隨著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)和工業(yè)不斷發(fā)展，零部件的工作環(huán)境越來(lái)越趨于復(fù)雜化，表面性能的要求也越來(lái)越高，因此零件報(bào)廢率大大增加。通常由于表面失效而報(bào)廢的零件主要有轉(zhuǎn)子葉片、輥軸類零件、齒輪類零件、接頭類零件等。在零部件整體性能滿足工況的條件下，僅為表面損傷的零部件都是可以修復(fù)。如果能對(duì)因誤加工或服役損傷而致使報(bào)廢的零件進(jìn)行修復(fù)，不僅能夠挽回巨大的經(jīng)濟(jì)和時(shí)間損失，還可以提高資源的利用率，也符合中國(guó)可持續(xù)發(fā)展的戰(zhàn)略。
激光技術(shù)是與原子能、半導(dǎo)體及計(jì)算機(jī)齊名的20世紀(jì)四大科技發(fā)明之一。由于激光具有方向性好、能量密度高、單色性好和相干性強(qiáng)等一系列優(yōu)點(diǎn)，因此特別適用于材料加工。激光加工技術(shù)就是利用激光束與物質(zhì)相互作用的特性對(duì)材料（包括金屬與非金屬）進(jìn)行切割、焊接、表面處理、打孔及微加工等的一門加工技術(shù)，是集光學(xué)、機(jī)械學(xué)、冶金學(xué)、電子學(xué)、計(jì)算機(jī)學(xué)等為一體的高技術(shù)，發(fā)展非常迅速，其應(yīng)用范圍也日趨廣闊。
激光熔覆技術(shù)是激光加工技術(shù)的一個(gè)重要的應(yīng)用方面，是一種新型的材料加工與表面改性技術(shù)，涉及物理、冶金、材料科學(xué)等領(lǐng)域。其研究歷史可追溯到20世紀(jì)70年代。1974年Gnanamuthu最先提出并申請(qǐng)了激光熔覆一層金屬于金屬基體的熔覆方法專利；進(jìn)入80年代，激光熔覆技術(shù)已經(jīng)發(fā)展成為表面工程、摩擦學(xué)、應(yīng)用激光等領(lǐng)域的前沿性課題，可以在低成本鋼板上制成高性能表面，代替大量的高級(jí)合金，以節(jié)約貴重、稀有的金屬材料，提高材料的綜合性能，降低能源消耗，適用于局部易磨損、剝蝕、氧化及腐蝕等零部件，受到了國(guó)內(nèi)外的普遍重視；到90年代后，相關(guān)科學(xué)研究與應(yīng)用開發(fā)得到快速發(fā)展。
當(dāng)今國(guó)內(nèi)外對(duì)激光熔覆的研究大致從以下幾個(gè)角度出發(fā)：一是激光熔覆的機(jī)理研究；二是激光熔覆工藝及其組織性能的研究；三是激光熔覆的應(yīng)用研究?，F(xiàn)對(duì)激光熔覆的各方面研究發(fā)展?fàn)顩r作以介紹，并指出其存在的主要問(wèn)題及其今后的發(fā)展方向。
1.激光熔覆的機(jī)理研究
激光熔覆是一個(gè)動(dòng)態(tài)熔化過(guò)程，熔池尺寸小，不僅存在著傳熱現(xiàn)象，而且也存在著對(duì)流、質(zhì)量傳遞等，它們直接影響熔池的宏觀形貌、偏析、組織和成分的均勻性及其他物理冶金性能，因此研究激光熔覆加熱理論，搞清激光熔覆過(guò)程中的熱傳導(dǎo)、對(duì)流及質(zhì)量傳遞等問(wèn)題，對(duì)于弄清激光熔覆理論具有重要意義。
2.激光熔覆工藝及其組織性能的研究
激光熔覆工藝方法有兩種類型：
（1）一步法（同步法）
該方法為在激光束輻照工件的同時(shí)向激光作用區(qū)送熔覆材料的工藝，它又有兩種方法。
①同步送粉法：使用專用噴射送粉裝置將單種或混合粉末送入熔池，控制粉末送入量和激光掃描速度即可調(diào)整熔覆層的厚度。由于松散的粉末對(duì)激光的吸收率大，熱效率高，可獲得比其他方法更厚的熔覆層，容易實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化。國(guó)外實(shí)際生產(chǎn)中采用較多。
②同步送絲法：此法工藝原理雖與同步送粉法相同，但熔覆材料是預(yù)先加工成絲材或使用填充絲材。此法便利且不浪費(fèi)材料，更易保證熔覆層的成分均勻性，尤其是當(dāng)熔覆層是復(fù)合材料時(shí)，不會(huì)因粉末比重或粒度大小的不同而影響覆層質(zhì)量，且通過(guò)對(duì)絲材進(jìn)行預(yù)熱的精細(xì)處理可提高熔覆速率；但是絲材表面光滑，對(duì)激光的反射較強(qiáng)，激光利用率相時(shí)較低。此外，線材制造過(guò)程較復(fù)雜，且品種規(guī)格少。
（2）二步法（預(yù)置法）
該法是在激光熔覆處理前，先將熔覆材料置于工作表面，然后采用激光將其熔化，冷凝后形成熔覆層。預(yù)置熔覆材料的方式包括：
①預(yù)置涂覆層：通常是應(yīng)用手工涂敷，最為經(jīng)濟(jì)、方便，它是用粘結(jié)劑將熔覆用粉末調(diào)成糊狀置于工件表面，干燥后再進(jìn)行激光熔覆處理。此法生產(chǎn)效率低，熔覆厚度不一致，不宜用于大批量生產(chǎn)。
②預(yù)置片：將熔覆材料的粉末加入少量粘結(jié)劑模壓成片，置于工件需熔覆部位，再進(jìn)行激光處理。此法粉末利用率高，且質(zhì)量穩(wěn)定，適宜于一些深孔零件，如小口徑閥體，采用此法處理能獲得高質(zhì)量涂層。
3.激光熔覆的應(yīng)用研究
激光熔覆技術(shù)是一種經(jīng)濟(jì)效益很高的新技術(shù)，它可以在廉價(jià)金屬基材上制備出高性能的合金表面而不影響基體的性質(zhì)，降低成本，節(jié)約貴重稀有金屬材料。因此，世界上各工業(yè)先進(jìn)國(guó)家對(duì)激光熔覆技術(shù)的研究及應(yīng)用都非常重視。
應(yīng)用于激光熔覆的激光器主要有CO2激光器和固體激光器（主要包括碟片激光器、光纖激光器和二極管激光器，老式燈泵浦激光器由于光電轉(zhuǎn)化效率低、維護(hù)繁瑣等問(wèn)題已逐漸淡出市場(chǎng)）。對(duì)于連續(xù)CO2激光熔覆，國(guó)內(nèi)外學(xué)者已做了大量研究。高功率固體激光器的研制發(fā)展迅速，主要用于有色合金表面改性。據(jù)文獻(xiàn)報(bào)道，采用CO2激光進(jìn)行鋁合金激光熔覆，鋁合金基體在CO2激光輻照條件下容易變形，甚至塌陷。固體激光器，特別是碟片激光器輸出波長(zhǎng)為1.06μm，較CO2激光波長(zhǎng)小1個(gè)數(shù)量級(jí)，因而更適合此類金屬的激光熔覆。
激光熔覆具有以下特點(diǎn)：
（1）冷卻速度快（高達(dá)106K/s），屬于快速凝固過(guò)程，容易得到細(xì)晶組織或產(chǎn)生平衡態(tài)所無(wú)法得到的新相，如非穩(wěn)相、非晶態(tài)等；
（2）涂層稀釋率低（一般小于5%），與基體呈牢固的冶金結(jié)合或界面擴(kuò)散結(jié)合，通過(guò)對(duì)激光工藝參數(shù)的調(diào)整，可以獲得低稀釋率的良好涂層，并且涂層成分和稀釋度可控；
（3）熱輸入和畸變較小，尤其是采用高功率密度快速熔覆時(shí)，變形可降低到零件的裝配公差內(nèi)；
（4）粉末選擇幾乎沒(méi)有任何限制，特別是在低熔點(diǎn)金屬表面熔敷高熔點(diǎn)合金；
（5）熔覆層的厚度范圍大，單道送粉一次涂覆厚度在0.2～2.0mm；
（6）能進(jìn)行選區(qū)熔敷，材料消耗少，具有卓越的性能價(jià)格比；
（7）光束瞄準(zhǔn)可以使難以接近的區(qū)域熔敷；
（8）工藝過(guò)程易于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化。
目前，激光熔覆在應(yīng)用過(guò)程中也存在一些問(wèn)題。評(píng)價(jià)激光熔覆層質(zhì)量的優(yōu)劣，主要從兩個(gè)方面來(lái)考慮：一是宏觀上，考察熔覆道形狀、表面不平度、裂紋、氣孔及稀釋率等；二是微觀上，考察是否形成良好的組織，能否提供所要求的性能。此外，還應(yīng)測(cè)定表面熔覆層化學(xué)元素的種類和分布，注意分析過(guò)渡層的情況是否為冶金結(jié)合，必要時(shí)要進(jìn)行質(zhì)量壽命檢測(cè)。
激光熔敷技術(shù)進(jìn)一步應(yīng)用面臨的主要問(wèn)題是：
（1）激光熔覆技術(shù)在國(guó)內(nèi)尚未完全實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化的主要原因是熔覆層質(zhì)量的不穩(wěn)定性。激光熔覆過(guò)程中，加熱和冷卻的速度極快，最高速度可達(dá)1012℃/s。由于熔覆層和基體材料的溫度梯度和熱膨脹系數(shù)的差異，可能在熔覆層中產(chǎn)生多種缺陷，主要包括氣孔、裂紋、變形和表面不平度。
（2）光熔敷過(guò)程的檢測(cè)和實(shí)施自動(dòng)化控制。
（3）激光熔覆層的開裂敏感性，該問(wèn)題仍然是困擾國(guó)內(nèi)外研究者的一個(gè)難題，也是工程應(yīng)用及產(chǎn)業(yè)化的障礙，雖然已經(jīng)對(duì)裂紋的形成擴(kuò)展進(jìn)行了研究，但控制方法方面還不成熟。
激光技術(shù)是與原子能、半導(dǎo)體及計(jì)算機(jī)齊名的20世紀(jì)四大科技發(fā)明之一。由于激光具有方向性好、能量密度高、單色性好和相干性強(qiáng)等一系列優(yōu)點(diǎn)，因此特別適用于材料加工。激光加工技術(shù)就是利用激光束與物質(zhì)相互作用的特性對(duì)材料（包括金屬與非金屬）進(jìn)行切割、焊接、表面處理、打孔及微加工等的一門加工技術(shù)，是集光學(xué)、機(jī)械學(xué)、冶金學(xué)、電子學(xué)、計(jì)算機(jī)學(xué)等為一體的高技術(shù)，發(fā)展非常迅速，其應(yīng)用范圍也日趨廣闊。
激光熔覆技術(shù)是激光加工技術(shù)的一個(gè)重要的應(yīng)用方面，是一種新型的材料加工與表面改性技術(shù)，涉及物理、冶金、材料科學(xué)等領(lǐng)域。其研究歷史可追溯到20世紀(jì)70年代。1974年Gnanamuthu最先提出并申請(qǐng)了激光熔覆一層金屬于金屬基體的熔覆方法專利；進(jìn)入80年代，激光熔覆技術(shù)已經(jīng)發(fā)展成為表面工程、摩擦學(xué)、應(yīng)用激光等領(lǐng)域的前沿性課題，可以在低成本鋼板上制成高性能表面，代替大量的高級(jí)合金，以節(jié)約貴重、稀有的金屬材料，提高材料的綜合性能，降低能源消耗，適用于局部易磨損、剝蝕、氧化及腐蝕等零部件，受到了國(guó)內(nèi)外的普遍重視；到90年代后，相關(guān)科學(xué)研究與應(yīng)用開發(fā)得到快速發(fā)展。
當(dāng)今國(guó)內(nèi)外對(duì)激光熔覆的研究大致從以下幾個(gè)角度出發(fā)：一是激光熔覆的機(jī)理研究；二是激光熔覆工藝及其組織性能的研究；三是激光熔覆的應(yīng)用研究?，F(xiàn)對(duì)激光熔覆的各方面研究發(fā)展?fàn)顩r作以介紹，并指出其存在的主要問(wèn)題及其今后的發(fā)展方向。
1.激光熔覆的機(jī)理研究
激光熔覆是一個(gè)動(dòng)態(tài)熔化過(guò)程，熔池尺寸小，不僅存在著傳熱現(xiàn)象，而且也存在著對(duì)流、質(zhì)量傳遞等，它們直接影響熔池的宏觀形貌、偏析、組織和成分的均勻性及其他物理冶金性能，因此研究激光熔覆加熱理論，搞清激光熔覆過(guò)程中的熱傳導(dǎo)、對(duì)流及質(zhì)量傳遞等問(wèn)題，對(duì)于弄清激光熔覆理論具有重要意義。
2.激光熔覆工藝及其組織性能的研究
激光熔覆工藝方法有兩種類型：
（1）一步法（同步法）
該方法為在激光束輻照工件的同時(shí)向激光作用區(qū)送熔覆材料的工藝，它又有兩種方法。
①同步送粉法：使用專用噴射送粉裝置將單種或混合粉末送入熔池，控制粉末送入量和激光掃描速度即可調(diào)整熔覆層的厚度。由于松散的粉末對(duì)激光的吸收率大，熱效率高，可獲得比其他方法更厚的熔覆層，容易實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化。國(guó)外實(shí)際生產(chǎn)中采用較多。
②同步送絲法：此法工藝原理雖與同步送粉法相同，但熔覆材料是預(yù)先加工成絲材或使用填充絲材。此法便利且不浪費(fèi)材料，更易保證熔覆層的成分均勻性，尤其是當(dāng)熔覆層是復(fù)合材料時(shí)，不會(huì)因粉末比重或粒度大小的不同而影響覆層質(zhì)量，且通過(guò)對(duì)絲材進(jìn)行預(yù)熱的精細(xì)處理可提高熔覆速率；但是絲材表面光滑，對(duì)激光的反射較強(qiáng)，激光利用率相時(shí)較低。此外，線材制造過(guò)程較復(fù)雜，且品種規(guī)格少。
（2）二步法（預(yù)置法）
該法是在激光熔覆處理前，先將熔覆材料置于工作表面，然后采用激光將其熔化，冷凝后形成熔覆層。預(yù)置熔覆材料的方式包括：
①預(yù)置涂覆層：通常是應(yīng)用手工涂敷，最為經(jīng)濟(jì)、方便，它是用粘結(jié)劑將熔覆用粉末調(diào)成糊狀置于工件表面，干燥后再進(jìn)行激光熔覆處理。此法生產(chǎn)效率低，熔覆厚度不一致，不宜用于大批量生產(chǎn)。
②預(yù)置片：將熔覆材料的粉末加入少量粘結(jié)劑模壓成片，置于工件需熔覆部位，再進(jìn)行激光處理。此法粉末利用率高，且質(zhì)量穩(wěn)定，適宜于一些深孔零件，如小口徑閥體，采用此法處理能獲得高質(zhì)量涂層。
3.激光熔覆的應(yīng)用研究
激光熔覆技術(shù)是一種經(jīng)濟(jì)效益很高的新技術(shù)，它可以在廉價(jià)金屬基材上制備出高性能的合金表面而不影響基體的性質(zhì)，降低成本，節(jié)約貴重稀有金屬材料。因此，世界上各工業(yè)先進(jìn)國(guó)家對(duì)激光熔覆技術(shù)的研究及應(yīng)用都非常重視。
應(yīng)用于激光熔覆的激光器主要有CO2激光器和固體激光器（主要包括碟片激光器、光纖激光器和二極管激光器，老式燈泵浦激光器由于光電轉(zhuǎn)化效率低、維護(hù)繁瑣等問(wèn)題已逐漸淡出市場(chǎng)）。對(duì)于連續(xù)CO2激光熔覆，國(guó)內(nèi)外學(xué)者已做了大量研究。高功率固體激光器的研制發(fā)展迅速，主要用于有色合金表面改性。據(jù)文獻(xiàn)報(bào)道，采用CO2激光進(jìn)行鋁合金激光熔覆，鋁合金基體在CO2激光輻照條件下容易變形，甚至塌陷。固體激光器，特別是碟片激光器輸出波長(zhǎng)為1.06μm，較CO2激光波長(zhǎng)小1個(gè)數(shù)量級(jí)，因而更適合此類金屬的激光熔覆。
激光熔覆具有以下特點(diǎn)：
（1）冷卻速度快（高達(dá)106K/s），屬于快速凝固過(guò)程，容易得到細(xì)晶組織或產(chǎn)生平衡態(tài)所無(wú)法得到的新相，如非穩(wěn)相、非晶態(tài)等；
（2）涂層稀釋率低（一般小于5%），與基體呈牢固的冶金結(jié)合或界面擴(kuò)散結(jié)合，通過(guò)對(duì)激光工藝參數(shù)的調(diào)整，可以獲得低稀釋率的良好涂層，并且涂層成分和稀釋度可控；
（3）熱輸入和畸變較小，尤其是采用高功率密度快速熔覆時(shí)，變形可降低到零件的裝配公差內(nèi)；
（4）粉末選擇幾乎沒(méi)有任何限制，特別是在低熔點(diǎn)金屬表面熔敷高熔點(diǎn)合金；
（5）熔覆層的厚度范圍大，單道送粉一次涂覆厚度在0.2～2.0mm；
（6）能進(jìn)行選區(qū)熔敷，材料消耗少，具有卓越的性能價(jià)格比；
（7）光束瞄準(zhǔn)可以使難以接近的區(qū)域熔敷；
（8）工藝過(guò)程易于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化。
目前，激光熔覆在應(yīng)用過(guò)程中也存在一些問(wèn)題。評(píng)價(jià)激光熔覆層質(zhì)量的優(yōu)劣，主要從兩個(gè)方面來(lái)考慮：一是宏觀上，考察熔覆道形狀、表面不平度、裂紋、氣孔及稀釋率等；二是微觀上，考察是否形成良好的組織，能否提供所要求的性能。此外，還應(yīng)測(cè)定表面熔覆層化學(xué)元素的種類和分布，注意分析過(guò)渡層的情況是否為冶金結(jié)合，必要時(shí)要進(jìn)行質(zhì)量壽命檢測(cè)。
激光熔敷技術(shù)進(jìn)一步應(yīng)用面臨的主要問(wèn)題是：
（1）激光熔覆技術(shù)在國(guó)內(nèi)尚未完全實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化的主要原因是熔覆層質(zhì)量的不穩(wěn)定性。激光熔覆過(guò)程中，加熱和冷卻的速度極快，最高速度可達(dá)1012℃/s。由于熔覆層和基體材料的溫度梯度和熱膨脹系數(shù)的差異，可能在熔覆層中產(chǎn)生多種缺陷，主要包括氣孔、裂紋、變形和表面不平度。
（2）光熔敷過(guò)程的檢測(cè)和實(shí)施自動(dòng)化控制。
（3）激光熔覆層的開裂敏感性，該問(wèn)題仍然是困擾國(guó)內(nèi)外研究者的一個(gè)難題，也是工程應(yīng)用及產(chǎn)業(yè)化的障礙，雖然已經(jīng)對(duì)裂紋的形成擴(kuò)展進(jìn)行了研究，但控制方法方面還不成熟。
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