1基本信息

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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)，又稱作LENS (Laser Engineered Net Shaping) 、DLF (Direct Laser Fabrication) 、DMD (Direct Metal Deposition)、LC (Laser Consolidation) 等^[1]。

熔覆材料：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)用最多，與鈷基材料相比，其價(jià)格便宜。

2工藝設(shè)備原理

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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，其中以粉末的形式最為常用。

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)用最廣、種類(lèi)最多的一種激光器，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激光器是輸出功率達(dá)到最高級(jí)區(qū)的激光器之一，其最大連續(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，是至今為止唯一無(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。

3工藝參數(shù)

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激光熔覆的工藝參數(shù)主要有激光功率、光斑直徑、熔覆速度、離焦量、送粉速度、掃描速度、預(yù)熱溫度等。這些參數(shù)對(duì)熔覆層的稀釋率、裂紋、表面粗糙度以及熔覆零件的致密性等有很大影響。各參數(shù)之間也相互影響，是一個(gè)非常復(fù)雜的過(guò)程，須采用合理的控制方法將這些參數(shù)控制在激光熔覆工藝允許的范圍內(nèi)。^[2]

激光熔覆有3個(gè)重要的工藝參數(shù)

激光功率

激光功率越大，融化的熔覆金屬量越多，產(chǎn)生氣孔的概率越大。隨著激光功率增加，熔覆層深度增加，周?chē)?a class="ed_inner_link" target="_blank" style="color: rgb(51, 102, 204); text-decoration-line: none;">液體金屬劇烈波動(dòng)，動(dòng)態(tài)凝固結(jié)晶，使氣孔數(shù)量逐漸減少甚至得以消除，裂紋也逐漸減少。當(dāng)熔覆層深度達(dá)到極限深度后，隨著功率提高，基體表面溫度升高，變形和開(kāi)裂現(xiàn)象加劇，激光功率過(guò)小，僅表面涂層融化，基體未熔，此時(shí)熔覆層表面出現(xiàn)局部起球、空洞等，達(dá)不到表面熔覆目的。^[2]

光斑直徑

激光束一般為圓形。熔覆層寬度主要取決于激光束的光斑直徑，光斑直徑增加，熔覆層變寬。光斑尺寸不同會(huì)引起熔覆層表面能量分布變化，所獲得的熔覆層形貌和組織性能有較大差別。一般來(lái)說(shuō)，在小尺寸光斑下，熔覆層質(zhì)量較好，隨著光斑尺寸增大，熔覆層質(zhì)量下降。但光斑直徑過(guò)小，不利于獲得大面積的熔覆層。^[2]

熔覆速度

熔覆速度V與激光功率P有相似的影響。熔覆速度過(guò)高，合金粉末不能完全融化，未起到優(yōu)質(zhì)熔覆的效果；熔覆速度太低，熔池存在時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，粉末過(guò)燒，合金元素?fù)p失，同時(shí)基體的熱輸入量大，會(huì)增加變形量。

激光熔覆參數(shù)不是獨(dú)立的影響熔覆層宏觀和微觀質(zhì)量，而是相互影響的。為了說(shuō)明激光功率P、光斑直徑D和熔覆速度V三者的綜合作用，提出了比能量Es的概念，即：

Es=P/(DV)

即單位面積的輻照能量，可將激光功率密度和熔覆速度等因素綜合在一起考慮。

比能量減小有利于降低稀釋率，同時(shí)與熔覆層厚度也有一定的關(guān)系。在激光功率一定的條件下，熔覆層稀釋率隨光斑直徑增大而減小，當(dāng)熔覆速度和光斑直徑一定時(shí)，熔覆層稀釋率隨激光束功率增大而增大。另外，隨著熔覆速度的增加，基體的融化深度下降，基體材料對(duì)熔覆層的稀釋率下降。

在多道激光熔覆中，搭接率是影響熔覆層表面粗糙度的主要因素，搭接率提高，熔覆層表面粗糙度降低，但搭接部分的均勻性很難得到保證。熔覆道之間相互搭接區(qū)域的深度與熔覆道正中的深度有所不同，從而影響了整個(gè)熔覆層的均勻性。而且多道搭接熔覆的殘余拉應(yīng)力會(huì)疊加，使局部總應(yīng)力值增大，增大了熔覆層裂紋的敏感性。預(yù)熱和回火能降低熔覆層的裂紋傾向。^[2]

4.預(yù)置式和送粉式

參考資料：

1.周健忠，劉會(huì)霞.激光快速制造技術(shù)及應(yīng)用.化學(xué)工業(yè)出版社.2009. 

2.李亞江，李嘉寧.激光焊接/切割/熔覆技術(shù).超越激光.化學(xué)工業(yè)出版社.2012.

                                                                                                                                                （來(lái)源：搜狗百科）