谢玉萍，师文庆，黄江，李思东，安芬菊，李永强

（1.广东海洋大学电子与信息学院，广东湛江524088；2.广东海洋大学化学与环境学院，广东湛江524088；3广东海洋大学机械与动力工程学院，广东湛江524088）

激光熔覆技术研究现状及应用

谢玉萍1，师文庆1，黄江1，李思东2，安芬菊3，李永强1

（1.广东海洋大学电子与信息学院，广东湛江524088；2.广东海洋大学化学与环境学院，广东湛江524088；3广东海洋大学机械与动力工程学院，广东湛江524088）

在论述激光熔覆技术的原理、特点及所采用的主要材料的基础上，重点综述了激光熔覆技术的国内外研究与应用现状，指出了激光熔覆技术亟待解决的问题和进一步研究的方向。

激光；熔覆；研究现状

激光熔覆（Laser Cladding）技术是激光加工技术中一个重要的工艺方法，该技术解决了振动焊、氩弧焊、喷涂、镀层等传统工艺方法无法解决的选材局限性、工艺过程的热应力、热变形、基体材料结合强度难以保证等问题。激光熔覆技术是对基础材料进行表面改性或者修复的技术，该技术方法不仅满足于基础材料的特定性能需求，而且又能节约大量的贵重金属。近年来，激光熔覆技术越来越受到国内外的重视，已成功应用于船舶、电力、冶金、石化、机械、汽车、模具、五金等行业。

1 激光熔覆原理

1.1 激光熔覆技术概念与特点

激光熔覆技术的主要特点是以激光为作用热源，采用不同方式在被熔覆的基体靶材上添料特定的熔覆材料，经过激光热源的照射，使基体与表面熔覆层一起熔化，冷却凝固后形成冶金结合的表面涂层，从而改善基体材料表面，使之具有耐磨损、耐腐蚀、耐高温、抗氧化等特殊应用性能。

激光熔覆技术与其他表面强化技术（如电刷镀、堆焊、热喷涂）相比较（见表1），具有：①冷却速度快（高达105~106 K/s）；②热源输入小，不易变形，涂层稀释率低（一般小于5%）；③合金粉末几乎没有任何限制；④熔覆层的厚度范围大；⑤可进行选区熔覆，材料消耗少；⑥光束可对复杂和难接近的区域进行激光熔覆等优异的特点。

表1 常见表面改性技术及其特点

1.2 激光熔覆的作用机理

激光熔覆实质并非将基体表面熔覆金属作为溶剂，而是熔覆合金粉末使其成为基体材料的主体合金，同时基体材料也会熔化一薄层，形成冶金。该技术的整个过程实际上是激光与粉末、激光与基体、粉末与基体实现相互作用的优异结果。图1所示为激光熔覆原理图。

图1 激光熔覆原理示意图

（1）激光与粉末相互作用。激光光束作用于粉末时，粉末会吸收一部分热源的能量，而到达基体材料时能量会损失，粉末受热源的作用，在形成金属熔池之前，其形态会依据吸收能量多少，存在熔化态、半熔化态以及未熔化态三种。

（2）激光与基体相互作用。激光与粉末作用之后的能量，改热量会使基体材料熔化并产生熔池，该能量既决定了基体熔化深度，也对熔覆层的稀释产生影响。

（3）粉末与基体相互作用。合金粉末在经喷口出送粉之后受外界因素的影响会发散，导致一部分粉末未进入金属熔池，而是被飞溅到未熔区域的基体上，影响粉末的利用率以及熔覆层的质量。

1.3 激光熔覆材料

熔覆材料可分为粉末状、膏状、丝状、棒状和薄板状，其中粉末材料应用最广泛的是。在工业以及海洋工程应用中，绝大多数选用金属粉末，而在金属粉末中自熔性合金粉末的研究与应用最多[1]。

激光熔覆技术中人们最先最为常用的熔覆材料为Ni基、Co基、不锈钢基和Fe基等自熔性合金粉末[2-3]。表2为常用几种合金粉末的特点。熔覆层的性能主要取决于粉末体系的选择，因此，选择合理的粉末应该遵循以下几点原则[4]：

（1）根据性能需求进行熔覆层材料的选择，比如耐高温、耐磨损、耐腐蚀等性能。

（2）激光熔覆一般会选择同步送粉法，熔覆层材料最好选择流动性较好的粉末。

（3）熔覆层粉末要有一定的干燥性，使其具有较好的流动性。

（4）熔覆层粉末的熔点不能太高，高熔点粉末很难控制其熔覆层的稀释率，进而会使熔覆层的性能变差。

（5）涂覆层粉末的热导性、热膨胀系数等最好接近于基体材料，性能差异带来的残余应力会影响熔覆层的质量。

表2 几种自熔性合金粉末特点

2 激光熔覆的研究现状

2.1 国内研究现状

我国激光熔覆技术的工艺研究始于上世纪90年代初期，该研究内容的主要内容集中在以下几个方面：

（1）激光熔覆技术的工艺参数

北京航空航天大学的王华明通过研究激光不同扫描速度对熔覆质量的影响，指出扫描速度对熔覆层的显微组织、显微硬度以及熔覆层厚度都有关[5]；清华大学、哈尔滨工业大学、北京工业大学、华中科技大学等单位都通过工艺参数对熔覆质量的优化进行了详细的研究。

（2）激光熔覆材料的制备及性能研究

①Ni合金熔覆材料：王华明教授还对Ti2Ni3Si/ Ni3Ti熔覆层的硬度、耐磨性和耐蚀性[6]等做了研究。吴宏亮[7]利用CO2激光器在TA2钛合金表面熔覆Ni基合金，相比较熔覆层的硬度比原基体本身提高了4倍。

②钴基合金粉。Liu[8]利用5000W的CO2激光器在TA15钛合金表面熔覆KF-Co50钴基合金粉末，试验结果表明熔覆层磨损率约为钛合金的8.3%，熔覆层的显微硬度相比于基体提高了约2倍。

③Fe基合金粉末。谭文等[9]研制出一种Fe-CSi-B（成本低、性能优异）的合金粉末，与普通Ni基对比，其润湿性更佳。

2.2 国外研究现状

国外对于激光熔覆技术的研究于上世纪80年代开始，比我国早十年。其主要研究内容包括：激光熔覆材料的制备及性能研究。

Anandkumar[10]在UNS A03560铸造Al合金基底上激光熔覆混合物Al-12wt%Si合金和SiC的粉末，研究了反应过程中激光熔覆层与其机械-微观结构的关系。瑞士S.Nieder hauser，B.Karlsson等，研究了钢上熔覆Co-Cr，实验结果表明，提高了其熔覆层的表面硬度、拉伸强度、使用寿命等性能[11]。荷兰格罗宁根大学V.Oce-lik，D.Mat thews and J.Th.M，利用激光熔覆TiB2/Ti-6A1-4V，SiC/Al-8Si，WC/Ti-6Al-4V等材料。研究表明，其提高了熔覆层表面的摩擦性能[12]。德国A.Bakkar，R.Galun等，在AS41-Mg上熔覆Al-12Si合金层，并研究了其显微组织和防腐特性[13]。Song等[14]利用Fe/SiC纳米复合材料对比纯铁试样，其拉伸强度高出753 MPa.Majumdar等[15]利用激光熔覆技术在316L不锈钢粉末中掺杂了20%和5%的SiC颗粒，其熔覆层的表面硬度和抗磨性都得到了显著提高。他们还[16]研究了在低碳钢表面上涂覆85%Fe+15%SiC和95%Fe+5%SiC的梯度层，其提高了耐磨性和耐蚀性。

3 激光熔覆技术的应用

目前激光熔覆技术在工业、航空以及海洋工程方面都有广泛的应用，综合来说体现在“对材料的表面改性”和“对产品的表面修复”两个方面。前者的优势是可以大大提高零部件的使用寿命、降低成本、缩短制造周期；后者可保证修复后强度可达原件的90%以上，节省重置资金，并且可解决企业成套设备连续运行所必须解决的转动部件快速抢修难题。随着激光熔覆技术的发展，该技术在工业、汽车等各个领域的应用越来越广泛。

（1）机械工业中的应用

机械工业中轴承、曲轴、转子、丝杠等这些配件在运行工作过程中易受到磨损，磨损后会导致整个机床的走位和震动，直接影响数控机床零件的加工。

针对工业配件的修复问题，各学者们也一直在探索研究中，例如刘永刚[17]采用激光熔覆技术修复压缩机转子轴。邹辉[18]利用激光熔覆技术在进口风机齿轮轴修复中得以应用，并利用该技术在新辊或失效辊表面制备了无气孔裂纹、厚度大于0.4 mm的耐磨熔覆层。

另外激光表面熔覆技术的表面改性技术也已广泛地应用在模具的表面性能强化和修复中。闫忠琳[19]等通过对玻璃模具的激光熔覆处理，使得模具总使用时间提高了10倍。而为了提高冲压模具的硬度、耐磨性以及耐腐蚀等特性，马向东[20]等研究了4 mm厚的Q235板材结构件的冲裁车，利用激光熔覆的修复技术对Cr12冲裁模具进行了修复。

（2）航空中的应用

目前国内航空业，仍然依赖于国外进口，飞机的后期维修以及部分关键零部件都需要花费昂贵资金从国外采购。为此，采用激光熔覆技术针对民航各种零部件的修复具有很高的经济价值。

美国AeroMet公司通过激光熔覆成型Ti-6A1-4V并具有高强度、耐热、耐疲劳和耐腐蚀的钛合金零部件，且已经在实际飞行中得以使用，其中F-22上的全尺寸接头提高了两倍疲劳寿命、F/A-18E/F的翼根吊环提高了四倍；降落用的连接杆也通过了试飞要求，其超出寿命要求的30%[21].通过激光熔覆工艺制造的零件，可以降低库存和减少制造时间，解决传统零件制造工艺产品制造周期长、生产周期长等难以克服的缺点。

（3）海洋工程中的应用

在海洋特殊环境下，经常处于海水环境的船舶上的泵，阀门、紧固杆等必须具有高防腐性。目前最常用的防腐基体材料是不锈钢和铜，虽然具有耐腐蚀性，但是长期浸没在海水里也会形成一些点腐蚀、缝隙腐蚀等局部腐蚀，局部腐蚀严重时就会发展成为溃疡腐蚀，因此海洋工程材料的防腐是科研工作者一直研究的方向。

应用激光熔覆的表面改性技术可使常用的基体材料具有高耐腐蚀性。例如：Tsai等[22]通过激光表面熔覆技术，在铁素体和奥氏体上熔覆一层硅氮化物，从而得到表面含有Si、N元素的不锈钢。Kwok等[23]利用激光熔覆技术在UNSS31603奥氏体上熔覆一层0.15 mm厚的NiCrSiB合金粉末，并对其表面的熔覆层进行了点蚀性能的研究。

此外，激光熔覆还可以应用于钢铁冶金、油田、工程机械等其他行业。随着“中国制造2025”规划的不断推进及发展，激光熔覆技术的应用也必将给工业生产带来巨大的经济效益。

4 激光熔覆技术存在的问题及发展趋势

虽然激光熔覆技术已经应用到各行各业，但是目前衡量激光熔覆层质量优劣还没有明确的标准。研究者一般从宏观和微观两方面评判：宏观上一般为熔覆层的形状、表面平整度、裂纹、气孔等；微观上一般主要考察是否形成良好的组织、稀释度、使用性能等。

4.1 当前激光熔覆技术面临的问题

（1）目前激光熔覆技术还未能产业化的最主要的原因是熔覆层表面的不稳定性。由于熔覆的合金材料和基体材料存在物理性能以及机械性能的较大差异，使得熔覆层产生气孔、裂纹、应力、形变以及表面不平整度等缺陷。

（2）激光熔覆技术的自动化控制和熔覆质量得检测还不够成熟。

（3）激光熔覆层的开裂敏感性，不仅困扰许多研究学者，也影响了其在工程应用及产业化方面的发展，尤其是金属陶瓷复合熔覆，在其微裂纹方面的控制和实施中还不够成熟。

4.2 激光熔覆技术的发展前景

激光熔覆技术是可以在廉价基体上制备出优异性能合金的一种高经济效益技术，既可以降低成本，又能节约稀有材料。

目前我国激光熔覆技术已取得了阶段性的研究成果，但仍处于工业化应用的起步阶段，所以今后还要不断突破各技术难点：

（1）激光熔覆技术基础理论的系统研究，例如热力学、动力模型的建立和数值模拟等。

（2）熔覆材料（成分、组织、性能）的设计和开发，特别是涉及非晶相、纳米技术等先进材料的研发。

（3）熔覆层与基体过渡层之间的成分、组织、梯度性能的研发。

（4）激光熔覆层质量的控制、分析、各显微表征，以及不同工艺环境下熔覆层的机械性能表征。

（5）大面积高效熔覆技术，通过激光器及其光学系统的设计，实现大面积且高效率的激光熔覆技术。

5 结束语

目前我国激光熔覆技术还尚未达到市场需求，对实现工业化应用还需要逐一解决各关键问题。随着国家对制造业的重视和2025年的发展规划，相信在不久的将来激光熔覆技术会给世界带来一次真正的市场改革。

[1]李春彦，张松，康煜平，等.综述激光熔覆材料的若干问题[J].激光杂志，2002，23（3）：5.

[2]董世运，马运哲，徐滨士，等.激光熔覆材料研究现状[J].材料导报，2006，20（6）：5-9.

[3]Man H C，Zhang S，Cheng F T，et al.In-situ formation of a Ti N/Ti metal matrix composite gradient coating on Ni Ti by laser cladding and nitriding[J].Surface and Coatings Tech nology，2006，200（16/17）：4961-4966.

[4]王璐.激光熔覆制备耐磨抗蚀镍基涂层和不锈钢涂层的研究[D].武汉：华中科技大学，2014.

[5]刘秀波，王华明.TiAl合金激光熔覆复合材料涂层耐磨性研究[J].材料热处理学报，2006，27（1）：87-91.

[6]H.M.Wang，H.B.Tang，L.X.Cai，etal.Micros-tructure and wear properties of laser clad Ti2Ni3Si/Ni3Ti multiphase in termetallic coatings[J].Applied Physics A：Materials Science and Processing，2005，80（8）：1677-1682.

[7]吴宏亮，王文先，崔泽琴，等.TA2钛合金表面激光熔覆Ni60涂层的研究[J].热加工工艺，2010，39（12）：140-143.

[8]Liu Shasha，Wang Yuhang，Zhang Weiping.Microstructure and wear resistance of laser clad cobat-based composite coat ing on TA15 surface[J].Rare Metal Materials and Engineer ing，2014，43（5）：1041-1046.

[9]谭文，刘文今.激光熔覆Fe-C-Si-B的研究[J].金属热处理，2000（1）：15

[10]Anandkumar，R.，Almeida，A.Microstruc-ture and wear studies of laser clad Al-Si/SiC（p）composite coatings[J].Surf. Coat.Technol，2007（201）：9497–9505.

[11]S.Niederhauser，B.Karlsson.Mechanical pro-perties of laser cladded steel[J].Materials Science and Technology，2003，19（11）：1611-1616.

[12]V.Ocelik，D.Matthews，J.Th.M.De Hosson.Sliding wear resistance of metal matrix composite layers prepared by high power laser[J].Surface and Coatings Technology，2005，197（2-3）：303-315.

[13]Bakkar，R.Galun，V.Neubert.Microstructural characteriza tion and corrosion behaviour of laser cladded AI-12Si alloy onto magnesium AS41/carb-on fibre composit[J].Material Science and techno-logy，2006，22（3）：353-362.

[14]Bo Song，Shujuan Dong，Christian Coddet.Rapid in situ fabrication of Fe/Si C bulk nanocom-posites by selective laser melting directly from a mixed powder of microsized Fe and Si C[J].Scrip-ta Materialia，2014（75）：90-93.

[15]Jyotsna Dutta Majumdar，Ajeet Kumar，Lin Li.Direct laser cladding of Si C dispersed AISI 316 L stainless steel[J].Tri bology International，2009（42）：750-753.

[16]J Dutta Majumdar，B Ramesh Chandra，A K Nath，et al. Studies on compositionally graded silic-on carbide dispersed composite surface on mild steel developed by laser surface cladding[J].Jour-nal of Materials Processing Tech，2008（203）：505-512.

[17]刘永刚.激光熔覆技术在压缩机组转子维修中的应[J].氮肥技术，2007，28（6）：10-11.

[18]邹辉.激光熔覆技术在进口SO2风机齿轮轴修复中的应用[J].硫酸工业，2006（4）：40-41.

[19]闫忠琳，叶宏.激光熔覆技术及其在模具中的应用[J].激光杂志，2006，27（2）：73-74.

[20]马向东，雷雨，刘睿.激光熔覆合金技术在模具修复中的应用[J].润滑与密封，2010，35（11）：98-101.

[21]刘珍峰，李正佳.激光熔覆技术在航空工业中的应用[J].航空精密制造技术，2007，43（1）：37-40.

[22]Wen-Ta Tsai.Laser Cladded Nitrogen Contain-ing Alloys and Their Electrochemical Behavior[J].Molecular Physics，2008，21（5）：68-70.

[23]Kwok C T，Cheng F T，Man H C.Laser surface modification of UNS 531603 stain-less steel.Part Q：Cavitation erosion characteristics[J].Mater Sci Eng A，2000，15（1-2）：74.

Laser Cladding Technology Research Status and Applications

XIE Yu-ping1，SHI Wen-qing1，HUANG Jiang1，LI Si-dong2，AN Fen-ju3，LI Yong-qiang1
（1.College of Electronics&Information Engineering，Guangdong Ocean University，Zhanjiang Guangdong 524088，China；2.College of Chemistry and Environment，Guangdong Ocean University，Zhanjiang Guangdong 524088，China；3.School of Mechanical and Power Engineering，Guangdong Ocean University，Zhanjiang Guangdong 524088，China）

Based on the principle，characteristics and the main materials of laser cladding technology，reviewed the research and application of laser cladding technology，laser cladding technology has pointed out the problems and the direction of further study.

laser；cladding；the research status.

TG174.44

A

1672-545X（2017）06-0050-04

2017-03-03

项目资助：广东海洋大学高校重大科研项目培育计划资助（项目编号：GDOU2014050231）；广东海洋大学创新强校工程项目（项目编号：GDOU2017052504）

谢玉萍（1989-），女，山东临沂人，研究生，助理实验师，研究方向：激光加工技术。