激光熔覆技术

激光熔覆技术的研究现状及应用

陈宝洲

（南华大学机械工程学院湖南衡阳邮编：421001）

摘要：本文逐次介绍了激光熔覆技术的原理、特点、材料体系、激光熔覆存在的问题、激

光熔覆层裂纹产生的原因及防止措施，阐述了其工业应用，最后分析了其发展趋势。

关键词：激光熔覆；材料体系；应用

Laser cladding technology research and Application

Chen Baozhou

(College of Mechanical Engineering, University of South China, Heng Yang, 421001, China) Abstract: This paper introduces the technology of laser cladding by the principle, characteristics, material system, the problems of laser cladding, laser cladding crack causes and prevention measures, and expounds its application in industry, finally analyzes its development trend.

Key words: laser cladding; material system; application

1 引言

激光熔覆技术是一项新兴的零件加工于表面改型技术。具有较低稀释率、热

影响区小、与基面形成冶金结合、熔覆件扭曲变形比较小、过程易于实现自动化

等优点。激光熔覆技术应用到表面处理上，可以极大提高零件表面的硬度、耐磨

性、耐腐蚀、耐疲劳等机械性能，可以极大提高材料的使用寿命。同时，还可以

用于废品件的处理，大量节约加工成本。激光溶覆应用到快速制造金属零件，所

需设备少，可以减少工件制造工序，节约成本，提高零件质量，广泛应用于航空、

军事、石油、化工、医疗器械等各个方面。

激光熔覆是一个复杂的物理、化学冶金过程，熔覆过程中的参数对熔覆件的

质量有很大的影响。激光熔覆中的过程参数主要有激光功率、光斑直径、离焦量、

送粉速度、扫描速度、熔池温度等，他们的对熔覆层的稀释率、裂纹、表面粗糙

度以及熔覆零件的致密性都有着很大影响。同时，各参数之间也相互影响，是一

个非常复杂的过程。必须采用合适的控制方法将各种影响因素控制在溶覆工艺允

许的范围内。

随着控制技术以及计算机技术的发展，激光熔覆技术越来越向智能化、自动

化方向前进。国外在这方面做的比较好。从直线和旋转的一维激光熔覆，经过X

和Y两个方向同时运动的二维熔覆，到上世纪90年代初开始向三维同时运动熔

覆构造金属零件发展。如今，已经把激光器、五轴联动数控激光加工机、外光路

系统、自动化可调合金粉末输送系统(也可送丝)、专用CAD/CAM软件和全过程

参数检测系统，集成构筑了闭环控制系统，直接制造出金属零件。标志着激光熔

覆技术的发展登上了新的台阶。各国在激光控制方面的研究的新成果往往都以专

利的形式进行保护，如高质量的同轴送粉熔覆系统以及闭环反馈控制系统等。

国内西北工业大学、清华大学、北京工业大学、上海交通大学和中国科学院等单

位在激光熔覆过程控制方面做了许多研究工作，国内还有许多单位正在积极开展这方面的研究工作。清华大学机械系激光加工研究中心己研制出适合于直接制造金属零件的各种规格的同轴送粉喷嘴和自动送粉器，已申请相关发明专利两项。中科院已经开发出集成化激光智能加工系统。但相对国外的研究和开发水平，国内在控制方面的研究还处在起步阶段，控制措施和手段还不完善。对激光熔覆融池温度的闭环控制鲜有报道，对熔覆质量的闭环控制系统研究的并不充分。

2 激光熔覆技术原理与特点

2.1 激光熔覆技术原理

激光熔覆技术以该技术以“离散+堆积”成形的思想为基础，突破了传统去除材料的加工方法，把激光熔覆表面强化技术和快速原型制造技术相结合，实现了三维近终形全密度金属零件的分层增材制造。激光熔覆成形时，首先在计算机上生成待加工零件的CAD模型，然后对CAD模型进行切片处理，将一个复杂的三维零件转变成一系列的二维平面图形，计算机从每一层二维平面图形中获取扫描轨迹指令，控制数控工作台和激光器的运动。加工过程中利用高能激光束在金属基体上形成熔池，将通过送粉装置和喷嘴输送来的金属粉末或预先置于基体上的涂层快速熔化，金属粉末或涂层快速凝固后，在基材表面形成无裂纹和气孔的冶金结合层。该技术能够按照轮廓轨迹逐线、逐层堆积材料直接生成近终形三维实体零件，其工作原理如图一所示。

图一激光熔覆技术原理图

2.2 激光熔覆技术特点

同其他表面强化技术相比，它具有以下特点：冷却速度快；热输入和畸变较小，涂层稀释率低(一般小于5％)，与基体呈冶金结合；能进行选区熔覆，材料消耗少，具有卓越的性能价格比；光束瞄准可以使难以接近的区域熔覆等。

3 激光熔覆技术材料体系

按照材料成分构成，激光熔覆粉末材料主要分为金属粉末、陶瓷粉末和复合粉末等。在金属粉末中，自熔性合金粉末的研究与应用最多。

3.1 自熔性合金粉末

（1）Fe基合金体系

自熔性合金粉末可以分为Fe基、Ni基、C O基自熔性合金粉末，其主要特点是含有B和S i具有自脱氧和造渣能力。自熔性合金粉末对碳钢、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[1]。

激光熔覆用的铁基自熔性合金粉末分为两种类型：奥氏体不锈钢型和高铬铸铁型。铁基自熔性合金最大优点是材料来源广泛、成本低且抗磨性能好。缺点是熔点高、抗氧化性差，熔覆层易开裂、易产生气孔等[2]。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，从而提高耐磨性和韧性。

近年来，有关激光熔覆的研究有不少是围绕铁基粉末加入其它成分展开的。宁爽等[3]在45钢基材上制备了WC铁基合金熔覆层。结果表明，铁基合金熔覆层的硬度与耐磨性得到了提高。齐永田等[4]在普通低碳钢上熔覆了含有碳氮化钛增强粒子的铁基熔覆层，原位生成了新的颗粒状强化相Ti(C0.3N0.7)，熔覆层的显微硬度达到600一700 HV0..2。赵高敏[5]等研究了不同稀土加入量对铁基合金激光熔覆层的组织形貌、相组成的影响。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）Ni自熔性合金粉末

Ni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。

原津萍等[6]在镍基合金中分别添加Mo和CeO2，研究表明，在镍基合金中添加Mo，改变了显微组织中碳化物的成分和形态，韧性改善，熔覆层抗磨粒磨损性能提高。张光钧[7]等在45钢表面制备镍基纳米W C /C O复合熔覆层，熔覆层的物相为γ ( Fe一N i)基体上分布着以WC、W2C为主的碳化物相，熔覆层显微硬度分别为779. 3~1315.0 OHV0.1。匡建新[8]等采用N i 60+ 70％(质量分数)镍包碳化钨合金粉末在45钢基材表面进行了激光熔覆，对比研究了添加不同量CeO2在不同激光功率条件下对激光熔覆层的显微组织、裂纹情况、硬度分布及耐腐蚀性能的影响。孙海勤[9]等在45钢表面制备原位自生VC颗粒增强镍基复合涂层，原位自生VC颗粒增强镍基熔覆层平均硬度高达1300 HV0.3。

（3）Co基自熔性合金粉末

钴基自熔性合金具有优良的耐热、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。目前，Co基合金所用的合金元素主要是Ni、C、Cr和Fe等。其中，Ni元素可以降低Co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。

李明喜[10]等利用在低碳钢表面熔覆钒氮合金的钴基合金涂层，结果表明：加入钒氮合金后，出现了σ(FeV)和VN等相，界面处硬度均比表层高，熔覆层的耐磨性随钒氮合金的加入及激光扫描速度的增加而提高。杨胶溪[11]利用积分镜对激光束进行整形获得宽带激光束，进行宽带激光熔覆，获得无裂纹WC/Co基合金层。李明喜[12]在镍基高温合金表面熔覆纳米Al203 /Co基合金复合材料，结果表明，加入纳米Al203，界面的生长形态发生变化，由细长的柱状树枝晶转变为较短的树枝晶，细化了组织。