激光熔覆工艺深度解析：原理、分类与材料选择

激光熔覆技术是指以不同的填料方式在被涂覆基体表面上放置选择的涂层材料，经激光辐照使其基体表面一薄层同时熔化，并快速凝固后形成稀释度极低并与基体材料成冶金结合的表面涂层，从而显著改善基体材料表面的耐磨、耐蚀、耐热、 抗氧化及电器特性等的工艺方法。

激光熔覆分类

按照激光熔覆的材料类型和材料与激光束的耦合形式，可将常见的激光熔覆技术分为同轴送粉激光熔覆技术、旁轴送粉激光熔覆技术（也叫侧向送粉激光熔覆技术）、高速激光熔覆技术（也叫超高速激光熔覆技术）及高速丝材激光熔覆技术。

01 同轴送粉激光熔覆技术

同轴送粉激光熔覆技术一般采用半导体光纤输出激光器和盘式气载送粉器，熔覆头采用中心出光的圆形光斑方案，光束周围环状送粉或者多束送粉，并设置由专门的保护气通道，粉束、光束与保护气流交于一点。熔覆工作时该焦点处会形成熔池，随着熔覆头与工件做相对运动，在工件表面形成覆层。

图片：同轴送粉激光熔覆

图片：同轴送粉激光熔覆

同轴送粉激光熔覆技术特点：

1. 自由度高、容易实现自动化。由于其熔覆时向任意方向移动均可得到形貌一致、质量相同的熔覆层，因此其熔覆方向没有限制，配合工业机器人或多轴运动机床可以进行任意路径或任意形状零件的表面熔覆，作为3D打印的打印头时，可进行激光同轴送粉3D打印。

2. 熔池惰性气体保护效果好。在熔覆头上设置有专门的惰性气体流道，熔覆过程中熔池处于良好的局部惰性气体氛围中。

3. 熔池小、粉末受热均匀、熔覆层抗裂性好。同轴送粉激光熔覆的光斑尺寸一般为∮1-∮5mm，粉末与光束均匀接触，熔覆过程中的热量传递更均匀，因此熔覆层抗裂性好。

02 旁轴送粉激光熔覆技术

旁轴送粉激光熔覆技术也叫侧向送粉激光熔覆技术，其一般采用半导体直输出激光器或半导体光纤输出激光器和重力送粉器，熔覆头采用矩形光斑+旁轴宽带送粉方案。熔覆头工作时，合金粉末经送粉嘴输送至工件表面进行预置，随着熔覆头与工件做相对运动，矩形的激光束扫描预置的合金粉末并将其熔化形成熔池，冷却后形成熔覆层。

旁轴送粉激光熔覆技术特点：

1. 材料利用率高。旁轴送粉激光熔覆通过将粉末预置在工件表面，激光束再进行扫描照射使其熔化，材料利用率可达到95%以上，节省了较多的材料成本。

2. 熔覆效率高。旁轴送粉激光熔覆技术采用矩形光斑方案，在保证熔覆方向光斑的能量密度不变的情况下，可以加大激光功率和光斑宽度，使熔覆效率大幅提升。

3. 无惰性气体消耗。旁轴送粉激光熔覆技术一般采用重力送粉器，不需要消耗惰性气体，因此对粉末材料的抗氧化性有一定的要求，限制了其一定的应用领域。 

03 超高速激光熔覆技术

超高速激光熔覆技术采用光束质量较好的半导体光纤输出激光器或光纤激光器，采用精密设计的高速激光熔覆头和高转速或移动速度快的运动机构。其激光束与粉束、惰性气体气流的耦合经过精密设计，工作时使一部分激光能量用于加热粉束，另一部分穿透粉束的激光束加热基材，粉末在进入熔池之前就已经熔化或加热至很高的温度，缩短了粉末熔化所需的时间，因此可以实现非常高的熔覆线速度（线速度最高可达200m/min，普通激光熔覆最高2m/min）。

图片：超高速激光熔覆

超高速激光熔覆技术特点：

1. 激光能量利用效率高。超高速激光熔覆技术的激光束穿过粉束照射熔池，大部分作用于粉末和工件，减少了激光的反射和散射损耗，大幅度提高的激光能量利用效率，使激光能量利用率高达65%左右。

2. 熔覆效率高。超高速激光熔覆技术有较高的激光能量利用率，和非常高的熔覆线速度以及较薄的熔覆层，可实现非常高的熔覆效率（熔覆效率可达0.7m2/以上）。

3. 熔覆层稀释率低。超高速激光熔覆技术熔覆线速度高，熔池存在时间短，因此熔覆层的稀释率很低。

4. 熔覆层粗糙度好、抗裂性好以及工件变形小。 

04 高速丝材激光熔覆技术

高速丝材激光熔覆技术采用半导体光纤输出激光器、高精度送丝系统和精密熔覆头，以金属丝材为熔覆材料进行激光熔覆。工作时，金属丝由侧向送入激光束，激光束将金属丝熔化后形成熔池，随着熔覆头与工件的相对运动形成熔覆层。

图：高速丝材激光熔覆  

高速丝材激光熔覆技术特点：

1. 环保性好。高速丝材激光熔覆技术采用金属丝代替传统的金属粉末，刚性的丝材会完全熔化形成熔覆层，熔覆过程中无飞溅和金属粉尘的抛洒，其环保性要高于传统粉末激光熔覆。

2. 材料利用率高。通过精密的熔覆头设计和金属丝材设计，金属丝会完全被熔化，且熔化过程非常柔和、无飞溅，使得高速丝材激光熔覆拥有很高的材料利用率（可达99%）。

3. 熔覆效率高。高速丝材激光熔覆技术采用特殊复合能量，使得金属在进入熔池前已达到半熔化状态，只需要很小的能量和很短的时间即可完全熔化形成熔池，因此高速丝材激光熔覆的熔覆效率高于传统的粉末激光熔覆。

4. 热输入小、线能量低、工件变形小。高速丝材激光熔覆过程通过精确控制能量输入和较高的熔覆线速度，使得其线能量低至0.29KJ/cm，大大降低了由于热输入造成的工件变形。

5. 熔覆层致密、稀释率低、缺陷率低。

工艺参数对熔覆效果的影响

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。不合适的工艺参数组会导致熔覆涂层与基体之间的冶金结合不良，不利于多层通道形成。激光熔覆有3个重要的工艺参数：

1、激光功率

基材熔化体积主要由激光功率决定，激光功率的增加导致基材融化体积迅速增加，激光功率越大，融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得以消除，裂纹也逐渐减少；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。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。

工艺参数对熔覆层形状、表面质量有重要的决定作用，它将影响熔覆层和基体的结合性以及冷却速率，对工艺参数的精准控制，可以有效完成激光熔覆技术的目的和要求。

激光熔覆表面成形技术特点

1、冷却速度快，具有快速凝固的特征；

2、热变形小，涂层稀释率低，涂层与基体形成良好的冶金结合,成品率高；

3、涂层材料的选择范围大，如铁基、镍基、铜基、钛基等；

4、涂层厚度一般为0.2mm~2mm，适用于磨损件的修复；

5、加工精度高，可处理较小或难加工的区域；

6、工艺过程易于实现自动化。

激光熔覆材料体系

除了激光熔覆参数外，选择合适的涂层材料对于获得具有所需性能和表面质量的激光熔覆涂层也具有重要意义。一般来说，应同时考虑基材和涂层材料的物理化学性质，根据使用情况来选择合适的涂层材料。

激光熔覆合金粉末按照材料成分构成可分为：自熔性合金粉末、复合粉末和陶瓷粉末。其中，自熔性合金粉末的在现实中研究与应用最多。

1、自溶性合金粉末

自熔性合金粉末可以分为铁基(Fe)、镍基(Ni)、钴基(Co)合金粉末，其主要特点是含有硼(B)和硅(Si)，因而具有自脱氧和造渣性能;还含有较高的铬，它们优先与合金粉末中的氧和工件表面氧化物一起熔融生成低熔点的硼硅酸盐等覆盖在熔池表面，防止液态金属过度氧化，从而改善熔体对基体金属的润湿能力，减少熔覆层中的夹杂和含氧量，提高熔覆层的工艺成形性能，因而具有优异的耐蚀性和抗氧化性。对碳钢、不锈钢、合金钢、铸钢等多种基材有较好的适应性，能获得氧化物含量低、气孔率小的熔覆层。但对于含硫钢的材料，由于硫的存在，在交界面处易形成一种低熔点的脆性物相，使得覆层易于剥落，因此应慎重选用。

（1）铁基(Fe)自熔性合金粉末

Fe基合金材料具有成本低、力学性能好、应用范围广等优势,特别是不锈钢体系的铁基合金因其良好的力学性能和优异的耐蚀性能在激光熔覆技术中得到广泛应用。

在铁基合金粉末成分中，通过调整合金元素含量来调整涂层的硬度，并通过添加其它元素改善熔覆层的硬度、开裂敏感性和残余奥氏体的含量，从而提高熔覆层的耐磨性和韧性。目前采用激光熔覆技术制备的不锈钢涂层的类型主要有:奥氏体不锈钢、马氏体不锈钢、铁素体不锈钢以及双相不锈钢。

近年来，有关激光熔覆的研究，不少人围绕铁基粉末中加入其它成分进行实验。结果表明，加入稀土改善了熔覆层表面钝化膜的抗剥落能力，在不同程度上减轻了材料的腐蚀失重，提高了熔覆层的耐腐蚀能力。

（2）镍基(Ni)自熔性合金粉末

Ni基自熔性合金粉末以其良好的润湿性、耐蚀性、高温自润滑作用和适中的价格在激光熔覆材料中研究最多、应用最广。Ni基自熔性合金粉末在滑动、冲击磨损和磨粒磨损严重的条件下，单纯的自熔性合金粉已不能胜任使用要求，此时可在自熔性合金粉末中加入各种高熔点的碳化物、氮化物、硼化物和氧化物陶瓷颗粒，制成金属复合涂层。

有研究表明，在Q960E钢表面使用激光熔覆技术制备Ni基WC涂层，熔覆后 Ni-WC 涂层的耐磨粒磨损性能达Q960E基材的6倍以上,有效利用Ni基粉末特性实现了使用要求。

（3）钴基(Co)自熔性合金粉末

Co基自熔性合金粉末具有优良的耐热、耐蚀、耐磨、抗冲击和抗高温氧化性能，常被应用于石化、电力、冶金等工业领域的耐磨耐蚀耐高温等场合。Co基合金粉末体系中，常用的材料Co-Ni、Co-Cr-Ni、钴铁、钴镍铁等。为提高涂层与基体的润湿性，降低镀层中的氧含量，粉末中常添加B和Si，形成自熔性合金粉末。

Co基自熔性合金润湿性好，其熔点较碳化物低，受热后Co元素最先处于熔化状态，而合金凝固时它最先与其它元素形成新的物相，对熔覆层的强化极为有利。目前，钴基合金所用的合金元素主要是镍、碳、铬和铁等。其中，镍元素可以降低钴基合金熔覆层的热膨胀系数，减小合金的熔化温度区间，有效防止熔覆层产生裂纹，提高熔覆合金对基体的润湿性。

江南大学机械工程学院进行了利用激光熔覆技术在TC4钛合金表面制备钴基/氧化石墨烯(GO)复合熔覆层的研究，结果表明:熔覆层中主要包含 TiC、Co2Ti、γＧCo、αＧTi和Cr3C2相,GO在低功率下与TC4基体原位生成TiC,同时与半固态的Co2Ti组织共同作用, GO在高功率下迅速分解,熔覆层成分主要为Co2Ti组织，当激光功率为P2=1300W时熔覆效果最佳,成形组织均匀,与TC4基体呈冶金结合，熔覆层硬度高达1100HV0.2,几乎是基体硬度390HV0.2的2.82倍。

2、复合粉末

复合粉末主要是指碳化物、氮化物、硼化物、氧化物及硅化物等各种高熔点硬质陶瓷材料与金属混合或复合而形成的粉末体系。其中，碳化物合金粉末和氧化物合金粉末的研究和应用最多，主要应用于制备耐磨涂层。复合粉末中的碳化物颗粒可以直接加入激光熔池或者直接与金属粉末混合成混合粉末，但更有效的是以包覆型粉末(如镍包碳化物、钴包碳化物)的形式加入。

3、陶瓷粉末

陶瓷粉末主要包括硅化物陶瓷粉末和氧化物陶瓷粉末，其中又以氧化物陶瓷粉末(氧化铝和氧化锆)为主。氧化锆比氧化铝陶瓷粉末具有更低的热导性和更好的热抗震性能，因而也常用于制备热障涂层。由于陶瓷粉末具有优异的耐磨、耐蚀、耐高温和抗氧化特性，所以它常被用于制备高温耐磨耐蚀涂层。

目前对激光熔覆生物陶瓷材料的研究主要集中在Ti基合金、不锈钢等金属表面进行激光熔覆的羟基磷灰石(HAP)、氟磷灰石以及含Ca、Pr等生物陶瓷材料上。羟基磷灰石生物陶瓷具有良好的生物相容性，作为人体牙齿早已受到国内外有关学者的广泛重视。总体来说激光熔覆生物陶瓷材料的研究起步虽然较晚，但发展非常迅速，是一个前景广阔的研究方向。

4、其他合金粉末

除以上几类激光熔覆粉末材料体系，目前已开发研究的熔覆材料体系还包括：铜基、钛基、铝基、镁基、锆基、铬基以及金属间化合物基材料等。这些材料多数是利用合金体系的某些特殊性质使其达到耐磨、减摩、耐蚀、导电、抗高温、抗热氧化等一种或多种功能。

（1）铜基

铜基激光熔覆材料主要包括Cu-Ni-B-Si、Cu-Ni-Fe-Co-Cr-Si-B、Cu-Al2O3、Cu-CuO等铜基合金粉末及复合粉末材料。利用铜合金体系存在液相分离现象等冶金性质，可以设计出激光熔覆铜基自生复合材料的铜基复合粉末材料。研究表明，其激光熔覆层中存在大量的自生硬质颗粒增强体，具有良好的耐磨性。单际国等利用Cu与Fe具有液相分离和母材与堆焊材料的冶金反应特性，采用激光熔覆制备了Fe3Si弥散分布的铜基合金复合熔覆层。研究表明：激光熔覆过程中，由母材熔化而进入熔池的Fe元素与熔池中的Cu合金呈液相分离状态;进入溶池的Fe由于密度小而上浮，上浮过程中与熔池中的Si反应生成Fe3Si，Fe3Si在激光熔覆层中呈弥散状梯度分布于α-Cu基体中。

铜及铜基合金因其高导热性、高导电性和综合性能强而被广泛应用于电气、交通、航空航天、制造等高科技领域。用于电枢、引线框架和其他应用的铜合金不仅必须确保优异的导热性和导电性，而且还必须具有包括硬度和耐摩擦磨损性在内的机械品质，以延长其在恶劣工作环境下的使用寿命。激光熔覆技术在合金表面形成动态温度场，然后快速冷却凝固。研究表明，在激光熔覆技术下，Cu-Cr-SiC体系表现出很强的导电性和机械强度，并且SiC陶瓷颗粒的加入可以进一步提高体系的强度和弹性模量。

（2）钛基

钛基熔覆材料主要用于改善基体金属材料表面的生物相容性、耐磨性或耐蚀性等。研究的钛基激光熔覆粉末材料主要是纯Ti粉、Ti6Al4V合金粉末以及Ti-TiO2、Ti-TiC、Ti-WC、Ti-Si等钛基复合粉末。张松等在氩气氛环境下，在Ti6Al4V合金表面激光熔覆Ti-TiC复合涂层，研究表明复合涂层中原位自生形成了微小的TiC颗粒，复合涂层具有优良的摩擦磨损性能。

有研究发现，使用激光熔覆分别沉积Ti6Al4V 和Ti6Al4V+TiC混合物的无缺陷涂层改进钛部件，在TiGr2样品上熔覆Ti6Al4V，将基材的硬度从120HV提高到300 HV，Ti6Al4V 样品表面的硬度有所提高，耐磨性和耐磨性也有所提高。结果表明激光熔覆技术对修复和制造钛的机械部件有一定的适用性。

（3）镁基

镁基熔覆材料主要用于镁合金表面的激光熔覆，以提高镁合金表面的耐磨性能和耐蚀性能。J.DuttaMajumdar等在普通商用镁合金上熔覆镁基MEZ粉末(成分：Zn：0.5%，Mn：0.1%，Zr：0.1%，RE：2%，Mg：Bal)。研究结果显示：熔覆层显微硬度由HV35提高到HV 85～100，并且因为晶粒细化和金属间化合物的重新分布，熔覆层在3.56wt%NaCl溶液中的抗腐蚀性能比基体镁合金大大提高。

（4）铝基

采用激光熔覆技术对铝合金结构件进行修复，可以有效避免在修复过程中输入大量热量，产生裂纹的问题。有研究表明，用激光熔覆技术在AA6063铝合金表面制备了TiC增强Al3Ti复合涂层,激光熔覆层由树枝晶Al3Ti、枝晶间α-Al和均匀分布的TiC颗粒组成,涂层和基材为良好的冶金结合;与基材相比,激光熔覆层的耐腐蚀性能显著提高,且随着TiC含量的增加,熔覆层的耐腐蚀性能提高。SorinIgnat等在WE43和ZE41两种镁合金基体上采用3kW的Nd∶YAG激光器侧向送粉熔覆铝粉，得到了结合性能良好的熔覆层。研究发现，涂层硬度值达到HV0.05120～200，硬度提高的主要原因是Al3Mg2和Al12Mg17金属化合物的存在。ZMei等在镁基ZK60/SiC基体上激光熔覆铝基Al-Zn粉末，得到了冶金良好的熔覆层。

结   语

激光熔覆技术主要应用于航空航天、汽车、石化、冶金、轨道交通等领域的修复和表面强化。为重要损坏部位的修复提供了一种新方法，从而大大降低了成本，提高了工作效率，利用激光熔覆技术对重要零件进行表面强化，可以提高零件的性能，从而延长其使用寿命。激光熔覆技术随着大功率激光技术的日益成熟、制造成本的降低，以及表面工程和增材制造领域应用研究的深入，将成为学术界、工业界的热点。

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审核编辑 黄宇