浅谈激光熔覆技术研究进展

肖林林，任 雁，高秋华，李 征，王 智

(1.北京北方车辆集团有限公司，北京 100072；2.陆军某军事代表室，北京 100072)

激光熔覆就是将所需合金粉与基材很薄的表面同时瞬时熔化并快速凝固，在基材上形成致密的冶金结合熔覆合金层。这项先进的新型表面新材料和新技术的优点是凝固时初生物细小，均匀分布在固溶体基体中，没有合金元素偏析，只有很小的热影响区等[1]。

激光熔覆是近年来比较受关注的表面处理方式，由于熔覆层组织细密，熔覆材料的选择范围很广，可以通过熔覆材料的选择实现高耐蚀性、高耐磨性、高硬度等性能要求。在航空航天、重型机械等行业有较广泛的应用。目前，激光熔覆工艺在钢铁上的应用较为成熟，在铝合金上也有部分应用。激光熔覆与电镀性能对比见表1。

表1 激光熔覆与电镀性能对比

1 激光熔覆的种类

激光熔覆的主要生产方式分为预置熔覆法和同步送粉法，2种方法根据施工时送粉方式的不同而得名。预置就是通过粘接、喷涂或者其他方法，将粉料放在需要进行激光熔覆的部位，然后再对该部位进行激光处理。而同步送粉则是送粉与激光同步进行。2种方法各有利弊。预置材料可以是粉末、合金丝或者是板材等状态。预置熔覆法的激光熔覆工艺流程为：基体预处理→预置材料→激光扫描→后处理。预置熔覆法的工艺流程较长，工序复杂，涂层均匀性差，对激光功率要求较高，且粘接剂的分解容易对熔覆层造成污染，可能形成气孔、开裂等缺陷。

同步送粉熔覆，粉料在经过激光束时发生溶化，滴入到基体溶化后产生的熔池中，在激光离开后，迅速冷却结晶形成熔覆层。同步送粉的优点是工艺过程相对简单，可以实现自动化控制，效率高，在许多企业已得到推广应用。同步送粉的激光熔覆工艺流程为：基材表面预处理→同步送粉激光熔化→后续工艺处理[2]。

目前超高速激光熔覆技术非常受欢迎。相较于普通激光熔覆技术，超高速激光熔覆形成的组织更细密，由于光斑较小，形成的搭接率较高，可达到60%～80%，熔覆速度更高，表面粗糙度可与热喷涂状态相近，目前部分设备可实现20～30 μm，熔覆层的尺寸控制精度也有明显提升，可实现0.2～0.5 mm。

对常用的激光熔覆工艺参数进行梳理(见表2)。

表2 激光熔覆常用工艺参数

2 激光熔覆三维直接制造技术

基于激光熔覆的三维金属零件直接制造技术，也称为激光直接制造技术(Direct Laser Fabrication，DLF)，是一种不需借助任何模具和刀具，只要将CAD/CAM数据输入数控系统，借助自动送粉激光熔覆工艺，即可直接从CAD文件制造出致密金属零件的先进制造技术[3]。

目前市场上常用的粉料有非金属粉料和金属粉料，其中非金属粉料有ABS、PC、PLA、尼龙、陶瓷类等，金属类主要有钢铁、铝合金、钛合金等。

SLM即选区激光熔化成型技术，采用预置粉末方面用聚焦光斑快速熔化预置金属粉末的方式，获取任意形状的构件，该类工艺形成的构件为完全冶金结合，致密度可达到99%以上。结构较复杂的构件需要设计支撑部分成形后再去除。

SLS即选区激光烧结成型技术，与SLM相似，但激光功率较低。如果功率过大，尺寸误差增大，容易产生翘面变形，适合收缩率较小的材料，加工前需要对粉末进行预热来进一步减小变形率。SLS和SLM工艺方式同样属于预置粉末型。

LMD即激光熔覆成型技术，也常被称为DMD、DLF、LRF等，该技术采用同步送粉方式，粉末与激光汇于一点，在工作台面上熔覆冷却成实体。

3 激光熔覆修复技术

随着逆向工程技术和激光熔覆再制造修复技术的快速发展，激光熔覆作为绿色再制造技术的关键技术之一，已被广泛应用在航空、石化等领域。失效零件的破损区域提取是激光熔覆机器人实现智能路径规划的基础，其研究具有重要意义。由于不同工业生产制造领域零件的失效形式不同，因此对其进行熔覆修复，需要根据具体零件情况进行可修复性评价制定可修复的依据，零件破损区域的前处理工作及待修复部分三维扫描提取及其几何重构还不是很成熟，修复区域的轨迹规划都是需要进一步研究的问题；其次，在熔覆的过程设备的自动化控型控性工艺、根据零件实际情况熔覆材料的选择及熔覆工艺参数的选取，到最后后处理及熔覆结果的可行性评价方式方法，都需要进一步解决和优化。

2005年，宋建丽等[4]进行了镍基合金Ni25、Ni60和316L不锈钢多层激光熔覆成形试验，采用同步送粉法对不同材料进行试验，材料组织成形快速，凝固沿最大温度梯度方向外延生长，形成的零件组织细小、致密，无缺陷，层与层之间为冶金结合，结合强度高。

2008年，李宝增[5]从材料合金化原理出发，综合考虑了激光熔覆过程中熔化与凝固的特点以及基材与粉末的物理化学特性，对航空发动机叶片进行了激光熔覆修复试验，主要研究了激光熔覆修复用合金粉末的最佳配比以及激光熔覆工艺参数对组织结构与性能的影响。

2012年，傅强等[6-7]进行了齿轮轴受损齿面的激光熔覆修复研究，在试验中对顺序熔覆和对称熔覆后轴的径向变形分别进行测量和分析。采取对称熔覆工艺可以解决产品变形的问题。这种方法对激光熔覆的施工工艺提出了新的思路。

2017年，程相榜等[8]对液压千斤顶活塞杆进行了激光熔覆研究，提出了通过工艺手段，精细控制结合各类检测手段，降低熔覆层的稀释和表面缺陷对耐蚀性能的影响，并提出了提高熔覆效率的新方向。

2018年，王鑫龙[9]围绕着失效零件破损区域提取方式方法及激光熔覆再制造破损零件可修复性进行研究，在工艺试验和实际再制造修复零件的过程中，结合传统熔覆质量检测和无损检测相结合的方式，来进行可修复性研究。

2019年，刘干成等[10-11]围绕小模数齿轮表面制备镍基合金涂层，采用双光束激光熔覆手段改善单光束熔覆过程中易出现的熔覆缺陷问题，在细化熔覆层组织的同时达到了提高熔覆层硬度的效果。

综上所述，对各种修复工艺类型、性能进行对比(见表3)。

表3 激光熔覆常用性能指标

多年以来，从各种材料的激光熔覆可行性研究，到能够满足各种特异功能的激光熔覆粉料的研究，再到激光熔覆设备光斑、功率以及各类激光头的设计研究，整个激光熔覆行业正逐步趋于完善。

激光熔覆作为增材技术的有效手段，在再创造修复的领域内有良好的前景，但由于激光熔覆技术的成本仍高于电镀铬、焊接等传统工艺，极大地限制了该工艺的广泛应用。目前在航空、航天、大型机械设备等高价值构件上得到应用，民用工程及附加值较低的产品中仍以传统工艺为主。因此，降低激光熔覆技术的成本是该领域发展的关键。

4 结语

近几年，激光熔覆的研究主要在粉料的研制与涂层性能的提供，对于质量检测尚无明确的标准，尤其是涂层内部可能存在的裂缝或空隙缺陷，熔覆后产品变形度等问题缺少便捷检测的方法和能力，对激光熔覆技术的产业化工业化应用，存在不可忽视的影响。由于成本问题限制了激光熔覆技术的广泛应用，未来有效控制成本将成为该领域发展的关键。