶粘剂包括环氧树脂、油脂、合成材料、水玻璃、硅胶等。这些胶粘剂在激光加热时会蒸发并周期性地屏蔽熔池，导致基体的不均匀重熔而影响冶金结合。

（2）合金同步供给式 合金同步供给式即熔覆材料的进给和激光扫描同时进行。指采用专门的送料系统在激光熔覆过程中将合金材料直接送入激光作用区，在激光的作用下合金材料和基体材料的一部分同时熔化，然后冷却结晶形成合金熔覆层。合金同步供给式激光熔覆工艺原理如图14-18所示。

合金同步供给式熔覆所使用的合金材料可以是粉末、丝材或板材，其中粉末较多。粉末的进给可利用惯性或振动的原理倾注，也可借助于气体向基体输送。气体可为空气、氮气、氦气、氩气等。另外，活性气体也可用于粉末送进，它的放热反应可以加强熔覆过程。丝材的进给采用连续式机械传输。

合金同步供给式激光熔覆工艺过程简单，合金材料利用率高，可控性好，可以熔覆甚至直接成形复杂三维形状的部件。

2.激光熔覆设备

图14-19所示是合金同步供给式激光熔覆系统示意图。整个系统由激光器系统、光束传输和成形系统、送粉系统、运动系统及检测系统五部分组成。

图14-18 合金同步供给式激光熔覆工艺原理图

图14-19 合金同步供给式激光熔覆系统示意图

激光器是激光熔覆设备中的重要部分，提供加工所需的光能。对激光器的要求是稳定、可靠，能长期正常运行。目前适用于激光熔覆的工业化激光器有CO₂和钇铝石榴石（YAG）激光器。光束传输方式有直接通过透镜传输和光导纤维传输两种。采用光导纤维传输获得的加工面光束均匀性较好，并且光纤输出端激光功率分布接近光纤本身折射率分布。光束成形系统有聚焦系统、聚焦光斑扫描系统、波导镜和积分镜等，积分镜是目前激光熔覆使用效果最好的光斑成形系统。激光熔覆只需将材料加热到熔化，因此要求的功率密度较低，为10⁴～10⁶W／cm²，但要求光斑内的能量密度分布均匀，光斑边界的功率密度应尽可能突然地从均一值降为零，光斑形状应适合零件被加工面要求，以保证熔覆层厚度和性能的一致性。因此，激光熔覆一般采用匀光兼光束整形系统，光斑形状一般为圆形、矩形和带形。

激光熔覆送粉系统主要包括送粉装置和喷粉装置两部分。送粉装置根据粉末送出原理一般分为自重式、气送式或两种兼用。对送粉器的要求是粉末输送连续、均匀稳定，使用方便。

激光熔覆是一个复杂的快速熔化和凝固过程，涉及光束参数、基体状况、粉末输送等多种因素。目前，激光熔覆需要工作人员凭借经验操作，希望未来实现激光熔覆的全自动控制。

3.激光熔覆材料

激光熔覆材料有合金粉末（包括自熔性合金）、陶瓷粉末及复合材料等。这类材料具有优异的耐磨性、耐蚀性等，通常以粉末的形式使用。自熔性合金粉末可分为镍基合金、钴基合金和铁基合金，其主要特点是含有硅和硼，因而具有自脱氧和造渣的性能，即所谓的自熔性，这主要是因为合金被重熔时，硅和硼分别形成SiO₂、B₂O₃，并在覆层表面形成薄膜，一方面防止合金中的元素被氧化，另一方面又能与这些元素的氧化物形成硼硅酸熔渣，从而获得氧化物含量低、气孔率少的覆层。自熔性合金对基体有较大的适应性，可用于碳钢、合金钢、不锈钢和铸铁等多种材料。

复合粉末按功能可分为硬质耐磨、抗高温耐热和减磨密封复合粉末等。硬质耐磨复合粉末的芯核材料为各种碳化物硬质合金颗粒，包覆材料为金属或合金。芯核材料与包覆材料以不同的组成和配比制成多种硬质耐磨复合粉末，如Co-WC、Ni-WC、Fe-WC、NiCr-WC等。常用的硬质耐磨复合粉末主要是钴包碳化钨和镍包碳化钨等。对于抗高温耐热表面，要求覆层致密，热传导快。减摩润滑复合粉末常用的有镍包石墨、镍包硅藻土、镍包二硫化钼、镍包氟化钙等。

氧化物陶瓷粉末具有优良的抗高温氧化和隔热、耐磨、耐蚀等性能，其中氧化锆系陶瓷粉末，比氧化铝系陶瓷粉末具有更低的热导率和更好的耐热性。(www.xing528.com)

针对不同的基体材料和使用要求，选择激光熔覆合金粉末应根据以下基本原则。

1）合金粉末应满足所需要的使用性能，如耐磨、耐蚀、耐高温、抗氧化等。

2）合金粉末应具有良好的固态流动性，粉末的流动性与粉末的形状、粒度分布、表面状态及粉末的湿度等因素有关。

3）粉末材料的线胀系数、导热性等应尽可能与基体材料接近，以减少熔覆层中的残余应力。

4）合金粉末的熔点不宜太高，粉末熔点越低，越容易控制熔覆层的稀释率，所获得的熔覆层质量越好。

4.熔覆质量控制

图14-20 激光熔覆层界面的形式

（1）熔覆层成分（稀释率）的控制 激光熔覆层的界面有三种基本形式，如图14-20所示。在高送粉速率或低熔覆速率下会得到图14-20a所示的熔覆层；在低送粉速率或高功率密度下会得到图14-20b所示的熔覆层；图14-20c所示的熔覆层接触角大，稀释率低，是期望的熔覆层形状。图14-20c所示的熔覆层具有良好的表面，极少或无气孔，稀释率小；而图14-20a所示的熔覆层表面成形不好，厚度大、气孔多；图14-20b所示的熔覆层具有良好的表面，无气孔、稀释率大，熔覆层厚度一般比图14-20c所示的小。

对于预置粉末层的激光熔覆，熔覆层的稀释率随激光功率的增加而增加，随激光扫描速度和光斑尺寸的增加而降低。这三个因素可概括为激光比能量（即功率密度×激光作用时间，J／mm²）的作用。在给定的预置粉末层厚度和功率密度的条件下，稀释率随比能量的增加而增加。此外，预置粉末层越薄，稀释率随比能量的增加也越大。

对于同步送粉的激光熔覆，对应于某一激光功率，增加送粉率和降低扫描速度使稀释率下降。在给定送粉率的情况下，增加激光比能量会使稀释率增加。最佳的粉末流量是能保证最小稀释率和最大熔覆率。它取决于功率密度和激光束的模式，正比于p／D×n（其中p为激光功率，D为光束直径，n为与功率密度分布有关的光束形状系数）。

（2）激光熔覆工艺参数对熔覆层尺寸的影响 激光功率、光斑直径和扫描速度对熔覆质量至关重要。图14-21是在Q235钢基体上熔覆合金粉末WF150不锈钢时，激光扫描速度对熔覆层高度和宽度的影响。随扫描速度的增加，熔覆层的宽度和高度降低。并且，熔覆层宽度随着扫描速度变化的幅度远小于高度随扫描速度变化的幅度，最小的宽度值与光斑直径相近，这说明激光熔覆层的宽度主要由激光光斑直径所控制，粉末流量增加主要增加了熔覆层的厚度。

图14-21 不同粉末流量（V_p）下扫描速度对熔覆层的影响

图14-22是不同光斑直径下扫描速度对熔覆层高度和宽度的影响。可见，光斑直径增加，熔覆层高度降低，而熔覆层宽度增加。图14-23是送粉量为11.9g／mm、光斑直径为6mm条件下，不同扫描速度下熔覆层高度和宽度随激光功率的变化规律。在扫描速度一定时，随着激光功率的增加，熔覆层高度降低、宽度增加，但变化幅度不大。

图14-22 不同光斑直径（D）下扫描速度对熔覆层的影响

（3）熔覆层开裂的防止 采用激光作为加热源的一个固有优点是可对小的区域进行局部加热。但是，这种局部加热会引起快速自然淬火和陡的温度梯度。在熔化冷却过程中，激光熔覆层内的局部热应力容易超过材料的抗拉强度，特别是在熔覆层与基体交界处，常导致熔覆层剥落。

为减少或避免熔覆过程产生裂纹，一般采用预热和后热两种方式。预热的作用是防止因比热容增大的马氏体相变诱发熔覆层裂纹，减少基体与熔覆层间的温差，以降低冷却过程中的热应力、增加熔池液相停留时间以利于气泡和造渣物的排出。后处理是在激光熔覆后进行的保温处理，它的作用是消除或减少熔覆过程对基体的不利热影响，防止空冷淬火的基体发生马氏体相变等。

激光熔覆时还可以采用加入中间过渡层的方法降低裂纹倾向，过渡层应具有良好的抗热裂性。但这种技术较为复杂，生产成本高。

图14-23 不同扫描速度（V_s）下激光功率对熔覆层的影响