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摘要： 激光熔覆技术不仅可以在低成本的金属基体上制备耐磨、耐蚀、耐高温氧化等特殊性能的熔覆层，提高关键部件表面的性能，还适用于局部有磨损、氧化及腐蚀等零件的修复，可有效降低成本。传统激光熔覆工艺面临着熔覆层开裂敏感性高，易产生气孔等棘手问题。在选定基体材料和熔覆材料的基础上，一般通过优化熔覆工艺等来控制熔覆层缺陷，近年来辅加电磁搅拌、超声波、机械振动等新的熔覆工艺也有了较快的发展，同时激光熔覆高效化和精密化的要求也不断提高。从激光器的发展、熔覆工艺及进展、激光熔覆缺陷及控制和发展前景等方面概述了近年来国内外激光熔覆工艺的研究现状，对于推动其发展具有重要意义。
关键词： 复合熔覆工艺；激光器；缺陷与控制；高效化
中图分类号： TG159.99
Abstract： Laser cladding technique can make a special performance on the surface of lowcost metal substrate， such as wear resistance， corrosion resistance and high temperature antioxidation， in order to improve the properties of key components.As for the repair of critical parts， it would effectively reduce the costs. But the traditional laser cladding process has a high cracking sensitivity， and lightly brings pores. Once base and cladding materials be selected， the defects can be avoided by optimizing cladding process. In recent years， electromagnetic stirring， ultrasonic， mechanical vibration and other new cladding processes have a rapid development， meanwhile the requirement of efficiency and precision are rising. In this paper， recent developments of laser devices and cladding processes are summarized. Besides， the existing problems and the corresponding solutions are discussed. Finally， the trend of research in the future is forecasted. And promoting the growth of laser cladding process is of great significance.
Key words： composite cladding process； laser device； defects and control； high efficiency
0 前言
激光熔覆技术兴于20世纪70年代，是通过不同的添料方式，并利用高能密度激光束使基材表面添加熔覆材料与基材表层一起快速熔凝，形成与基材表面冶金结合良好涂层的表面改性技术。与传统的化学热处理（渗氮、渗碳、渗金属）、电镀、堆焊、喷涂等相比，该技术具有熔覆层晶粒细小、结构致密及稀释率低等一系列优点，目前在航空航天、模具、石油化工等行业成为表面工程领域研究发展的热点。
激光熔覆是一个复杂的物理、化学冶金过程，传统的熔覆工艺面临着熔覆层开裂敏感性高，易产生气孔及效率较低等问题。裂纹现象和行为牵涉到激光熔覆的很多方面，熔覆工艺是决定熔覆质量及效率的关键因素，深入研究工艺特性对于该技术在工业中的应用具有实际的指导意义。
1 激光器的发展
激光器是将其他能量转换为激光的器件，是激光熔覆加工系统的核心组件。自1917年爱因斯坦提出“受激辐射”的概念，奠定激光的理论基础，到19世纪60年代红宝石、氦氖、砷化镓半导体及染料等激光器的相继问世，激光器的发展进入了一个崭新的阶段。激光器的种类繁多，按工作方式分为连续型和脉冲型，按工作介质分为4类，激光器类型及特点如表1所示。
针对激光熔覆技术，目前广泛应用的激光器主要是横流CO2激光器和YAG激光器。YAG激光器的输出波长为106 μm，较CO2激光波长小一个数量级。对金属及其合金而言，一般随波长的增加，吸收率减小，所以同一金属材料对这两种激光的吸收率有很大差别。张安峰等[1]研究了CO2和YAG激光的熔覆特性，发现对于同一种材料，YAG激光的吸收率约是CO2激光的3倍多。但因CO2激光器转换功率高，器件结构简单、造价低廉，目前仍为激光熔覆主要采用的激光器。
随着技术发展出现的光纤激光器也逐渐应用到激光熔覆中，这种激光器是以掺入某些激活离子的光纤作为工作介质，或利用光纤自身的非线性光学效应制成。光纤激光器具有多种优势，如光纤的可挠性带来的小型化、集约化；多维空间的加工；光电效率达30%以上，有效降低成本；可调谐性好等。徐宇蓝等[2]利用机器人光纤激光系统在45钢表面作铁基粉末熔覆，结果表明熔覆层显微硬度高于基材两倍以上，能够消除搭接处微裂纹及气孔等缺陷，具有广阔的市场前景。
2 激光熔覆工艺
2.1 传统激光熔覆工艺
激光熔覆技术按熔覆材料的供给方式分为两类，即预置粉末激光熔覆和同步送粉激光熔覆。预置式是指将待熔覆的合金粉末预先置于基材表面，然后利用激光束在合金覆盖层表面扫描，使覆盖层及一部分基材熔化，激光束离开后熔化的金属快速凝固在基材表面形成冶金结合良好的熔覆层。同步式是指在激光熔覆过程中采用专门的送粉系统将合金粉末直接送入激光作用区，在激光的作用下使供料和熔覆同时完成，之后冷却结晶形成熔覆层。预置式的手工涂覆效率较低；同步式的熔覆工艺过程简单，效率高，可控性好，易于实现自动化，适合大规模工业生产。
影响熔覆层质量的因素众多，包括激光功率、光斑尺寸、激光扫描速度及激光作用在基材表面的吸收率，基材的预处理和后处理，材料的热物理特性等。但激光功率、扫描速度、光斑尺寸是激光熔覆中最主要的参数，通常用比能量进行优化设计。针对激光熔覆工艺参数的优化已有大量的试验，如Lusquios等[3]在不锈钢上采用光纤激光熔覆Co基合金探究了各个参数之间的影响。Przybylowicz等[4]在镍基和钴基合金粉末中分别添加WC相，探讨了激光功率和扫描速度对碳钢上裂纹的影响规律。王璐等[5]在45钢表面熔覆NiCrMn+WC硬质合金层，研究扫描速度及功率对显微硬度的影响。王志坚等[6]采用铁基合金粉末进行单道熔覆试验，研究了激光功率、扫描速度及送粉量对熔覆形状尺寸和成形效率的影响。
虽然针对工艺参数对熔覆层组织性能、显微硬度、缺陷影响等做了大量的研究，但各个参数对熔覆质量的影响规律较为复杂，需针对特定的熔覆材料体系进行详细讨论。
2.2 复合激光熔覆工艺
传统的激光熔覆工艺易出现裂纹等问题，影响熔覆层的质量及使用性能。所以，近年来复合激光熔覆技术得到很快发展，如激光熔覆辅加电磁搅拌、超声波、机械振动、交变磁场等。余本海等[7]在激光熔覆WC-Co基合金中辅加电磁搅拌的研究中发现，电磁搅拌能够使熔覆层组织的晶粒均匀细化，并能够消除熔覆层内的气孔和微裂纹，提高熔覆层质量。王维等[8]利用超声波对BT20钛合金进行激光熔覆时指出，超声波能够使熔覆层内部组织气孔率下降、晶粒尺寸减少。Zhou等[9]辅加感应加热系统在Cu基体上熔覆Cu-Fe基合金粉末，试验未发现气孔及裂纹等缺陷（图1）。在熔覆层中央（图1b）有大量5～50 μm尺寸的球状粒子（A）分布于细小晶粒基体（B）中，通过分析知富铜基质中的球状粒子含过饱和Cu的富Fe相。此外，熔覆层的显微硬度是基材的3倍，其强化是沉淀硬化及弥散硬化等的组合强化。
3 激光熔覆主要问题及解决
虽然激光熔覆在众多的表面改性技术中具有相当大的优势，且近年来激光熔覆新工艺也得到研究，但作为大范围商业化应用的表面改性技术而言，其裂纹、气孔、大面积熔覆等亟待解决的问题限制了它的应用发展。
3.1 裂纹及气孔缺陷的控制
激光熔覆是一个典型的快速加热、冷却的过程，特别是在熔覆硬质陶瓷相时，由于熔覆材料与基体材料在物理性能上的差异，易产生残余应力，进而导致熔覆层的开裂[10]，如图2a所示。这种裂纹问题可通过调控材料间热胀系数的匹配来解决，而在选定材料的基础上，一般通过优化工艺方法及工艺参数来抑制熔覆层的开裂。另外，还可以减少温度梯度（如预热、保温）；在合金粉末中添加增韧、增塑的元素以达到抑制裂纹产生、增加熔覆层抗裂的目的[11]。研究表明，在合金粉末中加入V2O5能抑制裂纹的生成；超声波振动也可以有效地控制裂纹的产生[12-13]。Zhou等[14]在激光熔覆镍系和WC相的复合涂层中发现存在裂纹，如图2b所示，而利用激光-感应复合熔覆可获得无裂纹的熔覆层。
关于气孔的形成机制，普遍的观点认为：气孔是由于残余的保护气体或在激光熔覆过程中形成的气体没有足够的时间从熔池中逸出而形成的。对于气孔的控制，可以通过优化工艺参数、减少气体来源（如烘干熔覆合金粉末）、预热缓冷、略微延长熔池时间来实现。Zhou等[15]通过研究不同基体及熔覆材料对气孔的影响，发现工艺参数相同时，由于基体热导率的不同使Q235钢形成的气孔比不锈钢上的大很多（图3a，3b）。另外，含Cr3C2粉末的熔覆层生成的气孔更大（图3a，3c），这是由于Cr3C2的熔点比Fe901的高，未融化粉末间的孔隙连接起来形成了较大尺寸的气孔。
3.2 高效激光熔覆的实现
将激光熔覆技术广泛地应用于实际生产中，大面积熔覆是必不可少的。大面积熔覆工艺主要有两种：多道搭接和多层叠加，即从横向及纵向两个方向加工处理。由于激光光斑尺寸较小，而搭接会造成相邻扫描带结合处的“二次加热”效应，进而引发材料表面显微硬度降低及裂纹的产生，这严重制约了激光熔覆技术的应用。
提高熔覆效率可通过使用大功率的激光器、增加扫描速度或光斑直径等实现，但其受比能量Es的限制，不能无限制的提高。为改善因搭接产生的问题，研究表明，采用矩形光斑或激光-感应复合熔覆技术等均有利于提高熔覆效率。如在宽带光束模式下，不仅可以增加熔覆带宽度，还能够降低裂纹敏感度。同时，利用熔池边缘温度梯度形成的表面张力起到搅拌熔体合金使其均匀分布的作用[16]。如图4在不同光斑的激光熔覆试样中，矩形光斑的熔覆面积更大，而圆形光斑熔覆则需要多次搭接，且出现气孔缺陷。周圣丰等[17]在激光-感应复合熔覆的试验中表明，复合熔覆的效率是单纯熔覆的3倍多，而稀释率仅为5.2%，抗干滑动磨损性能约是单纯熔覆的1.42倍。另外，周圣丰等[18]利用激光-感应复合熔覆的方法在Q235钢表面获得了无气孔与裂纹的Ni基WC熔覆层，且相对于单纯激光熔覆，复合熔覆的效率约提高了5倍。试验表明，在激光-感应复合熔覆过程中，熔覆层与基材间的温度梯度大大降低，这是获得Ni基WC熔覆层无裂纹的关键原因。
4 前景展望
激光熔覆技术具有熔覆层晶粒细小、结构致密及稀释率低等一系列优点，但仍存在裂纹、气孔缺陷，大面积熔覆的实现及设备昂贵等问题，在选定材料的基础上，优化工艺方法和工艺参数尤为重要。未来激光熔覆工艺的发展应该聚焦在以下几个方面：
（1） 新型激光器的工业化应用。性能良好的大功率激光器是激光熔覆的首要条件，未来倾向于研发大功率、小型化的激光装置，提高电源的稳定性和寿命。固体激光器应解决转换效率低的问题，其发展趋势包括寻求新波长和工作波长可调谐的新工作介质，增大输出功率，改善光束质量，提高转换效率等。光纤激光器具备一系列的优点，未来应开发新的生产工艺，降低成本，扩大工业化应用。
（2） 新型激光熔覆工艺的发展。熔覆层的开裂是激光熔覆最棘手的问题，应优化传统熔覆工艺、开发新型熔覆技术，如梯度熔覆和高频感应熔覆等。梯度熔覆是在熔覆层与基体间熔覆复合层，熔覆层前后进行合适的热处理等。高频感应熔覆是利用导体在高频磁场作用下产生的感应电流进行辅助加热，利用高频感应制备的熔覆层成形良好，析出强化相分布均匀，缺陷少。这两种工艺均有利于解决熔覆中常见的裂纹、气孔等问题，但复合熔覆技术存在工艺复杂及效率低下等问题。
（3） 激光熔覆效率及精度的提高。激光熔覆层表面不平整，后续机加工量较大，如何提高激光熔覆的精度也是亟待解决的问题。应研发新型一体式送粉熔覆设备及高精度送粉控制系统，解决与大功率激光器配套的精确度与熔覆工艺稳定性等问题。
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