激光熔覆技術

激光熔覆技術是20世紀70年代隨著大功率激光器的發展而興起的一種新的表面改性技術，是指激光表面熔覆技術是在激光束作用下將合金粉末或陶瓷粉末與基體表面迅速加熱并熔化，光束移開后自激冷卻形成稀釋率極低，與基體材料呈冶金結合的表面涂層，從而顯著改善基體表面耐磨、耐蝕、耐熱、抗氧化及電氣特性等的一種表面強化方法。

一、激光熔覆的特點

激光熔覆按送粉工藝的不同可分為兩類：粉末預置法和同步送粉法。兩種方法效果相似，同步送粉法具有易實現自動化控制，激光能量吸收率高，無內部氣孔，尤其熔覆金屬陶瓷，可以顯著提高熔覆層的抗開裂性能，使硬質陶瓷相可以在熔覆層內均勻分布等優點。

激光熔覆具有以下特點：

（1）冷卻速度快（高達106K/s），屬于快速凝固過程，容易得到細晶組織或產生平衡態所無法得到的新相，如非穩相、非晶態等。

（2）涂層稀釋率低（一般小于5%），與基體呈牢固的冶金結合或界面擴散結合，通過對激光工藝參數的調整，可以獲得低稀釋率的良好涂層，并且涂層成分和稀釋度可控；

（3）熱輸入和畸變較小，尤其是采用高功率密度快速熔覆時，變形可降低到零件的裝配公差內。

（4）粉末選擇幾乎沒有任何限制，特別是在低熔點金屬表面熔敷高熔點合金；

（5）熔覆層的厚度范圍大，單道送粉一次涂覆厚度在0.2~2.0mm。

（6）能進行選區熔敷，材料消耗少，具有卓越的性能價格比；

（7）光束瞄準可以使難以接近的區域熔敷；

（8）工藝過程易于實現自動化。

與堆焊、噴涂、電鍍和氣相沉積相比，激光熔覆具有稀釋度小、組織致密、涂層與基體結合好、適合熔覆材料多、粒度及含量變化大等特點，因此激光熔覆技術應用前景十分廣闊。

二、激光熔覆與激光合金化的異同

激光熔覆與激光合金化都是利用高能密度的激光束所產生的快速熔凝過程，在基材表面形成于基體相互融合的、具有完全不同成分與性能的合金覆層。兩者工藝過程相似，但卻有本質上的區別，主要區別如下：

（1）激光熔覆過程中的覆層材料完全融化，而基體熔化層極薄，因而對熔覆層的成分影響極小，而激光合金化則是在基材的表面熔融復層內加入合金元素，目的是形成以基材為基的新的合金層。

（2）激光熔覆實質上不是把基體表面層熔融金屬作為溶劑，而是將另行配置的合金粉末融化，使其成為熔覆層的主題合金，同時基體合金也有一薄層融化，與之形成冶金結合。激光熔覆技術制備新材料是極端條件下失效零部件的修復與再制造、金屬零部件直接制造的重要基礎，收到世界各國科學界和企業的高度重視。

三、激光熔覆技術的應用領域

激光熔覆技術是—種涉及光、機、電、計算機、材料、物理、化學等多門學科的跨學科高新技術。它由上個世紀60年代提出，并于1976年誕生了第一項論述高能激光熔覆的專利。進入80年代，激光熔覆技術得到了迅速的發展，結合CAD技術興起的快速原型加工技術，為激光熔覆技術又添了新的活力。

已成功開展了在不銹鋼、模具鋼、可鍛鑄鐵、灰口鑄鐵、銅合金、鈦合金、鋁合金及特殊合金表面鈷基、鎳基、鐵基等自熔合金粉末及陶瓷相的激光熔覆。激光熔覆鐵基合金粉末適用于要求局部耐磨而且容易變形的零件。鎳基合金粉末適用于要求局部耐磨、耐熱腐蝕及抗熱疲勞的構件。鈷基合金粉末適用于要求耐磨、耐蝕及抗熱疲勞的零件。陶瓷涂層在高溫下有較高的強度，熱穩定性好，化學穩定性高，適用于要求耐磨、耐蝕、耐高溫和抗氧化性的零件。在滑動磨損、沖擊磨損和磨粒磨損嚴重的條件下，純的鎳基、鈷基和鐵基合金粉末已經滿足不了使用工況的要求，因此在合金表面激光熔覆金屬陶瓷復合涂層已經成為國內外學者研究的熱點，已經進行了鋼、鈦合金及鋁合金表面激光熔覆多種陶瓷或金屬陶瓷涂層的研究。

激光熔覆的應用主要在兩個方面，即耐腐蝕（包括耐高溫腐蝕）和耐磨損，應用的范圍很廣泛，例如內燃機的閥門和閥座的密封面，水、氣或蒸汽分離器的激光熔覆等。

 同時提高材料的耐磨和耐腐蝕性，可以采用Co基合金（如Co-Cr-Mo-Si系）進行激光熔覆?；w中物相成份范圍中Co3Mo2SI硬質金屬間相的存在可保證耐磨性能，而Cr則提供了耐腐蝕性。

四、超高速率熔覆技術

超高速率熔覆技術是通過同步送粉添料方式，利用高能密度的束流使添加材料與高速率運動的基體材料表面同時熔化，并快速凝固后形成稀釋率極低，與基體呈冶金結合的熔覆層，極大提高熔覆速率，顯著改善基體材料表面的耐磨、耐蝕、耐熱、抗氧化等工藝特性的工藝方法。

適用于電力、航空、航天、兵器、核工業、汽車制造業中需要改善性能的零件。根據工件的工況要求，熔覆各種設計成分的金屬或者非金屬，制備耐熱、耐磨、耐腐蝕、抗氧化、抗疲勞或具有光、電、磁特性的表面覆層。

超高速激光熔覆技術是一種經濟效益很高的新技術，它可以在金屬基材上制備出高性能的合金表面而不影響基體的性質，降低成本，節約貴重稀有金屬材料，因此，世界上各工業先進國家對激光熔覆技術的研究及應用都非常重視。

超高速激光熔覆速度比傳統激光熔覆快 100-250 倍，使得激光對基體的熱影響 達到Z小。因此，超高速激光熔覆可實現熱敏感材料零件的涂層制備，傳統方法因熱輸過高，這在之前是不可能實現的。同時，這種新工藝還可用于全新的材料組合，例如鋁基材料或鑄鐵材料上涂層的制備。