基本信息

       激光熔覆是指：通過同步或預(yù)置材料的方式，將外部材料添加至基體經(jīng)激光輻照后形成的熔池中，并使二者共同快速凝固形成包覆層的工藝方法。

       激光熔覆特點(diǎn)：熔覆層稀釋度低但結(jié)合力強(qiáng)，與基體呈冶金結(jié)合，可顯著改善基體材料表面的耐磨、耐蝕、耐熱、抗氧化或電氣特性，從而達(dá)到表面改性或修復(fù)的目的，滿足材料表面特定性能要求的同時(shí)可節(jié)約大量的材料成本。與堆焊、噴涂、電鍍和氣相沉積相比，激光熔覆具有稀釋度小、組織致密、涂層與基體結(jié)合好、適合熔覆材料多、粒度及含量變化大等特點(diǎn)，因此激光熔覆技術(shù)應(yīng)用前景十分廣闊。

       從當(dāng)前激光熔覆的應(yīng)用情況來(lái)看，其主要應(yīng)用于三個(gè)方面：

       一，對(duì)材料的表面改性，如燃汽輪機(jī)葉片，軋輥，齒輪等；

       二，對(duì)產(chǎn)品的表面修復(fù)，如轉(zhuǎn)子，模具等。有關(guān)資料表明，修復(fù)后的部件強(qiáng)度可達(dá)到原強(qiáng)度的90%以上，其修復(fù)費(fèi)用不到重置價(jià)格的1/5，更重要的是縮短了維修時(shí)間，解決了大型企業(yè)重大成套設(shè)備連續(xù)可靠運(yùn)行所必須解決的轉(zhuǎn)動(dòng)部件快速搶修難題。另外，對(duì)關(guān)鍵部件表面通過激光熔覆超耐磨抗蝕合金，可以在零部件表面不變形的情況下大大提高零部件的使用壽命；對(duì)模具表面進(jìn)行激光熔覆處理，不僅提高模具強(qiáng)度，還可以降低2/3的制造成本，縮短4/5的制造周期。

       三，激光增材制造。通過同步送粉或送絲的方式，進(jìn)行逐層的激光熔覆，進(jìn)而獲得具有三維結(jié)構(gòu)的零部件。該技術(shù)又可稱為激光熔化沉積、激光金屬沉積、激光直接熔化沉積等。

       熔覆材料：應(yīng)用廣泛的激光熔覆材料主要有：鎳基、鈷基、鐵基、鈦合金、銅合金、顆粒型金屬基復(fù)合材料，陶瓷材料等。

工藝參數(shù)

       激光熔覆的工藝參數(shù)主要有激光功率、光斑直徑、熔覆速度、離焦量、送粉速度、掃描速度、預(yù)熱溫度等。這些參數(shù)對(duì)熔覆層的稀釋率、裂紋、表面粗糙度以及熔覆零件的致密性等有很大影響。各參數(shù)之間也相互影響，是一個(gè)非常復(fù)雜的過程，須采用合理的控制方法將這些參數(shù)控制在激光熔覆工藝允許的范圍內(nèi)。 

       激光熔覆有3個(gè)重要的工藝參數(shù)：

激光功率

       激光功率越大，融化的熔覆金屬量越多，產(chǎn)生氣孔的概率越大。隨著激光功率增加，熔覆層深度增加，周圍的液體金屬劇烈波動(dòng)，動(dòng)態(tài)凝固結(jié)晶，使氣孔數(shù)量逐漸減少甚至得以消除，裂紋也逐漸減少。當(dāng)熔覆層深度達(dá)到極限深度后，隨著功率提高，基體表面溫度升高，變形和開裂現(xiàn)象加劇，激光功率過小，僅表面涂層融化，基體未熔，此時(shí)熔覆層表面出現(xiàn)局部起球、空洞等，達(dá)不到表面熔覆目的。 

光斑直徑

       激光束一般為圓形。熔覆層寬度主要取決于激光束的光斑直徑，光斑直徑增加，熔覆層變寬。光斑尺寸不同會(huì)引起熔覆層表面能量分布變化，所獲得的熔覆層形貌和組織性能有較大差別。一般來(lái)說，在小尺寸光斑下，熔覆層質(zhì)量較好，隨著光斑尺寸增大，熔覆層質(zhì)量下降。但光斑直徑過小，不利于獲得大面積的熔覆層。 

熔覆速度

       熔覆速度V與激光功率P有相似的影響。熔覆速度過高，合金粉末不能完全融化，未起到優(yōu)質(zhì)熔覆的效果；熔覆速度太低，熔池存在時(shí)間過長(zhǎng)，粉末過燒，合金元素?fù)p失，同時(shí)基體的熱輸入量大，會(huì)增加變形量。

       激光熔覆參數(shù)不是獨(dú)立的影響熔覆層宏觀和微觀質(zhì)量，而是相互影響的。為了說明激光功率P、光斑直徑D和熔覆速度V三者的綜合作用，提出了比能量Es的概念，即：

       Es=P/(DV)

       即單位面積的輻照能量，可將激光功率密度和熔覆速度等因素綜合在一起考慮。

       比能量減小有利于降低稀釋率，同時(shí)與熔覆層厚度也有一定的關(guān)系。在激光功率一定的條件下，熔覆層稀釋率隨光斑直徑增大而減小，當(dāng)熔覆速度和光斑直徑一定時(shí)，熔覆層稀釋率隨激光束功率增大而增大。另外，隨著熔覆速度的增加，基體的融化深度下降，基體材料對(duì)熔覆層的稀釋率下降。

       在多道激光熔覆中，搭接率是影響熔覆層表面粗糙度的主要因素，搭接率提高，熔覆層表面粗糙度降低，但搭接部分的均勻性很難得到保證。熔覆道之間相互搭接區(qū)域的深度與熔覆道正中的深度有所不同，從而影響了整個(gè)熔覆層的均勻性。而且多道搭接熔覆的殘余拉應(yīng)力會(huì)疊加，使局部總應(yīng)力值增大，增大了熔覆層裂紋的敏感性。預(yù)熱和回火能降低熔覆層的裂紋傾向。

工藝設(shè)備原理

       熔覆工藝：激光熔覆按熔覆材料的供給方式大概可分為兩大類，即預(yù)置式激光熔覆和同步式激光熔覆。

       預(yù)置式激光熔覆是將熔覆材料事先置于基材表面的熔覆部位，然后采用激光束輻照掃描熔化，熔覆材料以粉或絲形式加入，其中以粉末的形式最為常用。

       同步式激光熔覆則是將粉末或絲材類熔覆材料經(jīng)過噴嘴在熔覆過程中同步送入熔池中。熔覆材料以粉或絲形式加入，其中以粉末的形式最為常用。

       預(yù)置式激光熔覆的主要工藝流程為：基材熔覆表面預(yù)處理---預(yù)置熔覆材料---預(yù)熱---激光熔覆---后熱處理。

       同步式激光熔覆的主要工藝流程為：基材熔覆表面預(yù)處理---預(yù)熱---同步激光熔覆---后熱處理。

       按工藝流程，與激光熔覆相關(guān)的工藝主要是基材表面預(yù)處理方法、熔覆材料的供料方法、預(yù)熱和后熱處理。

       激光器工作原理：

       激光熔覆成套設(shè)備組成：激光器、冷卻機(jī)組、送粉機(jī)構(gòu)、加工工作臺(tái)等。

       激光器的選用：主流的激光器類型均支持激光熔覆工藝，例如CO2激光器，固體激光器，光纖激光器，半導(dǎo)體激光器等。

優(yōu)缺點(diǎn)

       激光熔覆技術(shù)是一種能顯著改善基材表面的耐磨、耐蝕、耐熱、抗氧化及電氣特性的工藝方法，從而達(dá)到表面改性或修復(fù)的目的。以下是對(duì)激光熔覆技術(shù)優(yōu)缺點(diǎn)的詳細(xì)分析：

優(yōu)點(diǎn)

       1、熱影響?。?/strong>激光束的能量密度高，加熱速度快，對(duì)基材的熱影響較小，引起工件的變形小。

       2、性能保持：通過控制激光的輸入能量，可將基材的稀釋作用控制在極低的程度，從而保持原熔覆材料的優(yōu)異性能。

       3、結(jié)合牢固：激光熔覆涂層與基材之間結(jié)合牢固，組織致密，微觀缺陷少，且熔覆涂層組織細(xì)小，性能更優(yōu)良。

       4、材料選擇廣：可采用性能優(yōu)良的材料對(duì)基材表面進(jìn)行改性，材料消耗少，具有卓越的性能價(jià)格比。

       5、精度高：激光熔覆層的尺寸和位置可以精確控制，光束瞄準(zhǔn)可以是難以接近的區(qū)域熔覆。

       6、環(huán)保：激光熔覆對(duì)環(huán)境無(wú)污染、無(wú)輻射、低噪音。

       7、應(yīng)用廣泛：激光熔覆技術(shù)自20世紀(jì)80年代起就應(yīng)用于航空航天、汽車、船舶、機(jī)械裝備等重工業(yè)領(lǐng)域，可用于材料的表面改性、表面修復(fù)以及激光增材制造。

       8、成本低：激光熔覆通過在基體表面形成具有不同冶金結(jié)合、合金成分和性能的合金涂層，可以在低成本的基體上產(chǎn)生高性能的合金功能層，從而節(jié)約材料成本。

缺點(diǎn)

       1、熔覆層質(zhì)量不穩(wěn)定：熔覆熔覆層的質(zhì)量參差不齊，難以控制。這主要是因?yàn)榧す馊鄹策^程中升溫過程和凝固過程的時(shí)間快，此過程迅速完成，無(wú)法保證其優(yōu)良質(zhì)量。

       2、裂紋與氣孔：激光熔覆層中容易產(chǎn)生裂紋和氣孔。裂紋產(chǎn)生的主要原因是由于激光熔覆材料和基材材料在物理性能上存在差異，加之高能密度激光束的快速加熱和急冷作用，使熔覆層中產(chǎn)生極大的熱應(yīng)力。氣孔產(chǎn)生的原因則主要是涂層粉末在激光熔覆以前氧化、受潮或有的元素在高溫下發(fā)生氧化反應(yīng)，在熔覆過程中就會(huì)產(chǎn)生氣體。

       3、成分與組織不均勻：激光熔覆過程中往往會(huì)產(chǎn)生成分不均勻，即所謂成分偏析以及由此帶來(lái)的組織不均勻。產(chǎn)生成分偏析的原因很多，如激光熔覆加熱時(shí)帶來(lái)的極大溫度梯度導(dǎo)致的定向先后凝固、熔池對(duì)流等。

       4、成本高：激光熔覆技術(shù)的設(shè)備費(fèi)用比較昂貴，且對(duì)于精度的控制復(fù)雜，這在一定程度上限制了其廣泛應(yīng)用。

       綜上所述，激光熔覆技術(shù)具有諸多優(yōu)點(diǎn)，但也存在一些需要克服的缺點(diǎn)。隨著技術(shù)的不斷進(jìn)步和應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)的積累，相信這些缺點(diǎn)將逐漸得到解決，激光熔覆技術(shù)將在更多領(lǐng)域發(fā)揮重要作用。