激光熔覆相關(guān)資料講解

1、激光熔覆亦稱激光包覆或激光熔敷，是一種新的表面改性技術(shù)。它通過在基材表面添 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)激光幅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

2、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)用情況來看，其主要應(yīng)用于兩個(gè)方面：一，對材 料的表面改性，如燃汽輪機(jī)葉片，軋輥，齒輪等；二，對產(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，對關(guān)鍵部件表面通過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

3、/5的制造周期。熔覆材料：目前應(yīng)用廣泛的激光熔覆材料主要有：鎳基、鉆基、鐵基 合金、碳化鎢復(fù)合材料。其中，又以鎳基材料應(yīng)用最多，與鉆基材料相比， 其價(jià)格便宜。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，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)

4、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)、加工工作臺激光器的選用：目前應(yīng)用廣泛的有C02激光器，固體激光器C02激光器是應(yīng)用最廣、種類最多的一種激光器，在汽車工業(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)到最高級區(qū)的激光器之一，其 最大

5、連續(xù)輸出功率可達(dá)幾十萬瓦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% 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，二極管泵浦固體激光器具有以下優(yōu)點(diǎn)：(1) 轉(zhuǎn)換效率高：由于半導(dǎo)體激光的發(fā)射波長與固體激光工作物質(zhì)的吸

6、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，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：激光二極管的壽命大大長于閃光燈，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，性能可靠，為全固化器件，是至今為止唯一無需維護(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。激光熔覆技術(shù)是一項(xiàng)新興的零件加工

7、于表面改型技術(shù)。具有較低稀釋率、熱影響區(qū)小、與基面形成冶金結(jié)合、熔覆件扭曲變形比較小、過程易于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化 等優(yōu)點(diǎn)。激光熔覆技術(shù)應(yīng)用到表面處理上，可以極大提高零件表面的硬度、耐磨 性、耐腐蝕、耐疲勞等機(jī)械性能，可以極大提高材料的使用壽命。同時(shí)，還可以用 于廢品件的處理，大量節(jié)約加工成本。激光溶覆應(yīng)用到快速制造金屬零件，所需設(shè)備少，可以減少工件制造工序，節(jié)約成本,提高零件質(zhì)量，廣泛應(yīng)用于航空、軍事、石 油、化工、醫(yī)療器械等各個(gè)方面。激光熔覆是一個(gè)復(fù)雜的物理、化學(xué)冶金過程 ，熔覆過程中的參數(shù)對熔覆件的 質(zhì)量有很大的影響。激光熔覆中的過程參數(shù)主要有激光功率、 光斑直徑、離焦量、 送粉速度、掃描速度、熔

8、池溫度等，他們的對熔覆層的稀釋率、裂紋、表面粗糙 度以及熔覆零件的致密性都有著很大影響。同時(shí)，各參數(shù)之間也相互影響，是一個(gè) 非常復(fù)雜的過程。必須采用合適的控制方法將各種影響因素控制在溶覆工藝允許 的范圍內(nèi)。隨著控制技術(shù)以及計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，激光熔覆技術(shù)越來越向智能化、自動(dòng) 化方向前進(jìn)。國外在這方面做的比較好。從直線和旋轉(zhuǎn)的一維激光熔覆，經(jīng)過X和丫兩個(gè)方向同時(shí)運(yùn)動(dòng)的二維熔覆，到上世紀(jì)90年代初開始向三維同時(shí)運(yùn)動(dòng)熔覆 構(gòu)造金屬零件發(fā)展。如今，已經(jīng)把激光器、五軸聯(lián)動(dòng)數(shù)控激光加工機(jī)、外光路系 統(tǒng)、自動(dòng)化可調(diào)合金粉末輸送系統(tǒng)（也可送絲）、專用CAD/CAM軟件和全過程參 數(shù)檢測系統(tǒng)，集成構(gòu)筑了閉環(huán)控制系

9、統(tǒng)，直接制造出金屬零件。標(biāo)志著激光熔覆技 術(shù)的發(fā)展登上了新的臺階。各國在激光控制方面的研究的新成果往往都以專利的 形式進(jìn)行保護(hù)，如高質(zhì)量的同軸送粉熔覆系統(tǒng)以及閉環(huán)反饋控制系統(tǒng)等。國內(nèi)西北工業(yè)大學(xué)、清華大學(xué)、北京工業(yè)大學(xué)、上海交通大學(xué)和中國科學(xué)院等單位在激 光熔覆過程控制方面做了許多研究工作，國內(nèi)還有許多單位正在積極開展這方面 的研究工作。清華大學(xué)機(jī)械系激光加工研究中心己研制出適合于直接制造金屬零 件的各種規(guī)格的同軸送粉噴嘴和自動(dòng)送粉器 ，已申請相關(guān)發(fā)明專利兩項(xiàng)。中科院 已經(jīng)開發(fā)出集成化激光智能加工系統(tǒng)。但相對國外的研究和開發(fā)水平，國內(nèi)在控制方面的研究還處在起步階段，控制措施和手段還不完善。對激

10、光熔覆融池溫度 的閉環(huán)控制鮮有報(bào)道，對熔覆質(zhì)量的閉環(huán)控制系統(tǒng)研究的并不充分。圖1、激光熔覆制備新材料激光熔覆技術(shù)的評述與展望激光熔覆是一種新型的涂層技術(shù)，是涉及到光、機(jī)、電、材料、檢測與控制等多學(xué)科的 高新技 術(shù)，是激光先進(jìn)制造技術(shù)最重要的支撐技術(shù)，可以解決傳統(tǒng)制造方法不能完成的難 題，是國家重點(diǎn)支持和推動(dòng)的一項(xiàng)高新技術(shù)。目前，激光熔覆技術(shù)已成為新材料制備、金屬零部件快速直接制造、失效金屬零部件綠色再制造的重要手段之一，已廣泛應(yīng)用于航空、石油、汽車、機(jī)械制造、船舶制造、模具制造等行業(yè)。為推動(dòng)激光熔覆技術(shù)的產(chǎn)業(yè)化， 世界各國的研究人員針對激光熔覆涉及到的關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了系統(tǒng)的研究，已取得了重大的進(jìn)

11、展。國內(nèi)外有大量的研究和會(huì)議論文、專利介紹激光熔覆技術(shù)及其最新的應(yīng)用：包括激光熔覆設(shè)備、材料、工藝、監(jiān)測與控制、質(zhì)量檢測、過程的 模擬與仿真等研究內(nèi)容。 但到目前為止，激光熔覆技術(shù)還不能大面積工業(yè)化應(yīng)用。分析其原因，這里有政府導(dǎo)向的因素、激光熔覆技術(shù)本身成熟程度的限制、社會(huì)各界對激光熔覆技術(shù)的認(rèn)可程度等因素。 因此，激光熔覆技術(shù)欲實(shí)現(xiàn)全面的工業(yè)化應(yīng)用，必須加大宣傳力度，以 市場需求為導(dǎo)向，重點(diǎn)突破制約發(fā)展的關(guān)鍵因素，解決工程應(yīng)用中涉及到的關(guān)鍵技術(shù)，相信在不遠(yuǎn)的將來，激光熔覆技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域及其強(qiáng)度將不斷的擴(kuò)大。下面介紹激光熔覆技術(shù)幾個(gè)發(fā)展的動(dòng)態(tài)，以饗讀者。激光熔覆的優(yōu)勢激光束的聚焦功率密度可達(dá)1

12、01012W/cm2，作用于材料能獲得高達(dá)1012K/S的冷卻速度，這種綜合特性不僅 為材料科學(xué)新學(xué)科的生長提供了強(qiáng)有力 的基礎(chǔ)，同時(shí)也為新型材料或新型功能表面的實(shí)現(xiàn)提供了一種前所未有的工具。激光熔覆所創(chuàng)造的熔體在高溫度梯度下遠(yuǎn)離平衡態(tài)的快速冷卻條件，使凝固組織中形成大量過飽和固溶體、介穩(wěn)相甚至新相，已經(jīng)被大量研究同時(shí)所證實(shí)。它提供了制造功能梯度原位自生顆粒增強(qiáng)復(fù)合層全新的熱力學(xué)和動(dòng)力學(xué)條件。激光熔覆技術(shù)制備新材料是極端條件下失效零部件的修復(fù)與再制造、金屬零部件的直接制造的重要基礎(chǔ)，受到世界各國科學(xué)界和企業(yè)的高度重視和多方面的研究。目前，利用激光熔覆技術(shù)可以制備鐵基、鎳基、鉆基、鋁基、鈦基、鎂

13、基等金屬基復(fù)合材料。從功能上分類：可以制備單一或同時(shí)兼?zhèn)涠喾N功能的涂層如：耐磨損、耐腐蝕、耐高溫等以及特殊的功能性涂層。從構(gòu)成涂層的材料體系看，從二元合金體系發(fā)展到多元體系。多元體系的合金成分設(shè)計(jì)以及多功能性是今后激光熔覆制備新材料的重要發(fā)展方向。最新的研究表明，在我國工程應(yīng)用中鋼鐵基的金屬材料占主導(dǎo)地位。同時(shí)，金屬材料的失效（諸如腐蝕、磨損、疲勞等）大多發(fā)生零部件的工作表面，需要對表面進(jìn)行強(qiáng)化。為滿足工件的服役條件而采用大塊的原位自生顆粒增強(qiáng)鋼鐵基復(fù)合材料制造，不僅浪費(fèi)材料，而且成本極高。另一方面， 從仿生學(xué)的角度考察天然生物材料，其組成為外密內(nèi)疏， 性能為外硬內(nèi)韌，且密一疏、硬一韌從外到內(nèi)

14、是梯度變化的，天然生物材料的特殊結(jié)構(gòu)使其具有優(yōu)良的使用性能。激光熔覆技術(shù)的評述與展望（2）遵I更團(tuán)互遵I更根據(jù)工程上材料特殊的服役條件和性能的要求，迫切需要開發(fā)強(qiáng)韌結(jié)合、性能梯度變化的新型表層金屬基復(fù)合材料。因此，利用激光熔覆的方法制備與基材呈冶金結(jié)合的梯度功能 原位自生顆粒增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料不僅是工程實(shí)踐的迫切需要，也是激光表面改性技術(shù)發(fā)展的必然趨勢。激光熔覆技術(shù)制備原位自生顆粒增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料、功能梯度材料已有報(bào)道，但大部分停留在組織、性能分析，工藝參數(shù)的控制階段，增強(qiáng)相的尺寸、間距和所占的體積比還不能達(dá)到可控制的水平，梯度功能是通過多層涂覆形成的，不可避免地在層與層之間存在界面弱結(jié)合的

15、問題，距離實(shí)用還有相當(dāng)長的路。禾u用激光熔覆技術(shù)制備顆粒大小、數(shù)量、分布可控，強(qiáng)韌性適當(dāng)匹配，集梯度功能和原位自生顆粒增強(qiáng)為一體的金屬基表層復(fù)合材料 是今后重要的發(fā)展方向。研究內(nèi)容涉及到：圖2、齒輪軸的激光修復(fù)熔覆材料成分、組織、性能設(shè)計(jì)的技術(shù)、手段 和原理及其工藝實(shí)現(xiàn)的控制技術(shù)。激光熔覆制備功能梯度原位自生顆粒增強(qiáng)金 屬基復(fù)合材料顆粒增強(qiáng)相析出、長大和強(qiáng)化的熱力學(xué) 和動(dòng)力學(xué)模型的建立。顆粒增強(qiáng)相形態(tài)、結(jié)構(gòu)、功能和復(fù)合的仿生設(shè)計(jì)和尺寸、數(shù)量、分布的控制技術(shù)。涂層成分、組織和性能梯度控制的原理、關(guān)鍵因素和工藝方法的研究。宏觀、微觀界面的觀察、分析控制和表征；功能梯度原位自生顆粒增強(qiáng)金屬基復(fù)合 材

16、料常規(guī)性能的分析和檢測以及不同工況下的磨損行為及失效機(jī)制。這些研究內(nèi)容的突破，有可能解決涂層與基體相容性不匹配，易于產(chǎn)生裂紋的問題，促圖3、電廠轉(zhuǎn)子軸軸承位激光熔覆進(jìn)激光熔覆技術(shù)應(yīng)用領(lǐng)域的拓寬。激光復(fù)合熔覆技術(shù)激光熔覆是由激光作為熱源， 在基底上包覆一層 極為優(yōu)良的合金層，其性能將依照所處理零件的具體要求而定。激光熔覆方法的優(yōu)點(diǎn)是覆層組織細(xì)密、性能優(yōu)異、熱應(yīng)力小、變形小以及無污染等。其缺點(diǎn)也是很明顯的：需要很高功率的激光器、單道搭接掃描不適宜大面積處理， 難于實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化等。為解決這些難題，采用激光復(fù)合熔覆技術(shù)是有效的途徑之一，也是今后發(fā)展的重要方向。激光復(fù)合熔覆就是采用普通加熱方法，再加上激光

17、復(fù)合加熱來完成熔覆處理工作。普通加熱方法根據(jù)需要可以是電加熱、各類感應(yīng)加熱等。歸納起來，激光復(fù)合熔覆技術(shù)具有如下的特點(diǎn)：常規(guī)（如感應(yīng)）+激光”二者復(fù)合加熱熔覆是集兩種加熱工藝的優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)克服了各 自單一方法的不足，充分體現(xiàn)了優(yōu)勢互補(bǔ)的特點(diǎn)。用常規(guī)方法輔佐了激光加熱，從而可以實(shí)現(xiàn)用較小功率的激光器完成由原來必需很高功率也不易完成的大面積熔覆，是單一方法無論如何也不易做到的。激光復(fù)合熔覆技術(shù)擴(kuò)大了常規(guī)技術(shù)的新的更廣應(yīng)用，而對常規(guī)技術(shù)的采納又進(jìn)一步 促進(jìn)了激光熔覆技術(shù)的應(yīng)用和產(chǎn)業(yè)化的進(jìn)程。激光復(fù)合熔覆技術(shù)特別適用于細(xì)長桿類，尺寸在一定范圍內(nèi)的軸類等零件，如抽油 泵柱塞、某些類型的軋輥及特殊用途的軸等

18、。激光熔覆技術(shù)的評述與展望（3）圖4、瓦楞輥激光熔覆新型激光源的熔覆技術(shù)目前，激光熔覆主要采用的是C02氣體激光器，用于大型零件的激光熔覆，見圖2和圖3,少部分采用YAG激光器。YAG激光熔覆常采用脈沖激光熔覆。 最近的工程應(yīng)用表明，采用 YAG激光熔覆在小型零 部件方面更有優(yōu)勢。發(fā)展的另一個(gè)重要的趨勢是采用高功率半導(dǎo)體 激光器，利用波長范圍808-965艸的紅光或近紅外激 光，較CO2激光器來看金屬易吸收，可省去前期預(yù) 處理，方便易操作。大功率半導(dǎo)體激光熔覆技術(shù)較其 他熔覆方法具有顯著的優(yōu)勢，見表1。同時(shí)，半導(dǎo)體激光可以實(shí)現(xiàn)與同軸送粉一體化控制及應(yīng)用光纖傳輸與擴(kuò)束技術(shù)進(jìn)行導(dǎo)光聚焦，實(shí)現(xiàn)全封閉

19、傳輸或光纖傳輸，實(shí)現(xiàn)光、機(jī)、電、粉、控一體化高度集成控制；與機(jī)器手（人）結(jié)合，小型化，可實(shí)現(xiàn)移動(dòng)在線服務(wù)，滿足不同層 次的需求?？梢灶A(yù)見，在傳統(tǒng) CO2、YAG激光熔覆技術(shù)之外，新型的大功率半導(dǎo)體激光熔 覆設(shè)備與工藝，必將逐步發(fā)展起來并滿足高質(zhì)量表面工程的需要，成為激光表面處理的重要組成部分。極端條件下的激光熔覆技術(shù)隨著激光熔覆技術(shù)的成熟與發(fā)展，陸續(xù)成功的應(yīng)用于瓦楞輥的激光熔覆見圖 4,缸套火焰環(huán)的激光熔 圖5、缸套火焰環(huán)激光熔覆制造覆直接制造見圖5,發(fā)動(dòng)機(jī)部件修復(fù)見圖 6等。實(shí)現(xiàn) 了以激光為主要加工手段對各種金屬部件的幾何缺失，按照原制造標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行幾何尺寸的回 復(fù)、性能的提升。隨著科學(xué)技術(shù)和工程技術(shù)的發(fā)展與需要，金屬部件工作的條件愈來愈苛刻，經(jīng)常工作在高交變應(yīng)力、高溫、高速、高腐蝕等極端條件下。因此，制造金屬部件的材料需 要同時(shí)具有多種性能才能滿足零件特殊的服役條件。而且這些部件的制造成本、制造周期長，一旦失效產(chǎn)生巨大的經(jīng)濟(jì)損失和安全事故。如輪機(jī)裝備中，各類重要的部件