激光熔覆是一(yī)種新型的塗層技術，是涉及到光、機、電(diàn)、材料、檢測與控制等多學科的高新技術，是激光先進制造技術最重要的支撐技術，可以解決傳統制造方法不能完成的難題，是國家重點支持和推動的一(yī)項高新技術。目前，激光熔覆技術已成爲新材料制備、金屬零部件快速直接制造、失效金屬零部件綠色再制造的重要手段之一(yī)，已廣泛應用于航空、石油、汽車(chē)、機械制造、船舶制造、模具制造等行業。
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激光熔覆的優勢
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激光束的聚焦功率密度可達1010~12W/cm2，作用于材料能獲得高達1012K/s的冷卻速度，這種綜合特性不僅爲材料科學新學科的生(shēng)長提供了強有力的基礎，同時也爲新型材料或新型功能表面的實現提供了一(yī)種前所未有的工(gōng)具。激光熔覆所創造的熔體(tǐ)在高溫度梯度下(xià)遠離(lí)平衡态的快速冷卻條件，使凝固組織中(zhōng)形成大(dà)量過飽和固溶體(tǐ)、介穩相甚至新相，已經被大(dà)量研究所證實。它提供了制造功能梯度原位自生(shēng)顆粒增強複合層全新的熱力學和動力學條件。同時激光熔覆技術制備新材料是極端條件下(xià)失效零部件的修複與再制造、金屬零部件的直接制造的重要基礎，受到世界各國科學界和企業的高度重視和多方面的研究。
爲推動激光熔覆技術的産業化，世界各國的研究人員(yuán)針對激光熔覆涉及到的關鍵技術進行了系統的研究，已取得了重大(dà)的進展。國内外(wài)有大(dà)量的研究和會議論文、專利介紹激光熔覆技術及其最新的應用：包括激光熔覆設備、材料、工(gōng)藝、監測與控制、質量檢測、過程的模拟與仿真等研究内容。但到目前爲止，激光熔覆技術還不能大(dà)面積工(gōng)業化應用。分(fēn)析其原因，這裏有政府導向的因素、激光熔覆技術本身成熟程度的限制、社會各界對激光熔覆技術的認可程度等因素。因此，激光熔覆技術欲實現全面的工(gōng)業化應用，必須加大(dà)宣傳力度，以市場需求爲導向，重點突破制約發展的關鍵因素，解決工(gōng)程應用中(zhōng)涉及到的關鍵技術，相信在不遠的将來，激光熔覆技術的應用領域及其強度将不斷的擴大(dà)。
目前，利用激光熔覆技術可以制備鐵基、鎳基、钴基、鋁基、钛基、鎂基等金屬基複合材料。從功能上分(fēn)類：可以制備單一(yī)或同時兼備多種功能的塗層如：耐磨損、耐腐蝕、耐高溫等以及特殊的功能性塗層。從構成塗層的材料體(tǐ)系看，從二元合金體(tǐ)系發展到多元體(tǐ)系。多元體(tǐ)系的合金成分(fēn)設計以及多功能性是今後激光熔覆制備新材料的重要發展方向。
最新的研究表明，在我(wǒ)國工(gōng)程應用中(zhōng)鋼鐵基的金屬材料占主導地位。同時，金屬材料的失效（諸如腐蝕、磨損、疲勞等）大(dà)多發生(shēng)零部件的工(gōng)作表面，需要對表面進行強化。爲滿足工(gōng)件的服役條件而采用大(dà)塊的原位自生(shēng)顆粒增強鋼鐵基複合材料制造，不僅浪費(fèi)材料，而且成本極高。另一(yī)方面，從仿生(shēng)學的角度考察天然生(shēng)物(wù)材料，其組成爲外(wài)密内疏，性能爲外(wài)硬内韌，且密—疏、硬—韌從外(wài)到内是梯度變化的，天然生(shēng)物(wù)材料的特殊結構使其具有優良的使用性能。根據工(gōng)程上材料特殊的服役條件和性能的要求，迫切需要開(kāi)發強韌結合、性能梯度變化的新型表層金屬基複合材料。因此，利用激光熔覆的方法制備與基材呈冶金結合的梯度功能原位自生(shēng)顆粒增強金屬基複合材料不僅是工(gōng)程實踐的迫切需要，也是激光表面改性技術發展的必然趨勢。激光熔覆技術制備原位自生(shēng)顆粒增強金屬基複合材料、功能梯度材料已有報道，但大(dà)部分(fēn)停留在組織、性能分(fēn)析，工(gōng)藝參數的控制階段，增強相的尺寸、間距和所占的體(tǐ)積比還不能達到可控制的水平，梯度功能是通過多層塗覆形成的，不可避免地在層與層之間存在界面弱結合的問題，距離(lí)實用還有相當長的路。利用激光熔覆技術制備顆粒大(dà)小(xiǎo)、數量、分(fēn)布可控，強韌性适當匹配，集梯度功能和原位自生(shēng)顆粒增強爲一(yī)體(tǐ)的金屬基表層複合材料是今後重要的發展方向。
研究内容涉及到：
● 熔覆材料成分(fēn)、組織、性能設計的技術、手段和原理及其工(gōng)藝實現的控制技術。
● 激光熔覆制備功能梯度原位自生(shēng)顆粒增強金屬基複合材料顆粒增強相析出、長大(dà)和強化的熱力學和動力學模型的建立。
● 顆粒增強相形态、結構、功能和複合的仿生(shēng)設計和尺寸、數量、分(fēn)布的控制技術。
● 塗層成分(fēn)、組織和性能梯度控制的原理、關鍵因素和工(gōng)藝方法的研究。
● 宏觀、微觀界面的觀察、分(fēn)析控制和表征；功能梯度原位自生(shēng)顆粒增強金屬基複合材料常規性能的分(fēn)析和檢測以及不同工(gōng)況下(xià)的磨損行爲及失效機制。
這些研究内容的突破，有可能解決塗層與基體(tǐ)相容性不匹配，易于産生(shēng)裂紋的問題，促進激光熔覆技術應用領域的拓寬。
激光熔覆是由激光作爲熱源，在基底上包覆一(yī)層性能極爲優良的合金層，其性能将依照所處理零件的具體(tǐ)要求而定。激光熔覆方法的優點是覆層組織細密、性能優異、熱應力小(xiǎo)、變形小(xiǎo)以及無污染等。其缺點也是很明顯的：需要很高功率的激光器、單道搭接掃描不适宜大(dà)面積處理，難于實現産業化等。爲解決這些難題，采用激光複合熔覆技術是有效的途徑之一(yī)，也是今後發展的重要方向。激光複合熔覆就是采用普通加熱方法，再加上激光複合加熱來完成熔覆處理工(gōng)作。普通加熱方法根據需要可以是電(diàn)加熱、各類感應加熱等。
歸納起來，激光複合熔覆技術具有如下(xià)的特點：
●“常規（如感應）＋激光”二者複合加熱熔覆是集兩種加熱工(gōng)藝的優點，同時克服了各自單一(yī)方法的不足，充分(fēn)體(tǐ)現了優勢互補的特點。
● 用常規方法輔佐了激光加熱，從而可以實現用較小(xiǎo)功率的激光器完成由原來必需很高功率也不易完成的大(dà)面積熔覆，是單一(yī)方法無論如何也不易做到的。
● 激光複合熔覆技術擴大(dà)了常規技術的新的更廣應用，而對常規技術的采納又(yòu)進一(yī)步促進了激光熔覆技術的應用和産業化的進程。
● 激光複合熔覆技術特别适用于細長杆類，尺寸在一(yī)定範圍内的軸類等零件，如抽油泵柱塞、某些類型的軋輥及特殊用途的軸等。
目前，激光熔覆主要采用的是CO2氣體(tǐ)激光器，用于大(dà)型零件的激光熔覆，見圖2和圖3，少部分(fēn)采用YAG激光器。YAG激光熔覆常采用脈沖激光熔覆。最近的工(gōng)程應用表明，采用YAG激光熔覆在小(xiǎo)型零部件方面更有優勢。
發展的另一(yī)個重要的趨勢是采用高功率半導體(tǐ)激光器，利用波長範圍808-965μm的紅光或近紅外(wài)激光，較CO2 激光器來看金屬易吸收，可省去(qù)前期預處理，方便易操作。大(dà)功率半導體(tǐ)激光熔覆技術較其他熔覆方法具有顯著的優勢，見表1。同時，半導體(tǐ)激光可以實現與同軸送粉一(yī)體(tǐ)化控制及應用光纖傳輸與擴束技術進行導光聚焦，實現全封閉傳輸或光纖傳輸，實現光、機、電(diàn)、粉、控一(yī)體(tǐ)化高度集成控制；與機器手（人）結合，小(xiǎo)型化，可實現移動在線服務，滿足不同層次的需求。可以預見，在傳統CO2 、YAG激光熔覆技術之外(wài)，新型的大(dà)功率半導體(tǐ)激光熔覆設備與工(gōng)藝，必将逐步發展起來并滿足高質量表面工(gōng)程的需要，成爲激光表面處理的重要組成部分(fēn)。
随着激光熔覆技術的成熟與發展，陸續成功的應用于瓦楞輥的激光熔覆見圖4，缸套火(huǒ)焰環的激光熔覆直接制造見圖5，發動機部件修複見圖6等。實現了以激光爲主要加工(gōng)手段對各種金屬部件的幾何缺失，按照原制造标準進行幾何尺寸的回複、性能的提升。随着科學技術和工(gōng)程技術的發展與需要，金屬部件工(gōng)作的條件愈來愈苛刻，經常工(gōng)作在高交變應力、高溫、高速、高腐蝕等極端條件下(xià)。因此，制造金屬部件的材料需要同時具有多種性能才能滿足零件特殊的服役條件。而且這些部件的制造成本、制造周期長，一(yī)旦失效産生(shēng)巨大(dà)的經濟損失和安全事故。如輪機裝備中(zhōng)，各類重要的部件如：葉片、轉子軸頸、閥杆、葉輪、閥門等；飛機發動機、内燃機部件等。這些工(gōng)程上的技術難題，爲激光熔覆技術提出了新的挑戰。因此，如何解決極端條件下(xià)失效零部件的修複問題是十分(fēn)迫切和複雜(zá)的，需要對極端條件下(xià)，零部件的失效形式分(fēn)析，剩餘壽命進行評估，選擇合适的材料、工(gōng)藝方法。因此，以極端條件下(xià)關鍵零部件的強化與修複爲切入點，系統研究激光熔覆強化與再制造技術，通過若幹關鍵技術的聯合攻關，獲得适合于極端條件下(xià)，各種零部件強化與修複的總體(tǐ)技術。
重點需要攻關的方向：
● 極端條件下(xià)，失效零部件修複（強化）前後，壽命評估技術；
● 極端條件下(xià)，失效零部件無損傷修複技術的研究；
● 極端條件下(xià)，失效零部件激光修複專用合金材料的研究；
● 實體(tǐ)測量、三維實體(tǐ)堆積造型修複控制系統、修複過程溫度、幾何尺寸和質量智能監控系統的研究；
● 專用的修複附屬裝備的研究；
● 修複層性能測試技術及其加工(gōng)技術的研究。
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激光熔覆技術的展望
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文章轉載自微信公衆号：熱噴塗與再制造