超高速激光熔覆技术研究现状与进展论文

 

　　0引言
 

　　钢铁材料因其制造成本低廉、机械性能优异以及良​好的可加工性等优点，在车辆制造、电力行业、船舶工程及海洋工程等多个工业领域的机械设备零部件中得到了广泛应用[1]。然而，机械设备零部件在极端或恶劣的工作环境中，常面临磨料磨损、腐蚀磨损及疲劳磨损等多重失效机制的共同作用。这些失效机制相互交织，共同作用于机械设备零部件的表面，加速了其损耗过程，进而缩短了设备的使用寿命。随着经济的持续发展和工业技术水平的不断提高，对机械设备的质量和使用寿命提出了更为严格的要求。因此，通过优化材料的表面性能，显著提升零部件的耐磨性和耐腐蚀性而有效延长设备的使用寿命，已成为一项至关重要的任务。

 

　　为提高钢表面的耐磨性和耐腐蚀性能，通常采用表面改性技术在钢表面制备薄膜、涂层或渗层，以实现服役性能的优化。钢表面常用的表面改性技术包括气相沉积[2-3]、热喷涂[4]、化学热处理[5-6]等。气相沉积又可细分为物理气相沉积和化学气相沉积。物理气相沉积形成的薄膜均匀且与基体结合力强，薄膜的物理性能优异；化学气相沉积则易于控制薄膜的成分和特性，能够灵活应对复杂形状零件的加工需求，展现出高度的工艺灵活性与适应性。热喷涂技术适应性强，能在各种基体材料上进行喷涂，且可喷涂的涂层材料种类极为广泛。其中，等离子喷涂[7]、火焰喷涂[8]、超音速火焰喷涂[9]等作为热喷涂技术的典型代表，不仅提高了涂层的致密性与结合强度，还显著增强了涂层的耐磨性、耐蚀性能，能够满足不同工程领域的特定需求。化学热处理技术，以其低成本、高效率和显著的性能提升效果，成为增强钢材表面硬度和耐腐蚀性的又一重要途径。该技术通过控制元素在钢表面的扩散与反应，实现表面层的改性，具体方法包括渗氮[10]、渗碳[11]和碳氮共渗[12]。

 

　　气相沉积、热喷涂、化学热处理等传统表面改性技术在过往的生产实践中均取得了良好的应用成效。然而，随着制造业向高端化、绿色化转型的加速，以及环保法规体系的不断完善，这些传统技术所固有的局限性开始愈发凸显。化学热处理技术面临生产周期长、能耗较高的难题；热喷涂技术虽应用广泛，但涂层与基材间的结合强度较低；而气相沉积技术，尤其是化学气相沉积，虽能制备出高质量涂层，却难以避免化学污染及生产成本偏高的问题。在此背景下，激光表面改性技术作为一种新型表面处理手段，正在金属材料的改性领域中逐渐崭露头角。该技术凭借其非接触式加工、精确控制、高效能、低污染的特性，以及能够显著提升材料表面硬度、耐磨性、耐腐蚀性等综合性能的优势，已成为满足现代工业对高质量、高效率、低环境影响产品需求的关键技术之一。

 

　　激光因其能量密度高，相干性和方向性优良等特性，在材料表面处理技术领域展现出了广阔的应用前景。激光表面改性技术主要包括激光表面合金化[13]、激光熔覆[14]、激光重熔[15]等。激光熔覆技术作为一种即时高效的加工手段，通过激光束直接照射涂层粉末，促使粉末迅速熔化并快速固化于基体表面，形成一层致密且性能优异的涂层。熔覆过程中，涂层经历极大的温度梯度，促进了细小晶粒的形成，并与基体之间形成良好的冶金结合[16]，从而显著提升了涂层的机械性能及与基体之间的附着力。与其他表面改性技术相比，激光熔覆技术具有生产效率高、涂层与基材结合力强、熔覆层组织致密、且环境友好等特点[17]。德国弗劳恩霍夫激光技术研究所（Fraunhofer ILT）与亚琛工业大学（RWTH Aachen）于2017年联合开发了超高速激光熔覆技术（Extreme High-Speed Laser Material Deposition，EHLA）[18]，在传统激光熔覆技术的基础上，通过优化熔覆头结构，实现了粉末在到达基材前的预熔化，使粉末以液态形式在基材表面凝固，形成均匀涂层。与传统激光熔覆相比，超高速激光熔覆显著提高了能量利用效率，粉末利用率可达85%，稀释率低于5%。该技术有效缩小了热影响区（HAZ），大幅减少了基材热变形的发生，同时降低了涂层稀释率，避免了成分偏析。使用较小粒径的粉末和较高的搭接率，使涂层成形质量更高，组织更致密。此外，超高速激光熔覆的熔覆速度高达25~200 m/min，是传统激光熔覆速度的数倍。超高速激光熔覆提高了涂层材料沉积速率，突破了传统激光熔覆技术的效率瓶颈。高熔覆速率不仅提升了涂层的冷却速率，还显著减少了基材熔池的形成与持续时间。所得到的涂层更加致密和均匀，减少了气孔和裂纹的形成，提高了涂层的性能。

 

　　本文系统性地阐述了超高速激光熔覆技术中关键工艺参数的特性及其所涉及的材料体系。综述了这些关键工艺参数对涂层熔覆效果的影响，并概述了不同涂层材料体系所展现的独特性质。简要概括了超高速激光熔覆的典型应用场景，提出了今后涂层评价体系的发展方向。

 

 

　　工艺参数是影响激光熔覆涂层质量的关键因素，且这些参数之间存在着复杂的耦合作用。对涂层质量具有显著影响的参数主要包括激光功率、扫描速率、送粉率以及搭接率。

 

　　1.1激光功率

 

　　激光功率是影响基体热输入的关键因素之一。在一定的范围内增加激光功率，可以为粉末的熔化及固结过程提供更为充足的能量，并相应地延长激光束与粉末颗粒的相互作用时间，从而有助于提高粉末的利用率。然而，当激光功率过高时会导致粉末发生高温气化现象，使得涂层稀释率上升，导致涂层质量的显著降低。

 

　　Wang等[19]在42CrMo钢基体上制备了FeCoCrNiMo/金刚石复合涂层，并观察到随着激光功率的提升，金刚石的碳化程度显著增加。在高温环境下，金刚石碳化导致更多碳原子向涂层内部扩散，并与空气中的氧气反应生成气体产物。另一方面，由于高冷却速率的作用，熔融粉末迅速凝固形成涂层，致使部分气体无法逸出而残留于涂层中，从而在一定程度上增加了涂层的孔隙率。过高的激光功率不仅会导致涂层质量下降，还会加剧粉末材料的溶解，进而对涂层的厚度产生不利影响。Zhang等[20]利用高速摄像机捕捉送粉过程，系统研究了不同激光熔覆功率、载气流量以及送粉率条件下熔覆过程的动态行为。实验结果显示，在900~1 800 W的激光功率范围内，随着激光功率的增加，熔融粉末量逐渐增大，导致涂层厚度相应增加。然而，当激光功率达到1 800 W时，粉末气化现象加剧，导致粉末损失严重。Yong等[21]在探究激光功率对涂层厚度影响的研究中，随着激光功率的增大（3.6、4.75、5.9 kW），被捕获的粉末量增多，导致涂层厚度略有增加，这一过程中涂层硬度有所下降（最大值1 580、1 380、1 000 HV0.1），其原因可能是涂层中碳化物相的粘结程度降低。

 

　　1.2扫描速率

 

　　扫描速率对涂层性能具有显著影响。在一定范围内调整扫描速率，会直接影响对基体的热输入量，进而提高涂层的冷却速率，促使涂层微观组织的细化，并最终增强涂层的摩擦磨损及耐腐蚀性能。

 

　　Yuan等[22]研究了传统激光熔覆与超高速激光熔覆之间的差异。超高速激光熔覆由于具有较高的扫描速率，能够显著提升涂层的冷却速率，促使粗大柱状晶向细小的枝晶转变，进而提高了涂层的摩擦磨损性能。Chen等[23]在45钢上熔覆了TiC/In625涂层，并深入研究了涂层的表面形貌和微观组织结构，发现随着扫描速率的增加，涂层表面粗糙度呈现降低的趋势。与传统激光熔覆相比，高熔覆速率使得枝晶尺寸进一步减小，同时基体受热输入的影响也相对较小。此外，涂层的稀释率较低，成分分布更为均匀。Jian等[24]研究了扫描速率（1.57~20.4 m/min）对涂层耐腐蚀性能的影响。随着扫描速率的提高，涂层的微观组织发生了显著的细化。扫描速率的提高促使Cr元素在枝晶之间实现了更为均匀的分布，这有助于减小电位差，从而提高了涂层的耐腐蚀性能。

 

　　1.3送粉率

 

　　送粉率主要对涂层厚度产生影响。送粉率的设定需与适宜的激光功率及扫描速率相配合。若激光功率过低或扫描速率过快，均可能导致粉末熔化不完全，从而难以与基体形成良好的冶金结合。此外，这种不完全熔化还会导致涂层表面残留未熔粉末，进而增大涂层表面粗糙度。

 

　　Meng等[25]在45钢基材上沉积了Ni60涂层，研究了不同工艺参数对Ni60涂层微观组织的影响。随着送粉率的增加（38.96、44.38、50.91 g/min），涂层的厚度与粗糙度亦呈现上升趋势。此外，送粉率还显著影响熔覆效率，为了平衡熔覆效率与涂层质量，调整送粉率的同时，其他相关工艺参数亦需进行相应优化。Someer等[26]则聚焦于超高速激光熔覆工艺参数对涂层厚度的影响，采用了两种不同粒径的粉末，并设计了关于激光功率与送粉率的全因子实验。实验结果如图1所示，该涂层厚度的等高线明显平行于激光功率轴，而垂直于送粉率轴，表明送粉率是决定涂层厚度的主导因素。Schaible等[27]则针对送粉率对粉末利用率的影响展开了研究。在送粉率达到最大值70.9 g/min且激光功率为5 kW的条件下，已无法确保涂层和基体之间形成良好的冶金结合，涂层厚度增大的同时，涂层孔隙增加，涂层质量下降。涂层质量与粉末粒径、粉末球形度也存在一定的关联性。不同粒径的粉末对激光吸收能力不同，在激光熔覆过程中会导致熔池形状和尺寸的变化，进而影响涂层成形形貌[28]。当粉末粒径增大到一定程度，激光能量不足以使粉末完全融化，导致粉末团聚现象加剧，从而影响其表面粗糙度和尺寸精度[29]。另外，相同粒径但球形度更高的粉末，具有更好的流动性和松装密度，能够提高熔覆层的厚度均匀性和组织致密度。马宽等[30]研究粉末球形度对熔覆质量的影响，发现SS-PREP粉熔覆层厚度变化波动较GA粉熔覆层小；SS-PREP粉熔覆层厚度平均值为10.98μm；GA粉熔覆层厚度平均值为54.53μm。SS-PREP粉较GA粉，熔覆层内部微观组织表现为更细小的等轴树枝晶。

 

　
 

　　1.4搭接率

 

　　搭接率对涂层粗糙度具有显著影响。在超高速激光熔覆工艺中，搭接率通常维持在50%~90%的范围内。当搭接率偏低时，会导致涂层堆积密度不足，进而造成涂层表面质量下降。值得注意的是，高搭接率并不必然等同于优异的表面质量。因此，确定搭接率的具体数值时，需综合考虑生产过程的实际需求、设备性能以及其他相关因素。

 

　　Yan等[31]利用超高速激光熔覆技术在5CrNiMo基材上成功制备了H13钢涂层，并采用响应曲面法优化了涂层的厚度与粗糙度。在搭接率30%~90%的范围内，搭接率与涂层厚度呈现正相关关系。关于搭接率对涂层厚度的影响，Lampa等[32]在20MnV6基材上制备了In625涂层，在扫描速率恒定为100 m/min的条件下，拟合出了涂层厚度随送粉率、激光功率和搭接率变化的曲线，如图2所示。随着搭接率的增加，涂层厚度也相应地增加。