激光熔覆技術(shù)研究現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢(shì)

崔佳鵬

摘 要：重點(diǎn)闡述了當(dāng)前激光熔覆技術(shù)的研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)，詳細(xì)的介紹了熔覆材料體、熔覆過程和熔覆效果，并在文末提出了現(xiàn)階段激光熔覆技術(shù)存在的技術(shù)瓶頸和未來發(fā)展方向及趨勢(shì)。

關(guān)鍵詞：激光熔覆;工藝;現(xiàn)狀;趨勢(shì)

中圖分類號(hào)：TG174 ??????文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A開放科學(xué)（資源服務(wù)）標(biāo)識(shí)碼

doi：10.14031/j.cnki.njwx.2019.12.014Open Science Identity（OSID）

激光熔覆可以應(yīng)用于再制造技術(shù)和增材成形技術(shù)等領(lǐng)域，其工作原理是將熔覆粉末材料添加到基材表面，利用大功率高密度激光束對(duì)熔覆材料和基材表面進(jìn)行加熱，使其發(fā)生冶金熔合，并同時(shí)快速冷凝，形成高強(qiáng)度、耐腐蝕性熔覆層。

1 激光熔覆技術(shù)特性

與等離子噴焊、熱噴涂和堆焊等傳統(tǒng)表面改性工藝技術(shù)相比，熔覆技術(shù)具有明顯技術(shù)優(yōu)勢(shì)，具體可以歸納為以下幾點(diǎn)：（1）激光熔覆層結(jié)晶均勻致密，且具有較高的結(jié)合強(qiáng)度和耐磨耐蝕性能;（2）激光熔覆層材料稀釋率較低，一般可以控制在5%以內(nèi)，且熔覆層與基體層呈現(xiàn)冶金結(jié)合，結(jié)合強(qiáng)度較高，可形成較薄的熔覆層;（3）激光熔覆過程中激光能量集中，熱影響區(qū)域小，熔覆后熱變形小，基本可以忽略不計(jì)，能夠很好的保證幾何形態(tài)和力學(xué)性能;（4）激光熔覆工藝便于自動(dòng)化控制，通過自動(dòng)化控制可以有效提高熔覆質(zhì)量，還可對(duì)難以接近的區(qū)域進(jìn)行熔覆。

2 激光熔覆工藝方法

（1）預(yù)置粉末法。預(yù)置粉末法是通過粘接或噴灑的方式將熔覆粉末均勻放置于基體材料表面，在進(jìn)行激光熔覆時(shí)，熔覆粉末和基體材料在激光能量的作用下同時(shí)熔化，熔化后的覆層在基體材質(zhì)的熱量吸收作用下快速冷卻，形成冶金結(jié)合。

（2） 同步送粉法。同步送粉法是通過自動(dòng)送粉裝備在進(jìn)行激光熔覆的同時(shí)將熔覆粉末送入熔池完成同步送粉，該種送粉方式熔覆層均勻，工作效率高，便于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化控制。

3 激光熔覆材料種類

（1）自熔性熔覆粉末。自熔性熔覆粉末是指在Fe基、Ni基、Co基基質(zhì)粉末中加入具有強(qiáng)烈脫氧和自熔作用的Si，B等元素，多數(shù)合金元素均能和Si，B元素形成低熔點(diǎn)共晶體，這些共晶體的形成可有效防止液態(tài)金屬過度氧化，從而改善熔覆區(qū)熔體對(duì)基體金屬的浸潤能力，提升工藝成形性能。

（2）陶瓷粉末。陶瓷粉末一般可以分為兩類：一類是包含硅化物陶瓷粉末，另一類是包含氧化物陶瓷粉末，這類粉末具有陶瓷材料所特有的隔熱、耐蝕、耐磨、抗高溫等良好性能。在需要制備高溫耐磨耐蝕涂層和熱障涂層時(shí)常常被使用。

（3）復(fù)合粉末。在Fe基、Ni基、Co基等自熔性熔覆粉末中加入各類化合物，例如：碳化物、氮化物、硼化物與硅化物等能夠提高熔覆粉末熔點(diǎn)的硬質(zhì)化合物性能，形成全新粉末體系，這類粉末體系具有較好的金屬強(qiáng)韌性及較好的耐磨、耐蝕、耐高溫和抗氧化特性。

4 激光熔覆技術(shù)應(yīng)用領(lǐng)域

（1）航空航天領(lǐng)域中的應(yīng)用。航空航天領(lǐng)域是最早引入激光熔覆技術(shù)的工業(yè)領(lǐng)域。其主要應(yīng)用方向包括兩個(gè)方面：一方面可以利用熔覆技術(shù)直接生產(chǎn)制造零部件，例如用來制造承受嚴(yán)苛工作環(huán)境的新型鈦合金零件;另一方面可以用來修復(fù)因高載荷而造成表面失效的各類零部件，例如飛機(jī)葉輪葉片和飛船艙體等。

（2）汽車領(lǐng)域中的應(yīng)用。在汽車工業(yè)領(lǐng)域中，激光技術(shù)最先常被用來進(jìn)行鈑金切割和局部熱處理等，但隨著熔覆技術(shù)的快速發(fā)展，它也被不斷的應(yīng)用于發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣門密封錐形面熔覆等精密件加工領(lǐng)域。

（3）其他工業(yè)技術(shù)領(lǐng)域中的應(yīng)用。在煤炭礦山行業(yè)中的應(yīng)用，例如在各類液壓工程設(shè)備、發(fā)電機(jī)組、高載荷齒輪等設(shè)備的維修中均有較好的應(yīng)用;在建筑材料行業(yè)，例如各類破碎機(jī)主軸、電機(jī)轉(zhuǎn)子軸、攪拌機(jī)、減速機(jī)齒輪軸等設(shè)備的維修中均有較好的應(yīng)用;在工程機(jī)械行業(yè)，例如各類變速箱齒輪軸、泵體柱塞、發(fā)動(dòng)機(jī)缸體等設(shè)備的維修中均有較好的應(yīng)用，只要金屬部件發(fā)生了表面磨損，就可以通過激光熔覆技術(shù)，來進(jìn)行再制造和改良。

5 激光熔覆技術(shù)難題

（1）熔覆過程中工藝參數(shù)的不可控因素。激光熔覆技術(shù)工藝參數(shù)對(duì)熔覆層的力學(xué)性能、組織結(jié)構(gòu)起著決定性作用，熔覆過程中的主要技術(shù)參數(shù)包括激光能量、光斑尺寸、熔覆速度、預(yù)熱溫度、搭接尺寸、粉末進(jìn)給方式及進(jìn)給速度等，并且很多技術(shù)參數(shù)間還存在著相互影響和相互制約。目前各類科研及生產(chǎn)機(jī)構(gòu)所使用的參數(shù)，還是以經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)為主，缺乏理論依據(jù)。

（2）熔覆層中的裂紋缺陷。在激光熔覆過程中，熔覆區(qū)在激光的作用下快速熔合后又快速凝結(jié)，由于熔覆粉末與基體材料的物理收縮性能存在細(xì)微差異，因此在熔覆區(qū)進(jìn)行快速冷卻時(shí)，熔覆層受到冷態(tài)基體固有約素限制而產(chǎn)生內(nèi)生拉應(yīng)力，當(dāng)內(nèi)生拉應(yīng)力超過覆層所能承受的極限時(shí)，便會(huì)在敷層表面產(chǎn)生裂痕，裂痕是影響熔覆質(zhì)量的重要指標(biāo)。

激光熔覆技術(shù)雖然還處于工業(yè)應(yīng)用的初級(jí)階段，但隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，未來必定有著巨大的發(fā)展前景。建議相關(guān)專業(yè)技術(shù)人員從以下幾個(gè)方向繼續(xù)加強(qiáng)重點(diǎn)研究：（1）送熔覆原理上解決裂紋問題;（2）積累并建立工藝參數(shù)數(shù)據(jù)庫;（3）新型熔覆材料體系的開發(fā);（4）熔覆技術(shù)理論體系的進(jìn)一步完善。

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