激光熔覆技術(shù)（Laser Cladding）是一種的材料表面改性技術(shù)，早是由Gnanamuthu于1974年提出專(zhuān)利申請(qǐng)，興起于20世紀(jì)80年代。隨著激光器技術(shù)的發(fā)展和資源節(jié)約的需求，激光熔覆技術(shù)的基礎(chǔ)研究和應(yīng)用推廣得到了快速的發(fā)展。它是以激光為熱源，將填充材料（粉末、絲材或板材）和基材表面一起熔凝，在基材表面形成與其冶金結(jié)合的熔覆層，從而顯著改善其表面耐磨、耐蝕、耐熱及抗氧化等性能的工藝 ，涉及光、機(jī)、電、物理、材料、化學(xué)、計(jì)算機(jī)等多門(mén)學(xué)科。該技術(shù)可對(duì)局部易破損的零部件進(jìn)行表面強(qiáng)化及修復(fù)，以延長(zhǎng)其使用壽命，有利于降低成本，節(jié)約貴重稀有金屬材料，符合循環(huán)經(jīng)濟(jì)和可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略。因此，激光熔覆技術(shù)備受各國(guó)的關(guān)注和重視，成為當(dāng)前的研究熱點(diǎn)之一。

與其他表面強(qiáng)化技術(shù)，如堆焊、噴涂、氣相沉積和電鍍等相比，激光熔覆技術(shù)具有以下特點(diǎn)：激光能量密度高，加熱速度快，對(duì)基材的熱影響區(qū)域小，引起的工件熱變形小；冷卻速度快（102～106 K/s），涂層晶粒細(xì)小，組織致密；涂層稀釋率低，涂層與基體呈冶金結(jié)合，結(jié)合強(qiáng)度高；材料選擇性廣，金屬材料、陶瓷材料及復(fù)合材料均可作為熔覆材料；易實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化，無(wú)環(huán)境污染 。因此，該技術(shù)在航空航天、礦山機(jī)械、石油化工、汽車(chē)、船舶、電力、鐵路等行業(yè)具有廣闊的應(yīng)用前景。激光熔覆技術(shù)與其他表面工程技術(shù)的參數(shù)對(duì)比見(jiàn)表1。

本文從激光熔覆噴頭、激光熔覆工藝、激光熔覆材料、激光熔覆技術(shù)的工業(yè)應(yīng)用4個(gè)方面綜述了激光熔覆技術(shù)的研究進(jìn)展，并對(duì)發(fā)展趨勢(shì)做出了展望。

1 激光熔覆噴頭

激光熔覆設(shè)備主要包括激光器、熔覆噴頭、加工平臺(tái)和送料裝置。而激光熔覆噴頭是激光熔覆系統(tǒng)的關(guān)鍵核心部件，可實(shí)現(xiàn)激光束傳輸、變換、聚焦和熔覆材料的同步輸送，在基材表面實(shí)現(xiàn)激光束、熔覆材料、熔池之間的耦合并連續(xù)形成熔覆層。其中激光束的整形變換聚焦、材料的傳輸噴射匯聚、光料的耦合方式是熔覆噴頭的關(guān)鍵技術(shù)。

1.1 激光熔覆光斑及送料方式

激光熔覆噴頭內(nèi)集成有光束鏡組，主要用于激光束的傳輸、變換及聚焦，可根據(jù)不同的加工需求對(duì)光束進(jìn)行處理，包括變換光斑形狀、光斑尺寸、光斑能量分布等。光學(xué)鏡組一般包括準(zhǔn)直鏡、整形鏡和聚焦鏡。一般首先通過(guò)準(zhǔn)直鏡對(duì)輸入的發(fā)散光束進(jìn)行準(zhǔn)直，然后對(duì)準(zhǔn)直后的光束進(jìn)行整形，變換成所需的光束，如圓形實(shí)心光斑轉(zhuǎn)換為環(huán)狀或矩形狀，呈高斯分布的光束變換為光能均勻分布的平頂光束，單光束分成多光束等，將光束聚焦至加工面，以滿(mǎn)足加工所需的尺寸形狀和光強(qiáng)分布。

目前，常見(jiàn)的光斑形狀有圓形、環(huán)形、矩形和線(xiàn)形，其形狀和能量分布如圖1所示。圓形實(shí)心光斑能量呈高斯分布，其特點(diǎn)是中心能量大，邊緣能量小，在激光熔覆過(guò)程中易造成熔覆層中間過(guò)燒而邊緣熔化不足。環(huán)形光斑能量呈雙高斯分布，其特點(diǎn)是兩邊緣能量高，中間無(wú)能量，可通過(guò)錐透鏡 、錐鏡-反射聚焦鏡等對(duì)光束轉(zhuǎn)換獲得。在激光掃描過(guò)程中，在熱傳導(dǎo)和熱對(duì)流作用下，熔池兩側(cè)的溫度略高于中心，這有利于邊緣有足夠的能量熔化粉末顆粒，減少側(cè)壁粉末的粘附。矩形光斑能量分布較均勻，具有激光熱加載均勻、加工效率高等特點(diǎn)，通過(guò)微透鏡陣列、空間光調(diào)制器、非球面透鏡組 、衍射光學(xué)元件、帶式積分鏡等對(duì)光束整形獲得。線(xiàn)形光斑掃描寬度大，大大提高了加工效率，且熱作用過(guò)程均勻，可顯著改善加工質(zhì)量。

按照熔覆材料的添加方式（下文中的材料均以粉末為例），激光熔覆送粉可以分為預(yù)置粉末法和同步送粉法。預(yù)置粉末法是將粉末以粘結(jié)或噴涂的方式預(yù)置在基材表面，然后采用激光輻射掃描熔化形成熔覆層。此方法工藝簡(jiǎn)單，操作靈活，但粉末燒損嚴(yán)重，熔覆層存在氣孔和裂紋多、組織不致密、表面粗糙等缺陷。同步送粉法是采用送粉器使粉末連續(xù)輸送至激光作用區(qū)，實(shí)現(xiàn)材料的熔覆加工。同步送粉法具有自動(dòng)化程度高、熔覆速度快、成形性好等特點(diǎn)，在激光熔覆中得到了廣泛的應(yīng)用，但該方法對(duì)粉末的顆粒粒度和流動(dòng)性等方面要求較高。

1.2 光粉耦合模式及熔覆噴頭

按照激光束和粉末的耦合形式，可將激光熔覆噴頭分為旁軸送粉熔覆噴頭和同軸送粉熔覆噴頭。對(duì)于旁軸送粉熔覆噴頭，其送粉噴嘴相對(duì)聚焦光束傾斜噴粉，粉束和激光束軸線(xiàn)之間存在夾角。旁軸送粉熔覆噴頭結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，送粉噴嘴調(diào)節(jié)靈活，粉末穩(wěn)定好，可實(shí)現(xiàn)異型零件的激光熔覆。隨著高功率激光器技術(shù)發(fā)展以及使用成本的大幅下降，旁軸激光熔覆噴頭由傳統(tǒng)的“圓形光斑+單束送粉”方式發(fā)展為“矩形光斑+寬帶送粉”方式。采用大光斑的激光熔覆方式提升了熔覆效率，單道熔覆寬度可達(dá)30 mm，適用于形狀簡(jiǎn)單的零件表面的大面積激光熔覆。但變化掃描方向時(shí)，光粉耦合會(huì)出現(xiàn)明顯的方向性，影響熔覆層的性能。

對(duì)于同軸送粉熔覆噴頭，粉束和激光束同軸耦合輸出，粉末流各向同性，克服了旁軸送粉方向性的限制，可保證任意路徑下熔覆層的一致性。目前激光熔覆多采用同軸送粉熔覆噴頭。由于同軸送粉熔覆噴頭無(wú)方向性問(wèn)題，也可應(yīng)用于激光金屬增材制造（3D打印），通過(guò)逐層沉積可近凈成形大型結(jié)構(gòu)件、復(fù)雜結(jié)構(gòu)件等。按照激光束和粉束的相對(duì)位置，同軸送粉熔覆噴頭可分為光外同軸送粉噴頭和光內(nèi)同軸送粉噴頭。光外同軸送粉噴頭是采用“粉包光”的光粉耦合模式，激光束從中心出射，光束周?chē)鸀閮A斜布置的多個(gè)粉嘴送粉或環(huán)狀送粉，工作時(shí)，激光束和粉束匯聚在工作表面并形成熔池，如圖3a所示。光內(nèi)同軸送粉噴頭是采用“光包粉”的光粉耦合模式，圓形實(shí)心光束轉(zhuǎn)換為圓環(huán)錐形光束或多光束，中空無(wú)光區(qū)域垂直放置送粉管，實(shí)現(xiàn)光束中空，粉管居中，光內(nèi)送粉，如圖3b所示。粉末垂直加工面噴射，由于粉末噴射方向與包圍粉束的準(zhǔn)直氣流方向、外圍聚焦環(huán)錐形光束軸線(xiàn)方向均相同，故三相流互不干涉，粉末發(fā)散小，集束性好，因此在一定的長(zhǎng)度范圍內(nèi)能夠保證光束、保護(hù)氣都包圍粉束，大大提高粉末利用率，減少熔覆層的表面粘粉和熔覆過(guò)程中的飛濺。光外同軸送粉和光內(nèi)同軸送粉效果如圖4所示。從圖中可以看出，同軸環(huán)形噴嘴比同軸多管?chē)娮靺R聚效果好，可實(shí)現(xiàn)更小的匯聚粉斑，適合精密熔覆加工。同軸單束粉管正向送粉，粉末流細(xì)小，挺度高，可進(jìn)行長(zhǎng)距離、大傾角熔覆加工。由于光粉真正同軸實(shí)現(xiàn)了“光包粉”，一般無(wú)需在熔覆前預(yù)調(diào)光斑粉斑與工作面的對(duì)準(zhǔn)，掃描過(guò)程中還可離焦變焦，熔覆出變寬的熔道。

隨著大功率激光器技術(shù)的發(fā)展與推廣，寬帶同軸送粉熔覆噴頭得到了越來(lái)越多的應(yīng)用，如圖5所示。圖***為武鋼華工激光研制的光外寬帶同軸噴頭，主要由送粉道、保護(hù)氣道和激光束通道組成。中心為矩形光斑，光束外兩側(cè)為與激光光斑相適應(yīng)的矩形粉末流道。此噴頭適用于6～20 k W的激光熔覆加工，特別是煤礦機(jī)液壓支架立柱等回轉(zhuǎn)件的大批量生產(chǎn)。圖5b為蘇州大學(xué)與激光加工技術(shù)工程中心聯(lián)合研發(fā)的光內(nèi)寬帶同軸噴頭，矩形送粉裝置位于噴頭中心，外層為雙光束通道，其熔覆效果如圖5c所示，熔覆寬度達(dá)40 mm。

在一些特殊工況下的熔覆加工，激光熔覆噴頭的內(nèi)光路、粉路、水路、氣路等結(jié)構(gòu)有所不同。如針對(duì)圓筒形、腔體類(lèi)等內(nèi)壁熔覆的深孔激光熔覆噴頭，針對(duì)各方位（如水平面、立面、仰面等）熔覆的激光熔覆噴頭，針對(duì)水下修復(fù)的激光熔覆噴頭等。深孔激光熔覆噴頭將激光熔覆加工從工件的外表面延伸到孔的內(nèi)壁表面，此噴頭呈細(xì)長(zhǎng)狀，光路系統(tǒng)采用長(zhǎng)聚焦鏡，并利用反射鏡將光束反射至加工位置。德國(guó)弗洛霍夫研究所研制的深孔熔覆噴頭小內(nèi)孔徑達(dá)33 mm，工作孔深可達(dá)0.5～3 m，技術(shù)處于地位。圖6a為武鋼華工激光研制的深孔熔覆噴頭，小內(nèi)孔徑為50 mm，孔深為0.5 m。激光熔覆噴頭可實(shí)現(xiàn)±180三維空間熔覆，在噴嘴口與聚焦鏡間設(shè)置防護(hù)氣簾，可防止噴頭連續(xù)變換方位時(shí)，熔覆材料落到聚焦鏡上而損壞鏡片，其在仰面位置的熔覆加工如圖6b所示。水下激光熔覆噴頭集成了排水裝置將水排出，從而形成局部的穩(wěn)定氣體空間，實(shí)現(xiàn)水下激光熔覆修復(fù)。

2 激光熔覆工藝

2.1 激光熔覆工藝參數(shù)

激光熔覆過(guò)程中涉及眾多工藝參數(shù)，包括激光功率、掃描速度、光斑直徑、送粉速率、氣體流量和搭接率等，這些工藝參數(shù)影響熔覆層的質(zhì)量。熔覆層的質(zhì)量包括宏觀(guān)形貌（寬度、高度、寬高比、稀釋率、裂紋、表面粗糙度等）和組織性能（氣孔、雜質(zhì)、組織形態(tài)、力學(xué)性能等）。

熔覆層的宏觀(guān)形貌與工藝參數(shù)的關(guān)系模型可通過(guò)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析方法和數(shù)值模擬的方法進(jìn)行預(yù)測(cè)。根據(jù)預(yù)測(cè)的關(guān)系模型，對(duì)目標(biāo)進(jìn)行優(yōu)化，從而獲得的工藝參數(shù)組合。目前常用的數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析方法有單因素法、正交法、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和響應(yīng)曲面法等。邢彬等采用正交試驗(yàn)法研究了工藝參數(shù)對(duì)IC10高溫合金熔覆層寬度、深度和高度的影響，結(jié)果表明激光功率對(duì)寬度影響，離焦量對(duì)深度影響，而各參數(shù)對(duì)高度的影響無(wú)顯著差別。過(guò)低的熱輸入會(huì)造成基體與涂層未熔合，過(guò)高的熱輸入易形成氣孔缺陷。倪立斌等基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)建立了熔覆層特征與工藝參數(shù)之間的預(yù)測(cè)模型，誤差小于4.5%。Ansari等采用響應(yīng)曲面法建立了回歸模型，優(yōu)化獲得了稀釋率小的熔覆層。以上均是對(duì)多輸入單輸出進(jìn)行優(yōu)化，而激光熔覆是一個(gè)多輸入多輸出過(guò)程，因此參數(shù)優(yōu)化是一個(gè)多目標(biāo)優(yōu)化問(wèn)題，需要對(duì)多個(gè)目標(biāo)值進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)。目前有PCA-TOPSIS法、NSGA-Ⅱ算法、灰色關(guān)聯(lián)分析法等。趙堯等以熔覆層寬度、稀釋率和表面硬度為優(yōu)化目標(biāo)，基于PCA-TOPSIS法獲得了激光功率、掃描速度和送粉速率的優(yōu)化組合。Wang等以熔覆層寬度、平整度和欠熔面積為優(yōu)化目標(biāo)，采用灰色關(guān)聯(lián)分析法將這些目標(biāo)轉(zhuǎn)化為單一目標(biāo)，并通過(guò)主成分分析法確定權(quán)重，通過(guò)回歸分析，建立了灰色關(guān)聯(lián)度與工藝參數(shù)的關(guān)系模型。采用數(shù)值模擬法預(yù)測(cè)熔覆層宏觀(guān)形貌，有利于簡(jiǎn)化工藝驗(yàn)證過(guò)程，揭示熔覆層成形機(jī)理，推動(dòng)自動(dòng)化、智能化的發(fā)展。李亞敏等利用Ansys軟件建立了瞬態(tài)三維有限元溫度場(chǎng)模型，數(shù)值模擬了工藝參數(shù)對(duì)熔池的影響，確定了工藝參數(shù)并進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證，大幅減少了實(shí)驗(yàn)量。Li等建立了多場(chǎng)耦合三維數(shù)學(xué)模型，得到了激光熔覆過(guò)程中溫度場(chǎng)和速度場(chǎng)的分布狀態(tài)和演化規(guī)律。

熔覆層的組織性能除與熔覆材料有關(guān)外，還與成形的工藝參數(shù)有關(guān)。不同的工藝參數(shù)會(huì)形成不同的凝固組織，從而影響熔覆層性能。楊丹等研究了工藝參數(shù)對(duì)Ni基組織的影響，組織的大小與激光功率呈正相關(guān)，與送粉速率呈負(fù)相關(guān)，隨著掃描速度的增加，組織先變小后變大。曾維華等研究了工藝參數(shù)對(duì)熔覆層耐腐蝕性能的影響，結(jié)果表明熔覆層的耐腐蝕性能隨著激光功率的增加而降低，隨著掃描速率的增加而先增加后降低。顧賽男等發(fā)現(xiàn)不同的工藝參數(shù)下，熔覆層內(nèi)的W顆粒會(huì)呈現(xiàn)團(tuán)簇、均勻分布、沿著熔覆層邊緣分布及“W包Cu”結(jié)構(gòu)的不同形態(tài)。

綜上所述，熔覆層的宏觀(guān)形貌和組織性能是工藝參數(shù)綜合作用的結(jié)果，合理選擇工藝參數(shù)組合，有利于提高熔覆層的質(zhì)量。

2.2 激光熔覆復(fù)合工藝

國(guó)內(nèi)外學(xué)者研究發(fā)現(xiàn)，將輔助加工工藝與激光熔覆復(fù)合，能夠較好地改善熔覆層缺陷，提高熔覆層質(zhì)量。現(xiàn)有的輔助復(fù)合加工方法有電磁場(chǎng)、機(jī)械振動(dòng)、超聲振動(dòng)、感應(yīng)、磁場(chǎng)、微弧、TIG電弧、微鍛造、激光沖擊等。

研究發(fā)現(xiàn)，部分復(fù)合工藝能夠細(xì)化晶粒、減少氣孔裂紋、調(diào)控組織分布、降低殘余應(yīng)力等。王梁等研究了電磁復(fù)合場(chǎng)對(duì)激光熔覆增強(qiáng)顆粒WC分布的調(diào)控，結(jié)果表明在電磁場(chǎng)的作用下，熔池流速受到抑制，當(dāng)施加的定向洛倫茲力與重力同向時(shí)，增強(qiáng)顆粒集中在上層，反之集中在下層。Jiang等研究了超聲振動(dòng)角度對(duì)激光熔覆涂層組織和性能的影響，結(jié)果表明超聲振動(dòng)可以細(xì)化組織，使元素分布均勻化，當(dāng)超聲振動(dòng)為45時(shí)，摩擦系數(shù)小，耐磨性得到了顯著的提高。林英華等研究表明，電磁復(fù)合場(chǎng)能夠抑制Ni60熔覆層表面裂紋，消除涂層內(nèi)部氣孔，減小脆性相的尺寸和顆粒偏聚，有效抑制內(nèi)部裂紋的產(chǎn)生。Farahmand等采用激光-感應(yīng)復(fù)合熔覆Ni-WC復(fù)合涂層，研究發(fā)現(xiàn)在感應(yīng)加熱的輔助下，可獲得無(wú)裂紋和氣孔的復(fù)合涂層。綜上所述，通過(guò)復(fù)合工藝的方法可以減少熔覆層缺陷，提高涂層的耐磨、耐腐蝕等性能。

2.3 超高速激光熔覆

超高速激光熔覆技術(shù)由德國(guó)弗勞恩霍夫激光技術(shù)研究所和亞琛工業(yè)大學(xué)提出并聯(lián)合進(jìn)行研發(fā)，主要解決傳統(tǒng)激光熔覆加工效率低的問(wèn)題。此技術(shù)可在短時(shí)間內(nèi)制備大面積涂層，提高了生產(chǎn)效率和降低了成本，同時(shí)響應(yīng)了政府提倡的發(fā)展綠色加工的要求，有望成為替代傳統(tǒng)電鍍的技術(shù)之一。

與常規(guī)激光熔覆技術(shù)相比，從能量分配看，常規(guī)激光熔覆中基板吸收的光能要多于粉末顆粒，基板吸收能量形成熔池，將輸送至熔池的粉末熔化，而超高速激光熔覆改變了能量分配，粉末顆粒吸收的能量要高于基板。因此，超高速激光熔覆調(diào)整了激光、粉束和熔池的匯聚位置，使粉束匯聚點(diǎn)位于熔池上方（，同時(shí)提高了激光束和粉束的匯聚性，光束和粉束的匯聚直徑小于1 mm，從而增加了匯聚光斑內(nèi)的激光能量密度，使粉末顆粒吸收足夠的能量，在落入熔池前溫度已達(dá)到熔點(diǎn)，進(jìn)而減小了粉末在熔池內(nèi)的熔化時(shí)間。制備的涂層如圖7b所示，可見(jiàn)熔覆層表面光滑，只需經(jīng)磨削加工就可達(dá)到精加工要求。

弗勞恩霍夫激光技術(shù)研究所的Schopphoven等研究表明，超高速激光熔覆的沉積速率由常規(guī)激光熔覆的0.5～2 m/min提升至20～500 m/min，沉積率由50 cm2/min提升至500 cm2/min，涂層厚度為10～250µm，稀釋率小于1%。Li等研究表明，超高速激光熔覆涂層相較于常規(guī)激光熔覆涂層的組織更加細(xì)密，成分分布更均勻。

2.4 激光熔覆過(guò)程控制

為了提高激光熔覆過(guò)程的穩(wěn)定性和熔覆層質(zhì)量，需要對(duì)成形過(guò)程中的相關(guān)信息進(jìn)行監(jiān)測(cè)和控制。監(jiān)測(cè)對(duì)象主要有熔池溫度、熔池幾何特征和熔覆層幾何特征。通過(guò)監(jiān)測(cè)這些工況信息的變化，實(shí)時(shí)調(diào)控激光功率、掃描速度、噴頭提升量等工藝參數(shù)，從而實(shí)現(xiàn)熔覆過(guò)程的閉環(huán)控制，補(bǔ)償工藝過(guò)程中的偏差。

熔池溫度和熔池形貌信息可通過(guò)高溫計(jì)、CCD圖像采集、熱成像儀等設(shè)備監(jiān)測(cè)獲得。song等用雙色高溫計(jì)監(jiān)測(cè)熔池溫度，并采用廣義預(yù)測(cè)控制器，通過(guò)調(diào)整激光功率實(shí)現(xiàn)了熔池溫度的閉環(huán)控制。楊柳杉等采用CCD攝像機(jī)和圖像處理軟件實(shí)現(xiàn)了熔池寬度的在線(xiàn)檢測(cè)。熔覆層形貌信息主要為熔覆層的高度。石拓等基于光學(xué)三角法原理，采用高速CCD相機(jī)監(jiān)測(cè)層高，并設(shè)計(jì)了P和PI堆高閉環(huán)控制器，提高了成形尺寸精度。

3 激光熔覆材料

目前激光熔覆材料主要有自熔性合金粉末、陶瓷粉末和復(fù)合粉末。自熔性熔覆粉末有Fe基、Ni基和Co基，粉末中含有脫氧和自熔作用的Si、B等元素，具有較好的工藝成形性。陶瓷粉末有碳化物陶瓷粉末、氮化物陶瓷粉末、氧化物陶瓷粉末和硅化物陶瓷粉末，具有較好的耐磨、耐蝕、耐高溫和高溫抗氧化性能，常被用于制備高溫耐磨耐蝕涂層和熱障涂層。復(fù)合粉末是指金屬材料與陶瓷材料混合或復(fù)合而成的合金粉末，它將金屬和陶瓷的性能有效結(jié)合起來(lái)，是激光熔覆技術(shù)研究的熱點(diǎn)。復(fù)合涂層的陶瓷相可通過(guò)機(jī)械外加法或原位合成法獲得。機(jī)械外加法是將陶瓷顆粒直接加入合金粉末中，并混合均勻。原位合成法是指元素在一定的條件下發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，原位生成陶瓷相。此方法獲得的增強(qiáng)相可與金屬基體具有良好的浸潤(rùn)性能和界面結(jié)合性能。

為獲得質(zhì)量良好的功能涂層，需要選擇合適的材料體系。熔覆材料要與基體材料具有良好的匹配性，如相似的物理性質(zhì)（如熔點(diǎn)、彈性模量和熱脹系數(shù)等）和化學(xué)性質(zhì)，以保證兩者較佳的潤(rùn)濕性。若兩者材料性質(zhì)相差太大，會(huì)因不同材料界面引起的較大熱應(yīng)力而產(chǎn)生涂層開(kāi)裂或剝落。此時(shí)，可采用中間過(guò)渡層的方法來(lái)制備梯度涂層，從而減小基體和涂層之間的性質(zhì)突變。如Chen等 在銅合金上依次激光熔覆了Ni基合金和Co基合金，形成了Cu-Ni-Co梯度涂層，以鎳基合金作為過(guò)渡層解決了Cu和Co之間性質(zhì)差異大的問(wèn)題，提高了銅合金表面的耐磨性。

熔覆材料吸收激光能量后迅速升溫熔化，在和外界環(huán)境的熱交換以及基體熱傳導(dǎo)的作用下快速降溫，產(chǎn)生“液-固相變”。隨著溫度的進(jìn)一步下降，組織會(huì)發(fā)生“固-固相變”，這決定了材料的終組織。由于激光熔覆快速熔化和快速凝固的特點(diǎn)，熔體的過(guò)冷度較大，在非平衡凝固條件下，可生成細(xì)晶組織、亞穩(wěn)定相、非晶態(tài)合金等。

4 激光熔覆技術(shù)的工業(yè)應(yīng)用

4.1 礦山機(jī)械

煤礦機(jī)械工作環(huán)境復(fù)雜苛刻，粉塵顆粒、有害氣體、濕氣和煤渣對(duì)機(jī)械設(shè)備造成磨損、腐蝕，縮短了設(shè)備的使用壽命，如截齒、刮板運(yùn)輸機(jī)的運(yùn)輸槽、液壓支架立柱、齒輪、軸類(lèi)零部件等。采用激光熔覆技術(shù)可對(duì)零件易失效部位進(jìn)行強(qiáng)化或修復(fù)，提高耐磨損、耐腐蝕性能，延長(zhǎng)設(shè)備使用壽命。

蘇倫昌等在截齒上熔覆了THPR-50合金粉末（鐵基合金加Ti、W、Mo），涂層中原位生成了碳化物相，耐磨性提高了3倍。曹青等采用激光熔覆技術(shù)在運(yùn)輸槽上了制備了35%Ni50+65%WC無(wú)裂紋的熔覆層，并應(yīng)用于730刮板機(jī)中，每10萬(wàn)噸的過(guò)煤量，其平均磨損量為0.1 mm，提高了使用壽命。李春強(qiáng)等在立柱上制備了Ni60熔覆涂層，具有很高的顯微硬度和較強(qiáng)的耐腐蝕性能。

4.2 模具

模具作為成形物品的工具，其性能要求較高，價(jià)格昂貴，尤其是大型復(fù)雜精密模具。若模具局部磨損而報(bào)廢，則加工周期長(zhǎng)，造價(jià)高，嚴(yán)重影響生產(chǎn)。模具種類(lèi)繁多，包括壓鑄模具、砂型鑄造模具、塑料模具、鍛壓模具和沖壓模具等，在長(zhǎng)期的工作中，會(huì)出現(xiàn)表面磨損、熱裂紋、熱疲勞、腐蝕等問(wèn)題，從而造成模具失效報(bào)廢。因此，對(duì)模具表面進(jìn)行處理以提高其使用壽命，以及對(duì)失效模具進(jìn)行修復(fù)具有重要的意義。

Kattire等采用激光熔覆技術(shù)在H13工具鋼上制備了CPM9V涂層，發(fā)現(xiàn)馬氏體和殘余奧氏體中析出高硬度的碳化釩，涂層硬度比基體提高了4倍。劉建永等對(duì)汽車(chē)覆蓋件拉深模易磨損區(qū)域進(jìn)行局部激光熔覆強(qiáng)化，以Fe40合金涂層為打底層，用GXN-6***和XY-27F-X40合金分別強(qiáng)化模具的上部分和下部分，以滿(mǎn)足不同部位的硬度要求。

4.3 鐵路

磨損和滾動(dòng)接觸疲勞是影響鋼軌使用壽命的兩個(gè)因素。對(duì)鋼軌關(guān)鍵部位進(jìn)行強(qiáng)化，以及對(duì)鋼軌的周期性維修和隨時(shí)的現(xiàn)場(chǎng)搶修，有利于提高鋼軌的使用壽命，減少鐵路運(yùn)營(yíng)的成本。

Seo、Lewis等研究了各合金粉末對(duì)激光熔覆涂層耐磨性和滾動(dòng)接觸疲勞性能的影響。Liu等在列車(chē)制動(dòng)盤(pán)表面熔覆了鈷基涂層，并分析在不同溫度下的磨損行為。結(jié)果表明，在高溫環(huán)境下，Co06涂層比基材具有更好的耐磨性和抗氧化性能。Lai等在鋼軌表面熔覆了410L不銹鋼涂層，并研究了掃描方向、預(yù)熱和后熱處理對(duì)涂層組織和性能的影響，如圖8所示。

4.4 其他行業(yè)

激光熔覆技術(shù)還可應(yīng)用在航空航天、冶金、工程機(jī)械、汽車(chē)、船舶、3D增材制造等行業(yè)，具有非常廣泛的應(yīng)用前景。如航空發(fā)動(dòng)機(jī)鈦合金葉片的修復(fù)、船用螺旋槳的修復(fù)、曲軸的修復(fù)、飛機(jī)大型復(fù)雜結(jié)構(gòu)件的激光增材制造等。

激光熔覆技術(shù)是經(jīng)濟(jì)效益高的新型表面改性技術(shù)，不僅可以減少生產(chǎn)成本，縮短制造周期，還可以提高零部件的使用壽命。該技術(shù)屬于制造、綠色制造領(lǐng)域，是“中國(guó)制造2025”的重大戰(zhàn)略規(guī)劃發(fā)展方向之一，有利于加快發(fā)展制造業(yè)，推動(dòng)信息技術(shù)與制造技術(shù)深度融合。

5 展望

1）在激光熔覆噴頭方面，改進(jìn)光束傳輸變換聚焦方式，優(yōu)化工作光斑及能場(chǎng)分布；變革送粉方式，提高粉末利用率和沉積率；實(shí)現(xiàn)光料耦合，提升工藝能力并擴(kuò)展應(yīng)用功能；高功率寬帶熔覆噴頭和超高速熔覆噴頭可實(shí)現(xiàn)大面積激光熔覆，提高制造效率。這些都是表面工程領(lǐng)域和增材制造領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。在制備過(guò)程中的成形工藝、成形精度、路徑規(guī)劃、缺陷控制以及組織性能的研究方面需進(jìn)一步加強(qiáng)。同時(shí)，激光熔覆噴頭需集成測(cè)控系統(tǒng)，加強(qiáng)工況實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和反饋控制技術(shù)的研究，向自動(dòng)化、智能化方向發(fā)展。

2）在激光熔覆對(duì)象方面，熔覆面由規(guī)則的平面向非規(guī)則的曲面發(fā)展，成形軌跡由二維直線(xiàn)向空間曲線(xiàn)發(fā)展，加工方位從水平面、小傾角面向立仰面、空間任意方向噴射熔覆發(fā)展。在朝空間任意方位進(jìn)行激光熔覆時(shí)，激光束、粉束、熔池、工作面之間的耦合關(guān)系將發(fā)生變化，從而影響熔覆層成形質(zhì)量。需要對(duì)空間不同方位下光粉氣的噴射規(guī)律、空間不同方位甚至倒掛熔池的流動(dòng)與凝固規(guī)律、熔覆層形貌特征規(guī)律、組織生長(zhǎng)規(guī)律及其性能等方面進(jìn)行研究。

3）在激光熔覆應(yīng)用方面，便攜移動(dòng)式激光熔覆原位修復(fù)技術(shù)會(huì)得到發(fā)展與應(yīng)用。關(guān)鍵技術(shù)主要包括：高功率、小型化、智能化、便攜式的熔覆成套裝備，光粉氣空間噴射耦合技術(shù)與全位置熔覆成形技術(shù)及裝備，室外環(huán)境下的惰性氣氛保護(hù)裝置，激光熔覆工藝及后處理工藝等。

4）在激光熔覆復(fù)合方面，將該技術(shù)應(yīng)用于激光增材制造過(guò)程中，成形高質(zhì)量的復(fù)雜結(jié)構(gòu)件、大型結(jié)構(gòu)件等。如激光熔覆與微壓鍛、激光沖擊等復(fù)合的增材制造，可有效抑制成形零件的開(kāi)裂、氣孔、殘余應(yīng)力大等問(wèn)題，提高成形件的組織性能和抗疲勞等綜合性能。