激光熔覆技术，一种先进的表面改性工艺，通过将特定涂层材料以不同方式置于基体表面，利用激光的高能辐照，使基体表面薄层熔化并迅速凝固。这一过程不仅形成了与基体材料冶金结合的、稀释度极低的表面涂层，还显著提升了基体材料的耐磨、耐蚀、耐热、抗氧化以及电器特性。

激光熔覆技术的分类

激光熔覆技术可按照材料类型和激光束耦合方式的不同，分为同轴送粉、旁轴送粉（侧向送粉）、高速激光熔覆（超高速激光熔覆）以及高速丝材激光熔覆等类型。其中，同轴送粉激光熔覆技术以其独特的工艺特点，广泛应用于各类工业领域。

激光熔覆技术的分类

激光熔覆技术，这一先进的表面改性工艺，涵盖了多种类型。根据材料类型和激光束的耦合方式，该技术可分为同轴送粉、旁轴送粉（侧向送粉）、高速激光熔覆（超高速激光熔覆）以及高速丝材激光熔覆等不同类型。在这些类型中，同轴送粉激光熔覆技术凭借其独特的工艺优势，已在多个工业领域得到了广泛的应用。


同轴送粉激光熔覆技术以其独特的优势在多个领域得到广泛应用。其特点包括高自由度、易于实现自动化，能够轻松应对任意方向和路径的熔覆需求；出色的熔池惰性气体保护，确保熔覆过程在最佳氛围下进行；同时，小熔池和均匀的粉末受热特性，使得熔覆层具有优异的抗裂性。此外，该技术还可用于激光同轴送粉3D打印，进一步拓宽了其应用范围。

接下来，我们将介绍另一种重要的激光熔覆技术——旁轴送粉激光熔覆技术。该技术采用半导体直输出激光器或半导体光纤输出激光器，配合重力送粉器，利用矩形光斑和旁轴宽带送粉方案进行熔覆。在熔覆过程中，合金粉末通过送粉嘴预置在工件表面，随着熔覆头与工件的相对运动，矩形激光束扫描并熔化这些预置粉末，最终形成熔覆层。

旁轴送粉激光熔覆技术，以其独特的技术特点，在多个领域展现出其优势。首先，该技术具有较高的材料利用率，通过预置粉末并利用激光束扫描照射熔化，使得材料利用率超过95%，从而有效地节约了材料成本。其次，旁轴送粉激光熔覆采用矩形光斑方案，能够在保持熔覆方向光斑能量密度稳定的同时，通过增加激光功率和光斑宽度，显著提高熔覆效率。此外，该技术还具备无惰性气体消耗的特点，采用重力送粉器进行粉末输送，无需额外消耗惰性气体，这在一定程度上限制了其应用范围，但同时也为其在特定领域的应用带来了便利。

03 超高速激光熔覆技术

超高速激光熔覆技术依托于优质的半导体光纤激光器或光纤激光器，配备精密设计的高速熔覆头以及高转速或高移动速度的运动系统。其激光束与粉束、惰性气体气流的协同作用经过精心策划，使得部分激光能量专注于粉束的加热，而另一部分则穿透粉束直接作用于基材。在粉末进入熔池之前，其已达到或接近熔化状态，从而大幅缩减了熔化所需时间，进而实现了极高的熔覆线速度，最高可达200米/分钟，远超普通激光熔覆的2米/分钟。
超高速激光熔覆技术不仅具备高效率，还拥有诸多显著特点。首先，其激光能量利用效率极高，达到65%左右，这得益于激光束穿过粉束直接照射熔池的设计，使得大部分能量都能有效作用于粉末和工件，降低了反射和散射损耗。其次，该技术熔覆效率出众，可达7m2/以上，这主要归功于高激光能量利用率、高熔覆线速度以及薄熔覆层的优化组合。此外，超高速激光熔覆技术的熔覆层稀释率低，这是由于熔覆线速度高、熔池驻留时间短所致。同时，该技术还提供了良好的熔覆层粗糙度、出色的抗裂性以及工件变形小的优势。

接下来，我们将探讨另一种激光熔覆技术——高速丝材激光熔覆技术。这项技术以半导体光纤输出激光器为基础，配备高精度送丝系统和精密熔覆头，以金属丝材为熔覆材料。在操作过程中，金属丝通过侧向送入激光束，随后被熔化形成熔池，随着熔覆头的运动，最终形成熔覆层。

高速丝材激光熔覆技术不仅环保性能卓越，还兼具高材料利用率、高熔覆效率以及小热输入等特点。其采用金属丝替代传统的金属粉末，确保在熔覆过程中无飞溅和金属粉尘产生，显著提升环保性。同时，通过精密的熔覆头设计和金属丝材优化，金属丝能完全熔化，且过程柔和无飞溅，材料利用率高达99%。此外，该技术利用特殊复合能量，使金属在进入熔池前已达半熔化状态，进而大幅缩短熔化时间和降低所需能量，提高熔覆效率。

在工艺参数方面，激光功率、光斑直径、熔覆速度等对熔覆效果产生显著影响。激光功率的增加会迅速提升基材熔化体积，但过大的激光功率可能增加气孔产生的概率。而随着光斑直径的增大，熔覆层深度和宽度也会相应增加，但需注意避免过度稀释和裂纹的产生。因此，在应用高速丝材激光熔覆技术时，合理调整这些工艺参数至关重要，以确保获得优质的熔覆层。
激光束通常呈现为圆形，其光斑直径是影响熔覆层宽度的重要因素。随着光斑直径的增大，熔覆层的宽度也会相应增加。然而，在小尺寸光斑下，能够获得质量上乘的熔覆层。但若光斑直径过小，则不利于形成大面积的熔覆层。
此外，熔覆速度也是一项关键工艺参数。熔覆速度适中时，合金粉末能够完全融化，从而确保优质的熔覆效果。若熔覆速度过快，粉末可能无法充分融化；而熔覆速度过慢，则可能导致熔池过烧、合金元素损失以及基体热输入量增加，进而引发变形问题。

综上所述，工艺参数对熔覆层的形状和表面质量产生至关重要的影响。这些参数不仅决定了熔覆层与基体的结合性能和冷却速率，还直接关系到激光熔覆技术的实施效果。因此，对工艺参数进行精准控制显得尤为重要。

激光熔覆表面成形技术具有诸多特点，包括快速凝固、热变形小、涂层稀释率低、与基体良好冶金结合、选择范围广泛的涂层材料以及适用于磨损件修复的涂层厚度等。此外，该技术还展现出高加工精度、可处理较小或难加工区域以及易于实现自动化等优势。

在选择激光熔覆材料时，需综合考虑基材与涂层材料的物理化学性质，以确保获得满足特定性能和表面质量要求的涂层。激光熔覆合金粉末可按材料成分构成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和应用方面最为广泛。
自熔性合金粉末可分为铁基(Fe)、镍基(Ni)、钴基(Co)三大类，其共同特点在于含有硼(B)和硅(Si)，这些元素赋予了它们自脱氧和造渣的能力。此外，这类粉末还富含铬元素，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，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性，还减少了熔覆层中的夹杂物和含氧量，进而提升了熔覆层的工艺成形性能，赋予了其出色的耐蚀性和抗氧化性。这类粉末对碳钢、不锈钢、合金钢、铸钢等多种基材均展现出良好的适应性，能够制备出氧化物含量低、气孔率小的熔覆层。然而，对于含硫钢材料，由于其可能形成的低熔点脆性物相，可能导致覆层剥落，因此在使用时应谨慎选择。

铁基(Fe)自熔性合金粉末以其成本低廉、力学性能卓越和应用范围广泛而受到青睐。特别是在不锈钢体系的铁基合金方面，其优异的耐蚀性能使得它在激光熔覆技术中占据了不可或缺的地位。通过调整合金元素的比例，可以灵活地调控涂层的硬度，同时加入其他元素还能进一步优化熔覆层的硬度、开裂敏感性和残余奥氏体的含量，从而增强熔覆层的耐磨性和韧性。目前，激光熔覆技术已能制备出多种类型的不锈钢涂层，如奥氏体不锈钢、马氏体不锈钢、铁素体不锈钢以及双相不锈钢等。

近年来，铁基粉末的激光熔覆研究取得了新的进展。有学者尝试在铁基粉末中加入稀土元素，结果显示这显著提升了熔覆层表面钝化膜的抗剥落能力，减轻了材料的腐蚀失重，进而增强了熔覆层的耐腐蚀性。

另一方面，镍基(Ni)自熔性合金粉末也备受关注。这类粉末凭借其出色的润湿性、耐蚀性、高温自润滑作用以及适中的价格，在激光熔覆材料中占据了重要的地位。特别是在滑动、冲击磨损和磨粒磨损等恶劣环境下，单纯的自熔性合金粉末可能无法满足使用要求。因此，研究者们尝试在镍基粉末中加入各种高熔点的陶瓷颗粒，如碳化物、氮化物、硼化物和氧化物等，以制备出性能更为优异的金属复合涂层。
（3）钴基(Co)自熔性合金粉末
钴基自熔性合金粉末以其卓越的耐热、耐蚀、耐磨及抗冲击性能，在石化、电力和冶金等工业领域发挥着重要作用。这类粉末体系中，常见的材料包括Co-Ni、Co-Cr-Ni、钴铁和钴镍铁等。通过添加硼(B)和硅(Si)，这些粉末形成了自熔性合金，进一步增强了与基体的润湿性，并降低了镀层中的氧含量。

钴基合金的润湿性好，熔点低于碳化物。在加热过程中，钴元素首先熔化，并在合金凝固时与其他元素共同形成新物相，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，镍元素能够降低合金的热膨胀系数和熔化温度，有效防止裂纹产生，并提高润湿性。

一项研究显示，在TC4钛合金表面利用激光熔覆技术制备钴基/氧化石墨烯(GO)复合熔覆层，可以显著提升熔覆层的性能。熔覆层中包含TiC、Co2Ti、γＧCo、αＧTi和Cr3C2相等相。在低功率下，GO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迅速分解，熔覆层主要成分为Co2Ti组织。当激光功率为P2=1300W时，熔覆效果最佳，成形组织均匀，与TC4基体呈冶金结合，熔覆层硬度高达1100HV2，几乎是基体硬度的82倍。

陶瓷粉末

陶瓷粉末，特别是氧化物陶瓷粉末，如氧化铝和氧化锆，在材料领域占据着重要地位。氧化锆以其优异的热抗震性能和低热导性，常被用于制备热障涂层。而陶瓷粉末的耐磨、耐蚀、耐高温及抗氧化特性，使其成为高温耐磨耐蚀涂层制备的理想选择。

此外，激光熔覆技术在生物陶瓷材料的应用也日益受到关注。研究主要集中在Ti基合金、不锈钢等金属表面，通过激光熔覆技术制备羟基磷灰石、氟磷灰石等生物陶瓷材料。羟基磷灰石因其良好的生物相容性，在人体牙齿等领域已得到广泛应用。

其他合金粉末

除了上述几类激光熔覆粉末材料体系，还有许多其他合金体系被研究开发，如铜基、钛基、铝基等。这些材料通过合金化技术，利用其特殊性质，实现了耐磨、减摩、耐蚀、导电等多种功能。
铜基激光熔覆材料体系广泛，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，可以设计出高性能的铜基复合粉末材料。这些材料在激光熔覆过程中，能够形成大量的自生硬质颗粒增强体，显著提高耐磨性。例如，单际国等人通过激光熔覆技术，制备了Fe3Si弥散分布的铜基合金复合熔覆层，显示出优异的耐磨性。
此外，铜及铜基合金在电气、交通、航空航天等多个高科技领域发挥着重要作用。它们的高导热性、高导电性和综合性能，使得铜合金成为电枢、引线框架等关键应用的理想选择。同时，激光熔覆技术能进一步优化铜合金的性能，如Cu-Cr-SiC体系就表现出色导电性和机械强度。

钛基熔覆材料则主要用于改善金属材料的生物相容性、耐磨性或耐蚀性。研究的钛基激光熔覆粉末材料包括纯Ti粉、Ti6Al4V合金粉末以及钛基复合粉末。例如，张松等人在Ti6Al4V合金表面激光熔覆了Ti-TiC复合涂层，研究表明该涂层具有优异的摩擦磨损性能。
有研究显示，通过激光熔覆技术在TiGr2样品上沉积Ti6Al4V，可以显著提高基材的硬度，从120HV提升至300HV。同时，Ti6Al4V样品表面的硬度和耐磨性也得到了改善。这证明了激光熔覆技术在修复和制造钛机械部件方面的适用性。
此外，镁基熔覆材料在提高镁合金表面的耐磨和耐蚀性能方面也表现出色。例如，J.DuttaMajumdar等在商用镁合金上熔覆镁基MEZ粉末，显著提高了熔覆层的显微硬度和在56wt%NaCl溶液中的抗腐蚀性能。

铝基熔覆材料则常用于铝合金结构件的修复，避免了大量热量输入可能导致的裂纹问题。研究表明，激光熔覆技术在AA6063铝合金表面制备的TiC增强Al3Ti复合涂层，不仅与基材形成了良好的冶金结合，还显著提高了耐腐蚀性能。随着TiC含量的增加，熔覆层的耐腐蚀性进一步增强。

综上所述，激光熔覆技术在改善金属材料的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、汽车制造、石化、冶金以及轨道交通中发挥着重要作用，它不仅被广泛应用于零部件的修复，更为这些关键领域的生产效率带来了显著提升。通过此技术，能够有效地对重要零件进行表面强化，进而提升其性能，延长使用寿命。随着大功率激光技术的不断完善、制造成本的逐步降低，以及表面工程与增材制造领域研究的不断深入，激光熔覆技术正日益成为学术界和工业界共同关注的焦点。
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