激光熔覆加工技术研究进展

张国平

（湖南机电职业技术学院，湖南 长沙 410151）

激光熔覆加工技术是采用高能激光束在金属表面熔覆一层硬度高、热稳定性好、与基体形成冶金结合的复合涂层的材料，从而显著改善基体表面耐磨、耐蚀、耐热、抗氧化及电气特性等，是一种新的表面改性技术.20世纪70年代采用激光熔覆技术在汽车发动机的易磨损零件表面进行涂层处理，取得了很好的效果.

1 激光熔覆原理及对材料的要求

激光熔覆是指将具有特殊使用性能的材料用激光加热溶化涂覆在基体材料表面，以获得与基体形成良好冶金结合和使用性能的涂层.激光熔覆可以在材料表面制备耐磨、耐蚀、耐热、抗氧化、抗疲劳或者具有特殊的光、电、磁效应的涂层，可以在比较低成本的条件下，显著提高材料的表面性能，扩大其应用范围和领域，延长其使用寿命.

常用的激光熔覆材料主要有镍基合金、钴基合金、铁基金金等与高熔点的碳化物、氮化物、氧化物等陶瓷颗粒形成的复合材料，其化学成分和加工工艺又决定了熔覆层的组织和相组成.镍基合金是最早应用于激光熔覆的材料.Colmonoy合金耐蚀、耐磨，主要用于耐磨环境.Stellite合金具有很高抗的腐蚀性.激光熔覆也可以采用钴基自熔合金，以增加合金的润湿性.钴基自熔合金熔化后在基体材料的表面均匀铺散，可以提高表面的致密性和光滑平整性.此外，钴基自熔合金的熔点、热膨胀系数、密度等性能指标与钢铁基体比较接近，可以提高熔覆层与基体材料的结合强度.

铁基合金适用于温度要求不高 (＜400℃)的耐磨零件，主要有不锈钢类和高铬铸铁类.与镍基合金比，铁基合金激光熔覆层韧性稍差.由于铁基合金成本低廉，常被用作镍基合金的代用品.通常使用的金属粘结相有Ti、Co、Fe、Mo、W等，有时也采用其他金属，如不锈钢、青铜或高温合金.铝合金具有轻质、比强度高和耐大气腐蚀性能好等许多优良性能，是航空、航天工业中的首选材料，但它存在强度低，质体较软，耐磨性能差的缺点，因此，国内外都正在采用激光熔覆技术对铝合金表面进行改质处理，以获得优良耐磨性能，从而拓宽其应用范围.

2 熔覆工艺及组织性能

2.1 激光熔覆工艺特点

激光熔覆工艺参数是影响熔覆层质量的主要因素.工艺参数不同，熔覆层的微观形貌也有所差异，进而影响到熔覆层性能的优劣.

激光熔覆的工艺特点为：1)激光熔覆对基体的热影响较小，引起的变形小.2)在保证熔覆层与基体形成冶金结合的前提下，保持原熔覆材料的优异性能.3)能进行选区熔覆，材料消耗少.4)适用范围广.理论上几乎所有的金属或陶瓷材料都能激光熔覆到任何合金上.

2.2 工艺参数对组织性能的影响

激光熔覆加热和冷却速度快，偏离热力学平衡状态，熔覆层具有快速凝固特征，组织非常小，能形成过饱和固熔体、非晶相、超硬弥散相及亚稳相，具有优秀的性能.

激光熔覆层由表面到界面分为熔覆区、结合区和热影响区.熔覆区是熔覆材料受到辐射熔化后，与微熔的基本材料形成熔池影响区的回执温度和组织变化及其特征与激光熔凝热影响相同.结合区是熔覆材料与微熔材料的基体材料在熔池内相互扩散后凝固而成，受基体传热的影响与热影响区的晶粒相互连接长大呈现外延生长，一般由平面晶或胞状树枝晶组成，具有典型的定向凝固特征.

3 激光熔覆技术的发展

合理设计涂层材料，优化激光熔覆工艺，以解决激光熔覆技术常见的涂层裂纹现象.

采用大功率激光宽带熔覆技术可以较好地解决工艺繁琐、效率低、成型性差，上述等问题，提高熔覆材料的激光吸收效率.目前解决的方法为在涂覆层表面涂敷一层吸光涂料，或者采用准分子激光光源降低激光波长，以提高熔覆材料的激光吸收率.

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