隨著工業(yè)的迅猛發(fā)展，鈑金加工的重要作用逐漸凸顯，激光加工由于其靈活性好、精度高、速度快、熱影響小、易于編程及實現(xiàn)自動化等優(yōu)點，被廣泛應(yīng)用于鈑金切割、焊接及熔覆等領(lǐng)域。

　　目前激光表面改性處理技術(shù)正逐漸被廣泛運用迅速成長為一個嶄新的行業(yè)。我國有數(shù)萬億元的裝備在服役之中，每年因其關(guān)鍵零部件的腐蝕、磨損，使設(shè)備停產(chǎn)、報廢造成的損失占國民經(jīng)濟總產(chǎn)值的3%~5%。激光表面改性技術(shù)在工業(yè)生產(chǎn)中易損易耗零部件的表面強化與制造方面發(fā)揮了重要作用。我國經(jīng)過幾個五年國家科技攻關(guān)計劃，使該技術(shù)已在多個領(lǐng)域得到了應(yīng)用。

　　早在20世紀(jì)80年代初，英國Rolls Royce公司采用激光熔敷技術(shù)對RB211渦輪發(fā)動機殼體結(jié)合部位進(jìn)行硬面熔敷，取得了良好效果。國內(nèi)早于上世紀(jì)就已經(jīng)在凹輥表面實現(xiàn)激光熔敷的商業(yè)應(yīng)用，現(xiàn)已將熔敷技術(shù)應(yīng)用到航天、船舶、燃機和機車、能源等領(lǐng)域。CO2激光器由于波長長、吸收率低、體積大，采用此激光器進(jìn)行激光表面處理耗能較大。

　　對零部件表面進(jìn)行激光改性，相當(dāng)于使其穿上了一層防護鎧甲，大大提高了工件的使用壽命。激光表面改性技術(shù)主要包括激光表面相變硬化，激光重熔強化，激光合金強化，激光熔敷強化等。激光熔敷亦稱激光包覆，是一種新的表面改性技術(shù)，它通過在基材表面添加熔敷材料，并利用高能激光束使其與基材表面一起熔凝，從而形成與基體冶金結(jié)合的熔敷層。由于熔敷層的稀釋度較小，保證了原熔敷材料的優(yōu)異性能。基材表面熔敷后將會構(gòu)成一種全新的復(fù)合材料，它顯著增強了基材的表面性能，依據(jù)工件的服役環(huán)境，通過選擇不同的熔敷材料可以制備耐熱、耐蝕、耐磨、抗氧化或抗疲勞等表面保護熔敷層，靈活方便，大大縮減了工件的制造成本。激光表面改性被應(yīng)用于軸輥、汽車模具、齒輪等部件的表面防護、相變熱處理及熔覆處理和修復(fù)，采用激光熔敷技術(shù)表面強化制造的零部件不僅性能上超出傳統(tǒng)工藝制造的零件，同時由于材料及加工的優(yōu)勢，生產(chǎn)成本降低20%~40%，生產(chǎn)周期也縮短80%左右。在今天倡導(dǎo)綠色再制造和節(jié)能環(huán)保的環(huán)境下，可以預(yù)見激光熔敷將具有廣闊的市場前景。

　　激光熔覆( 亦稱激光堆焊) 是指以不同的添加方法在被熔覆的基體上放置選擇的涂層材料，經(jīng)高能密度激光束輻照加熱，使之和基體表面熔化，并快速凝固，從而在基材表面形成與其為冶金結(jié)合的表面涂層的工藝過程。激光熔覆具有如下優(yōu)點：

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

　　2) 控制激光的輸入能量，可將基材的稀釋作用限制在極低的程度(一般為2%-8%)，從而保持了原熔覆材料的優(yōu)異性能；

　　3) 激光熔覆涂層與基材之間結(jié)合牢固(冶金結(jié)合)，且熔覆涂層組織細(xì)小。這些特點使得激光熔覆技術(shù)近十年來在材料表面改性方面受到高度的重視。

　　大面積激光熔覆工藝方法主要有兩種：多道搭接和多層疊加，即從橫向和縱向兩個方向進(jìn)行的加工處理。多層疊即先在基體上進(jìn)行第一次熔覆，然后在熔覆后的涂層上進(jìn)行二次粉末預(yù)置，待粉末干燥后進(jìn)行第二次熔覆，按此方式繼而完成多層熔覆，不同層可以預(yù)置不同的粉末，從而達(dá)到不同的預(yù)期效果。  1、激光熔覆工藝

　　1.1、激光熔覆材料體系

　　(1) 自熔性合金粉末：可分為鎳基自熔合金、鈷基自熔合金和鐵基自熔合金，其主要特點是含有硼和硅，具有自脫氧和造渣能力， 即自熔性。自熔合金的硬度與合金含硼量和含碳量有關(guān)，隨硼、碳含量的增加而提高，這是由于硼和碳與合金中的鎳、鉻等元素形成硬度極高的硼化物和碳化物的數(shù)量增加所致。

　　(2) 碳化物復(fù)合粉末體系：由碳化物硬質(zhì)相與金屬或合金粘結(jié)相組成，主要有(Co、Ni)/WC和(NiCr、NiCrAl) Cr3C2等系列。這類粉末中的粘結(jié)相能在一定程度上使碳化物免受氧化和分解。碳化物復(fù)合粉末作為硬質(zhì)耐磨材料，具有很高的硬度和良好的耐磨性， 其中(Co、Ni)/WC 系適應(yīng)于低溫(<560℃)的工作條件，而(NiCr，NiCrAl)/Cr3C2系適用于高溫工作環(huán)境。此外，(Co、Ni)/WC復(fù)合粉還可與自熔性合金粉末一起使用。

　　(3) 氧化物陶瓷粉末：具有優(yōu)良的抗高溫隔熱、耐磨、耐蝕等性能，主要分為氧化鋁和氧化鋯兩個系列， 而后者比前者具有更低的熱導(dǎo)率和更好的抗熱震性能，因而廣泛用作熱障涂層材料。

　　1.2、激光熔覆工藝種類

　　激光熔覆的工藝可以分為兩種：一種是激光處理前供給添加材料，即粉末預(yù)置法；另一種是激光處理過程中同步供給添加材料，即同步送粉法。粉末預(yù)置激光熔覆是將材料事先放置于基體材料表面的熔覆部位，然后采用激光束輻射掃描熔化，熔覆材料可以采用粉末、絲材或板材的形式加入，其中，以粉末的形式最為常用。絕大多數(shù)研究采用粉末預(yù)置方式。預(yù)置涂層式激光熔覆的主要工藝流程為：基體熔覆表面預(yù)處理、預(yù)置涂層材料、預(yù)熱、激光熔化、后熱處理。同步送粉式激光熔覆是將熔覆材料直接送入激光束中，使供料和激光熔覆同時完成。熔覆材料的加入方法主要是以粉末的形式送入，有時也會采用線材和板材的形式進(jìn)行同步送料。對于熔覆面積比較大的零件可采用同步送粉法。此種方法送粉量可以調(diào)節(jié)，同步送粉器可以連續(xù)工作，因而熔覆效率高，適用于實際生產(chǎn)中大批零件的表面激光熔覆。同步送粉式激光熔覆的主要工藝流程為：基體熔覆表面預(yù)處理、送料激光熔化、后熱處理。

　　1.3、激光熔覆工藝參數(shù)

　　激光熔覆工藝參數(shù)主要包括激光功率P、光斑尺寸(直徑D或面積S)、激光掃描速度V、多道搭接的搭接率或多層疊加的停光時間、涂層材料的添加方式和保護方式等。上述工藝參數(shù)是決定激光熔覆涂層宏觀力學(xué)性能、微觀組織結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵因素。目前工藝參數(shù)的選擇是以試驗歸納為主，文獻(xiàn)研究了寬帶激光熔覆工藝參數(shù)對梯度生物陶瓷涂層顯微組織與燒結(jié)性的影響。結(jié)果表明，當(dāng)D、V 不變時，隨著P 增加，涂層的致密度逐漸下降，孔隙率逐漸增大。試驗表明，粉末的種類、數(shù)量和粒度不同，激光熔覆的工藝參數(shù)變化很大。　1.4、激光熔覆涂層的性能

　　(1) 耐磨性能

　　激光熔覆涂層的耐磨性能主要取決于熔覆層各組成相的性質(zhì)、含量及分布狀態(tài)等。研究結(jié)果表明，激光熔覆Ni基WC涂層的耐磨性與WC顆粒的種類和含量有關(guān)。由單晶WC組成的涂層的耐磨性能明顯低于同樣粒度及含量下由鑄造WC和燒結(jié)WC顆粒組成的涂層的耐磨性能。單晶WC含量在35%時熔覆層具有最佳的耐磨性能，過高的WC含量降低熔覆涂層的耐磨性能。而對鑄造WC顆粒，含量增加時涂層的耐磨性能亦增加。報道了Ti-6Al-4V合金表面激光熔覆BN+NiCrCoAlY涂層的顯微硬度和耐磨性能，熔覆涂層的硬度隨BN含量的增加而增大，顯微硬度在800-1200 HV之間，與時效硬化和激光表面熔凝的鈦合金相比，激光熔覆層的磨損率降低了1-2個數(shù)量級。Abbas在En3b鋼表面激光熔覆Stellite6和Stellite6+SiC涂層，其磨損試驗表明，激光熔覆Stellite6合金涂層的耐磨性能比基底材料提高5倍；在Stellite6合金中加入10%的SiC后，其耐磨性能比Stellite6合金涂層增加2倍。Ayers利用激光熔化鋁合金和鈦合金表面并注入TiC和WC陶瓷粒子，磨粒磨損試驗結(jié)果表明，在鋁合金表面注入TiC粒子，可使其耐磨性能提高7-38倍；在Ti-6Al-4V合金表面注入TiC和WC粒子可使其耐磨性能提高7-13倍。通過向鎳基合金涂層中添加SiC顆粒提高了熔覆涂層的耐磨性和硬度，其原因是部分SiC顆粒發(fā)生了分解，增加了熔覆涂層中碳和硅的含量，使熔覆層在激光加熱后的快速冷凝過程中形成了高硬度的Fe7C3、Fe0.79C0.12Si0.09等化合物，這些高硬度相的彌散強化作用與合金元素的固溶強化作用使熔覆涂層表面具有極高的硬度；另一方面，鎳基自熔合金在復(fù)合涂層中起著粘結(jié)相的作用，使涂層在具有高硬度的同時還具有一定的韌性，這對熔覆涂層的耐磨性能的改善也是大有裨益的。激光熔覆金屬-陶瓷復(fù)合涂層的硬度和耐磨性能除與陶瓷相種類、粒度和分布有關(guān)外，還與激光熔覆工藝參數(shù)密切相關(guān)。對A3鋼表面激光熔覆Fe+WC金屬陶瓷復(fù)合涂層顯微硬度的研究表明，由于WC的溶解使粘結(jié)金屬中W的含量顯著增加，對提高粘結(jié)金屬的硬度有利；同時掃描速度越慢，熔覆涂層的稀釋率也就越高，稀釋率的提高又使粘結(jié)金屬的顯微硬度降低。因此，存在最佳的掃描速度值而使熔覆層具有最高的硬度。

　　(2) 耐蝕性能

　　WangA H等利用YAG激光器對SiC增強ZK60(Mg-6%Zn-0.5%Zr)鎂基復(fù)合材料熔覆Al-Si合金，使復(fù)合材料極化曲線出現(xiàn)明顯的鈍化，腐蝕電位有很大的提高，腐蝕電流密度明顯降低。胡乾午對Mg-SiC復(fù)合材料噴涂銅合金，然后用2 kW- Nd：YAG激光器進(jìn)行激光熔覆，熔覆后表層Cu60Zn40合金與Mg-SiC基體熔合良好，激光熔覆試樣的腐蝕電位Ecorr比未處理的提高3.7倍，其相對腐蝕電流密度Jcorr降低約22倍。2、激光熔覆工藝存在的問題

　　評價激光熔覆層質(zhì)量的優(yōu)劣，主要從兩個方面來考慮。一是宏觀上，考察熔覆道形狀、表面不平度、裂紋、氣孔及稀釋率等；二是微觀上，考察是否形成良好的組織，能否提供所要求的性能。此外，還應(yīng)測定表面熔覆層化學(xué)元素的種類和分布，注意分析過渡層的情況是否為冶金結(jié)合，必要時要進(jìn)行質(zhì)量壽命檢測。目前研究工作的重點是熔覆設(shè)備的研制與開發(fā)、熔池動力學(xué)、合金成分的設(shè)計、裂紋的形成、擴展和控制方法、以及熔覆層與基體之間的結(jié)合力等。

　　裂紋是大面積激光熔覆技術(shù)中最棘手的問題。裂紋產(chǎn)生的主要原因是熔覆層中存在的殘余應(yīng)力，包括熱應(yīng)力、組織應(yīng)力和約束應(yīng)力。由于激光束的快速加熱，使得熔覆層完全熔化而基體微熔，熔覆層和基體材料間產(chǎn)生很大的溫度梯度，在隨后的快速凝固過程中，形成的溫度梯度和熱膨脹系數(shù)的差異造成熔覆層與基體體積收縮不一致，而且一般而言，熔覆層的收縮率大于基體材料，熔覆層受到周圍環(huán)境(處于冷態(tài)的基體) 的約束，因此在熔覆層中形成拉應(yīng)力。當(dāng)局部拉應(yīng)力超過材料的強度極限時，就會產(chǎn)生裂紋。實際上固態(tài)金屬在冷卻的過程中還受到由于基體材料中馬氏體相變而引起的組織應(yīng)力的影響。但是由于在快速凝固過程中，各處的體積收縮極大的不同時性，因此熱應(yīng)力的影響占主導(dǎo)地位。

　　此外，裂紋的產(chǎn)生也受到熔覆過程中工藝參數(shù)、熔覆層和基體材料、熔覆層厚度以及處理工藝等多種因素的影響。激光加熱冷卻速度極快，熔池存在的時間極短，使得熔覆層中存在的氧化物，硫化物和其它雜質(zhì)來不及釋放出來，很容易形成裂紋源；熔覆層在瞬間凝固結(jié)晶，晶界位錯、空位增多，原子排列極不規(guī)則，凝固組織的缺陷增多，同時熱脆性增大，塑韌性下降，開裂敏感性增大，熔覆層越厚，上述情況就越明顯；自熔性合金元素B 和Si 能夠生成硬質(zhì)相，其含量越大，形成裂紋的傾向越嚴(yán)重；此外，B 在Fe 及Ni 中的溶解度均為零，因此析出物聚集于晶界易引起裂紋。鐘敏霖等對NiCrBSi 合金在送粉激光熔覆條件下裂紋形成的因素進(jìn)行了研究，趙海鷗等人的研究表明，激光熔覆的多道搭接和重疊多次熔覆均會增大熔覆層的裂紋敏感性，激光熔覆前試樣進(jìn)行預(yù)熱和單道熔覆后的回火去應(yīng)力均會顯著降低裂紋敏感性；董世運等發(fā)現(xiàn)在熔覆層與基體界面交界處存在宏觀裂紋，在熔覆層頂層存在微裂紋，且界面處和熔覆層頂部產(chǎn)生了最嚴(yán)重的應(yīng)力集中。

　　3、激光熔覆技術(shù)前景展望

　　激光熔覆技術(shù)是一種新興的表面處理技術(shù)，有著很大的發(fā)展前景。為拓寬激光熔覆技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域，以下工作應(yīng)進(jìn)一步研究：

　　(1) 研究大功率、高壽命和小型化的激光裝置。①研制適用于大功率激光的光學(xué)器件材料②提高電源的穩(wěn)定性和壽命③大功率激光裝置的小型化。

　　(2)熔覆工藝探索研究熔覆層產(chǎn)生殘余應(yīng)力和裂紋的機理，尋找出有效的解決方法。梯度功能涂層的開發(fā)為解決裂紋問題提供了新思路。采用在基底材料和熔覆層之間設(shè)置韌性良好的中間層的方法來緩解熔覆層中的殘余應(yīng)力能獲得無裂紋的熔覆層。

　　(3)基礎(chǔ)理論研究從凝固動力學(xué)、結(jié)晶學(xué)和相變理論出發(fā)，系統(tǒng)研究激光快速凝固行為，揭示材料微結(jié)構(gòu)的形成、演化機理及其規(guī)律；研究熔池的溫度場分布， 熔池流的對流機制，冷凝時熔覆層內(nèi)發(fā)生的組織變化過程及其規(guī)律，進(jìn)而完善加工工藝參數(shù)。