激光熔覆技術(shù)在最近兩年內(nèi)應(yīng)用范圍越來(lái)越廣泛。我國(guó)有數(shù)萬(wàn)億元的裝備在服役之中，每年因其關(guān)鍵零部件的腐蝕、磨損，使設(shè)備停產(chǎn)、報(bào)廢造成的損失占國(guó)民經(jīng)濟(jì)總產(chǎn)值的3%~5%。激光表面改性技術(shù)在工業(yè)生產(chǎn)中易損易耗零部件的表面強(qiáng)化與制造方面發(fā)揮了重要作用。我國(guó)經(jīng)過(guò)幾個(gè)五年國(guó)家科技攻關(guān)計(jì)劃，使該技術(shù)已在多個(gè)領(lǐng)域得到了應(yīng)用，尤其是在鋼鐵行業(yè)中?！?/p>

    “目前因大多數(shù)鋼鐵企業(yè)在加工生產(chǎn)過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生大量的高載荷、低轉(zhuǎn)速及高精度、高合金的承載設(shè)備，且部分零部件極易產(chǎn)生腐蝕、磨損和失效報(bào)廢等現(xiàn)象，但自從激光熔覆技術(shù)的投入使用，很好的解決了這些問(wèn)題，不僅可對(duì)零部件進(jìn)行改善和修復(fù)，且還大大節(jié)省了鋼鐵企業(yè)的成本。”據(jù)金模鋼鐵網(wǎng)首席研究員羅百輝介紹，目前全國(guó)鋼鐵行業(yè)每年只是各種軋鋼生產(chǎn)線上的重要零部件所消耗的費(fèi)用就達(dá)80億元。傳統(tǒng)方法主要是更換這些設(shè)備零部件，甚至因部分零部件的損壞而無(wú)法報(bào)廢需要更換整機(jī)，為了確保生產(chǎn)效率，則需要更換大量的備件，總得計(jì)算下來(lái)會(huì)占用巨額的資金和資源。為了改善此現(xiàn)狀，國(guó)內(nèi)研發(fā)出了一系列高新技術(shù)，比如激光快速熔覆技術(shù)、激光快速成形制造技術(shù)、激光納米合金化和表面強(qiáng)化技術(shù)等高新技術(shù)的應(yīng)用，為這類設(shè)備和零部件的修復(fù)開辟一條嶄新的道路?！?/p>

    激光快速熔覆技術(shù)的廣泛應(yīng)用，可有效解決失效、報(bào)廢設(shè)備及零部件現(xiàn)象，也可延長(zhǎng)一些新產(chǎn)品的使用壽命，甚至可達(dá)到多壽命周期的效果。比如中間軸、傳動(dòng)齒輪齒輪軸和殼體等經(jīng)過(guò)激光仿形熔覆技術(shù)和快速成形技術(shù)修復(fù)后，就可恢復(fù)到原有新件的技術(shù)指標(biāo)。　

    激光熔覆工藝發(fā)展現(xiàn)狀及前景分析

    激光熔覆( 亦稱激光堆焊) 是指以不同的添加方法在被熔覆的基體上放置選擇的涂層材料，經(jīng)高能密度激光束輻照加熱，使之和基體表面熔化，并快速凝固，從而在基材表面形成與其為冶金結(jié)合的表面涂層的工藝過(guò)程。激光熔覆具有如下優(yōu)點(diǎn)：　

    1) 激光束的能量密度高， 加熱速度快，對(duì)基材的熱影響較小，引起工件的變形??；

    2) 控制激光的輸入能量，可將基材的稀釋作用限制在極低的程度(一般為2%-8%)，從而保持了原熔覆材料的優(yōu)異性能；

    3) 激光熔覆涂層與基材之間結(jié)合牢固(冶金結(jié)合)，且熔覆涂層組織細(xì)小。這些特點(diǎn)使得激光熔覆技術(shù)近十年來(lái)在材料表面改性方面受到高度的重視?！　?/p>

    大面積激光熔覆工藝方法主要有兩種：多道搭接和多層疊加，即從橫向和縱向兩個(gè)方向進(jìn)行的加工處理。多層疊即先在基體上進(jìn)行第一次熔覆，然后在熔覆后的涂層上進(jìn)行二次粉末預(yù)置，待粉末干燥后進(jìn)行第二次熔覆，按此方式繼而完成多層熔覆，不同層可以預(yù)置不同的粉末，從而達(dá)到不同的預(yù)期效果。

    1.1 激光熔覆材料體系

    (1) 自熔性合金粉末：可分為鎳基自熔合金、鈷基自熔合金和鐵基自熔合金，其主要特點(diǎn)是含有硼和硅，具有自脫氧和造渣能力， 即自熔性。自熔合金的硬度與合金含硼量和含碳量有關(guān)，隨硼、碳含量的增加而提高，這是由于硼和碳與合金中的鎳、鉻等元素形成硬度極高的硼化物和碳化物的數(shù)量增加所致?！　?/p>

    (2) 碳化物復(fù)合粉末體系：由碳化物硬質(zhì)相與金屬或合金粘結(jié)相組成，主要有(Co、Ni)/WC和(NiCr、NiCrAl) Cr3C2等系列。這類粉末中的粘結(jié)相能在一定程度上使碳化物免受氧化和分解。碳化物復(fù)合粉末作為硬質(zhì)耐磨材料，具有很高的硬度和良好的耐磨性， 其中(Co、Ni)/WC 系適應(yīng)于低溫(<560℃)的工作條件，而(nicr，nicral)> 　

    (3) 氧化物陶瓷粉末：具有優(yōu)良的抗高溫隔熱、耐磨、耐蝕等性能，主要分為氧化鋁和氧化鋯兩個(gè)系列， 而后者比前者具有更低的熱導(dǎo)率和更好的抗熱震性能，因而廣泛用作熱障涂層材料?！?/p>

    1.2 激光熔覆工藝種類

    激光熔覆的工藝可以分為兩種：一種是激光處理前供給添加材料，即粉末預(yù)置法；另一種是激光處理過(guò)程中同步供給添加材料，即同步送粉法。粉末預(yù)置激光熔覆是將材料事先放置于基體材料表面的熔覆部位，然后采用激光束輻射掃描熔化，熔覆材料可以采用粉末、絲材或板材的形式加入，其中，以粉末的形式最為常用。絕大多數(shù)研究采用粉末預(yù)置方式。預(yù)置涂層式激光熔覆的主要工藝流程為：基體熔覆表面預(yù)處理、預(yù)置涂層材料、預(yù)熱、激光熔化、后熱處理。同步送粉式激光熔覆是將熔覆材料直接送入激光束中，使供料和激光熔覆同時(shí)完成。熔覆材料的加入方法主要是以粉末的形式送入，有時(shí)也會(huì)采用線材和板材的形式進(jìn)行同步送料。對(duì)于熔覆面積比較大的零件可采用同步送粉法。此種方法送粉量可以調(diào)節(jié)，同步送粉器可以連續(xù)工作，因而熔覆效率高，適用于實(shí)際生產(chǎn)中大批零件的表面激光熔覆。同步送粉式激光熔覆的主要工藝流程為：基體熔覆表面預(yù)處理、送料激光熔化、后熱處理。　

    1.3 激光熔覆工藝參數(shù)

    激光熔覆工藝參數(shù)主要包括激光功率P、光斑尺寸(直徑D或面積S)、激光掃描速度V、多道搭接的搭接率或多層疊加的停光時(shí)間、涂層材料的添加方式和保護(hù)方式等。上述工藝參數(shù)是決定激光熔覆涂層宏觀力學(xué)性能、微觀組織結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵因素。目前工藝參數(shù)的選擇是以試驗(yàn)歸納為主，文獻(xiàn)研究了寬帶激光熔覆工藝參數(shù)對(duì)梯度生物陶瓷涂層顯微組織與燒結(jié)性的影響。結(jié)果表明，當(dāng)D、V 不變時(shí)，隨著P 增加，涂層的致密度逐漸下降，孔隙率逐漸增大。試驗(yàn)表明，粉末的種類、數(shù)量和粒度不同，激光熔覆的工藝參數(shù)變化很大?！　?/p>

    1.4 激光熔覆涂層的性能　

    (1) 耐磨性能

    (2) 耐蝕性能　　

    WangA H等利用YAG激光器對(duì)SiC增強(qiáng)ZK60(Mg-6%Zn-0.5%Zr)鎂基復(fù)合材料熔覆Al-Si合金，使復(fù)合材料極化曲線出現(xiàn)明顯的鈍化，腐蝕電位有很大的提高，腐蝕電流密度明顯降低。胡乾午對(duì)Mg-SiC復(fù)合材料噴涂銅合金，然后用2 kW- Nd：YAG激光器進(jìn)行激光熔覆，熔覆后表層Cu60Zn40合金與Mg-SiC基體熔合良好，激光熔覆試樣的腐蝕電位Ecorr比未處理的提高3.7倍，其相對(duì)腐蝕電流密度Jcorr降低約22倍。

    2. 激光熔覆技術(shù)的應(yīng)用　

    激光熔覆是新型的局部表面處理方法，是未來(lái)工業(yè)應(yīng)用潛力最大的表面改性技術(shù)之一，具有很大的技術(shù)經(jīng)濟(jì)效益，其應(yīng)用大致體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：

    2.1 在汽車工業(yè)中的應(yīng)用　　

    早在十幾年前，歐洲汽車工業(yè)就開始將高功率激光器用于車身的焊接和切割。由于汽車的發(fā)動(dòng)機(jī)閥、汽缸內(nèi)槽、齒輪、排氣閥座以及一些精密微細(xì)部件需要高的耐磨耐熱以及耐蝕性能，因此激光熔覆有了很廣泛的應(yīng)用，例如在汽車發(fā)動(dòng)機(jī)鋁合金缸蓋門座上激光熔覆直接成型銅合金閥門座圈，取代傳統(tǒng)的粉末冶金/壓配座圈，可以顯著改善發(fā)動(dòng)機(jī)的性能，降低生產(chǎn)成本，延長(zhǎng)發(fā)動(dòng)機(jī)閥門座圈的工作壽命。#p#分頁(yè)標(biāo)題#e#

    1） 在航空航天中的應(yīng)用

    鈦合金雖然已經(jīng)在航空航天部門廣泛使用，但是其摩擦系數(shù)大，耐磨性差，在其表面熔覆一層增強(qiáng)材料就能顯著的改善表面性能。如NiCrBSi 和NiCoCrAlY 合金粉末均為常用的熱噴涂材料，其涂層致密、結(jié)合強(qiáng)度大，耐腐蝕、耐高溫，抗氧化性也很優(yōu)良。

    2.2 模具方面的應(yīng)用

    模具的使用壽命在很大程度上決定了一些設(shè)備的生產(chǎn)率和生產(chǎn)成本，經(jīng)過(guò)激光熔覆處理過(guò)的模具，其表面硬度、耐磨性、抗高溫性等都有顯著的提高，從而提高了使用壽命。

    2.3 軋輥行業(yè)中的應(yīng)用

    軋輥是軋鋼工業(yè)中耗用量較大的工具，作為軋鋼機(jī)直接的工作部件，它的質(zhì)量直接關(guān)系到軋板、帶材的產(chǎn)量和質(zhì)量，因此用激光熔覆對(duì)其進(jìn)行處理已成為目前普遍關(guān)注的問(wèn)題。

    2.4 生物醫(yī)用方面的應(yīng)用

    不銹鋼、鈦及其合金作為生物醫(yī)用材料，因其具有良好的力學(xué)性能而受到人們的普遍歡迎，但其較差的耐蝕性、生物相容性及金屬離子潛在的毒副作用卻使它在機(jī)體中的應(yīng)用受到極大限制，在基材TC4 表面進(jìn)行激光熔覆原位合成與涂覆羥基磷灰石（HA）等生物陶瓷的改性方法因合成HA 效率高、工藝新穎、操作方便而引起廣泛關(guān)注。

    3. 激光熔覆工藝存在的問(wèn)題　　

    評(píng)價(jià)激光熔覆層質(zhì)量的優(yōu)劣，主要從兩個(gè)方面來(lái)考慮。一是宏觀上，考察熔覆道形狀、表面不平度、裂紋、氣孔及稀釋率等；二是微觀上，考察是否形成良好的組織，能否提供所要求的性能。此外，還應(yīng)測(cè)定表面熔覆層化學(xué)元素的種類和分布，注意分析過(guò)渡層的情況是否為冶金結(jié)合，必要時(shí)要進(jìn)行質(zhì)量壽命檢測(cè)。目前研究工作的重點(diǎn)是熔覆設(shè)備的研制與開發(fā)、熔池動(dòng)力學(xué)、合金成分的設(shè)計(jì)、裂紋的形成、擴(kuò)展和控制方法、以及熔覆層與基體之間的結(jié)合力等。　

    裂紋是大面積激光熔覆技術(shù)中最棘手的問(wèn)題。裂紋產(chǎn)生的主要原因是熔覆層中存在的殘余應(yīng)力，包括熱應(yīng)力、組織應(yīng)力和約束應(yīng)力。由于激光束的快速加熱，使得熔覆層完全熔化而基體微熔，熔覆層和基體材料間產(chǎn)生很大的溫度梯度，在隨后的快速凝固過(guò)程中，形成的溫度梯度和熱膨脹系數(shù)的差異造成熔覆層與基體體積收縮不一致，而且一般而言，熔覆層的收縮率大于基體材料，熔覆層受到周圍環(huán)境(處于冷態(tài)的基體) 的約束，因此在熔覆層中形成拉應(yīng)力。當(dāng)局部拉應(yīng)力超過(guò)材料的強(qiáng)度極限時(shí)，就會(huì)產(chǎn)生裂紋。實(shí)際上固態(tài)金屬在冷卻的過(guò)程中還受到由于基體材料中馬氏體相變而引起的組織應(yīng)力的影響。但是由于在快速凝固過(guò)程中，各處的體積收縮極大的不同時(shí)性，因此熱應(yīng)力的影響占主導(dǎo)地位。

    此外，裂紋的產(chǎn)生也受到熔覆過(guò)程中工藝參數(shù)、熔覆層和基體材料、熔覆層厚度以及處理工藝等多種因素的影響。激光加熱冷卻速度極快，熔池存在的時(shí)間極短，使得熔覆層中存在的氧化物，硫化物和其它雜質(zhì)來(lái)不及釋放出來(lái)，很容易形成裂紋源；熔覆層在瞬間凝固結(jié)晶，晶界位錯(cuò)、空位增多，原子排列極不規(guī)則，凝固組織的缺陷增多，同時(shí)熱脆性增大，塑韌性下降，開裂敏感性增大，熔覆層越厚，上述情況就越明顯；自熔性合金元素B 和Si 能夠生成硬質(zhì)相，其含量越大，形成裂紋的傾向越嚴(yán)重；此外，B 在Fe 及Ni 中的溶解度均為零，因此析出物聚集于晶界易引起裂紋。鐘敏霖等對(duì)NiCrBSi 合金在送粉激光熔覆條件下裂紋形成的因素進(jìn)行了研究，趙海鷗等人的研究表明，激光熔覆的多道搭接和重疊多次熔覆均會(huì)增大熔覆層的裂紋敏感性，激光熔覆前試樣進(jìn)行預(yù)熱和單道熔覆后的回火去應(yīng)力均會(huì)顯著降低裂紋敏感性；董世運(yùn)等發(fā)現(xiàn)在熔覆層與基體界面交界處存在宏觀裂紋，在熔覆層頂層存在微裂紋，且界面處和熔覆層頂部產(chǎn)生了最嚴(yán)重的應(yīng)力集中。

    4. 激光熔覆技術(shù)前景展望

    激光熔覆技術(shù)是一種新興的表面處理技術(shù)，有著很大的發(fā)展前景。為拓寬激光熔覆技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域，以下工作應(yīng)進(jìn)一步研究：

    (1) 研究大功率、高壽命和小型化的激光裝置。①研制適用于大功率激光的光學(xué)器件材料②提高電源的穩(wěn)定性和壽命③大功率激光裝置的小型化。

    (2)熔覆工藝探索研究熔覆層產(chǎn)生殘余應(yīng)力和裂紋的機(jī)理，尋找出有效的解決方法。梯度功能涂層的開發(fā)為解決裂紋問(wèn)題提供了新思路。采用在基底材料和熔覆層之間設(shè)置韌性良好的中間層的方法來(lái)緩解熔覆層中的殘余應(yīng)力能獲得無(wú)裂紋的熔覆層。

    (3)基礎(chǔ)理論研究從凝固動(dòng)力學(xué)、結(jié)晶學(xué)和相變理論出發(fā)，系統(tǒng)研究激光快速凝固行為，揭示材料微結(jié)構(gòu)的形成、演化機(jī)理及其規(guī)律；研究熔池的溫度場(chǎng)分布， 熔池流的對(duì)流機(jī)制，冷凝時(shí)熔覆層內(nèi)發(fā)生的組織變化過(guò)程及其規(guī)律，進(jìn)而完善加工工藝參數(shù)。