激光熔敷技术

激光熔覆（Laser Cladding)亦称激光包覆或激光熔敷，是一种新的表面改性技术。它通过在基材表面添加熔覆材料，并利用高能密度的激光束使之与基材表面薄层一起熔凝的方法，在基层表面形成与其为冶金结合的添料熔覆层。

激光熔覆是指以不同的添料方式在被熔覆基体表面上放置被选择的涂层材料经激光辐照使之和基体表面一薄层同时熔化，并快速凝固后形成稀释度极低，与基体成冶金结合的表面涂层，显著改善基层表面的耐磨、耐蚀、耐热、抗氧化及电气特性的工艺方法，从而达到表面改性或修复的目的，既满足了对材料表面特定性能的要求，又节约了大量的贵重元素。

与堆焊、喷涂、电镀和气相沉积相比，激光熔覆具有稀释度小、组织致密、涂层与基体结合好、适合熔覆材料多、粒度及含量变化大等特点，因此激光熔覆技术应用前景十分广阔。

从当前激光熔覆的应用情况来看，其主要应用于三个方面：一，对材料的表面改性，如燃汽轮机叶片，轧辊，齿轮等；二，对产品的表面修复，如转子，模具等。有关资料表明，修复后的部件强度可达到原强度的90%以上，其修复费用不到重置价格的1/5，更重要的是缩短了维修时间，解决了大型企业重大成套设备连续可靠运行所必须解决的转动部件快速抢修难题。另外，对关键部件表面通过激光熔覆超耐磨抗蚀合金，可以在零部件表面不变形的情况下大大提高零部件的使用寿命；对模具表面进行激光熔覆处理，不仅提高模具强度，还可以降低2/3的制造成本，缩短4/5的制造周期。三，快速原型制造。利用金属粉末的逐层烧结叠加，快速制造出模型。利用激光熔敷技术快速制造零件的技术，又称作LENS (Laser Engineered Net Shaping) 、DLF (Direct Laser Fabrication) 、DMD (Direct Metal Deposition)、LC (Laser Consolidation) 等。

熔覆材料：目前应用广泛的激光熔覆材料主要有：镍基、钴基、铁基合金、碳化钨复合材料，陶瓷等材料。其中，又以镍基材料应用***多，与钴基材料相比，其价格便宜。

工艺设备原理

熔覆工艺：激光熔覆按熔覆材料的供给方式大概可分为两大类，即预置式激光熔覆和同步式激光熔覆。

预置式激光熔覆是将熔覆材料事先置于基材表面的熔覆部位，然后采用激光束辐照扫描熔化，熔覆材料以粉、丝、板的形式加入，其中以粉末的形式***为常用。

同步式激光熔覆则是将熔覆材料直接送入激光束中，使供料和熔覆同时完成。熔覆材料主要也是以粉末的形式送入，有的也采用线材或板材进行同步送料。

预置式激光熔覆的主要工艺流程为：基材熔覆表面预处理---预置熔覆材料---预热---激光熔化---后热处理。

同步式激光熔覆的主要工艺流程为：基材熔覆表面预处理---送料激光熔化---后热处理。

按工艺流程，与激光熔覆相关的工艺主要是基材表面预处理方法、熔覆材料的供料方法、预热和后热处理。

激光器工作原理：

激光熔覆成套设备组成：激光器、冷却机组、送粉机构、加工工作台等。

激光器的选用：应用广泛的有CO2激光器，固体激光器。

CO2激光器是应用***广、种类***多的一种激光器，在汽车工业、钢铁工业、造船工业、航空及宇航业、电机工业、机械工业、冶金工业、金属加工等领域广泛应用。约占全球工业激光器销售额40%，北美更高达70%。

1.功率高。CO2激光器是目前输出功率达到******区的激光器之一，其***大连续输出功率可达几十万瓦

2.效率高。光电转换率可达30%以上，比其它加工用激光器的效率高得多。

3.光束质量高。模式好，相干性好，线宽窄，工作稳定。

传统的固体激光器通常采用高功率气体放电灯泵浦，其泵浦效率约为3%到6%。泵浦灯发射出的大量能量转化为热能，不仅造成固体激光器需采用笨重的冷却系统，而且大量热能会造成工作物质不可消除的热透镜效应，使光束质量变差。加之泵浦灯的寿命约为400小时，操作人员需花很多时间频繁地换灯，中断系统工作，使自动化生产线的效率大大降低。与传统灯泵浦激光器比较，固体激光器(光纤激光器、碟片激光器、二极管激光器）具有以下优点：

(1) 转换效率高：由于半导体激光的发射波长与固体激光工作物质的吸收峰相吻合， 加之泵浦光模式可以很好地与激光振荡模式相匹配，从而光光转换效率很高，已达50%以上，整机效率也可以与二氧化碳激光器相当，比灯泵固体激光器高出一个量级，因而二极管泵浦激光器体积小、重量轻，结构紧凑。

(2) 性能可靠、寿命长：激光二极管的寿命大大长于闪光灯，达 15000小时，泵浦光的能量稳定性好，比闪光灯泵浦优一个数量级，性能可靠，为全固化器件，是***今为止***无需维护的激光器，尤其适用于大规模生产线。

(3) 输出光束质量好：由于二极管泵浦激光的高转换效率，减少了激光工作物质的热透镜效应， 大 大改善了激光器的输出光束质量，激光光束质量已接近极限。

（4）速度快、深度大、无变形、熔覆层无夹渣、熔池细腻无气孔。

（5）可以在室温或者特殊的条件下进行工作，比如激光经过磁场之后光束不会发生偏转吗，在真空情况下都能够进行使用，通过玻璃和透明的材料进行熔覆。

（6）可进行薄壁激光熔覆，基体无变形。

但如果熔覆的材料，包括粉末和母材，为高反射材料，则光纤激光器、二极管激光器由于其自身设计的特点，就显得不太适合了，而碟片激光器则比较适合焊接（包括熔覆）、切割反射率比较高的材料。

激光熔敷缺点

 ①激光熔覆层的冶金质量。涂层材料与基材材料两者理想结合应是在界面上形成致密的、低稀释度的、较窄的交互扩散带。而这一冶金结合除与激光加工工艺及熔覆层的厚度有关外，主要取决于熔覆合金与基材材料的性质。良好的润湿性和自熔性可以获得理想的冶金结合。但是，熔覆层合金与基材材料的熔点差异过大，则形成不了良好的冶金结合。熔覆层合金熔点过高，熔覆层熔化小，表面光洁度下降，且基材表层过烧严重污染覆层；反之，涂层过烧，合金元素蒸发，收缩率增加，破坏了覆层的组织与性能。同时基材难熔，界面张力增大，涂层与基材间难免产生孔洞和夹杂。在激光熔覆过程中，在满足冶金结合时，应尽可能地减少稀释率，研究表明，对于不同的基材材料与搜层合金化时所能得到的***低稀释率并不相同，一般认为，稀释率保持在5%以下为宜。

   ②气孔。在激光熔覆层中气孔也是一种非常有害的缺陷，它不仅易成为熔覆层中的裂纹源，并且对要求气密性很高的熔覆层也危害极大，另外它也将直接影响熔覆层的耐磨、耐蚀性能。它产生的原因主要是，涂层粉末在激光熔覆以前氧化、受潮或有的元素在高温下发生氧化反应，在熔覆过程中就会产生气体。再者由子激光处理是一个快速熔化和凝固过程，产生的气体如果来不及排出，就会在涂层中形成气孔。此外还有多道搭接熔覆中的搭接孔洞、熔覆层凝固收缩时带来的凝固孔洞以及熔覆过程中某些物质燕发带来的气泡。

   一般说来,激光熔覆层中的气孔是难以避免的，但与热喷涂涂层相比，激光熔覆层的气孔明显减少。在激光熔覆过程中可以采用一些措施加以控制，常用的方法是严格防止合金粉末储运中的氧化，在使用前要烘干去湿及激光熔覆时要采取防氧化的保护措施，根据试验，选择合理的激光熔覆工艺参数等。

   ③激光熔覆过程中成分及组织不均匀。在激光熔覆过程中往往会产生成分不均匀，即所谓成分偏析以及由此带来的组织不均匀。产生成分偏析的原因很多。首先，在激光熔覆加热时，其加热速度极快从而会带来从基材到熔覆层方向上的极大的温度梯度。这一梯度的存在必然导致冷却时熔覆层的定向先后凝固，根据金属学知识可知先后凝固的熔覆层中必然成分不同。加之凝固后冷却速度也极快，元素来不及均匀化热扩散，从而导致成分不均匀即所谓成分偏析的出现。同时自然也就引起了组织的不均匀以及熔覆层性能的损害。这种成分偏析在激光熔覆中目前尚无法解决。其次，是由于熔池的对流而带来的成分偏析。由于激光辐射能量的分布不均，熔覆时必然要引起熔池对流，这种熔池对流往往造成覆层中合金元素宏观均匀化，因为熔他中物质的传输主要靠液体流动(即对流)来实现，同时熔池对流也将带来成分的徽观偏析。另外，由于合金的性质，如黏度、表面张力及合金元素间的相互作用都将对熔池的对流产生影响，故它们也必将对成分偏析造成影响。要完全消除激光熔覆中成分偏析是不可能的。但可以通过调整激光与熔覆金属的相互作用时间或者调整激光束类型改变熔池整体对流为多徽区对流等改变工艺参数的手段来达到适当抑制激光熔覆层的成分偏析，以便得到组织较为均匀的熔覆层，以满足设计的覆层性能。在多道搭接熔覆时，由于搭接区冷却速率以及被搭接处有非均质结晶形核，搭接区出现与非搭接区不同的组织结构，从而使多道搭接激光熔覆中组织不均匀。

   ④开裂及裂纹。激光熔覆技术自诞生以来，总的来讲未能使其得以真正推广应用。这主要因为激光熔覆中存在的***为棘手的问题是熔覆层的裂纹与开裂，并在很大程度上***了这一技术的应用范围。激光熔覆裂纹产生的主要原因是由于激光熔覆材料和基材材料在物理性能上存在差异，加之高能密度激光束的快速加热和急冷作用，使熔覆层中产生极大的热应力。通常情况下，激光熔覆层的热应力为拉应力，当局部拉应力超过涂层材料的强度极限时，就会产生裂纹，由子激光熔覆层的枝晶界、气孔、夹杂处强度较低且易子产生应力集中，裂纹往往在这些地方产生。在激光熔覆材料方面，可以在熔覆层中加人低熔点的合金材料，这些都可以减缓涂层中的应力集中，降低开裂倾向。在激光熔覆层中尝试加人适盆的稀土，可以增加涂层韧性，使激光熔覆过程中熔覆层裂纹明显减少。这些措施虽然能解决一些问题，但还不能很好地解决钛合金熔覆的开裂、气孔和夹杂，因此开发研制适合钛合金熔覆的材料是很有必要的。在激光熔覆工艺方面，为了获得高质量的熔层，可进一步开发新型的激光熔覆技术，如梯度涂覆采用硬质相含量渐变涂覆的方法，可获得熔层内硬质相含量连续变化且无裂纹的梯度熔层，此外涂层前后进行合适的热处理等如采用预热和激光重熔的方法，也能有效防止熔覆层中裂纹和孔洞的产生。

   此外，在激光熔覆过程中，工艺不规范。可重复性差，尽管激光熔覆工艺日趋成熟，但也存在一些问题，往往各个研究者之间的结果存在着较大的差异，工艺稳定性与重现性不能令人满意，因此，有必要研究更为合理的评价参数，并制定相应的工艺标准。