在航空航天、石化和汽車等行業(yè)中，不同機器的許多零件都處于高溫高壓環(huán)境中，并且容易磨損和腐蝕。因此，高溫下的耐磨性和穩(wěn)定性需要進一步提高。激光熔覆技術具有稀釋率低、熱影響區(qū)小、涂層與基體冶金結合好等優(yōu)點，目前廣泛應用于機械零件的修復和功能涂層。本文從過程模擬、監(jiān)測和參數(shù)優(yōu)化等方面詳細介紹了液相色譜法。同時，隨著高熵合金、非晶合金和單晶合金在液晶材料中逐漸顯示出相對于傳統(tǒng)金屬材料的優(yōu)勢，本文對液晶材料系統(tǒng)進行了的綜述。此外，還概述了液晶在功能涂層和機械零件維修中的應用。討論了液晶顯示技術存在的問題和發(fā)展趨勢。

1介紹

鈦合金、鎂合金和其他合金具有優(yōu)異的性能，例如比強度高、韌性好和密度低。同時，由于其在地球上的豐富儲量，被廣泛應用于航空航天、汽車工業(yè)等領域。然而，隨著工業(yè)的發(fā)展，這些材料將越來越多地用于高溫、高壓和磨損環(huán)境。耐磨性差和高溫穩(wěn)定性差的缺點限制了其應用。為了解決這些問題，人們采用了許多表面強化技術來提高這些合金表面的耐磨性和耐腐蝕性，例如等離子噴涂、物相沉積（PVD）、化學氣相沉積（CVD）、堆焊、滲碳、氮化等。

由LIHRC在A3鋼上制備的Ni60A+20 wt%WC復合涂層的結構（a）E=20 J/mm2，ψ=55.1 g/dm2，（b）E=18.4 J/mm2，ψ=55.1 g/dm2，（c）E=20 J/mm2，ψ=61.7 g/dm2。

2 激光熔覆工藝

LC是一種多學科技術，集成了激光技術、計算機輔助制造技術和控制技術。LC是一個復雜的物理、化學和冶金過程。本節(jié)從原理、模擬、監(jiān)測和參數(shù)優(yōu)化等方面介紹了LC過程的發(fā)展現(xiàn)狀。

2.1. 工藝原理

LC使用高功率激光器作為熱源，在處理基板上形成熔覆層。根據送粉方式，可分為四種類型：同軸送粉系統(tǒng)、預放置送粉系統(tǒng)、離軸送粉系統(tǒng)和送絲系統(tǒng)。常用的液相色譜方法是同軸粉末系統(tǒng)和預放置粉末系統(tǒng)。圖1是同軸粉末系統(tǒng)和預放置粉末系統(tǒng)的示意圖。當粉末被載氣從送粉噴嘴噴出時，激光束照射基板以形成液態(tài)熔池。在與激光相互作用后，粉末進入液態(tài)熔池，并在送粉噴嘴與激光束同步移動時形成熔覆層。與同軸粉末系統(tǒng)不同的是，在預放置粉末系統(tǒng)中，覆層材料預放置在基板上。然后，通過激光束掃描熔化預先放置的粉末，并快速冷卻熔池以形成熔覆層。LC樣品通常可分為四部分：包層區(qū)（CZ）、界面區(qū)（IZ）、熱影響區(qū)（HAZ）和基板（SUB）。一般來說，預置換粉末系統(tǒng)操作簡單，熔覆質量較好，但熔深不易控制，稀釋度大。同軸粉末系統(tǒng)具有較高的激光利用率，但對熔覆設備的質量要求較高。

2.2. 過程模擬分析

LC是激光、熔覆材料和基板之間相互作用的過程，因此通過建立LC過程模擬，可以更好地分析不同工藝條件下熔池的溫度、應力和流場。在實踐中，LC過程的模擬分析在改善熔覆層的宏觀形貌、微觀結構和性能方面發(fā)揮著重要作用。許多學者基于流體力學和物理相場過程模擬了粉末沉積過程、溫度場、應力場和熔覆層的微觀結構。

在液晶中，粉末與激光、基板和噴嘴的相互作用會影響粉末的分布。粉末的流動特性影響其利用效率和熔覆層的宏觀形貌。粉末的流體動力學特性不僅與其粒徑、形狀和外部空氣壓力有關，還與粉末噴嘴的類型有關，如圖2所示。在粉末和激光的相互作用中，激光的能量被粉末吸收、反射和散射，從而增加了流動粉末的溫度分布。粉末的溫度分布與激光功率和噴嘴與激光焦點之間的距離有很大關系。因此，應選擇合適的激光功率和噴嘴與激光焦點之間的距離。因此，粉末分布的能量全部包含在激光輻射區(qū)域，并獲得均勻的溫度分布。熔池附近的粉末分布與基體有很大關系。在保護氣體的作用下，粉末沖擊基材并或分散，從而影響上部粉末流的分布。因此，在對粉末沉積過程進行模擬分析時，應充分考慮基體的作用。

溫度場和流場的分布直接影響熔覆層的宏觀形貌、微觀結構和其他物理化學性能。溫度場和流場的數(shù)值模擬對于LC過程中工藝參數(shù)的設計至關重要。Khamidullin等人建立了二維LC模型，并模擬了熔覆層的宏觀形貌、結晶過程、溫度場和速度場。圖3（c）是二維熔覆層宏觀形貌、速度和溫度場的模擬結果?？梢园l(fā)現(xiàn)，模擬更好地反映了熔覆層的實際宏觀和微觀形貌（圖3（a））。三種流動類型（圖3（b））可以清楚地反映出來。然而，通過比較僅在低速送粉情況下二維和三維熔覆層的宏觀形貌、溫度場和應力場，該模型具有良好的可預測性。因此，應進一步優(yōu)化該模型。LC過程的有限元模型綜合考慮了流體流動、傳熱、表面張力和自由表面運動，對熱輸入具有良好的預測能力。

激光開啟0.8秒后，在0.5 kW高斯激光束的影響下，模擬的微珠形狀以及微珠內部的金屬流動結構

在LC過程中，會產生熱應力和殘余應力。因此，應力場的模擬分析為有效減少熔覆層中的裂紋等缺陷提供了理論基礎。Ghorashi等人考慮了多軌跡中的非線性運動硬化特性，并將循環(huán)塑性理論引入到LC Inconel 718模擬模型中，這不僅將殘余應力預測誤差降低了約50%，還分析了熔覆過程中的表面松弛。Zhang等人通過建立單軌和多軌鈷基涂層的溫度場和應力場，分析了感應熱應力對熔覆層殘余應力的影響。然而，感應預熱對單軌的影響僅進行了分析，因此應進一步分析多軌。實際上，液晶是一個多場相互作用的過程。因此，應建立一個的模擬模型，以獲得未來在完全耦合的熱-冶金-機械有限元模型下的微觀結構和殘余應力分布。

2.3. 過程監(jiān)控

LC作為一種有效的表面強化和修復技術，得到了越來越廣泛的應用，有時會出現(xiàn)熔覆層質量差和重復性差的問題。然而，計算機和傳感技術的發(fā)展可以幫助我們更好地監(jiān)測溫度場、熔池的形態(tài)以及粉末和激光之間的相互作用過程，所有這些都與熔覆層的內部微觀結構、缺陷和幾何精度密切相關。LC是一個復雜的物理-化學冶金過程，可以通過溫度信號、圖像信號和光譜信號更好地理解。

圖像信號或光譜信號可用于監(jiān)測粉末的流動和分布，然后通過優(yōu)化噴嘴參數(shù)來提高粉末利用效率。Gulyaev等人使用光學診斷系統(tǒng)Yuna（主要由CMOS數(shù)碼相機和光譜儀組成）研究了不同氣體流速下激光對粉末流動外觀、速度和溫度的影響。監(jiān)測結果如圖4所示?？梢钥闯觯诩す獾淖饔孟?，粉末流從原來的氣流輸送方向擴展到35°-40°的扇形。當氣體流速Gtr從5 slpm增加到15 slpm時，粉末流的平均溫度和激光束方向的平均速度都會增加。當氣體流量Gtr繼續(xù)增加到20 slpm時，激光束方向上粉末流動的平均速度和平均溫度降低，因此存在一個合適的氣體流量，以限度地發(fā)揮激光對粉末的影響。同時，分析了不同工藝參數(shù)下熔池的流速。然而，在某些過程參數(shù)下，由于感興趣區(qū)域的亮度差異很大，很難獲得足夠質量的視頻。因此，未來可能會考慮使用帶通濾波器的照明激光器。

溫度傳感器可以監(jiān)測固定點溫度、熔池的溫度分布和熔池周圍的溫度分布。熱歷史與熔覆層中微觀結構的生長有直接關系。Gopinath等人使用紅外高溫計監(jiān)測熔池的熱歷史，并研究熔池壽命、冷卻速率、熔覆層的微觀結構和潤濕性。從紅外高溫計獲得的原位合成inconel718/TiC復合涂層上熔池的熱歷史曲線，可以識別固化架的位置，從而可以在線識別過度稀釋率。熔池中TiC顆粒凝固框架斜率的變化是在線評估不同工藝參數(shù)下TiC顆粒狀態(tài)的有效指標。圖5是在1200 W激光功率和200 mm/min掃描速度下記錄的典型熱循環(huán)。該熱循環(huán)決定了不同相的形成和涂層/部件的機械性能。同時，熔池的壽命和WC與金屬基體之間良好潤濕性的冷卻速率可由熱歷史確定。

液晶的物理和化學變化極其復雜，因此僅靠上述三種監(jiān)測信號進行自適應控制是不夠的。需要使用更的傳感器和監(jiān)測設備直接監(jiān)測間隙、熱應力、稀釋率和其他指標。

2.4. 工藝參數(shù)優(yōu)化

在LC過程中，熔覆層的稀釋度、縱橫比、微觀結構和力學性能與激光功率、掃描速率、送粉速率、掃描方法、散焦量和其他工藝參數(shù)密切相關。為了獲得組織精細、成分均勻、力學性能良好的熔覆層，許多學者從不同角度對工藝參數(shù)進行了分析。

熔覆速度v和透鏡噴嘴與表面熔覆距離L對熔覆軌道尺寸的影響

上圖可以觀察到高度H和寬度B值與包層條件的關系。將噴嘴與沉積表面之間的距離增加1.4倍，軌跡寬度減小1.1倍/1.2倍，其高度減小1.7倍/2.6倍。這是因為當噴嘴/工件距離減小時，激光束會發(fā)生一些散焦，表面加熱增加；然而，它的溫度較低。這解釋了單軌尺寸的減少。另一方面，激光光斑的速度增加了3倍，軌道的寬度減小了1.15倍/1.3倍，軌道的高度減小了2倍/2.9倍。這種變化可以通過沉積材料體積在較長長度上的分布來解釋。

適當?shù)募す夤β蕦p少裂紋、空洞，并產生質量和性能良好的熔覆層。高激光功率導致熔覆層開裂和變形，當激光功率太小時，粉末不會完全熔化，并導致局部起球和空洞。Song等人分析了激光功率對涂層宏觀形貌和微觀結構的影響，結果如圖6所示?？梢园l(fā)現(xiàn)，隨著激光功率的增加，熔覆層的高度、寬度和穿透力都會增加。大多數(shù)裂紋從熱影響區(qū)開始，沿垂直于接頭表面的方向一直延伸到覆層表面。隨著激光功率的增加，熔覆層底部分別出現(xiàn)柱狀枝晶、少量等軸晶、均勻柱狀枝晶和晶粒生長。這是因為隨著功率的增加，冷卻速率逐漸降低，晶粒尺寸與其呈負相關。隨著激光功率的降低，微結構也變得更細。除了激光功率外，掃描速度對熔覆層的形成也起著重要作用。

影響熔覆層表面形貌和內部微觀結構的工藝參數(shù)通常不是單一的，它們往往相互作用并相互影響。所以，通過各種優(yōu)化算法和經驗公式來獲得工藝參數(shù)的組合非常重要。選擇激光功率、掃描速度和送粉速度作為要優(yōu)化的工藝參數(shù)，熔覆高度和稀釋率是優(yōu)化的響應目標。找到了能夠實現(xiàn)熔化寬度、小熔化高度和適當稀釋率的工藝參數(shù)組合。通過實驗驗證了優(yōu)化后的參數(shù)組合，灰色關聯(lián)值提高了0.1533282。Wu等人研究了LC-NiCrBSi合金涂層的孔隙率和裂紋，結果表明，線性能量密度可用于確定消除大孔隙率的閾值。

采用響應面法獲得了孔隙率小的激光功率、掃描速度和送粉速率等工藝參數(shù)。通過在基板下方放置預熱至300°C的絕緣層，可以有效消除裂紋。然而，在工藝參數(shù)下，熔覆層中仍然存在少量氣孔。因此，通過優(yōu)化LC設備有望進一步減少氣孔缺陷。建立工藝參數(shù)與熔覆層熔化高度、熔透深度和稀釋率之間的經驗公式，可以大大減少優(yōu)化實驗的次數(shù)，顯著提高熔覆質量和效率。Bax等人提出了一種基于Inconel 718單包層的LC工藝參數(shù)圖的系統(tǒng)評估方法。不僅得到了激光功率、掃描速度、送粉速率與熔覆層寬度、高度、面積之間的半經驗關系，而且建立了工藝參數(shù)與粉末利用率之間的工藝參數(shù)圖。但是，它僅適用于單軌，因此應進一步加強對多軌的研究。Reddy等人通過LC非晶態(tài)Fe-Cr-B合金的單軌優(yōu)化實驗，建立了粉末沉積效率、稀釋度、孔隙率和工藝參數(shù)之間的模型，并通過實驗進行了驗證。

總之，有許多工藝參數(shù)影響熔覆層的宏觀形貌、微觀結構和性能，每個工藝參數(shù)也相互影響。因此，在實際應用中，應根據熔覆層的要求綜合考慮各工藝參數(shù)。

2.5. 外場輔助激光熔覆

通過優(yōu)化工藝參數(shù)，可以在程度上減少覆層的內部結構缺陷，但有時仍會存在孔洞、元素偏析和結構不均勻。為了顯著減少這些缺陷對微觀結構的影響，并生產出性能良好的涂層。近年來，許多學者將LC與其他技術相結合，形成了感應加熱激光熔覆（LIHC）、超聲波輔助激光熔覆、電磁輔助激光熔覆等技術。

由于液晶的溫度梯度較大，涂層容易出現(xiàn)裂紋等缺陷。研究表明，感應預熱可以降低溫度梯度。Bidron等人研究了高溫感應預熱（溫度范圍為）對熱影響區(qū)裂紋的敏感性。如圖7（c）所示，2 mm厚基板上的熱影響區(qū)中沒有裂紋，這可以歸因于感應預熱溫度影響熱影響區(qū)的微觀結構，從而改變裂紋的跡象。此外，感應預熱溫度對沉積速率和激光能量效率也有重要影響。在激光功率和掃描速度不變的情況下，隨著感應預熱溫度的升高，沉積速率和激光能量效率增加，但增長速率逐漸降低。因此，感應預熱溫度應控制在適當?shù)姆秶鷥取?/p>

超聲振動作為一種外部物理場，對熔池中微觀結構的生長和凝固以及元素分布具有重要影響。Li等人分析了超聲振動輔助下LC-MMC涂層的微觀結構、元素組成和性能。隨著超聲功率的增加，熔覆層中的WC顆粒似乎均勻地聚集在底部，然后到達底部。因此，在適當?shù)某暪β氏?，超聲空化效應和超聲聲流效應可以克服重力作用下WC顆粒分布不均勻的缺點。超聲振動對熔池的影響導致枝晶斷裂和晶粒細化，并促進WC顆粒的分解。在超聲振動輔助激光熔覆中，超聲作用于微觀結構、氣孔和其他缺陷生長的機理需要進一步研究。

電磁場主要與材料中的電子相互作用，影響化學反應過程，進而影響微觀結構和元素分布。Zhai等分析了不同電磁場下的熔覆層稀釋，發(fā)現(xiàn)穩(wěn)定的磁場可以顯著降低涂層稀釋率，但電磁場對其影響不大。對涂層組成相的分析發(fā)現(xiàn)，不同層中的相幾乎沒有變化。這是因為電磁場對熔體池中的熱條件幾乎沒有影響。當施加與重力方向相同的安培力時，等效重力加速度增加。因此，作用在孔隙上的合成浮力相應增加，熔體池中孔隙的流速增加。孔隙度和孔徑都會降低。如圖7（i）A-C所示，當施加向上的安培力時，熔體池中的孔隙溢出將更加困難。然而，它只改變電場的大小和方向，因此應研究磁場方向變化下熔覆層的微觀結構。