激光熔覆技術(shù)已經(jīng)成功實現(xiàn)再制造產(chǎn)業(yè)化并取得了巨大成效，本文以激光熔覆再制造技術(shù)應(yīng)用所涉及的裝備、材料、工藝、產(chǎn)品為主線，首先，對激光熔覆再制造技術(shù)研究現(xiàn)狀進行了綜合研究，指出目前激光熔覆再制造所用激光功率多為4000～10 000W，并持續(xù)向高功率、高效率、高穩(wěn)定性的方向不斷提升；其次，激光熔覆再制造成品質(zhì)量控制涉及熔覆表面宏觀質(zhì)量、成形厚度、表面硬度分布等，進而分別詳細闡述了關(guān)鍵工藝參數(shù)的影響及其相關(guān)研究，同時提及了數(shù)值仿真技術(shù)和復(fù)合技術(shù)的應(yīng)用研究；并對合金粉末、傳統(tǒng)大功率激光熔覆和高速激光熔覆進行了應(yīng)用現(xiàn)狀闡述；最后，簡要探討歸納了激光熔覆再制造技術(shù)的發(fā)展趨勢。

1 序言

再制造作為循環(huán)經(jīng)濟的一種高級形式，與廢品回收和維修有著嚴格意義上的區(qū)分，中國特色的再制造是基于維修和表面工程技術(shù)，采用等離子、激光、電鍍等各種技術(shù)工藝讓廢舊產(chǎn)品重新獲得不低于新品使用性能的過程。其中激光熔覆也稱激光包覆或激光熔敷，該技術(shù)主要通過預(yù)置送粉、同步送粉的填料方式在再制造零部件基體表面放置各種功能材料，經(jīng)高能量密度的激光束輻照，使合金粉末和基體表面一薄層同時熔化并快速凝固，形成稀釋率極低且與基體表面呈冶金結(jié)合的激光熔覆層，從而賦予零部件基體以預(yù)期的耐磨、耐蝕、耐高溫、抗氧化性能以及電器特性等。

近年來，激光熔覆再制造技術(shù)被廣泛應(yīng)用于幾個典型行業(yè)領(lǐng)域并獲得了較為廣闊的市場規(guī)模，以大型礦山機電、工程機械關(guān)鍵零部件為代表。由于再制造對產(chǎn)品性能的高要求，各種先進的技術(shù)都被應(yīng)用到研發(fā)高質(zhì)量再制造成形中，多技術(shù)種類的再制造零部件的質(zhì)量穩(wěn)定是產(chǎn)業(yè)化推廣的關(guān)鍵。徐濱士等在評述再制造產(chǎn)品質(zhì)量內(nèi)涵的時候闡明：再制造零件質(zhì)量是從其幾何尺寸、材料組織及服役性能和壽命等多方面對再制造零件的綜合評價，主要考慮再制造零件是否存在氣孔和裂紋等缺陷、性能是否達到服役條件要求、壽命能否經(jīng)歷下一個服役周期等。

而將激光熔覆技術(shù)應(yīng)用于再制造產(chǎn)業(yè)至今已經(jīng)衍生出全面涵蓋“裝備、材料、工藝、產(chǎn)品、服務(wù)”五位一體產(chǎn)業(yè)構(gòu)架。本文從激光熔覆再制造產(chǎn)業(yè)出發(fā)，對激光熔覆技術(shù)涉及的裝備、材料、工藝及性能的研究現(xiàn)狀做了梳理，從再制造角度對激光熔覆技術(shù)應(yīng)用現(xiàn)狀及發(fā)展需求進行了闡述，從裝備、材料、工藝及產(chǎn)品應(yīng)用四個方面闡述了激光熔覆再制造技術(shù)未來的發(fā)展趨勢。

2 激光熔覆再制造研究現(xiàn)狀

2.1 激光熔覆裝備研究進展

激光熔覆裝備以激光器為核心，集成了電控水冷系統(tǒng)、送粉系統(tǒng)、機床及控制系統(tǒng)等關(guān)鍵功能單元，每一單元都在激光熔覆過程中發(fā)揮著關(guān)鍵作用：激光器為熔覆提供高能量束的激光熱源，決定著激光加工系統(tǒng)的加工能力，是熔覆效率提升的根本；電控水冷系統(tǒng)保障激光器運轉(zhuǎn)環(huán)境；使用送粉系統(tǒng)為激光熔覆提供連續(xù)不斷的原材料；借助機床固定待加工的零部件，控制著加工精度。配套輔助裝備的設(shè)計與應(yīng)用也逐漸讓激光加工系統(tǒng)功能越來越強大和完善。

再制造應(yīng)用的激光加工系統(tǒng)經(jīng)歷了橫流CO2激光加工系統(tǒng)、3000W半導(dǎo)體加工系統(tǒng)、4000W光纖耦合激光加工系統(tǒng)、6000W和8000W大功率半導(dǎo)體激光加工系統(tǒng)、10000W大功率半導(dǎo)體光纖耦合激光加工系統(tǒng)（見圖1），目前大規(guī)模應(yīng)用于再制造產(chǎn)業(yè)化的是4000~10000W激光器。

也有很多學者對工業(yè)級激光器的研究與應(yīng)用進行了綜述性歸納探討，王立軍等對大功率半導(dǎo)體激光器的發(fā)展歷史和發(fā)展現(xiàn)狀進行了綜述，指出了半導(dǎo)體激光器研究的重大技術(shù)問題：如何同時獲得高功率、高可靠性和高能量轉(zhuǎn)換效率，同時提高光束質(zhì)量并擁有良好的光譜特性。

在另一篇文獻里，王立軍等指出大功率半導(dǎo)體激光器正向著高光束質(zhì)量、高亮度的方向快速發(fā)展，美國立項研究的100kW級直接半導(dǎo)體激光光源并應(yīng)用于國防，德國研發(fā)了千瓦及萬瓦級半導(dǎo)體激光光源，應(yīng)用在激光熔覆及激光焊接等加工領(lǐng)域，使得高功率半導(dǎo)體激光光源光束質(zhì)量得到巨大改善，早在2014年美國IPG公司報道了100kW光纖激光器。馬驍宇等針對國內(nèi)大功率半導(dǎo)體激光器主要研究內(nèi)容和關(guān)鍵技術(shù)進行了總結(jié)，指出由于大功率半導(dǎo)體激光器具有體積小、質(zhì)量輕、壽命長等優(yōu)點，被廣泛應(yīng)用于民用生產(chǎn)和軍事等領(lǐng)域。

2.2 激光熔覆再制造技術(shù)工藝研究現(xiàn)狀

（1）工藝參數(shù)的影響研究

熔覆工藝過程直接決定再制造成形質(zhì)量，是激光熔覆技術(shù)應(yīng)用于規(guī)模產(chǎn)業(yè)化的核心要素，結(jié)合激光熔覆再制造在礦山液壓支架立柱上的應(yīng)用經(jīng)驗總結(jié)發(fā)現(xiàn)，再制造成品質(zhì)量控制一般涉及熔覆表面宏觀質(zhì)量（無裂紋、砂眼等缺陷）、成形厚度、表面硬度分布等，而影響激光熔覆成形質(zhì)量的幾個關(guān)鍵參數(shù)即為激光功率、焦距、掃描線速度、搭接率、送粉率，其中搭接率與步距設(shè)置有關(guān)，送粉速率與熔覆厚度直接相關(guān)，熔覆有效熱量輸入則是這些參數(shù)綜合作用的結(jié)果。

自激光熔覆獲得產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用以來，研究者圍繞各項參數(shù)對性能的影響及作用機理做了大量研究，可以較為全面的覆蓋激光熔覆技術(shù)應(yīng)用中的關(guān)鍵影響因素及影響機理。江吉彬等通過分析激光熔覆技術(shù)的國內(nèi)外研究現(xiàn)狀，指出熔覆參數(shù)類型有工藝參數(shù)、過程參數(shù)、質(zhì)量參數(shù)，按照該分類方法，激光熔覆再制造參數(shù)從激光光源、機床、待熔覆零部件基體、粉末、送粉系統(tǒng)幾方面可細分為：①激光功率、焦距（光源）、光斑規(guī)格。②機床精度、轉(zhuǎn)速、熔覆步進控制（機床）。③零部件形狀、尺寸及材料特性（零部件基體）。④粉末成分、功能、物理性能（粒度分布、流動性、松裝密度、氧含量）。⑤送粉速率。⑥保護氣流大小。這些參數(shù)的協(xié)調(diào)性作用，首先直接關(guān)乎熔覆產(chǎn)品的質(zhì)量，最為直觀的是氣孔、砂眼、裂紋等肉眼可見的熔覆層宏觀表征（見圖2），其次是熔覆尺寸以及機械加工完成后可測的表面硬度、粗糙度、耐腐蝕性，再次是取樣檢測的熔覆層稀釋率、結(jié)合情況、內(nèi)部組織結(jié)構(gòu)及缺陷情況、剖面硬度、熱影響區(qū)大小等。

許明三等以材料種類、熔覆功率、熔覆掃描速度為影響因素進行正交試驗，研究對結(jié)合強度的影響，發(fā)現(xiàn)合金粉末種類對結(jié)合強度的影響最大，另外是掃描速度，最小是激光輸出功率。45鋼基體表面激光熔覆層與基體的結(jié)合強度大于基體的抗應(yīng)力強度，鎳基的熔覆層的抗剪強度為母材的2~3倍，鐵基熔覆層達到母材5倍以上。杜學蕓等使用能量密度不同大功率激光器進行熔覆試驗并通過中性鹽霧試驗考察耐腐蝕性能，經(jīng)分析發(fā)現(xiàn)：能量密度越高，熔覆層顯微組織差異越大，且耐蝕性能越差；不同功率密度下，熔覆層中的 Cr 平均含量無明顯差異，但隨著激光熔覆能量密度增大，Cr分布越發(fā)不均勻，熔覆層平均硬度越高，耐蝕性能越差。

（2）數(shù)值仿真技術(shù)的應(yīng)用

先進制造技術(shù)的一個重要發(fā)展趨勢是工藝設(shè)計由經(jīng)驗判斷走向定量分析，將數(shù)值仿真和人工智能技術(shù)相結(jié)合，可以通過科學的模擬替代大量的基礎(chǔ)驗證過程，不僅省時省力，還能解決一些實際操作難于成行的試驗內(nèi)容。不容質(zhì)疑，激光熔覆工藝參數(shù)之間的協(xié)同作用過程極其復(fù)雜，具備復(fù)雜物理變化、化學變化、動態(tài)的熱處理特點，熔池瞬態(tài)溫度場、成形應(yīng)力場都難以定量檢測和分析，近年來，有很多研究者將計算機仿真應(yīng)用于激光熔覆研究，大大簡化了工藝驗證過程，提升了創(chuàng)新技術(shù)的開發(fā)效率。如郭衛(wèi)等利用ANSYS有限元分析軟件數(shù)值模擬27SiMn表面不同功率下激光熔覆304的過程，分析了不同激光功率下的溫度場，得到了距離熔覆層表面1mm處的某點溫度-時間曲線，減少了試驗量。

（3）多技術(shù)復(fù)合的研究

為了提升激光熔覆成形質(zhì)量，熔覆前預(yù)熱、后熱處理以及多種加工技術(shù)耦合獲得了較為廣泛的研究與應(yīng)用。激光熔覆后熱處理可以有效地降低涂層的殘余應(yīng)力，同時改善涂層的力學性能。激光重熔采用激光為熱源，使金屬材料表面快速熔化，隨后自行快冷從而在基體組織上獲得重格層及淬火層雙層硬化組織，再次熔化的液相有助于成分均勻化滲透和擴散。如李俊鵬研究了鋁活塞合金激光重熔后重熔區(qū)結(jié)構(gòu)分布，發(fā)現(xiàn)激光重熔很像是熔化焊、組織比較接近于連續(xù)鑄造，枝晶骨架生長受限，晶粒尺寸減小到原來的1/10左右，從基體到頂端樹枝晶逐漸變?yōu)榈容S晶，指出形核率、溫度梯度、凝固時間對晶粒的大小和晶粒生長的方向起到了決定性的作用。

2.3 激光熔覆再制造用合金材料研究現(xiàn)狀

因具備脫氧、還原、造渣、除氣、濕潤金屬表面、良好的固態(tài)流動性、適中的粒度及含氧量要低等共性，激光熔覆合金粉末最初多沿用熱噴焊所用合金粉末。但由于工藝的本質(zhì)差別導(dǎo)致了激光熔覆用粉出現(xiàn)了裂紋、夾渣等缺陷，需要針對激光熔覆特點開發(fā)專用合金粉末。目前，激光熔覆再制造用材料種類有合金粉末、絲材、膏狀、棒狀等，多見不同粒度的鐵基、鎳基、鈷基、陶瓷粉末、復(fù)合粉末及非晶合金粉末等，其中自熔性合金粉末在Ni、Fe、Co等基體合金中加入合金化（Si、B等）元素的合金粉末，該類粉末熔點低，便于熔覆成形；陶瓷粉分為碳化物陶瓷粉末、氧化物陶瓷粉末和硅化物陶瓷粉末，具備較高的熔點和硬度；復(fù)合粉末主要指碳化物、氧化物、硼化物、硅化物等高熔點硬質(zhì)陶瓷材料與金屬材料混合或復(fù)合而形成的合金粉末；而非晶態(tài)合金粉末的非晶形態(tài)、低界面能，對基體材料具有很好的濕潤性，同時熔覆時近乎均勻熔化，熔覆成形具有更高屈服強度、大彈性應(yīng)變極限、高耐磨性和優(yōu)良的耐腐蝕性。

而激光熔覆再制造應(yīng)用最廣泛、占比最大的當屬鐵基合金粉末，該類粉末成本低廉、性能可靠，具備一定的耐磨、耐腐蝕性能，可以滿足多種礦山機械、工程機械、鋼鐵等行業(yè)關(guān)鍵大型零部件的激光熔覆再制造需求。例如，激光熔覆礦用中部槽中、底板，激光熔覆不銹鋼立柱，激光熔覆軋輥、活塞桿等都是采用鐵基合金粉末進行再制造強化。高球形率、低氧含量、少空心粉、成分和粒度分布均勻是合金粉末的質(zhì)量要求。相比之下，國內(nèi)合金粉末存在的主要問題集中在產(chǎn)品質(zhì)量和批次穩(wěn)定性等方面，細球形粉末受得率較低，一些新型多工藝復(fù)合、低成本制粉技術(shù)尚未大規(guī)模應(yīng)用。

2.4 激光熔覆再制造技術(shù)應(yīng)用現(xiàn)狀

激光熔覆再制造技術(shù)在應(yīng)用進程中一直追求高加工效率，目前已經(jīng)形成了大功率激光熔覆和超高速激光熔覆兩種加工模式，其中大功率激光熔覆又稱傳統(tǒng)熔覆，多采用矩形大光斑、大功率激光為熱源，熔覆單道較寬，熔覆層厚度高達2.5mm，可在平面、弧面、立面高效率制得大厚度、大面積涂層，是目前激光加工的主要技術(shù)手段，筆者公司進行了鋼廠軋輥再制造，在其表面通過激光熔覆鐵基合金粉末實現(xiàn)再制造，替代了傳統(tǒng)堆焊Ni60，創(chuàng)造了經(jīng)濟收入；采用激光熔覆替代傳統(tǒng)堆焊技術(shù)進行板材表面熔覆，實現(xiàn)了中部槽中、底板的再制造強化，如圖3所示。

超高速激光熔覆是一種具備更高效率的激光熔覆技術(shù)，與傳統(tǒng)激光熔覆技術(shù)相比：第一，高速激光熔覆具備極高的熔覆線速度；第二，單層熔覆層厚度極薄，由此可以獲得在零部件表面的高精度成形，而且熔覆搭接平整，熔覆區(qū)域表面粗糙度小，極大地減少了后續(xù)機械加工去除量，簡化了機械加工程序，既能降低材料消耗又可提升加工效率；第三，激光光束高度匯聚，光束能量一部分用于熔化合金粉末，一部分作用于零部件表面，合金粉末進入熔池之前即被熔化，對加工工件的影響極小，所以熔覆變形問題得到了優(yōu)化；第四，高速熔覆憑借其高能量密度、低稀釋率的優(yōu)勢實現(xiàn)了鈦、鋁、銅等傳統(tǒng)激光熔覆難于實現(xiàn)的表面激光加工。由此可見，高速熔覆技術(shù)是一種可打破傳統(tǒng)常規(guī)熔覆技術(shù)局限的新型優(yōu)勢技術(shù)。自高速熔覆技術(shù)問世以來，憑借顯著的加工效率、加工精度優(yōu)勢在國內(nèi)外掀起了一股研發(fā)熱潮，研究者們持續(xù)投入了大量精力，將激光熔覆技術(shù)推向了更新的高度。

3 激光熔覆再制造發(fā)展前景展望

隨著大功率激光器件的成本下降，越來越多的國內(nèi)外高校、企業(yè)、學者開展激光熔覆再制造技術(shù)應(yīng)用研究，“裝備、材料、工藝、產(chǎn)品、服務(wù)”五位一體使得激光熔覆再制造技術(shù)越趨完善。

（1）“自動化、智能化、傻瓜式操作”是激光熔覆再制造技術(shù)的裝備發(fā)展方向

隨著自動化發(fā)展進程，激光加工系統(tǒng)與計算機數(shù)控技術(shù)相結(jié)合可構(gòu)成高效自動化加工設(shè)備，為優(yōu)質(zhì)、高效和低成本的加工生產(chǎn)開辟了廣闊的前景。未來，解放人工、高效生產(chǎn)將為自動化、智能化提供廣闊的施展空間。諸如激光熔覆自動化上下料生產(chǎn)線、無人化操作的激光熔覆生產(chǎn)線等都將大大簡化激光加工過程，讓激光熔覆過程的操作和控制趨向于“傻瓜式”。

（2）功能優(yōu)化、性能穩(wěn)定是激光熔覆再制造用材料的研究方向

再制造領(lǐng)域激光熔覆合金材料粉末發(fā)展方向以產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用為導(dǎo)向，超耐磨、超耐腐蝕的功能化需求，高球形、高穩(wěn)定性的質(zhì)量要求都將是材料持續(xù)優(yōu)化的方向，并最終打破國外高端合金粉末的技術(shù)壟斷。

（3）效率提升和流程標準化是激光熔覆再制造的工藝發(fā)展方向

作坊式的自由發(fā)展模式讓激光熔覆產(chǎn)業(yè)化規(guī)模迅速壯大，但是與再制造產(chǎn)業(yè)面臨著同樣的問題，那就是各類規(guī)范體系的缺失，也有諸如激光熔覆相關(guān)行業(yè)、企業(yè)標準報道，但難于規(guī)范整個行業(yè)的標準化。構(gòu)建各個工序、各個領(lǐng)域的激光熔覆再制造標準規(guī)范將是激光熔覆再制造產(chǎn)業(yè)未來發(fā)展的必要環(huán)節(jié)。另外，源于一線激光熔覆實踐創(chuàng)造出的各類簡單、便捷、便于標準化作業(yè)的工裝也是再制造效率提升和質(zhì)量保障的有利元素。

（4）嘗試開發(fā)激光熔覆適用的新零件、新工況、新服務(wù)模式是激光熔覆再制造技術(shù)的應(yīng)用發(fā)展方向

復(fù)合技術(shù)的成果轉(zhuǎn)化及應(yīng)用將開拓更為廣闊的激光再制造應(yīng)用領(lǐng)域，諸如大型構(gòu)件現(xiàn)場激光熔覆再制造、水下激光熔覆技術(shù)應(yīng)用、金屬激光增材制造等都是激光熔覆再制造技術(shù)應(yīng)用的新領(lǐng)域，汽車、電力、航空、冶金、石油及航海等行業(yè)關(guān)鍵零部件再制造應(yīng)用前景將因此更為廣闊。

本文發(fā)表于《金屬加工（熱加工）》2020年第3期，15-19頁。作者： 山東能源重裝集團大族再制造有限公司杜學蕓、宋健，山東能源重型裝備制造集團有限責任公司許金寶， 原標題：《 激光熔覆再制造技術(shù)研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢》。