激光熔覆技术是利用高能激光束辐照，通过迅速熔化、扩展和凝固，在基材表面熔覆一层具有特殊物理、化学或力学性能的材料，构成一种不同于基材的新材料，以弥补基体所缺少的高性能。可根据工件的性能要求，熔覆各种成分的合金、金属基复合材料等，制备耐热、耐蚀、耐磨、减摩、抗氧化和无磁等特性的表面覆层，使材料具有常规处理所不具有的组织与性能。

目前激光熔覆3D打印出的零件还有些缺点， 比如质量稳定性较差，达不到用户要求的精度和粗糙度，要对零件进一步加工才行，所以这种技术的局限性导致它没能更好地应用于生产中。

零件质量稳定性较差的原因有：在制作零件的过程中，一些工艺参数会波动，结果在零件某些地方形成的熔覆带的形状和大小不符合预期；当熔覆进行时还会扩大已形成的缺陷，使突起的地方更突，陷下的地方更陷，厚的地方更厚，薄的地方更薄。这样零件粗糙度和精度均不符合预期，最严重的是导致零件不能成型。

激光熔覆是指以不同的添料方式在被熔覆基体表面上放置被选择的涂层材料经激光辐照使之和基体表面一薄层同时熔化，并快速凝固后形成稀释度极低，与基体成冶金结合的表面涂层，显著改善基层表面的耐磨、耐蚀、耐热、抗氧化及电气特性的工艺方法，从而达到表面改性或修复的目的，既满足了对材料表面特定性能的要求，又节约了大量的贵重元素。

与堆焊、喷涂、电镀和气相沉积相比，激光熔覆具有稀释度小、组织致密、涂层与基体结合好、适合熔覆材料多、粒度及含量变化大等特点，因此激光熔覆技术应用前景十分广阔。

激光熔覆按照送料方式（粉末或焊丝）的不同，可以分为送粉激光熔覆和送丝激光熔覆。

激光熔覆的应用范围非常广，几乎可以覆盖整个机械制造业，包括但不限于矿山、石油、电力、铁路、汽车、船舶等：

电力设备分布量大、不间断运转，其零部件的损坏机率高。汽轮机是火力发电的核心设备，由于高温高热特殊的工作条件，每年都需定期对损伤的机组零部件进行修复，如主轴轴径、动叶片等。燃气轮机由于其在高达1300℃的高温条件下工作，经常会发生损伤。采用激光再制造技术将其缺陷全部修复完好，恢复其使用性能，费用仅为新机组价格的1/10。

铁路交通运输随社会经济的增长快速发展，新造铁路车辆需求量非常大，对主要零部件的数量和性能要求也在增加。再制造技术作为一种新的资源再利用技术，可以应用于车辆易磨损零件的再制造。而激光表面强化是再制造的核心技术和工艺手段，其中激光表面熔覆技术可以应用于再制造零件表面的修复和强化。

激光熔覆技术，一种通过激光辐照将选定的涂层材料熔化并快速凝固在基体表面上的工艺方法，旨在显著提升基体材料的耐磨、耐蚀、耐热、抗氧化以及电器特性。该技术可细分为多种类型，包括同轴送粉激光熔覆、旁轴送粉激光熔覆（亦称侧向送粉）、高速激光熔覆（或称超高速激光熔覆），以及高速丝材激光熔覆。这些分类主要依据激光熔覆所使用的材料类型以及材料与激光束的相互作用方式。

1 同轴送粉激光熔覆技术

同轴送粉激光熔覆技术通常配备半导体光纤激光器和盘式气载送粉器。在熔覆过程中，激光束与粉束在熔覆头处同轴输出，形成圆形光斑，其周围环绕着环状或多束送粉装置。同时，设有专门的保护气通道，确保粉束、光束与保护气流在焦点处汇聚。在此处，由于激光的高能量密度，会形成熔池。通过熔覆头的相对运动，该熔池逐渐在工件表面铺展，形成所需的覆层。

1 同轴送粉激光熔覆技术

源自《Laser-aided direct metal deposition of metals and alloys》一文，揭示了其技术原理与实际应用。该技术融合了激光与粉末的精确控制，通过同轴输出实现高效熔覆，为金属与合金的沉积提供了有力支持。

1 同轴送粉激光熔覆技术

以其独特的特点在金属与合金的沉积领域中崭露头角。其技术特点包括高自由度与易自动化，使得在熔覆过程中，无论向哪个方向移动，都能获得形貌一致、质量上乘的熔覆层，从而打破了熔覆方向的限制。此外，该技术能轻松配合工业机器人或多轴运动机床，实现对任意路径或任意形状零件的表面熔覆。同时，其熔池惰性气体保护效果显著，通过专门的惰性气体流道设计，确保熔覆过程中熔池处于优质的局部惰性气体环境中。另外，其光斑尺寸适中，粉末与光束均匀接触，热量传递更为均匀，进而使得熔覆层具有出色的抗裂性。

旁轴送粉激光熔覆技术

旁轴送粉激光熔覆技术，亦被称为侧向送粉激光熔覆技术，主要依赖于半导体直输出激光器或半导体光纤输出激光器，并辅以重力送粉器进行操作。其熔覆头设计独特，采用矩形光斑与旁轴宽带送粉相结合的方式。在熔覆过程中，合金粉末通过送粉嘴精准输送到工件表面进行预先布置。随着熔覆头与工件的相对运动，矩形激光束会扫描这些预置的合金粉末，并使之熔化，进而形成熔池。待熔池冷却后，便形成了高质量的熔覆层。

旁轴宽带送粉激光熔覆技术特点：
高效材料利用。该技术通过预先将粉末布置在工件表面，再利用激光束进行扫描熔化，使得材料利用率高达95%以上，从而显著降低了材料成本。

卓越熔覆效率。采用矩形光斑设计，不仅保证了熔覆方向的光斑能量密度稳定，还能通过增加激光功率和光斑宽度来进一步提熔覆效率。

环保无消耗。此技术主要依赖重力送粉器，无需使用惰性气体，因此对粉末材料的抗氧化性有一定要求，这也在一定程度上限制了其应用范围。

超高速激光熔覆技术

超高速激光熔覆技术以高光束质量的半导体光纤激光器或光纤激光器为光源，配备精密设计的高速激光熔覆头和高速运动机构。其激光束与粉束、惰性气体气流的耦合经过精心优化，确保激光能量高效用于加热粉束，同时，穿透粉束的激光束也有效加热基材。在粉末进入熔池前，其已达到熔化或极高温度，显著缩短了熔化时间，从而实现了极高的熔覆线速度，最高可达200米/分钟，远超普通激光熔覆技术的2米/分钟。

3 超高速激光熔覆技术

以其独特的特点在加工领域崭露头角。其激光束能够高效穿过粉束并精准照射熔池，使得大部分激光能量都能作用于粉末和工件上，显著减少了激光的反射和散射损耗，激光能量利用率高达65%左右。与此同时，该技术还具备高熔覆线速度和较薄的熔覆层，从而实现了极高的熔覆效率，熔覆效率可达7m²/以上。此外，其高熔覆线速度和短熔池存在时间使得熔覆层的稀释率保持在一个较低水平。更值得一提的是，该技术还能带来良好的熔覆层粗糙度、出色的抗裂性以及微小的工件变形。

4 高速丝材激光熔覆技术

高速丝材激光熔覆技术集成了先进的半导体光纤激光器、高精度的送丝系统和精密的熔覆头，以金属丝材为原料进行激光熔覆。在此过程中，金属丝通过侧向送入激光束，激光能量使金属丝熔化并汇聚成熔池，随后，熔覆头的相对运动使熔池逐渐凝固形成熔覆层。

高速丝材激光熔覆技术不仅环保性能卓越，还具有高材料利用率、高熔覆效率以及小热输入等特点。其采用金属丝作为原料，通过精密设计和柔和的熔化过程，实现了高达99%的材料利用率。此外，该技术还具有优异的熔覆效果，其熔覆层致密、稀释率低且缺陷率极小。

在激光熔覆过程中，工艺参数如激光功率、光斑直径、熔覆速度等对熔覆效果产生显著影响。激光功率的增加会使得基材熔化体积迅速扩大，进而影响熔覆金属量和气孔产生的概率。而光斑直径则决定了能量密度和熔覆层的宽度。因此，在高速丝材激光熔覆过程中，合理调整这些工艺参数至关重要，以确保获得理想的熔覆效果。
激光束通常呈现为圆形，其光斑直径是决定熔覆层宽度的重要因素。当光斑直径增加时，熔覆层的宽度也会相应变宽。在小尺寸的光斑下，能够获得质量上乘的熔覆层，但随着光斑尺寸的增大，熔覆层的质量会有所下降。然而，若光斑直径过小，则不利于形成大面积的熔覆层。
熔覆速度对熔覆效果同样具有显著影响。若熔覆速度过高，合金粉末可能无法完全融化，从而无法达到优质的熔覆效果；而熔覆速度过低，则可能导致熔池存在时间过长，粉末过烧，造成合金元素的损失，同时增加基体的热输入量，进而增大变形量。

工艺参数对熔覆层的形状和表面质量起到决定性作用，它们会影响熔覆层与基体的结合性以及冷却速率。对工艺参数进行精准的控制，是确保激光熔覆技术能够满足预期要求和目的的关键。

激光熔覆表面成形技术具有以下特点：

首先，其冷却速度极快，展现出快速凝固的特性；其次，热变形小，涂层稀释率低，使得涂层与基体能够形成良好的冶金结合，从而提高成品率；此外，涂层材料的选择范围广泛，包括铁基、镍基、铜基和钛基等；另外，涂层厚度适中，通常在2mm至2mm之间，非常适合用于磨损件的修复；最后，该技术还具有高加工精度和易于实现自动化的优势。

在选择激光熔覆材料时，应综合考虑基材和涂层材料的物理化学性质，以及具体的使用情况。激光熔覆合金粉末按照材料成分构成可分为自熔性合金粉末、复合粉末和陶瓷粉末。其中，自熔性合金粉末在研究与应用方面最为广泛。
自熔性合金粉末是激光熔覆材料中的一类重要粉末，它包括铁基(Fe)、镍基(Ni)、钴基(Co)等多种类型。这类粉末的特点是含有硼(B)和硅(Si)，这两种元素赋予了它们自脱氧和造渣的特性。同时，这些粉末还富含铬元素，它们会与合金粉末中的氧以及工件表面的氧化物结合，熔融生成低熔点的硼硅酸盐等物质，这些物质覆盖在熔池表面，有效防止了液态金属的过度氧化。这不仅改善了熔体对基体金属的润湿能力，还减少了熔覆层中的夹杂和含氧量，进而提升了熔覆层的工艺成形性能，使得这类粉末具有出色的耐蚀性和抗氧化性。此外，它们还能适应碳钢、不锈钢、合金钢、铸钢等多种基材，能制备出氧化物含量低、气孔率小的熔覆层。然而，对于含硫钢的材料，由于硫的存在可能会在交界面处形成低熔点的脆性物相，导致覆层易于剥落，因此在使用时应谨慎选择。

在铁基(Fe)自熔性合金粉末方面，这类粉末具有成本低、力学性能优异、应用广泛等优点。特别是在不锈钢体系的铁基合金方面，其良好的力学性能和耐蚀性能使得它在激光熔覆技术中得到了广泛的应用。通过调整合金元素的含量，可以控制涂层的硬度，同时通过添加其他元素进一步改善熔覆层的各项性能。目前，采用激光熔覆技术制备的不锈钢涂层主要包括奥氏体不锈钢、马氏体不锈钢、铁素体不锈钢以及双相不锈钢等多种类型。

另一方面，镍基(Ni)自熔性合金粉末也备受关注。这类粉末具有良好的润湿性、耐蚀性以及高温自润滑作用，同时价格适中，因此在激光熔覆材料中研究最多、应用最广。在滑动、冲击磨损和磨粒磨损等严重环境下，单纯的自熔性合金粉末可能无法满足使用要求，此时可以通过加入各种高熔点的陶瓷颗粒来制备金属复合涂层，以提升其耐磨性和使用性能。
有研究显示，在Q960E钢表面，通过激光熔覆技术制备的Ni基WC涂层，其耐磨粒磨损性能相较于Q960E基材有了显著提升，达到了6倍以上，这得益于Ni基粉末的独特特性，从而满足了使用要求。

接下来，我们探讨钴基(Co)自熔性合金粉末。这类粉末在石化、电力、冶金等工业领域发挥着重要作用，因其出色的耐热、耐蚀、耐磨以及抗冲击和抗高温氧化性能而备受青睐。在钴基合金体系中，常用的材料包括Co-Ni、Co-Cr-Ni、钴铁、钴镍铁等。为增强涂层与基体的润湿性并降低镀层中的氧含量，这类粉末中常加入B和Si元素，以形成自熔性合金粉末。

此外，钴基自熔性合金粉末还因其良好的润湿性和较低的熔点而受到青睐。在熔覆过程中，Co元素会首先熔化，并与其它元素共同形成新的物相，从而强化熔覆层。目前，镍、碳、铬和铁等元素是钴基合金的主要合金元素。其中，镍元素的作用尤为显著，它能降低钴基合金熔覆层的热膨胀系数，缩小合金的熔化温度区间，有效防止裂纹的产生，并提升熔覆合金对基体的润湿性。

江南大学机械工程学院曾进行了一项研究，该研究利用激光熔覆技术在TC4钛合金表面制备了钴基/氧化石墨烯(GO)复合熔覆层。结果显示，熔覆层中包含TiC、Co2Ti、γＧCo、αＧTi和Cr3C2相等多种物相。在低功率下，GO会与TC4基体原位生成TiC，并与半固态的Co2Ti组织共同作用；而在高功率下，GO会迅速分解，熔覆层的主要成分变为Co2Ti组织。当激光功率为P2=1300W时，熔覆效果最佳，成形组织均匀且与TC4基体呈冶金结合。此外，熔覆层的硬度也大幅提高，达到了1100HV2，几乎是基体硬度的82倍。
复合粉末是由高熔点硬质陶瓷材料如碳化物、氮化物、硼化物、氧化物及硅化物与金属混合或复合而成的粉末体系。其中，碳化物合金粉末和氧化物合金粉末的应用最为广泛，常用于制备耐磨涂层。这些复合粉末中的碳化物颗粒可以以多种方式加入激光熔池，如直接加入或与金属粉末混合，但以包覆型粉末如镍包碳化物、钴包碳化物的形式加入效果更佳。
此外，陶瓷粉末也是激光熔覆中的重要材料，主要包括硅化物陶瓷粉末和氧化物陶瓷粉末，其中以氧化物陶瓷粉末如氧化铝和氧化锆最为常见。氧化锆陶瓷粉末因其优异的热抗震性能和耐磨耐蚀特性，常被用于制备热障涂层。

另外，激光熔覆生物陶瓷材料也是当前的研究热点，主要集中在将羟基磷灰石等生物陶瓷材料熔覆在Ti基合金、不锈钢等金属表面。这些生物陶瓷材料具有良好的生物相容性，在人体牙齿等医疗领域具有广泛的应用前景。

除了上述几类激光熔覆粉末材料体系外，还有铜基、钛基、铝基、镁基等合金体系以及金属间化合物基材料等。这些材料体系通过利用合金的特殊性质，可以实现耐磨、减摩、耐蚀等多种功能。
铜基激光熔覆材料体系主要包括Cu-Ni-B-Si、Cu-Ni-Fe-Co-Cr-Si-B、Cu-Al2OCu-CuO等合金粉末及复合粉末。利用铜合金的冶金特性，如液相分离现象，可以设计出具有优异耐磨性的自生复合材料。例如，单际国等通过激光熔覆技术，成功制备了Fe3Si弥散分布于铜基合金中的复合熔覆层。在熔覆过程中，由于母材熔化进入熔池的Fe元素与Cu合金发生液相分离，导致Fe3Si在激光熔覆层中以弥散状梯度形式分布于α-Cu基体中。
此外，铜及铜基合金因其出色的导热性、导电性以及综合性能，在电气、交通、航空航天等多个高科技领域得到广泛应用。激光熔覆技术能够在合金表面形成动态温度场，从而实现快速冷却凝固。研究表明，在Cu-Cr-SiC体系中，该技术能够显著提高材料的导电性和机械强度，同时SiC陶瓷颗粒的加入进一步增强了体系的强度和弹性模量。

另一方面，钛基熔覆材料被广泛应用于改善基体金属的生物相容性、耐磨性或耐蚀性。常见的钛基激光熔覆粉末材料包括纯Ti粉、Ti6Al4V合金粉末以及Ti-TiOTi-TiC、Ti-WC、Ti-Si等复合粉末。例如，张松等在氩气氛环境下，通过激光熔覆技术在Ti6Al4V合金表面制备了Ti-TiC复合涂层。该研究表明，复合涂层中形成了微小的TiC颗粒，从而显著提高了涂层的摩擦磨损性能。
有研究显示，采用激光熔覆技术在TiGr2样品上沉积Ti6Al4V，显著提升了基材的硬度，从120HV跃升至300HV，同时耐磨性也有所增强。这证明了激光熔覆技术在钛部件的修复和制造方面的实用性。
此外，镁基熔覆材料在提高镁合金耐磨和耐蚀性方面也展现出显著效果。例如，J.DuttaMajumdar等在商用镁合金上熔覆镁基MEZ粉末，显著提升了熔覆层的显微硬度，并增强了其在56wt%NaCl溶液中的抗腐蚀性。

铝基熔覆材料则常用于铝合金结构件的修复，能有效避免因大量热量输入而产生的裂纹问题。有研究显示，在AA6063铝合金表面制备的TiC增强Al3Ti复合涂层，不仅与基材实现了良好的冶金结合，还显著提升了耐腐蚀性。随着TiC含量的增加，熔覆层的耐腐蚀性能更是得到了进一步提升。

综上所述，激光熔覆技术在改善金属部件性能方面具有广泛的应用前景。
激光熔覆技术在多个领域如航空航天、汽车、石化、冶金和轨道交通等均发挥着重要作用。这一技术为重要部件的修复提供了新方法，不仅降低了成本，还显著提高了工作效率。通过激光熔覆对零件进行表面强化，能有效提升零件性能，从而延长其使用寿命。随着大功率激光技术的不断进步、制造成本的降低，以及表面工程和增材制造领域研究的深入，激光熔覆技术正逐渐成为学术界和工业界的焦点。