工藝簡介

1. 無錫激光熔覆技術(shù)

1.1 分類：熔覆技術(shù)根據(jù)熱源的不同，可以分為激光熔覆技術(shù)、等離子熔覆技術(shù)、感應(yīng)熔覆技術(shù)及復(fù)合熔覆技術(shù)等。

1.2 定義：蘭州激光熔覆技術(shù)興于20世紀(jì)70年代，是通過不同的添料方式，并利用高功率密度激光束對材料表面進(jìn)行非接觸加熱熔融，然后通過熔覆層材料的快速冷卻，以及形成具有不同性質(zhì)微觀組織結(jié)構(gòu)的熔覆層來實(shí)現(xiàn)表面改性，激光熔覆是一個復(fù)雜的物理、化學(xué)冶金過程。

1.3 優(yōu)點(diǎn)：激光熔覆技術(shù)優(yōu)勢（如下圖）

1.4 應(yīng)用：基于激光束的特點(diǎn)（高能量密度（104～106 W/cm2），激光熔覆技術(shù)可實(shí)現(xiàn)對多種金屬、非金屬的熔覆，特別是可以實(shí)現(xiàn)高硬度、高脆性及高熔點(diǎn)材料的快速結(jié)合（冷卻速度通常達(dá)到 102～106 ℃/s），粉末選擇范圍廣，且可熔覆；同時易于形成冶金結(jié)合，結(jié)合強(qiáng)度較高，自動化程度高等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于汽車制造、石油化工、 航天航海、機(jī)械制造與修復(fù)等領(lǐng)域；

常用工藝對比

激光熔覆系統(tǒng)示意圖

激光熔覆設(shè)備主要包括： 激光器、熔覆噴頭、加工平臺和送料裝置。

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、光粉的耦合方式是熔覆噴頭的關(guān)鍵技術(shù)。

激光熔覆的分類

1. 按工作介質(zhì)分為 4 類（如下表 ）；

2. 按工作方式分為連續(xù)型和脈沖型；

3. 按熔覆材料的供給方式分為兩類， 即預(yù)置粉末激光熔覆和同步送粉激光熔覆；SLS和SLM工藝方式同樣屬于預(yù)置粉末型；預(yù)置式的手工涂覆效率較低；同步式的熔覆工藝過程簡單，熔覆速度快，效率高，自動化程度高，適合大規(guī)模工業(yè)生產(chǎn)。但該方法對粉末的顆粒粒度和流動性等方面要求較高。

4. 目前廣泛應(yīng)用的激光器主要是橫流CO2激光器和YAG激光器。YAG激光器的輸出波長為1.06μm，較CO2激光波長小一個數(shù)量級，吸收率相對高；但因CO2激光器轉(zhuǎn)換功率高，器件結(jié)構(gòu)簡單、造價低廉，目前仍為激光熔覆主要采用的激光器。

5. 光纖激光器也逐漸應(yīng)用到激光熔覆中（具有多種優(yōu)勢，如光纖的可撓性帶來的小型化、集約化；多維空間的加工；光電效率達(dá)30%以上，有效降低成本；可調(diào)諧性好等）；這種激光器是以摻入某些離子的光纖作為工作介質(zhì)，或利用光纖自身的非線性光學(xué)效應(yīng)制成。

6. 二極管激光器體積小、成本低、波長短(金屬吸收率高)、功率大，是極有開發(fā)和應(yīng)用前景的熔覆用激光器。

熔覆噴頭系統(tǒng)

研究表明，采用矩形光斑或激光－感應(yīng)復(fù)合熔覆技術(shù)等均有利于提高熔覆效率。如在寬帶光束模式下，不僅可以增加熔覆帶寬度，還能夠降低裂紋敏感度。同時，利用熔池邊緣溫度梯度形成的表面張力起到攪拌熔體合金使其均勻分布的作用。

熔覆層的稀釋率

稀釋率是影響熔覆層質(zhì)量的重要因素，稀釋率過低，熔覆層與基材的結(jié)合性能較差，甚至無法實(shí)現(xiàn)冶金結(jié)合；稀釋率過高，基材元素過度稀釋熔覆層，極易導(dǎo)致熔覆層產(chǎn)生裂紋、氣孔等缺陷。研究表明，稀釋率取值范圍在 10% ～15% 之間熔覆層性能。以稀釋率范圍為約束條件，采用顯微硬度值選取熔覆工藝參數(shù)。

熔覆層的熱應(yīng)力

熔覆層裂紋的產(chǎn)生是由工藝原因、組織因素、 殘余應(yīng)力及顯微偏析等綜合作用的結(jié)果，但其中又以熔覆過程中各種應(yīng)力綜合作用的影響?？傮w上，涂層內(nèi)部的應(yīng)力可分為三類：

l由熔池快速凝固引起的驟冷應(yīng)力。

l熔覆結(jié)束后，涂層和基體共同冷卻到室溫導(dǎo)致的熱應(yīng)力，其是由涂層和基體的熱膨脹系數(shù)失配造成的殘余應(yīng)力。

l溫度變化過程中組織變化等帶來的相變應(yīng)力。

熱應(yīng)力在激光熔覆層中的表現(xiàn)形式為拉應(yīng)力，該拉應(yīng)力的大小可以由以下公式計算：

式 中：σth 代表熱應(yīng)力，MPa；E 為彈性模量，MPa；ν 代表泊松比；Δα 為基材材料與熔覆層材料的熱膨脹系數(shù)之差；ΔT 熔覆層溫度與環(huán)境溫度之差，℃；σ1， σ2 分別為熔覆層與基體的抗拉強(qiáng) 度，MPa；E' 代表基體材料的彈性模量，MPa。

由表達(dá)式（2）可知，熱應(yīng)力值與溫差、泊松比、彈性模量以及膨脹系數(shù)之差有關(guān)。隨著 Δα 減小，熱應(yīng)力也隨之減小。

同時由式（3）可知，Δα 應(yīng)控制一個合理區(qū)間內(nèi)。因此，盡可能地選取與基體熱物理特性參數(shù)接近的熔覆材料，可以有效地降低熱應(yīng)力，從而降低熔覆層發(fā)生開裂的敏感性。

熔覆層的質(zhì)量評價指標(biāo)

8.1 評價熔覆層質(zhì)量的好壞，主要從兩個方面來考慮：

一是從宏觀上，考察熔覆道形狀、表面平整度、 裂紋、氣孔及稀釋率等；

二是從微觀上，考察是否形成良好的組織，能否提供所需要的性能。

8.2 激光熔覆技術(shù)面臨的主要問題是：

1）傳統(tǒng)的激光熔覆層質(zhì)量不太穩(wěn)定性。在激光熔覆過程中，加熱和冷卻的速度極快，再加上熔覆層和基體材料在溫度梯度和熱膨脹系數(shù)等性能上的差異，從而使熔覆層中容易產(chǎn)生多種缺陷，主要包括氣孔、裂紋、變形和表面不平度等，導(dǎo)致激光熔覆技術(shù)在國內(nèi)還未實(shí)現(xiàn)完全產(chǎn)業(yè)化；