激光熔覆技术研究现状及发展趋势

激光熔覆技术研究现状及发展趋势

介绍了激光熔覆的技术特点，综述了国内外激光熔覆技术的研究现状，并阐述了激光熔覆技术的发展趋势，最后总结了激光熔覆技术亟待解决的几个问题和发展对策。

标签：激光熔覆；发展趋势；研究现状；发展对策

0引言

近些年来，随着科学技术的大力发展，激光熔覆技术因其在零件材料表面改变性能中的突出优点而获得了国内外大多学者的广泛关注和研究，陆续已经进入到工业生产领域。激光熔覆技术是指利用激光束为热源，将其合金粉末熔化，在零件材料基体合金表面形成一种冶金结合表面的涂层[1]。激光熔覆技术作为零件材料表面改性技术的一种非常有效的手段，可以有效改善金属材料表面的硬度、耐磨性、强度、抗高温氧化性和耐腐蚀等性能，与其他表面处理技术相比较，激光熔覆技术具有很多优点，例如熔覆热能影响区域较小，加工工件的变形小，加工工艺易于实现自动化控制等，激光熔覆按涂层材料的添加方式，可以分为同步式和预置式，同步式是将涂覆合金粉末直接喷在受激光辐照的合金熔池内直接成型，预置式是将要涂覆的合金材料通过喷涂或粘结等方法预置于材料基体合金表面，然后用激光束进行辐照，后者操作简单，但对于预涂层粉末的厚度，粘结剂的要求较高，后者熔覆层质量更好，生产效率更高，同时对于送粉设备以及预涂层粉末要求也比较高。

1国内外研究现状

激光熔覆技术的实验研究开始于20世纪70年代中期，研究初期对激光熔覆技术的研究主要在于熔覆工艺，熔覆层的性能，熔覆层的微观组织结构以及激光熔覆工艺应用等方面的研究、当代激光熔覆技术主要集中在激光熔覆机的研制、激光熔覆材料的研制、激光熔覆模型和基础理论、激光熔覆过程检测与控制、激光熔覆送粉系统的研制、基于激光熔覆的快速成形与制造技术等领域的研究[2]。

1.1国外激光熔覆技术的发展现状。

国外对激光熔覆技术的研究始于上世纪80年代，比我们国家早二十年左右的时间，国外的研究主要集中在以下三个地区：欧洲（德国、荷兰、法国、英国、芬兰、、葡萄牙、瑞典）北美（美国）和亚洲（日本、澳大利亚、新加坡）[3]。20世纪80年代后期以后，激光表面处理方面的的论文篇数逐渐大于焊接和切割方面的论文篇数，这不仅说明国外对于激光熔覆技术这方面的研究速度加快，国外对激光熔覆加工领域的研究主要集中在微观组织结构和金相分析、激光熔覆层的性能、熔覆层缺陷以及激光熔覆过程关键因素的检测与控制、激光熔覆加工设

备和附属设备、激光熔覆过程中显微裂纹和残余应力的控制的研究以及近年来对无定性组织的金属Mg合金表面激光熔覆不同材料的机械性能分析。

1.2国内激光熔覆技术的发展现状。

我国激光熔覆技术的研究开始于上世纪90年代初期，九十年代中后期开始至今，我国激光熔覆技术的研究取得显著的进展和成绩，从事激光熔覆的技术人员大量增加，研究范围广泛，研究内容主要包括以下方面。（1）激光熔覆同轴送粉器的研究，如天津工业大学杨洗尘教授；（2）激光熔覆制备耐磨涂层，如天津工业大学孙荣禄教授研制的NiCrBSi涂层，增强了零件表面的耐磨性；（3）激光熔覆技术加工工艺参数的研究，如清华大学、北京工业大学、哈尔滨工业大学、华中科技大学等科研单位；（4）在激光熔覆的过程中，添加不同的金属元素对合金组织形成的影响研究，如香港理工大学，在铝合金（A17075）表面激光熔覆CuO+Al+SiO2涂層的显微组织结构，以及涂层成分，证明涂层中形成了Al2O3成分[4]；（5）激光融覆过程中，扫描速度对于熔覆层厚度和硬度的影响研究，如北京航空航天大学王华明教授，他研究了激光熔覆过程中，不同扫描速度对加工质量的影响，指出随着激光束扫描速度的提高，涂层显微组织有更细化的趋势，显微硬度也有所提高，但是涂层厚度则有所降低；（6）激光熔覆制备金属基复合涂层以提高机械性能的研究，如北京航空航天大学王华明等，激光熔覆Ti2Ni3Si/Ni3Ti涂层显微组织提高零件表面硬度、耐蚀性和耐磨性，国立台湾大学K.A.Chiang，Y.C.Chen等，研究了激光熔覆WC合金和钨铬钴合金熔覆层的显微组织特性及熔覆层的成分；香港理工大学T.M.Yue，K.J.Huang等，在铝合金表面激光熔覆Al2O3，得到良好的微观组织和晶界；（7）表面熔覆不同金属材料涂层的机械性能研究，如香港理工大学T.M.Yue，Y.P.Su等，研究了无定型组织Mg表面熔覆Zr65A17.5Ni10Cu17.5熔覆层的显微硬度、耐磨性和耐腐性；大连理工大学高亚丽，王存山等，研究了无定型组织Mg表面熔覆Al-Si合金熔覆层的显微硬度、耐磨性和耐腐性[5]。

我国从事激光熔覆技术研究的机构主要包括：清华大学、天津工业大学、长春光机学院、香港理工大学、华中科技大学、哈尔滨工业大学、北京航空航天大学、北京工业大学、中国有色金属总院、中科院、西北工业大学、大连理工大学、东北大学、新疆大学等。

2激光熔覆发展趋势

激光熔覆技术是一种新起的零件表面改性技术，其重要参数特征主要表现在被加工工件表面机械性能的改变，如表面硬度、表面耐磨性、耐腐蚀性以及微观组织性能都得到很大提高，以对国内外激光熔覆技术的研究现状的分析为基础，以国家的对先进机械制造技术的支持为依托，以提高激光熔覆技术加工质量为目标，以激光熔覆工业化应用为出发点，激光熔覆未来发展将主要围绕以下三方面内容展开研究。

（1）建立激光熔覆的优化控制系统是提高激光熔覆系统处理与融合能力、复杂信息的获取，尤其是通过复杂信息的融合及不确定信息处理，提高信息可用

性，已成为在系统层次上确保高可靠、高效、高精度产品制造的关键。研究激光熔覆过程信息的获取、表达、传递、融合、演化和利用，揭示激光熔覆多源复杂信息的作用规律和基本性质，建立系统复杂信息尤其是非常规信息的处理、利用机制以及执行过程，在对激光熔覆过程中涉及的多源复杂耦合信息作用规律和决策机制以及复杂信息获取、处理、融合研究基础上，提出一种激光熔覆过程优化控制模型。解决激光熔覆性能不均匀、微观组织、成分偏析以及残余应力明显等缺陷。对于实现高精度高质量加工和制造过程控制优化决策均有深远意义[6]。（2）在激光熔覆过程中激光熔覆决策机制及多源复杂耦合信息作用规律，汇聚了制造设备、加工零件、工艺方法以及執行过程等多方面的信息，如激光扫描速度、激光功率、搭接率、光束直径功率的分布、外部环境影响、熔池温度场分布及其影响、有无辅助气体及种类成份、熔覆材料特性等因素，成为激光熔覆高性能高精度加工中必须考虑的关键因素，研究和揭示激光熔覆过程中，多源复杂耦合信息复合作用的规律及决策机制，是高质量高精度激光熔覆加工的技术基础[7]。

（3）激光熔覆加工的定量控制如果说物理模拟及数值模拟是激光熔覆研究由“经验”走向“科学”，由“定性”走向“定量”的桥梁，那么把对多源复杂耦合信息作用规律和决策机制的定性认识转化为对其行为的定量控制，则是高精度高质量激光熔覆稳定加工的技术保障。[8]

3结束语

随着科学技术的不断进步和发展，激光熔覆技术具有更为广阔的发展前景和发展市场，但仍需解决以下几个问题才能适应其快速健康的发展：（1）研制与开发适合激光熔覆专用的材料科学体系；（2）采用有效的科技手段检测熔覆过程中的零件应力变化，从根本上去除应力造成零件的裂纹问题；（3）建立起合适的量化理论，通过数值模拟方法提高熔覆层的质量；（4）激光熔覆设备的进一步改进和研制，研制出光束质量高精度高而且稳定的激光熔覆装备。

参考文献

[1] 袁庆龙，冯旭东，曹晶晶等.激光熔覆技术研究进展[J].材料导报[J]2010.24（2）：112-116.

[2]李养良，金海霞，白小波.激光熔覆技术的研究现状与发展趋势[J].热处理技术与装备[J]2009.21（3）：239-242.

[3]孙会来，赵方方，林树忠，等.激光熔覆研究现状与发展趋势[J].激光杂志.2008，29（1）：4-61.

[4]陈颢，李惠东，李惠琪，等.等离子束表面冶金与激光熔覆技术[J].表面技术.2005，34（2）：1-44.

[5]张坚，邱斌，赵龙志. 激光熔覆技术研究进展[J].热加工工艺.2011，40