激光熔敷*概述

　　激光熔敷亦称激光包覆或激光熔覆，是一种新的表面改性技术。激光熔覆是指以不同的添料方式在被熔覆基体表面上放置被选择的涂层材料，经激光辐照使之和基体表面一薄层同时熔化，并快速凝固后形成稀释度极低，与基体成冶金结合的表面涂层，显著改善基层表面的耐磨、耐蚀、耐热、抗氧化及电气特性的工艺方法，从而达到表面改性或修复的目的，既满足了对材料表面特定性能的要求，又节约了大量的贵重元素。该技术集激光技术、计算机技术、数控技术、传感器技术及材料加工技术于一体，是一门多学科交叉的边缘学科和新兴的先进制造技术。

　　该技术自上世纪90年代开始发展以来，在短短十几年的时间里得到了广泛的应用，并被冠以不同的名称：如送粉方式的激光工程化近成形(LENS)、直接光制造技术(DLF)、直接金属沉积(DMD)、堆积成形制造(SDM)、激光固结(LC)、激光增材制造(LAM)、选择性激光烧结(SLM)以及直接激光烧结(DSM)等，这些技术原理和加工方法基本相同，统称为激光熔覆成形技术[2]。

　　激光熔覆铁基合金粉末适用于要求局部耐磨而且容易变形的零件。镍基合金粉末适用于要求局部耐磨、耐热腐蚀及抗热疲劳的构件。钴基合金粉末适用于要求耐磨、耐蚀及抗热疲劳的零件。陶瓷涂层在高温下有较高的强度，热稳定性好，化学稳定性高，适用于要求耐磨、耐蚀、耐高温和抗氧化性的零件。在滑动磨损、冲击磨损和磨粒磨损严重的条件下，纯的镍基、钴基和铁基合金粉末已经满足不了使用工况的要求，因此在合金表面激光熔覆金属陶瓷复合涂层已经成为国内外学者研究的热点，目前已经进行了钢、钛合金及铝合金表面激光熔覆多种陶瓷或金属陶瓷涂层的研究。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.

　　激光熔敷*优点

　　n 氧-乙炔火焰熔覆

　　n 感应熔覆

　　n 氩弧熔覆

　　n 等离子弧熔覆

　　n 激光熔覆

　　以上5种熔覆的方法，激光熔覆技术*为突出，也是研究*多的。其优点为：

　　(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，变形可降低到零件的装配公差内。

　　(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**的性能价格比;

　　(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。

　　激光熔敷*作用

　　n 对材料的表面改性(表面改性：是指在保持材料或制品原性能的前提下，赋予其表面新的性能，如亲水性、生物相容性、抗静电性能、染色性能、防氧化性等 )

　　如燃汽轮机叶片，轧辊，齿轮等;

　　n 对产品的表面修复

　　如转子，模具等。有关资料表明，修复后的部件强度可达到原强度的90%以上，其修复费用不到重置价格的1/5，更重要的是缩短了维修时间，解决了大型企业重大成套设备连续可靠运行所必须解决的转动部件快速抢修难题。另外，对关键部件表面通过激光熔覆超耐磨抗蚀合金，可以在零部件表面不变形的情况下大大提高零部件的使用寿命;对模具表面进行激光熔覆处理，不仅提高模具强度，还可以降低2/3的制造成本，缩短4/5的制造周期。

　　激光熔敷*技术工艺

　　n 熔覆材料：目前应用广泛的激光熔覆材料主要有：镍基、钴基、铁基合金、碳化钨复合材料。其中，又以镍基材料应用*多，与钴基材料相比，其价格便宜。

　　n 熔覆工艺：激光熔覆按熔覆材料的供给方式大概可分为两大类，即预置式激光熔覆和同步式激光熔覆。

　　n 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*为常用。

　　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。

　　n 预置式激光熔覆的主要工艺流程为：基材熔覆表面预处理---预置熔覆材料---预热---激光熔化---后热处理。

　　n 同步式激光熔覆的主要工艺流程为：基材熔覆表面预处理---送料激光熔化---后热处理。

　　按工艺流程，与激光熔覆相关的工艺主要是基材表面预处理方法、熔覆材料的供料方法、预热和后热处理。

　　激光熔敷*技术的特点

　　激光熔覆技术作为一种先进的激光表面改性技术，具有如下的特点[9]：(1)激光束的能量密度高，加热速度快，对基材的热影响较小，引起工件的变形小;(2)控制激光的输入能量，可以将基体材料对熔覆材料的稀释控制在很低的程度，从而在保证熔覆层与基体形成冶金结合的前提下，保持原选定的熔覆材料的优异性能;(3)可通过混合不同合金粉末进行成分设计，得到完全致密的冶金结合涂层;(4)能进行选区熔覆，材料消耗少;(5)由于快速加热和冷却，激光熔覆层组织均匀致密，微观缺陷少，性能优于其它工艺;(6)属于无接触型处理，便于自动化，实现柔性加工;(7)激光束的功率、位置和形状等能够**控制，易实现选区甚至微区熔覆，且对基体的热影响甚微;(8)熔覆层的稀释度小，目可**控制。

　　激光熔敷*工艺方法

　　按照图层材料的添加方式的不同，激光熔覆的工艺方法分为预置法和同步送粉法，其原理如图1所示[3]。预置法的工艺流程为先对基体将要熔覆的表面进行预处理，然后将要涂层的材料通过喷涂或粘结等方式预置于基体表面，然后经激光束辐射进行重熔，熔覆后可根据不同需要再进行适当的热处理;同步送粉法的工艺流程为根据需要对集体待熔覆表面进行预处理，然后将粉末直接喷涂在激光辐射所形成的移动熔池上，涂层一次性成型。比较两种送粉方式可以发现，前者工艺简单、操作灵活，但不易控制基体熔深，稀释度大，所得熔覆层的结合强度相对较低，易产生气泡等缺陷;后者可以充分利用激光能量，工艺参数易控制，覆层质量较好，生产效率高，但需配置计数**的送粉装备，对粉末也有特殊要求，如粒度、流动性等，另外，粉末浪费量较大，与喷涂相当。从总体上来看，同步送粉法是今后激光熔覆工艺的发展趋势[4]。

　　激光熔敷*工艺参数

　　激光熔覆工艺参数主要包括激光功率P、光斑尺寸(直径D或面积S)，激光扫描速度V、多道搭接系数、涂层材料的添加方式和保护方式等[5]。上述工艺参数是决定激光熔覆层的宏、微观质量的关键因素。此外还有一些综合性的工艺参数，如：比能量、功率密度、线能量等[6]。其中，激光功率是影响熔覆层品质的主要因素。随着功率增加，熔覆层深度增加，周围的液体流向气孔而使气孔的数量减少，裂纹的数量也减少;如果激光功率密度过低会使熔覆层表面出现局部气球、空洞等外观，达不到表面熔覆和掺杂的目的[7]。扫描速度的大小决定了粉末的加热时间和熔池的维持时间。扫描速度越低，粉末的加热时间越长，熔池的维持时间越长。扫描速度提高，生成效率高，但是扫描速度过快，容易在熔覆层间产生气孔。光斑形状的不同使所获得的熔覆层形貌和力学性能存在较大的差别。比热能减小有利于降低稀释率，只有把熔覆比热能控制在一定范围内，才能获得品质优良的涂层[8]。综上可知，在实际的生产中，我们必须找到*佳的工艺参数才能提高产品质量、降低成本。

　　激光熔敷*发展现状

　　国外研究现状

　　激光熔覆技术于上世纪60年代提出，在1976年诞生了**项论述高能激光熔覆的**。国外在激光熔覆成形技术的研究方面，美国的Los Alamos国家实验室、Sandia国家实验室、密执安(Michigan)大学和AeroMet公司等的工作较具代表性。

　　20世纪90年代中期，美国Sandia国家实验室在美国能源部资助下与United Technologies Pratt &Whitney(UTPW)公司的合作研发项日中，开发了激光近形制造技术(LENSTM)。LENS系统主要由四部分构成：高功率Nd:YAG固体激光器、可控气氛手套箱、二轴数控工作台和送粉系统。他们对多种材料的激光熔覆成形工艺进行了研究，制造了镍基超合金、H13工具钢、不锈钢以及钛合金等零件，成形件性能相对于锻造件在强度和塑性方面均有显著提高[2]。Los Alamos国家实验室开发的DLF系统采用2 kW Nd:YAG激光器和五轴数控工作台，在充满氩气的不锈钢乎套箱中进行，氧气和水的质量分数小于0.005‰[28]。AeroMet公司开发了LasformSM工艺，进行航空钦合金的激光熔覆成形制造和零件修复。该系统内装有自动反馈控制传感器，工作台定位精度为±0.007 62 cm(3/1000 in)，可加工长度243.84 cm(8ft)、质量为272.154 kg(600 b)的飞机原型。AeroMet公司在2000年3月为波音飞机公司(Boeing Company)制造了F/A-18 E/F机翼零件。这种加工方法使得零件成本降低20%~40%，生产周期缩短80%[29]。

　　国内研究现状

　　国内对激光熔覆技术的研究较晚，直到进入本世纪之后才陆续有文献报道。其中，西北工业大学凝固技术国家重点实验室、长春光机所、中国有色金属研究总院、清华大学、北京航空航天大学以及上海交通大学等开展这方面的研究较早，内容涉及了快速成形组织、理论、工艺、设备、软件和材料等各方面，并取得了阶段性的成果。如清华大学开发出了应用于激光熔覆成形的同轴送粉系统，并研究了加工过程的闭环控制;西北工业大学在快速成形工艺、快速成形组织的定向凝固及力学性能方面作了大量的研究工作等。近几年，激光熔覆技术在国内发展较快，更多的企业、高校和研究机构都已开始在成形技术的工艺和应用方面开展了研究工作，现在的研究多数是针对各行各业的特殊用途，针对不锈钢、低中碳钢、可锻铸铁、铝合金及特殊合金上用钻基、镍基或铁基等自熔合金粉末及陶瓷进行激光熔覆，增加其耐磨及耐腐蚀性能。

　　激光熔敷*应用实例

　　汽车大型覆盖件模具一般用合金铸铁制造。合金铸铁的特性不宜进行整体热处理，传统工艺采用火焰淬火，其淬火硬度为40～50HRC。改用激光淬火，模具表面硬度可提高到55～65HRC，硬化层有效深度为0.5～0.7mm，模具耐磨性大大提高，零件拉伤问题得到有效控制，模具在线维修率控制在4%以下。以前每批生产完成后均需对拉深模进行大面积推磨，现只是需要进行简单维护保养便可。

　　激光熔覆的研究工作始于20世纪70年代，1981年成功地应用于喷气发动机叶轮片。激光熔覆是利用高能的激光束在金属表面辐照，使涂覆材料熔化、扩展，与基体结合并迅速凝固，在基材表面形成一层具有特殊物理、化学或力学性能的材料。应用激光熔覆技术处理模具表面，既可以是对己加工成坯的制造模具进行表面 改性，也可以是对成形模具进行表面修复。

　　2008年6月，宝钢自备电厂1号机35万千瓦汽轮机组中修时，发现两年前应用激光熔覆技术修复的汽轮机缸体部位仍然完好，从而验证了沈阳大陆激光技术有限公司激光熔覆**技术作为一种数字化控制的微熔再冶炼工艺，对汽轮机修复是一种**有效的方法。

　　2006年宝钢自备电厂1号机停机检修时发现，高、中压段汽轮机缸体螺丝紧固处的根部R角处，有长短不一的裂纹，*深处为30毫米，缸体裂纹多达29条。电厂邀请电科院专家诊断分析，产生裂纹的主要原因是热疲劳，如果不进行裂纹处理就有可能继续向汽缸内延伸，从而形成穿透性裂纹导致汽缸体漏气，使汽轮 机无法正常工作。

　　电厂比较了几种修复汽轮机缸体的方案，认为氩弧焊热影响区大，容易变形，涂胶高温环境又不具备条件，而沈阳大陆激光技术有限公司提供的激光熔覆技术修复汽轮机缸体是一种新技术、新工艺，这种工艺利用激光束聚焦能量极高的特点，瞬间将基体表面微熔，同时使基体表面预置的与基体材质相同或相近的熔铸层金属 粉末熔化，获得与基体为冶金结合的致密覆层，从而修复零件损伤、恢复几何尺寸要求及达到使用功能。激光熔覆的结合力为800～1000兆帕，比较喷涂、刷镀、涂胶的结合力10～100兆帕而言，结合力优势明显，激光熔覆技术的基体热影响区为0.1～0.2毫米，比较氩弧焊的基体��影响区1.5～3毫米而 言，加工后基本不变形的优势明显，同时激光熔覆可选用抗疲劳材料并可在现场直接作业。

　　沈阳大陆激光技术有限公司使用沈阳大陆柔性激光制造技术有限公司发明制造的，当前国际上*为先进的“基于全固态激光光源的移动式激光加工系统”、企业 独有的熔覆材料和加工工艺对缸体进行修复，基体材料在激光加工过程中表面微熔，微熔层为0.1毫米，对基材的热影响区极小，熔覆层与基体均无粗大的铸造组 织，熔覆层及其界面组织致密，晶粒细小，无孔洞、无夹杂、无裂纹等。激光加工过程中工件本体温升不超过80摄氏度，无热变形，当年使用这种新**技术，1 号机的3件缸体仅用了15天就完成了修复。经过着色探伤、磁粉探伤、超声检测，修复部位均达到技术要求。

　　应用激光熔覆技术现场修复汽轮机缸体，是多项高新技术的集成**，为大型机组、大型金属结构部件现场修复提供了先进的技术手段。宝钢自备电厂应用激光熔覆**技术修复的35万千瓦汽轮机缸体历经两年依然运行完好，充分展示了运用这项技术在现场修复的实用性。

　　激光热处理/熔覆技术在钢铁行业的应用实例

　　1.常用轧辊的激光处理效果

　　锻钢辊 -- 采用激光淬火与熔凝淬火技术，可以在锻钢辊表面获得硬度为59-63HRC,层深为2毫米以上的硬化层，因此可以大幅度提高轧辊的使用寿命。采用激光熔覆技术还可以对轧辊的辊面和轴颈进行修复。

　　铸钢辊 -- 采用激光淬火与熔凝淬火技术，可以在铸钢辊表面获得硬度为59-63HRC,层深为2毫米以上的硬化层，大幅度延长轧辊的使用寿命。采用激光熔覆技术还可以对轧辊的辊面和轴颈进行修复。

　　合金半钢轧辊 -- 经过激光淬火、熔凝淬火、合金化处理后，表面硬度可以相应提高到45-54HRC。对于半钢制成的带钢粗轧辊、中轧辊等以及棒线材的粗轧、中轧辊，使用效果显著。采用激光熔覆技术还可以对轧辊轴颈进行修复。

　　铸铁辊 -- 采用激光淬火、熔凝淬火和激光合金化技术，可以在冷硬铸铁轧辊、无限冷硬铸铁轧辊表面获得高硬度、红硬性好的硬化层，因此可以大幅度提高轧辊的使用寿命。采用激光熔覆技术可以对铸造高铬钢轧辊 的轴颈进行修复。

　　激光熔敷*发展趋势

　　经过十几年来各国研究者的不懈努力，激光熔覆成形技术己经获得了长足的进步，积累了很多成功的经验。但是，要使该技术真正在工业上获得广泛应用，还须对以下几个方面进行深入研究[32-35]：

　　(1)激光熔覆的基础理论研究。现有的激光熔覆理论模型多是借助于激光熔覆表面强化，而对于三维同步送粉激光熔覆成形这样的复杂过程，模型通常做了大量的简化，影响了计算的准确性。并且该技术所涉及的快速凝固方面的理论还不够完善，激光熔覆成形组织形成规律及组织性能控制等还没有完善的理论做指导，这方面的研究还须进一步深化和系统化。

　　(2)熔覆材料的设计与开发。目前激光熔覆成形加工所使用的材料大都是热喷涂用的自熔性合金粉末和实用工程材料，这些粉末的成分是针对具体的工艺设计的，目每一层熔覆后上浮的熔渣有可能夹杂在熔覆层中间而成为裂纹源，并不一定适合于激光熔覆成形。因此，有必要寻求和开发适合于激光熔覆成形的合金粉末。

　　(3)加强激光熔覆成形在零件修复领域的研究和应用。激光熔覆成形技术可以用来对破损零部件进行形状修复、尺寸修复、功能修复和增强功能修复，提高易损易耗件的使用寿命，推进企业和资源的可持续发展。

　　(4)对激光熔覆设备进行改进，以适应日后规模化生产与加工。近年来，对于使用连续CO2气体激光器进行熔覆，国内外学者都已经做出了大量的研究工作，而研制出主要应用于有色金属合金表面改性方面的高功率YAG激光器迫在眉睫。虽然目前激光熔覆技术还未规模化，但是随着激光熔覆的进一步发展和科技进步的日新月异，应尽早致力于大功率、小型化激光器的研制与开发工作。另外，激光熔覆用配套设备，如送粉器等，应进一步改进控制系统，使其更为**，并朝着自动化、智能化、人性化的方向迈进。