激光熔覆技术研究进展

激光熔覆技术（Laser Cladding）是一种的材料表面改性技术，早是由Gnanamuthu于1974年提出专利申请，兴起于20世纪80年代。随着激光器技术的发展和资源节约的需求，激光熔覆技术的基础研究和应用推广得到了快速的发展。它是以激光为热源，将填充材料（粉末、丝材或板材）和基材表面一起熔凝，在基材表面形成与其冶金结合的熔覆层，从而显著改善其表面耐磨、耐蚀、耐热及抗氧化等性能的工艺 ，涉及光、机、电、物理、材料、化学、计算机等多门学科。该技术可对局部易破损的零部件进行表面强化及修复，以延长其使用寿命，有利于降低成本，节约贵重稀有金属材料，符合循环经济和可持续发展战略。因此，激光熔覆技术备受各国的关注和重视，成为当前的研究热点之一。

与其他表面强化技术，如堆焊、喷涂、气相沉积和电镀等相比，激光熔覆技术具有以下特点：激光能量密度高，加热速度快，对基材的热影响区域小，引起的工件热变形小；冷却速度快（102～106 K/s），涂层晶粒细小，组织致密；涂层稀释率低，涂层与基体呈冶金结合，结合强度高；材料选择性广，金属材料、陶瓷材料及复合材料均可作为熔覆材料；易实现自动化，无环境污染 。因此，该技术在航空航天、矿山机械、石油化工、汽车、船舶、电力、铁路等行业具有广阔的应用前景。激光熔覆技术与其他表面工程技术的参数对比见表1。

本文从激光熔覆喷头、激光熔覆工艺、激光熔覆材料、激光熔覆技术的工业应用4个方面综述了激光熔覆技术的研究进展，并对发展趋势做出了展望。

1 激光熔覆喷头

激光熔覆设备主要包括激光器、熔覆喷头、加工平台和送料装置。而激光熔覆喷头是激光熔覆系统的关键核心部件，可实现激光束传输、变换、聚焦和熔覆材料的同步输送，在基材表面实现激光束、熔覆材料、熔池之间的耦合并连续形成熔覆层。其中激光束的整形变换聚焦、材料的传输喷射汇聚、光料的耦合方式是熔覆喷头的关键技术。

1.1 激光熔覆光斑及送料方式

激光熔覆喷头内集成有光束镜组，主要用于激光束的传输、变换及聚焦，可根据不同的加工需求对光束进行处理，包括变换光斑形状、光斑尺寸、光斑能量分布等。光学镜组一般包括准直镜、整形镜和聚焦镜。一般首先通过准直镜对输入的发散光束进行准直，然后对准直后的光束进行整形，变换成所需的光束，如圆形实心光斑转换为环状或矩形状，呈高斯分布的光束变换为光能均匀分布的平顶光束，单光束分成多光束等，将光束聚焦至加工面，以满足加工所需的尺寸形状和光强分布。

目前，常见的光斑形状有圆形、环形、矩形和线形，其形状和能量分布如图1所示。圆形实心光斑能量呈高斯分布，其特点是中心能量大，边缘能量小，在激光熔覆过程中易造成熔覆层中间过烧而边缘熔化不足。环形光斑能量呈双高斯分布，其特点是两边缘能量高，中间无能量，可通过锥透镜 、锥镜-反射聚焦镜等对光束转换获得。在激光扫描过程中，在热传导和热对流作用下，熔池两侧的温度略高于中心，这有利于边缘有足够的能量熔化粉末颗粒，减少侧壁粉末的粘附。矩形光斑能量分布较均匀，具有激光热加载均匀、加工效率高等特点，通过微透镜阵列、空间光调制器、非球面透镜组 、衍射光学元件、带式积分镜等对光束整形获得。线形光斑扫描宽度大，大大提高了加工效率，且热作用过程均匀，可显著改善加工质量。

按照熔覆材料的添加方式（下文中的材料均以粉末为例），激光熔覆送粉可以分为预置粉末法和同步送粉法。预置粉末法是将粉末以粘结或喷涂的方式预置在基材表面，然后采用激光辐射扫描熔化形成熔覆层。此方法工艺简单，操作灵活，但粉末烧损严重，熔覆层存在气孔和裂纹多、组织不致密、表面粗糙等缺陷。同步送粉法是采用送粉器使粉末连续输送至激光作用区，实现材料的熔覆加工。同步送粉法具有自动化程度高、熔覆速度快、成形性好等特点，在激光熔覆中得到了广泛的应用，但该方法对粉末的颗粒粒度和流动性等方面要求较高。

1.2 光粉耦合模式及熔覆喷头

按照激光束和粉末的耦合形式，可将激光熔覆喷头分为旁轴送粉熔覆喷头和同轴送粉熔覆喷头。对于旁轴送粉熔覆喷头，其送粉喷嘴相对聚焦光束倾斜喷粉，粉束和激光束轴线之间存在夹角。旁轴送粉熔覆喷头结构简单，送粉喷嘴调节灵活，粉末稳定好，可实现异型零件的激光熔覆。随着高功率激光器技术发展以及使用成本的大幅下降，旁轴激光熔覆喷头由传统的“圆形光斑+单束送粉”方式发展为“矩形光斑+宽带送粉”方式。采用大光斑的激光熔覆方式提升了熔覆效率，单道熔覆宽度可达30 mm，适用于形状简单的零件表面的大面积激光熔覆。但变化扫描方向时，光粉耦合会出现明显的方向性，影响熔覆层的性能。

对于同轴送粉熔覆喷头，粉束和激光束同轴耦合输出，粉末流各向同性，克服了旁轴送粉方向性的限制，可保证任意路径下熔覆层的一致性。目前激光熔覆多采用同轴送粉熔覆喷头。由于同轴送粉熔覆喷头无方向性问题，也可应用于激光金属增材制造（3D打印），通过逐层沉积可近净成形大型结构件、复杂结构件等。按照激光束和粉束的相对位置，同轴送粉熔覆喷头可分为光外同轴送粉喷头和光内同轴送粉喷头。光外同轴送粉喷头是采用“粉包光”的光粉耦合模式，激光束从中心出射，光束周围为倾斜布置的多个粉嘴送粉或环状送粉，工作时，激光束和粉束汇聚在工作表面并形成熔池，如图3a所示。光内同轴送粉喷头是采用“光包粉”的光粉耦合模式，圆形实心光束转换为圆环锥形光束或多光束，中空无光区域垂直放置送粉管，实现光束中空，粉管居中，光内送粉，如图3b所示。粉末垂直加工面喷射，由于粉末喷射方向与包围粉束的准直气流方向、外围聚焦环锥形光束轴线方向均相同，故三相流互不干涉，粉末发散小，集束性好，因此在一定的长度范围内能够保证光束、保护气都包围粉束，大大提高粉末利用率，减少熔覆层的表面粘粉和熔覆过程中的飞溅。光外同轴送粉和光内同轴送粉效果如图4所示。从图中可以看出，同轴环形喷嘴比同轴多管喷嘴汇聚效果好，可实现更小的汇聚粉斑，适合精密熔覆加工。同轴单束粉管正向送粉，粉末流细小，挺度高，可进行长距离、大倾角熔覆加工。由于光粉真正同轴实现了“光包粉”，一般无需在熔覆前预调光斑粉斑与工作面的对准，扫描过程中还可离焦变焦，熔覆出变宽的熔道。

随着大功率激光器技术的发展与推广，宽带同轴送粉熔覆喷头得到了越来越多的应用，如图5所示。图***为武钢华工激光研制的光外宽带同轴喷头，主要由送粉道、保护气道和激光束通道组成。中心为矩形光斑，光束外两侧为与激光光斑相适应的矩形粉末流道。此喷头适用于6～20 k W的激光熔覆加工，特别是煤矿机液压支架立柱等回转件的大批量生产。图5b为苏州大学与激光加工技术工程中心联合研发的光内宽带同轴喷头，矩形送粉装置位于喷头中心，外层为双光束通道，其熔覆效果如图5c所示，熔覆宽度达40 mm。

在一些特殊工况下的熔覆加工，激光熔覆喷头的内光路、粉路、水路、气路等结构有所不同。如针对圆筒形、腔体类等内壁熔覆的深孔激光熔覆喷头，针对各方位（如水平面、立面、仰面等）熔覆的激光熔覆喷头，针对水下修复的激光熔覆喷头等。深孔激光熔覆喷头将激光熔覆加工从工件的外表面延伸到孔的内壁表面，此喷头呈细长状，光路系统采用长聚焦镜，并利用反射镜将光束反射至加工位置。德国弗洛霍夫研究所研制的深孔熔覆喷头小内孔径达33 mm，工作孔深可达0.5～3 m，技术处于地位。图6a为武钢华工激光研制的深孔熔覆喷头，小内孔径为50 mm，孔深为0.5 m。激光熔覆喷头可实现±180三维空间熔覆，在喷嘴口与聚焦镜间设置防护气帘，可防止喷头连续变换方位时，熔覆材料落到聚焦镜上而损坏镜片，其在仰面位置的熔覆加工如图6b所示。水下激光熔覆喷头集成了排水装置将水排出，从而形成局部的稳定气体空间，实现水下激光熔覆修复。

2 激光熔覆工艺

2.1 激光熔覆工艺参数

激光熔覆过程中涉及众多工艺参数，包括激光功率、扫描速度、光斑直径、送粉速率、气体流量和搭接率等，这些工艺参数影响熔覆层的质量。熔覆层的质量包括宏观形貌（宽度、高度、宽高比、稀释率、裂纹、表面粗糙度等）和组织性能（气孔、杂质、组织形态、力学性能等）。

熔覆层的宏观形貌与工艺参数的关系模型可通过数据统计分析方法和数值模拟的方法进行预测。根据预测的关系模型，对目标进行优化，从而获得的工艺参数组合。目前常用的数据统计分析方法有单因素法、正交法、神经网络和响应曲面法等。邢彬等采用正交试验法研究了工艺参数对IC10高温合金熔覆层宽度、深度和高度的影响，结果表明激光功率对宽度影响，离焦量对深度影响，而各参数对高度的影响无显著差别。过低的热输入会造成基体与涂层未熔合，过高的热输入易形成气孔缺陷。倪立斌等基于神经网络建立了熔覆层特征与工艺参数之间的预测模型，误差小于4.5%。Ansari等采用响应曲面法建立了回归模型，优化获得了稀释率小的熔覆层。以上均是对多输入单输出进行优化，而激光熔覆是一个多输入多输出过程，因此参数优化是一个多目标优化问题，需要对多个目标值进行综合评价。目前有PCA-TOPSIS法、NSGA-Ⅱ算法、灰色关联分析法等。赵尧等以熔覆层宽度、稀释率和表面硬度为优化目标，基于PCA-TOPSIS法获得了激光功率、扫描速度和送粉速率的优化组合。Wang等以熔覆层宽度、平整度和欠熔面积为优化目标，采用灰色关联分析法将这些目标转化为单一目标，并通过主成分分析法确定权重，通过回归分析，建立了灰色关联度与工艺参数的关系模型。采用数值模拟法预测熔覆层宏观形貌，有利于简化工艺验证过程，揭示熔覆层成形机理，推动自动化、智能化的发展。李亚敏等利用Ansys软件建立了瞬态三维有限元温度场模型，数值模拟了工艺参数对熔池的影响，确定了工艺参数并进行试验验证，大幅减少了实验量。Li等建立了多场耦合三维数学模型，得到了激光熔覆过程中温度场和速度场的分布状态和演化规律。

熔覆层的组织性能除与熔覆材料有关外，还与成形的工艺参数有关。不同的工艺参数会形成不同的凝固组织，从而影响熔覆层性能。杨丹等研究了工艺参数对Ni基组织的影响，组织的大小与激光功率呈正相关，与送粉速率呈负相关，随着扫描速度的增加，组织先变小后变大。曾维华等研究了工艺参数对熔覆层耐腐蚀性能的影响，结果表明熔覆层的耐腐蚀性能随着激光功率的增加而降低，随着扫描速率的增加而先增加后降低。顾赛男等发现不同的工艺参数下，熔覆层内的W颗粒会呈现团簇、均匀分布、沿着熔覆层边缘分布及“W包Cu”结构的不同形态。

综上所述，熔覆层的宏观形貌和组织性能是工艺参数综合作用的结果，合理选择工艺参数组合，有利于提高熔覆层的质量。

2.2 激光熔覆复合工艺

国内外学者研究发现，将辅助加工工艺与激光熔覆复合，能够较好地改善熔覆层缺陷，提高熔覆层质量。现有的辅助复合加工方法有电磁场、机械振动、超声振动、感应、磁场、微弧、TIG电弧、微锻造、激光冲击等。

研究发现，部分复合工艺能够细化晶粒、减少气孔裂纹、调控组织分布、降低残余应力等。王梁等研究了电磁复合场对激光熔覆增强颗粒WC分布的调控，结果表明在电磁场的作用下，熔池流速受到抑制，当施加的定向洛伦兹力与重力同向时，增强颗粒集中在上层，反之集中在下层。Jiang等研究了超声振动角度对激光熔覆涂层组织和性能的影响，结果表明超声振动可以细化组织，使元素分布均匀化，当超声振动为45时，摩擦系数小，耐磨性得到了显著的提高。林英华等研究表明，电磁复合场能够抑制Ni60熔覆层表面裂纹，消除涂层内部气孔，减小脆性相的尺寸和颗粒偏聚，有效抑制内部裂纹的产生。Farahmand等采用激光-感应复合熔覆Ni-WC复合涂层，研究发现在感应加热的辅助下，可获得无裂纹和气孔的复合涂层。综上所述，通过复合工艺的方法可以减少熔覆层缺陷，提高涂层的耐磨、耐腐蚀等性能。

2.3 超高速激光熔覆

超高速激光熔覆技术由德国弗劳恩霍夫激光技术研究所和亚琛工业大学提出并联合进行研发，主要解决传统激光熔覆加工效率低的问题。此技术可在短时间内制备大面积涂层，提高了生产效率和降低了成本，同时响应了政府提倡的发展绿色加工的要求，有望成为替代传统电镀的技术之一。

与常规激光熔覆技术相比，从能量分配看，常规激光熔覆中基板吸收的光能要多于粉末颗粒，基板吸收能量形成熔池，将输送至熔池的粉末熔化，而超高速激光熔覆改变了能量分配，粉末颗粒吸收的能量要高于基板。因此，超高速激光熔覆调整了激光、粉束和熔池的汇聚位置，使粉束汇聚点位于熔池上方（，同时提高了激光束和粉束的汇聚性，光束和粉束的汇聚直径小于1 mm，从而增加了汇聚光斑内的激光能量密度，使粉末颗粒吸收足够的能量，在落入熔池前温度已达到熔点，进而减小了粉末在熔池内的熔化时间。制备的涂层如图7b所示，可见熔覆层表面光滑，只需经磨削加工就可达到精加工要求。

弗劳恩霍夫激光技术研究所的Schopphoven等研究表明，超高速激光熔覆的沉积速率由常规激光熔覆的0.5～2 m/min提升至20～500 m/min，沉积率由50 cm2/min提升至500 cm2/min，涂层厚度为10～250µm，稀释率小于1%。Li等研究表明，超高速激光熔覆涂层相较于常规激光熔覆涂层的组织更加细密，成分分布更均匀。

2.4 激光熔覆过程控制

为了提高激光熔覆过程的稳定性和熔覆层质量，需要对成形过程中的相关信息进行监测和控制。监测对象主要有熔池温度、熔池几何特征和熔覆层几何特征。通过监测这些工况信息的变化，实时调控激光功率、扫描速度、喷头提升量等工艺参数，从而实现熔覆过程的闭环控制，补偿工艺过程中的偏差。

熔池温度和熔池形貌信息可通过高温计、CCD图像采集、热成像仪等设备监测获得。song等用双色高温计监测熔池温度，并采用广义预测控制器，通过调整激光功率实现了熔池温度的闭环控制。杨柳杉等采用CCD摄像机和图像处理软件实现了熔池宽度的在线检测。熔覆层形貌信息主要为熔覆层的高度。石拓等基于光学三角法原理，采用高速CCD相机监测层高，并设计了P和PI堆高闭环控制器，提高了成形尺寸精度。

3 激光熔覆材料

目前激光熔覆材料主要有自熔性合金粉末、陶瓷粉末和复合粉末。自熔性熔覆粉末有Fe基、Ni基和Co基，粉末中含有脱氧和自熔作用的Si、B等元素，具有较好的工艺成形性。陶瓷粉末有碳化物陶瓷粉末、氮化物陶瓷粉末、氧化物陶瓷粉末和硅化物陶瓷粉末，具有较好的耐磨、耐蚀、耐高温和高温抗氧化性能，常被用于制备高温耐磨耐蚀涂层和热障涂层。复合粉末是指金属材料与陶瓷材料混合或复合而成的合金粉末，它将金属和陶瓷的性能有效结合起来，是激光熔覆技术研究的热点。复合涂层的陶瓷相可通过机械外加法或原位合成法获得。机械外加法是将陶瓷颗粒直接加入合金粉末中，并混合均匀。原位合成法是指元素在一定的条件下发生化学反应，原位生成陶瓷相。此方法获得的增强相可与金属基体具有良好的浸润性能和界面结合性能。

为获得质量良好的功能涂层，需要选择合适的材料体系。熔覆材料要与基体材料具有良好的匹配性，如相似的物理性质（如熔点、弹性模量和热胀系数等）和化学性质，以保证两者较佳的润湿性。若两者材料性质相差太大，会因不同材料界面引起的较大热应力而产生涂层开裂或剥落。此时，可采用中间过渡层的方法来制备梯度涂层，从而减小基体和涂层之间的性质突变。如Chen等 在铜合金上依次激光熔覆了Ni基合金和Co基合金，形成了Cu-Ni-Co梯度涂层，以镍基合金作为过渡层解决了Cu和Co之间性质差异大的问题，提高了铜合金表面的耐磨性。

熔覆材料吸收激光能量后迅速升温熔化，在和外界环境的热交换以及基体热传导的作用下快速降温，产生“液-固相变”。随着温度的进一步下降，组织会发生“固-固相变”，这决定了材料的终组织。由于激光熔覆快速熔化和快速凝固的特点，熔体的过冷度较大，在非平衡凝固条件下，可生成细晶组织、亚稳定相、非晶态合金等。

4 激光熔覆技术的工业应用

4.1 矿山机械

煤矿机械工作环境复杂苛刻，粉尘颗粒、有害气体、湿气和煤渣对机械设备造成磨损、腐蚀，缩短了设备的使用寿命，如截齿、刮板运输机的运输槽、液压支架立柱、齿轮、轴类零部件等。采用激光熔覆技术可对零件易失效部位进行强化或修复，提高耐磨损、耐腐蚀性能，延长设备使用寿命。

苏伦昌等在截齿上熔覆了THPR-50合金粉末（铁基合金加Ti、W、Mo），涂层中原位生成了碳化物相，耐磨性提高了3倍。曹青等采用激光熔覆技术在运输槽上了制备了35%Ni50+65%WC无裂纹的熔覆层，并应用于730刮板机中，每10万吨的过煤量，其平均磨损量为0.1 mm，提高了使用寿命。李春强等在立柱上制备了Ni60熔覆涂层，具有很高的显微硬度和较强的耐腐蚀性能。

4.2 模具

模具作为成形物品的工具，其性能要求较高，价格昂贵，尤其是大型复杂精密模具。若模具局部磨损而报废，则加工周期长，造价高，严重影响生产。模具种类繁多，包括压铸模具、砂型铸造模具、塑料模具、锻压模具和冲压模具等，在长期的工作中，会出现表面磨损、热裂纹、热疲劳、腐蚀等问题，从而造成模具失效报废。因此，对模具表面进行处理以提高其使用寿命，以及对失效模具进行修复具有重要的意义。

Kattire等采用激光熔覆技术在H13工具钢上制备了CPM9V涂层，发现马氏体和残余奥氏体中析出高硬度的碳化钒，涂层硬度比基体提高了4倍。刘建永等对汽车覆盖件拉深模易磨损区域进行局部激光熔覆强化，以Fe40合金涂层为打底层，用GXN-6***和XY-27F-X40合金分别强化模具的上部分和下部分，以满足不同部位的硬度要求。

4.3 铁路

磨损和滚动接触疲劳是影响钢轨使用寿命的两个因素。对钢轨关键部位进行强化，以及对钢轨的周期性维修和随时的现场抢修，有利于提高钢轨的使用寿命，减少铁路运营的成本。

Seo、Lewis等研究了各合金粉末对激光熔覆涂层耐磨性和滚动接触疲劳性能的影响。Liu等在列车制动盘表面熔覆了钴基涂层，并分析在不同温度下的磨损行为。结果表明，在高温环境下，Co06涂层比基材具有更好的耐磨性和抗氧化性能。Lai等在钢轨表面熔覆了410L不锈钢涂层，并研究了扫描方向、预热和后热处理对涂层组织和性能的影响，如图8所示。

4.4 其他行业

激光熔覆技术还可应用在航空航天、冶金、工程机械、汽车、船舶、3D增材制造等行业，具有非常广泛的应用前景。如航空发动机钛合金叶片的修复、船用螺旋桨的修复、曲轴的修复、飞机大型复杂结构件的激光增材制造等。

激光熔覆技术是经济效益高的新型表面改性技术，不仅可以减少生产成本，缩短制造周期，还可以提高零部件的使用寿命。该技术属于制造、绿色制造领域，是“中国制造2025”的重大战略规划发展方向之一，有利于加快发展制造业，推动信息技术与制造技术深度融合。

5 展望

1）在激光熔覆喷头方面，改进光束传输变换聚焦方式，优化工作光斑及能场分布；变革送粉方式，提高粉末利用率和沉积率；实现光料耦合，提升工艺能力并扩展应用功能；高功率宽带熔覆喷头和超高速熔覆喷头可实现大面积激光熔覆，提高制造效率。这些都是表面工程领域和增材制造领域的研究热点。在制备过程中的成形工艺、成形精度、路径规划、缺陷控制以及组织性能的研究方面需进一步加强。同时，激光熔覆喷头需集成测控系统，加强工况实时监测和反馈控制技术的研究，向自动化、智能化方向发展。

2）在激光熔覆对象方面，熔覆面由规则的平面向非规则的曲面发展，成形轨迹由二维直线向空间曲线发展，加工方位从水平面、小倾角面向立仰面、空间任意方向喷射熔覆发展。在朝空间任意方位进行激光熔覆时，激光束、粉束、熔池、工作面之间的耦合关系将发生变化，从而影响熔覆层成形质量。需要对空间不同方位下光粉气的喷射规律、空间不同方位甚至倒挂熔池的流动与凝固规律、熔覆层形貌特征规律、组织生长规律及其性能等方面进行研究。

3）在激光熔覆应用方面，便携移动式激光熔覆原位修复技术会得到发展与应用。关键技术主要包括：高功率、小型化、智能化、便携式的熔覆成套装备，光粉气空间喷射耦合技术与全位置熔覆成形技术及装备，室外环境下的惰性气氛保护装置，激光熔覆工艺及后处理工艺等。

4）在激光熔覆复合方面，将该技术应用于激光增材制造过程中，成形高质量的复杂结构件、大型结构件等。如激光熔覆与微压锻、激光冲击等复合的增材制造，可有效抑制成形零件的开裂、气孔、残余应力大等问题，提高成形件的组织性能和抗疲劳等综合性能。