激光熔敷技術(shù)

激光熔覆（Laser Cladding)亦稱(chēng)激光包覆或激光熔敷，是一種新的表面改性技術(shù)。它通過(guò)在基材表面添加熔覆材料，并利用高能密度的激光束使之與基材表面薄層一起熔凝的方法，在基層表面形成與其為冶金結(jié)合的添料熔覆層。

激光熔覆是指以不同的添料方式在被熔覆基體表面上放置被選擇的涂層材料經(jīng)激光輻照使之和基體表面一薄層同時(shí)熔化，并快速凝固后形成稀釋度極低，與基體成冶金結(jié)合的表面涂層，顯著改善基層表面的耐磨、耐蝕、耐熱、抗氧化及電氣特性的工藝方法，從而達(dá)到表面改性或修復(fù)的目的，既滿足了對(duì)材料表面特定性能的要求，又節(jié)約了大量的貴重元素。

與堆焊、噴涂、電鍍和氣相沉積相比，激光熔覆具有稀釋度小、組織致密、涂層與基體結(jié)合好、適合熔覆材料多、粒度及含量變化大等特點(diǎn)，因此激光熔覆技術(shù)應(yīng)用前景十分廣闊。

從當(dāng)前激光熔覆的應(yīng)用情況來(lái)看，其主要應(yīng)用于三個(gè)方面：一，對(duì)材料的表面改性，如燃汽輪機(jī)葉片，軋輥，齒輪等；二，對(duì)產(chǎn)品的表面修復(fù)，如轉(zhuǎn)子，模具等。有關(guān)資料表明，修復(fù)后的部件強(qiáng)度可達(dá)到原強(qiáng)度的90%以上，其修復(fù)費(fèi)用不到重置價(jià)格的1/5，更重要的是縮短了維修時(shí)間，解決了大型企業(yè)重大成套設(shè)備連續(xù)可靠運(yùn)行所必須解決的轉(zhuǎn)動(dòng)部件快速搶修難題。另外，對(duì)關(guān)鍵部件表面通過(guò)激光熔覆超耐磨抗蝕合金，可以在零部件表面不變形的情況下大大提高零部件的使用壽命；對(duì)模具表面進(jìn)行激光熔覆處理，不僅提高模具強(qiáng)度，還可以降低2/3的制造成本，縮短4/5的制造周期。三，快速原型制造。利用金屬粉末的逐層燒結(jié)疊加，快速制造出模型。利用激光熔敷技術(shù)快速制造零件的技術(shù)，又稱(chēng)作LENS (Laser Engineered Net Shaping) 、DLF (Direct Laser Fabrication) 、DMD (Direct Metal Deposition)、LC (Laser Consolidation) 等。

熔覆材料：目前應(yīng)用廣泛的激光熔覆材料主要有：鎳基、鈷基、鐵基合金、碳化鎢復(fù)合材料，陶瓷等材料。其中，又以鎳基材料應(yīng)用***多，與鈷基材料相比，其價(jià)格便宜。

工藝設(shè)備原理

熔覆工藝：激光熔覆按熔覆材料的供給方式大概可分為兩大類(lèi)，即預(yù)置式激光熔覆和同步式激光熔覆。

預(yù)置式激光熔覆是將熔覆材料事先置于基材表面的熔覆部位，然后采用激光束輻照掃描熔化，熔覆材料以粉、絲、板的形式加入，其中以粉末的形式***為常用。

同步式激光熔覆則是將熔覆材料直接送入激光束中，使供料和熔覆同時(shí)完成。熔覆材料主要也是以粉末的形式送入，有的也采用線材或板材進(jìn)行同步送料。

預(yù)置式激光熔覆的主要工藝流程為：基材熔覆表面預(yù)處理---預(yù)置熔覆材料---預(yù)熱---激光熔化---后熱處理。

同步式激光熔覆的主要工藝流程為：基材熔覆表面預(yù)處理---送料激光熔化---后熱處理。

按工藝流程，與激光熔覆相關(guān)的工藝主要是基材表面預(yù)處理方法、熔覆材料的供料方法、預(yù)熱和后熱處理。

激光器工作原理：

激光熔覆成套設(shè)備組成：激光器、冷卻機(jī)組、送粉機(jī)構(gòu)、加工工作臺(tái)等。

激光器的選用：應(yīng)用廣泛的有CO2激光器，固體激光器。

CO2激光器是應(yīng)用***廣、種類(lèi)***多的一種激光器，在汽車(chē)工業(yè)、鋼鐵工業(yè)、造船工業(yè)、航空及宇航業(yè)、電機(jī)工業(yè)、機(jī)械工業(yè)、冶金工業(yè)、金屬加工等領(lǐng)域廣泛應(yīng)用。約占全球工業(yè)激光器銷(xiāo)售額40%，北美更高達(dá)70%。

1.功率高。CO2激光器是目前輸出功率達(dá)到******區(qū)的激光器之一，其***大連續(xù)輸出功率可達(dá)幾十萬(wàn)瓦

2.效率高。光電轉(zhuǎn)換率可達(dá)30%以上，比其它加工用激光器的效率高得多。

3.光束質(zhì)量高。模式好，相干性好，線寬窄，工作穩(wěn)定。

傳統(tǒng)的固體激光器通常采用高功率氣體放電燈泵浦，其泵浦效率約為3%到6%。泵浦燈發(fā)射出的大量能量轉(zhuǎn)化為熱能，不僅造成固體激光器需采用笨重的冷卻系統(tǒng)，而且大量熱能會(huì)造成工作物質(zhì)不可消除的熱透鏡效應(yīng)，使光束質(zhì)量變差。加之泵浦燈的壽命約為400小時(shí)，操作人員需花很多時(shí)間頻繁地?fù)Q燈，中斷系統(tǒng)工作，使自動(dòng)化生產(chǎn)線的效率大大降低。與傳統(tǒng)燈泵浦激光器比較，固體激光器(光纖激光器、碟片激光器、二極管激光器）具有以下優(yōu)點(diǎn)：

(1) 轉(zhuǎn)換效率高：由于半導(dǎo)體激光的發(fā)射波長(zhǎng)與固體激光工作物質(zhì)的吸收峰相吻合， 加之泵浦光模式可以很好地與激光振蕩模式相匹配，從而光光轉(zhuǎn)換效率很高，已達(dá)50%以上，整機(jī)效率也可以與二氧化碳激光器相當(dāng)，比燈泵固體激光器高出一個(gè)量級(jí)，因而二極管泵浦激光器體積小、重量輕，結(jié)構(gòu)緊湊。

(2) 性能可靠、壽命長(zhǎng)：激光二極管的壽命大大長(zhǎng)于閃光燈，達(dá) 15000小時(shí)，泵浦光的能量穩(wěn)定性好，比閃光燈泵浦優(yōu)一個(gè)數(shù)量級(jí)，性能可靠，為全固化器件，是***今為止***無(wú)需維護(hù)的激光器，尤其適用于大規(guī)模生產(chǎn)線。

(3) 輸出光束質(zhì)量好：由于二極管泵浦激光的高轉(zhuǎn)換效率，減少了激光工作物質(zhì)的熱透鏡效應(yīng)， 大 大改善了激光器的輸出光束質(zhì)量，激光光束質(zhì)量已接近極限。

（4）速度快、深度大、無(wú)變形、熔覆層無(wú)夾渣、熔池細(xì)膩無(wú)氣孔。

（5）可以在室溫或者特殊的條件下進(jìn)行工作，比如激光經(jīng)過(guò)磁場(chǎng)之后光束不會(huì)發(fā)生偏轉(zhuǎn)嗎，在真空情況下都能夠進(jìn)行使用，通過(guò)玻璃和透明的材料進(jìn)行熔覆。

（6）可進(jìn)行薄壁激光熔覆，基體無(wú)變形。

但如果熔覆的材料，包括粉末和母材，為高反射材料，則光纖激光器、二極管激光器由于其自身設(shè)計(jì)的特點(diǎn)，就顯得不太適合了，而碟片激光器則比較適合焊接（包括熔覆）、切割反射率比較高的材料。

激光熔敷缺點(diǎn)

 ①激光熔覆層的冶金質(zhì)量。涂層材料與基材材料兩者理想結(jié)合應(yīng)是在界面上形成致密的、低稀釋度的、較窄的交互擴(kuò)散帶。而這一冶金結(jié)合除與激光加工工藝及熔覆層的厚度有關(guān)外，主要取決于熔覆合金與基材材料的性質(zhì)。良好的潤(rùn)濕性和自熔性可以獲得理想的冶金結(jié)合。但是，熔覆層合金與基材材料的熔點(diǎn)差異過(guò)大，則形成不了良好的冶金結(jié)合。熔覆層合金熔點(diǎn)過(guò)高，熔覆層熔化小，表面光潔度下降，且基材表層過(guò)燒嚴(yán)重污染覆層；反之，涂層過(guò)燒，合金元素蒸發(fā)，收縮率增加，破壞了覆層的組織與性能。同時(shí)基材難熔，界面張力增大，涂層與基材間難免產(chǎn)生孔洞和夾雜。在激光熔覆過(guò)程中，在滿足冶金結(jié)合時(shí)，應(yīng)盡可能地減少稀釋率，研究表明，對(duì)于不同的基材材料與搜層合金化時(shí)所能得到的***低稀釋率并不相同，一般認(rèn)為，稀釋率保持在5%以下為宜。

   ②氣孔。在激光熔覆層中氣孔也是一種非常有害的缺陷，它不僅易成為熔覆層中的裂紋源，并且對(duì)要求氣密性很高的熔覆層也危害極大，另外它也將直接影響熔覆層的耐磨、耐蝕性能。它產(chǎn)生的原因主要是，涂層粉末在激光熔覆以前氧化、受潮或有的元素在高溫下發(fā)生氧化反應(yīng)，在熔覆過(guò)程中就會(huì)產(chǎn)生氣體。再者由子激光處理是一個(gè)快速熔化和凝固過(guò)程，產(chǎn)生的氣體如果來(lái)不及排出，就會(huì)在涂層中形成氣孔。此外還有多道搭接熔覆中的搭接孔洞、熔覆層凝固收縮時(shí)帶來(lái)的凝固孔洞以及熔覆過(guò)程中某些物質(zhì)燕發(fā)帶來(lái)的氣泡。

   一般說(shuō)來(lái),激光熔覆層中的氣孔是難以避免的，但與熱噴涂涂層相比，激光熔覆層的氣孔明顯減少。在激光熔覆過(guò)程中可以采用一些措施加以控制，常用的方法是嚴(yán)格防止合金粉末儲(chǔ)運(yùn)中的氧化，在使用前要烘干去濕及激光熔覆時(shí)要采取防氧化的保護(hù)措施，根據(jù)試驗(yàn)，選擇合理的激光熔覆工藝參數(shù)等。

   ③激光熔覆過(guò)程中成分及組織不均勻。在激光熔覆過(guò)程中往往會(huì)產(chǎn)生成分不均勻，即所謂成分偏析以及由此帶來(lái)的組織不均勻。產(chǎn)生成分偏析的原因很多。首先，在激光熔覆加熱時(shí)，其加熱速度極快從而會(huì)帶來(lái)從基材到熔覆層方向上的極大的溫度梯度。這一梯度的存在必然導(dǎo)致冷卻時(shí)熔覆層的定向先后凝固，根據(jù)金屬學(xué)知識(shí)可知先后凝固的熔覆層中必然成分不同。加之凝固后冷卻速度也極快，元素來(lái)不及均勻化熱擴(kuò)散，從而導(dǎo)致成分不均勻即所謂成分偏析的出現(xiàn)。同時(shí)自然也就引起了組織的不均勻以及熔覆層性能的損害。這種成分偏析在激光熔覆中目前尚無(wú)法解決。其次，是由于熔池的對(duì)流而帶來(lái)的成分偏析。由于激光輻射能量的分布不均，熔覆時(shí)必然要引起熔池對(duì)流，這種熔池對(duì)流往往造成覆層中合金元素宏觀均勻化，因?yàn)槿鬯形镔|(zhì)的傳輸主要靠液體流動(dòng)(即對(duì)流)來(lái)實(shí)現(xiàn)，同時(shí)熔池對(duì)流也將帶來(lái)成分的徽觀偏析。另外，由于合金的性質(zhì)，如黏度、表面張力及合金元素間的相互作用都將對(duì)熔池的對(duì)流產(chǎn)生影響，故它們也必將對(duì)成分偏析造成影響。要完全消除激光熔覆中成分偏析是不可能的。但可以通過(guò)調(diào)整激光與熔覆金屬的相互作用時(shí)間或者調(diào)整激光束類(lèi)型改變?nèi)鄢卣w對(duì)流為多徽區(qū)對(duì)流等改變工藝參數(shù)的手段來(lái)達(dá)到適當(dāng)抑制激光熔覆層的成分偏析，以便得到組織較為均勻的熔覆層，以滿足設(shè)計(jì)的覆層性能。在多道搭接熔覆時(shí)，由于搭接區(qū)冷卻速率以及被搭接處有非均質(zhì)結(jié)晶形核，搭接區(qū)出現(xiàn)與非搭接區(qū)不同的組織結(jié)構(gòu)，從而使多道搭接激光熔覆中組織不均勻。

   ④開(kāi)裂及裂紋。激光熔覆技術(shù)自誕生以來(lái)，總的來(lái)講未能使其得以真正推廣應(yīng)用。這主要因?yàn)榧す馊鄹仓写嬖诘?**為棘手的問(wèn)題是熔覆層的裂紋與開(kāi)裂，并在很大程度上***了這一技術(shù)的應(yīng)用范圍。激光熔覆裂紋產(chǎn)生的主要原因是由于激光熔覆材料和基材材料在物理性能上存在差異，加之高能密度激光束的快速加熱和急冷作用，使熔覆層中產(chǎn)生極大的熱應(yīng)力。通常情況下，激光熔覆層的熱應(yīng)力為拉應(yīng)力，當(dāng)局部拉應(yīng)力超過(guò)涂層材料的強(qiáng)度極限時(shí)，就會(huì)產(chǎn)生裂紋，由子激光熔覆層的枝晶界、氣孔、夾雜處強(qiáng)度較低且易子產(chǎn)生應(yīng)力集中，裂紋往往在這些地方產(chǎn)生。在激光熔覆材料方面，可以在熔覆層中加人低熔點(diǎn)的合金材料，這些都可以減緩?fù)繉又械膽?yīng)力集中，降低開(kāi)裂傾向。在激光熔覆層中嘗試加人適盆的稀土，可以增加涂層韌性，使激光熔覆過(guò)程中熔覆層裂紋明顯減少。這些措施雖然能解決一些問(wèn)題，但還不能很好地解決鈦合金熔覆的開(kāi)裂、氣孔和夾雜，因此開(kāi)發(fā)研制適合鈦合金熔覆的材料是很有必要的。在激光熔覆工藝方面，為了獲得高質(zhì)量的熔層，可進(jìn)一步開(kāi)發(fā)新型的激光熔覆技術(shù)，如梯度涂覆采用硬質(zhì)相含量漸變涂覆的方法，可獲得熔層內(nèi)硬質(zhì)相含量連續(xù)變化且無(wú)裂紋的梯度熔層，此外涂層前后進(jìn)行合適的熱處理等如采用預(yù)熱和激光重熔的方法，也能有效防止熔覆層中裂紋和孔洞的產(chǎn)生。

   此外，在激光熔覆過(guò)程中，工藝不規(guī)范?？芍貜?fù)性差，盡管激光熔覆工藝日趨成熟，但也存在一些問(wèn)題，往往各個(gè)研究者之間的結(jié)果存在著較大的差異，工藝穩(wěn)定性與重現(xiàn)性不能令人滿意，因此，有必要研究更為合理的評(píng)價(jià)參數(shù)，并制定相應(yīng)的工藝標(biāo)準(zhǔn)。