激光熔覆技術(shù)在船舶修造中的應(yīng)用研究進(jìn)展

王浩，簡思捷，李潔，耿韶寧，劉坤

1.江蘇科技大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院 江蘇鎮(zhèn)江 212100

2.華中科技大學(xué)機(jī)械科學(xué)與工程學(xué)院 湖北武漢 430074

1 序言

在船舶工業(yè)中，腐蝕和磨損是零件失效的常見形式。對(duì)于失效零件的維修，經(jīng)歷了最初的事后修理到計(jì)劃性修理、再到針對(duì)性維修體制的變革[1，2]，維修制度的發(fā)展仍難以解決大量零件失效后無法恢復(fù)原設(shè)計(jì)工況甚至不得不報(bào)廢而更換新件的問題，但更換新件又大大增加了船舶管理成本和時(shí)間成本，無法及時(shí)滿足船舶修理的要求。長期以來，船上許多失效的零部件多通過傳統(tǒng)技術(shù)進(jìn)行修復(fù)，如電鍍、噴涂和堆焊等。對(duì)于非關(guān)鍵零部件，利用傳統(tǒng)修復(fù)技術(shù)進(jìn)行修復(fù)可達(dá)到使用性能要求。但對(duì)于關(guān)鍵船舶部件的修復(fù)，傳統(tǒng)工藝存在不同程度的局限性，應(yīng)用范圍有限。如堆焊產(chǎn)生的變形量較大，影響零件的裝配精度；噴涂和電鍍雖可以避免材料變形，但修復(fù)厚度有限，這使得其難以應(yīng)用于高頻和重載的服役工況。因此，船舶修理再制造更需要一種高效率、高可靠、低變形及低成本的新技術(shù)[3]。

近年來，作為零件修復(fù)技術(shù)之一，激光熔覆得到迅速發(fā)展，相比傳統(tǒng)工藝，熔覆層能夠?qū)崿F(xiàn)與零件基體的冶金結(jié)合，因此具有出色的結(jié)合強(qiáng)度。此外，熔覆過程中的材料選擇非常靈活，可以根據(jù)零件修復(fù)的具體需求進(jìn)行調(diào)整。而且，激光熔覆過程具有高度集中的能量，零件熱變形極小[4-7]，激光熔覆修復(fù)技術(shù)可用于船舶上的各類鋼以及有色金屬零部件的修復(fù)，且修復(fù)后的整體性能可達(dá)到使用性能要求。

本文從激光熔覆設(shè)備及材料、工藝參數(shù)、技術(shù)應(yīng)用等方面，對(duì)激光熔覆技術(shù)用于船舶修復(fù)再制造的研究進(jìn)展進(jìn)行了歸納，總結(jié)了激光熔覆技術(shù)在船舶修造領(lǐng)域面臨的挑戰(zhàn)，并對(duì)未來發(fā)展方向進(jìn)行了展望，為船舶修造技術(shù)提供參考，對(duì)船舶高端裝備的高質(zhì)量修復(fù)具有重要意義。

2 激光熔覆設(shè)備及材料

2.1 激光熔覆設(shè)備研究進(jìn)展

激光熔覆系統(tǒng)由激光源、光學(xué)系統(tǒng)、送粉系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)和控制系統(tǒng)組成。其中，激光源作為系統(tǒng)的核心，其產(chǎn)生高能量密度的激光束；光學(xué)系統(tǒng)用于聚焦和引導(dǎo)激光束；控制系統(tǒng)用于實(shí)現(xiàn)精確的位置和方向控制；送粉系統(tǒng)供應(yīng)粉末材料，保證粉末均勻分布；冷卻系統(tǒng)用于保證系統(tǒng)和工件的溫度在可控范圍內(nèi)[8]。激光器是激光熔覆再制造系統(tǒng)中至關(guān)重要的組件，其性能不僅對(duì)設(shè)備的效率和精度有直接影響，同時(shí)也可保證激光再制造過程的順利進(jìn)行。因此，激光再制造的要求之一是確保激光器具備高能量密度和可調(diào)的精度控制，以滿足不同應(yīng)用需求[9]。應(yīng)用于船舶修理再制造行業(yè)的激光加工系統(tǒng)已逐漸向大功率半導(dǎo)體激光器方向發(fā)展[10]。激光加工系統(tǒng)如圖1所示[8]。

部分激光熔覆設(shè)備會(huì)選擇加入機(jī)器人系統(tǒng)機(jī)構(gòu)[9]（見圖2），以實(shí)現(xiàn)更加便利、高精度的激光熔覆加工。機(jī)器人可搭載專用熔覆設(shè)備，如熔覆頭和掃描振鏡，因此其額定載荷范圍通常在30～60kg（1kg＝9.8N）。機(jī)器人在精確度方面表現(xiàn)出色，可達(dá)到0.005mm以上，足以滿足大部分船舶構(gòu)件激光熔覆再制造的精度要求。此外，機(jī)器人的最大運(yùn)動(dòng)半徑通常在2～3m，可有效滿足小尺寸工件的激光熔覆加工需求。

圖2 機(jī)器人系統(tǒng)及工作臺(tái)[9]

2.2 激光熔覆材料研究進(jìn)展

預(yù)置粉末法和同步送粉法是兩種激光熔覆常采用的提供原料的方法[11]。

預(yù)置粉末法操作簡便且成本較低，但所得到的涂層通常與基體結(jié)合強(qiáng)度相對(duì)較低，容易出現(xiàn)氣孔和其他缺陷。因此，在實(shí)際應(yīng)用中，必須對(duì)粉末的用量以及相關(guān)工藝參數(shù)進(jìn)行嚴(yán)格控制，以確保最終的涂層質(zhì)量和性能。

相對(duì)而言，同步送粉法提供了更高的控制和精度。此外，同步送粉法還有助于減少稀釋率，即減少涂層中來自基體材料的摻雜物含量，從而更好地保持所需的化學(xué)成分。最重要的是，這種方法相對(duì)容易實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制，有利于在大規(guī)模應(yīng)用和高精度要求的領(lǐng)域中推廣應(yīng)用[12]。對(duì)于同步送粉法，送粉裝置是影響熔覆成形質(zhì)量的關(guān)鍵因素。根據(jù)激光器和粉末噴嘴的相對(duì)位置，熔覆設(shè)備可以分為兩種主要類型：旁軸送粉和同軸送粉。旁軸送粉的噴嘴位置通常不容易阻塞，但若噴嘴移動(dòng)需與激光頭協(xié)調(diào)，則靈活性較差；同軸送粉可以起到預(yù)熱和預(yù)熔化的作用，涂層與基體界面結(jié)合較好，能夠靈活適應(yīng)不同位置的激光熔覆修復(fù)[13]。同軸送粉方式通常能夠提供更高的熔覆質(zhì)量，這意味著熔覆后的零部件表面更平滑，質(zhì)量更均勻，這有助于降低后期處理和精加工的難度，因?yàn)樗璧拇旨庸た赡茌^少。此外，同軸送粉適用于復(fù)雜形狀的工件以及軸類工件[14]（見圖3），因?yàn)樗峁┝烁嗟木_控制，可以適應(yīng)不同幾何形狀的熔覆需求，對(duì)于船舶失效零件能得到相對(duì)理想的修復(fù)效果。

圖3 激光熔覆裝置置于曲軸的內(nèi)部圓角上方[14]

然而，同軸送粉的設(shè)備通常更昂貴，需要更高的技術(shù)和維護(hù)要求。因此，在選擇送粉方式時(shí)，需要綜合考慮工件的具體要求、設(shè)備成本和維護(hù)因素。

由于熱噴焊和激光熔覆兩種工藝之間存在本質(zhì)差別，早期使用熱噴焊所用的合金粉末作為激光熔覆粉末存在一定局限性。兩種工藝對(duì)材料的要求不同，熱噴焊合金粉末的特性在激光熔覆中可能導(dǎo)致涂層出現(xiàn)裂紋、夾雜等缺陷。為了克服這些問題，需要專門為激光熔覆開發(fā)熔覆材料，專用激光熔覆材料具有特定的特性，包括良好的潤濕性、流動(dòng)性、粒度和低氧含量等，能夠更好地適應(yīng)激光熔覆的工藝要求，從而減少缺陷的產(chǎn)生，提高涂層質(zhì)量。因此，為激光熔覆開發(fā)的專用材料在生產(chǎn)中非常重要[15]。

熔覆材料的選擇對(duì)于涂層的最終性能起著至關(guān)重要的作用。在眾多激光熔覆材料中，粉末是主要的選擇，常見的粉末材料包括金屬基自熔性合金粉末、陶瓷粉末及復(fù)合材料粉末。金屬基自熔性合金粉末是最常見和廣泛應(yīng)用的熔覆材料之一，通常具有較低的熔點(diǎn)，能夠在激光束的高溫下快速熔化和凝固，實(shí)現(xiàn)涂層的均勻覆蓋，它們通常具有良好的潤濕性，能夠牢固地附著在工件表面，并提供出色的耐腐蝕性能。除了金屬基自熔性合金粉末外，陶瓷顆粒粉末和復(fù)合材料粉末也在特定應(yīng)用中發(fā)揮著關(guān)鍵作用。陶瓷粉末常用于需要特殊耐磨性或?qū)嵝缘那闆r。復(fù)合材料粉末則可能結(jié)合多種性能特點(diǎn)，以滿足復(fù)雜的工程需求。因此，熔覆材料的選擇取決于具體的應(yīng)用需求、所需性能特點(diǎn)，以及所需的涂層特性，正確選擇合適的熔覆材料是實(shí)現(xiàn)最佳涂層性能的關(guān)鍵一步[16]。常用熔覆粉末及其應(yīng)用基體見表1。

表1 船舶常用熔覆粉末及其應(yīng)用基體[17-20]

Fe基粉末成本低，綜合性能優(yōu)異，黃光燦[21]等在45鋼基材表面熔覆了Fe基涂層，有效提升了鋼材表面硬度（約為基材2.5倍）。在船舶相關(guān)應(yīng)用領(lǐng)域內(nèi)，零件表面磨損和腐蝕是常見的失效形式，因此應(yīng)用較多的是高耐磨耐蝕的Ni基和Co基合金粉末[22]。劉峰等[23]在鑄鐵軋輥表面熔覆了Ni基涂層，將軋輥表面耐磨性提高了8倍以上，顯著提升了軋輥表面耐磨性。李二盼等[24]在42CrMo鋼表面制備了Co基涂層，致密的涂層顯著提高鋼的表面耐磨性，磨損量僅為基體的13.5%。

3 激光熔覆工藝參數(shù)

激光熔覆工藝過程是再制造成形質(zhì)量（如是否存在裂紋、氣孔和砂眼等缺陷）的決定性因素之一。與此同時(shí)，影響激光熔覆過程的主要參數(shù)包括掃描速度、送粉率、激光功率、搭接率和焦距等。這些參數(shù)之間相互關(guān)聯(lián)，如：通過調(diào)整步距，可以控制搭接率，從而影響涂層的密實(shí)度和性能；送粉速率決定了每個(gè)單位面積上所添加的材料量，從而影響熔覆層的厚度，更高的送粉速率通常會(huì)導(dǎo)致更厚的涂層；有效熱輸入是各個(gè)參數(shù)綜合作用的結(jié)果，它決定了熔池的溫度分布和材料熔化情況，對(duì)涂層的質(zhì)量和性能具有重要影響。因此，在激光熔覆過程中，需精確控制工藝參數(shù)，以確保涂層具有所需的宏觀質(zhì)量和性能特性。精確的參數(shù)設(shè)置和監(jiān)控是實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量再制造成品的關(guān)鍵[8]。

相關(guān)研究學(xué)者針對(duì)激光熔覆參數(shù)的影響及作用機(jī)理開展了大量研究工作。根據(jù)江吉彬等[25]的分類方法，激光熔覆參數(shù)可以細(xì)分為不同類型，包括工藝參數(shù)、過程參數(shù)和質(zhì)量參數(shù)。其中工藝參數(shù)包括激光功率、焦距和光斑規(guī)格；過程參數(shù)包括激光精度和步進(jìn)控制；質(zhì)量參數(shù)包括粉末成分、保護(hù)氣流量和零部件基本屬性等。這些參數(shù)的共同作用直接影響了激光熔覆成形的質(zhì)量。其中，一些最直觀的影響包括涂層的表面質(zhì)量、成形厚度，以及涂層的硬度分布。因此，對(duì)這些參數(shù)進(jìn)行精確的控制和調(diào)整是實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量激光熔覆成品的關(guān)鍵。杜學(xué)蕓等[26]在27SiMn不銹鋼表面制備了Fe基涂層，并比較了不同能量密度對(duì)熔覆層耐蝕性的影響。結(jié)果表明，能量密度的增大會(huì)導(dǎo)致Cr分布不均勻性增加，進(jìn)而影響組織均勻性，降低了熔覆層硬度（見圖4）和耐蝕性。

圖4 不同激光功率下的熔覆試樣硬度分布[26]

何煒等[27]在27SiMn鋼表面制備了316L不銹鋼涂層，摩擦磨損測試結(jié)果（見圖5）表明，掃描速度的提高細(xì)化了涂層組織，顯著提高了涂層的耐磨性。朱志凱等[28]探究了WC比例對(duì)Fe60涂層表面硬度的影響，研究表明，WC的加入促進(jìn)了硬質(zhì)相的生成，將涂層硬度提升至基體的8倍。

圖5 不同掃描速度下涂層的耐磨性[27]

4 船舶構(gòu)件的激光熔覆

船舶構(gòu)件在高磨損、高腐蝕環(huán)境下極易出現(xiàn)失效（見圖6），嚴(yán)重危害船體質(zhì)量和人員安全。作為典型的船舶構(gòu)件，發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸和螺旋槳軸等位置是磨損和腐蝕失效的高發(fā)區(qū)。對(duì)于出現(xiàn)損傷的零件，維修人員會(huì)根據(jù)磨損和腐蝕程度的不同進(jìn)行修復(fù)或更換，相比價(jià)格昂貴且采購周期長的更換，修復(fù)是延長船舶構(gòu)件全壽命周期最經(jīng)濟(jì)、最有效的手段[30]。船舶構(gòu)件的修復(fù)方式有很多，激光熔覆技術(shù)因其效率高、熔覆層與基體之間結(jié)合強(qiáng)度高等優(yōu)勢被廣泛應(yīng)用于船舶構(gòu)件的修復(fù)[31]。在船舶部件多個(gè)部位已通過激光熔覆技術(shù)成功實(shí)現(xiàn)修復(fù)，見表2。

表2 激光熔覆技術(shù)在船舶行業(yè)中的成功應(yīng)用

圖6 船舶構(gòu)件在服役環(huán)境下易產(chǎn)生的缺陷

軸類構(gòu)件在服役過程中，其受力大小和方向都是不斷變化的，不均勻磨損尤為嚴(yán)重[32，33]。采用激光熔覆修復(fù)軸類構(gòu)件時(shí)，如何降低熔覆產(chǎn)生的殘余應(yīng)力是保證修復(fù)效果的難點(diǎn)[34]。孫玉強(qiáng)等[35]在船用曲軸上熔覆Fe基形狀記憶合金涂層，通過應(yīng)力誘導(dǎo)γ奧氏體向ε馬氏體轉(zhuǎn)變，在釋放應(yīng)力的同時(shí)降低了涂層裂紋敏感性，增強(qiáng)了基材的耐磨性。修復(fù)前后零件表面磨損形貌如圖7所示，激光熔覆修復(fù)前后構(gòu)件的耐磨性如圖8所示[35]。從圖7a可看出，淬火前基材的磨痕中存在明顯的犁溝劃痕和大塑性變形導(dǎo)致的剪切和剝落，磨損機(jī)制為黏著磨損。熔覆Fe基形狀記憶涂層后，涂層有效提升基材耐磨性，磨損表面犁溝淺而平，磨損機(jī)制為磨粒磨損。此外，涂層的相變自適應(yīng)特性松弛了部分殘余應(yīng)力，顯著提高了基材的耐磨性[36]。

圖7 修復(fù)前后零件表面磨損形貌

圖8 激光熔覆修復(fù)前后構(gòu)件的耐磨性[35]

腐蝕是船舶構(gòu)件損壞的常見形式，通過在零件表面熔覆耐蝕性涂層可有效防止海水和空氣腐蝕，實(shí)現(xiàn)對(duì)零件的保護(hù)和修復(fù)。激光熔覆材料的選擇范圍廣，往往需要根據(jù)所修復(fù)零件的特殊要求進(jìn)行調(diào)整。張瑜芳等[37]對(duì)腐蝕后的舵叉進(jìn)行了激光熔覆，通過激光熔覆Ni基涂層實(shí)現(xiàn)了零件的修復(fù)。舵叉的常用材料是鑄鋼，由于鑄鋼基體組織較為粗大，熔覆后界面結(jié)合力弱，因此涂層和基體的結(jié)合性較差。通過采用梯度材料，底層實(shí)現(xiàn)了韌性材料和鑄鋼基體的高強(qiáng)度冶金結(jié)合，工作層保證了良好的耐蝕性和耐磨性。梯度材料的應(yīng)用可以在提高涂層和基體界面結(jié)合強(qiáng)度的同時(shí)保證涂層的性能，是提高激光熔覆修復(fù)產(chǎn)品質(zhì)量的有效方法。李曉磊等[38]研究了Ti6Al4V粉末對(duì)鈦合金耐蝕性的影響（見圖9），結(jié)果表明，涂層組織比基體更為致密，可有效提升鈦合金表面的耐蝕性。QI等[39]在Q235鋼表面制備了Cu-Mn涂層，研究發(fā)現(xiàn)可以抑制海洋生物生長，有效防止海水腐蝕，延長構(gòu)件使用壽命。

圖9 涂層提高合金耐蝕性[38，39]

船舶動(dòng)力主要由柴油機(jī)提供，氣缸是柴油機(jī)燃燒室的重要組成部分。氣缸蓋因長期處于不均勻熱應(yīng)力作用下而極易產(chǎn)生裂紋損傷，因此如何防止氣缸蓋產(chǎn)生裂紋是保證船舶安全運(yùn)行的重要方面。朱順敏等[40]從熱力學(xué)角度分析了船用柴油機(jī)缸蓋裂紋的產(chǎn)生原因，在缸蓋底激光熔覆了鎂鈣系耐熱材料，熔覆后在缸蓋底形成的致密保護(hù)層，極大地緩解了缸蓋觸火面的熱應(yīng)力集中和燃?xì)飧g現(xiàn)象，有效抑制了缸蓋裂紋的產(chǎn)生。

激光熔覆工藝參數(shù)眾多，包括送粉速率、掃描速度和激光功率在內(nèi)的多種參數(shù)都會(huì)對(duì)熔池溫度場產(chǎn)生影響，進(jìn)而影響熱輸入和應(yīng)力分布，最終決定涂層的性能。因此，選擇適當(dāng)?shù)娜鄹补に噮?shù)可有效提高船舶構(gòu)件的修復(fù)效率，并增強(qiáng)涂層的性能。在實(shí)際生產(chǎn)中，時(shí)間成本對(duì)于船舶運(yùn)輸行業(yè)尤為重要。隨著先進(jìn)計(jì)算技術(shù)的發(fā)展，采用數(shù)值模擬來模擬實(shí)際激光熔覆工況、選擇恰當(dāng)?shù)娜鄹补に噮?shù)成為船舶構(gòu)件激光熔覆修復(fù)的發(fā)展趨勢。閆燦斌等[41]采用ANSYS軟件模擬了工藝參數(shù)對(duì)熔覆熔池溫度場分布的影響，并通過試驗(yàn)對(duì)模擬結(jié)果進(jìn)行了驗(yàn)證。結(jié)果顯示，采用數(shù)值模擬確定的工藝參數(shù)能夠很好的滿足船舶構(gòu)件的修復(fù)要求，不僅降低時(shí)間成本，而且提高了實(shí)際生產(chǎn)效率。

在船舶構(gòu)件的激光熔覆修復(fù)中，殘余應(yīng)力的存在極易導(dǎo)致涂層失效。于信偉等[42]利用ANSYS軟件中“生死單元”模塊分析了涂層深度方向上殘余應(yīng)力的分布。結(jié)果表明，涂層殘余應(yīng)力隨激光功率的提高而增加。劉立君等[43]利用數(shù)值模擬技術(shù)對(duì)激光熔覆工藝參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，探究了工藝參數(shù)變化對(duì)溫度場和應(yīng)力場的影響，如圖10所示。試驗(yàn)驗(yàn)證結(jié)果表明，模擬結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果誤差微小，充分驗(yàn)證了模型的準(zhǔn)確性，極大地節(jié)約了材料和降低了時(shí)間成本。

圖10 不同工藝參數(shù)對(duì)溫度場分布的影響[43]

5 激光熔覆技術(shù)面臨挑戰(zhàn)及發(fā)展趨勢

激光熔覆技術(shù)在船舶構(gòu)件修造中面臨的挑戰(zhàn)主要有以下幾個(gè)方面。

（1）質(zhì)量層面 由于激光熔覆快速加熱和冷卻的特點(diǎn)，船舶構(gòu)件在進(jìn)行激光熔覆修復(fù)時(shí)，搭接處應(yīng)力集中較為嚴(yán)重，極易產(chǎn)生裂紋，因此如何防止裂紋的產(chǎn)生是推廣激光熔覆在船舶構(gòu)件修復(fù)領(lǐng)域應(yīng)用的關(guān)鍵。另外，部分船舶關(guān)鍵部件制造為世界少數(shù)企業(yè)壟斷，產(chǎn)品的成分、尺寸等參量難以獲得。因此，保證修復(fù)時(shí)涂層和基體的結(jié)合強(qiáng)度及修復(fù)后產(chǎn)品的精度是推廣激光熔覆技術(shù)在船舶構(gòu)件修造領(lǐng)域應(yīng)用的另一難點(diǎn)。

（2）技術(shù)層面 目前激光熔覆技術(shù)僅限于對(duì)表面發(fā)生磨損、腐蝕和開裂的中小型零部件進(jìn)行修復(fù)，而船舶構(gòu)件尺寸較大，對(duì)于大型且無法移動(dòng)的構(gòu)件修復(fù)較為困難。同時(shí)，受限于激光束直徑，激光熔覆修復(fù)大尺寸構(gòu)件時(shí)效率較低，難以滿足實(shí)際修復(fù)應(yīng)用的需求。激光熔覆設(shè)備便攜性較差，一般需要船舶?？亢蠡?qū)⑹軗p零件拆卸送至指定地點(diǎn)后才可進(jìn)行修復(fù)。

（3）管理運(yùn)營層面 由于產(chǎn)業(yè)形成時(shí)間較短，相比國外的運(yùn)營模式，國內(nèi)船舶構(gòu)件的激光熔覆修復(fù)還不夠成熟，激光熔覆修復(fù)后構(gòu)件的安全性仍難以得到保證和檢驗(yàn)，且缺乏相應(yīng)的技術(shù)規(guī)范。因此，如何提高用戶對(duì)激光熔覆修復(fù)產(chǎn)品的認(rèn)可度是廠商和國家迫切需要解決的問題。若能結(jié)合國內(nèi)船舶行業(yè)的發(fā)展現(xiàn)狀，制定相關(guān)的系列政策文件及行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，將有助于提升用戶對(duì)激光熔覆修復(fù)后產(chǎn)品質(zhì)量的信任度，促進(jìn)激光熔覆修復(fù)產(chǎn)品在船舶行業(yè)健康快速發(fā)展。

6 結(jié)束語

隨著激光熔覆技術(shù)的發(fā)展，船舶構(gòu)件的制造和修復(fù)也得到了更快速的發(fā)展，船舶工程邁向了新的階段。激光熔覆修復(fù)節(jié)省了材料消耗，在損壞零件表面熔覆的高強(qiáng)涂層與零件基體結(jié)合力強(qiáng)，對(duì)零件的表面強(qiáng)化效果顯著。目前，我國船舶工程領(lǐng)域的激光熔覆修復(fù)技術(shù)正處于快速發(fā)展階段，不僅得到了國家相關(guān)部門的重視，而且在基礎(chǔ)研究和實(shí)踐中均取得了顯著的階段性成果。在未來，激光熔覆修復(fù)船舶構(gòu)件勢必將成為船舶零件維修的主流趨勢，并取得巨大的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。