激光熔覆技术

激光熔覆（laser cladding）技术是20世纪70年代随着大功率激光器的发展而兴起的一种新的表面改性技术，是在激光束作用下将合金粉末或陶瓷粉末与基体表面迅速加热并熔化，光束移开后自激冷却形成稀释率极低、与基体材料呈冶金结合形成表面涂层，从而显著改善基体表面耐磨、耐蚀、耐热、抗氧化及电气特性等的一种表面强化方法［5-8］。

与堆焊、喷涂、电镀和气相沉积相比，激光熔覆具有稀释度小、组织致密、涂层与基体结合好、适合熔覆材料多、粒度及含量变化大等特点，因此激光熔覆技术应用前景十分广阔。

从当前激光熔覆的应用情况来看，其主要应用于三个方面：①对材料的表面改性，如燃气轮机叶片，轧辊，齿轮等。②对产品的表面修复，如转子、模具等。有关资料表明，修复后的部件强度可达到原强度的90%以上，其修复费用不到重置价格的1/5，更重要的是缩短了维修时间，解决了大型企业重大成套设备连续可靠运行所必须解决的转动部件快速抢修难题。另外，对关键部件表面通过激光熔覆超耐磨抗蚀合金，可以在零部件表面不变形的情况下大大提高零部件的使用寿命；对模具表面进行激光熔覆处理，不仅提高模具强度，还可以降低2/3的制造成本，缩短4/5的制造周期。③快速原型制造。利用金属粉末的逐层烧结叠加，快速制造出模型。利用激光熔覆技术快速制造零件的技术，又称作LENS（laser engineered net shaping）、DLF（direct laser fabrication）、DMD （direct metal deposition）、LC（laser consolidation）等［9］。

激光熔覆技术主要分为预置送粉式激光熔覆、同步送粉式激光熔覆和丝材激光熔覆等三类，其中同步送粉式激光熔覆应用最为广泛，在熔覆过程中激光束照射基材形成液态熔池，合金粉末在载气的带动下由送粉喷嘴射出，与激光作用后进入液态熔池，随着送粉喷嘴与激光束的同步移动形成熔覆层。同步送粉法具有易实现自动化控制、激光能量吸收率高、熔覆层内部无气孔和加工成形性良好等优点，尤其熔覆金属陶瓷可以提高熔覆层的抗裂性能，使硬质陶瓷相可以在熔覆层内均匀分布。若同时加载保护气，可防止熔池氧化，获得表面光亮的熔覆层，图1-1为同步送粉式激光熔覆在工业中的实际应用。

图1-1 同步送粉式激光熔覆实例

目前应用于激光熔覆的激光器主要有CO2激光器、YAG激光器、半导体激光器及光纤激光器等。对于连续CO2激光熔覆，国内外学者已做了大量研究。近年来高功率YAG激光器的研制发展迅速，YAG激光器输出波长为1.06μm，较CO2激光波长小1个数量级，主要用于有色合金表面改性。同时，随着激光光源技术的发展，大功率半导体激光也受到人们的关注。大功率半导体激光是一种典型的现代柔性热源，在模具表面改性上凸显其优良的应用特性，其优点有［10-13］：

（1）处理层质量高。研究表明，半导体激光表面处理层裂纹更少，开裂发生概率更小；处理层均匀，表面光滑。

（2）一致性和重复性好。激光材料加工的工业应用需要考虑工艺的一致性和重复性。研究表明，半导体激光材料加工较其他激光材料加工，比如Nd：YAG激光材料加工，具有更好的一致性和重复性。

（3）功率密度可调，一次处理范围大。大功率半导体激光具有矩形光斑能量分布，在慢轴上呈高帽分布，在快轴上呈高斯分布，如图1-2所示。这种独特的光斑能量分布使得大功率半导体激光器适合于大面积均匀加热，对实现激光硬化、合金化以及熔覆等表面改性十分有利。

（4）吸收率高，适应性广。半导体激光的波长在800～940nm范围，由于波长较短，金属材质表面对半导体激光的吸收率较CO2激光大大提高。因此，大功率半导体激光表面改性技术几乎可用于所有模具。

图1-2 高功率半导体光斑能量分布

（a）三维形貌 （b）截面能量分布

（5）转换效率高，降低能耗。大功率半导体激光器具有高达30%以上的能量转换效率，相比CO2激光器和Nd：YAG激光器，能量转换效率大大提高。因此，利用大功率半导体激光表面改性技术，可以有效节约能源。

（6）绿色加工，降低环境负担。激光表面处理技术降低环境负担不仅表现在其本身是绿色加工技术，而且表现在对于模具的再制造功能。模具的激光表面再制造技术可以同时降低成本和环境负担。

（7）柔性好，易三维运作。大功率半导体激光器结构紧凑，较同功率的CO2激光器和Nd：YAG激光器，重量大大降低，可以集成在机器人手臂或者加工专机中，对于完成复杂结构模具复杂三维表面的表面改性，具有高度柔性。

（8）投资成本和运行成本低。随着技术的进步，目前与同功率CO2激光器、Nd：YAG固体激光器和半导体激光器比较，大功率半导体激光器的投资成本已略低于CO2激光器，大大低于Nd：YAG激光器；同时，由于大功率半导体激光器高达30%以上的转换效率和基本上不需要维修的特点，运行成本大大降低。

近年来，由于对激光加工柔性加工以及对光束质量的更高要求，光纤激光器随之诞生并得到广泛应用。光纤激光器的最大特点就是一根光纤穿到底，整台机器高度实现光纤一体化。除此之外，光纤激光还具有下列特点。

1）免调节、免维护、高稳定性

传统激光器产生激光离不开谐振腔，而谐振腔的存在使得激光器调节、维护非常困难，如CO2气体激光器、DISK固体激光器等都需要在激光器安装时仔细调整光学镜组，使用过程中还得定期检查维护相应的部件，才能保证激光器的正常使用。而光纤激光器光学谐振是在光纤内部完成，没有传统意义上的光学谐振腔，因此可以实现免维护、免调节而具有高的稳定性，这是对传统激光器质的突破。

2）电光转换效率高

传统固体激光器的光电转换效率很低，如Nd：YAG激光器光电转换效率不超过3%，DISK激光器的光电转换效率不超过20%，而光纤激光器转换效率不低于27%，远远超过传统固体激光器。光纤激光器光电转换效率高的根本原因在于泵浦源采用双包层光纤泵浦技术，泵浦光在双包层的光纤中由于全反射原理而反复泵浦，增加能量吸收，而其他激光器却不具备这样的能量吸收模式，故光电转换效率低于光纤激光器。

3）环境容忍度高

传统激光器由于存在复杂的光学镜组，因此对环境振动要求很高，如DISK激光器要求激光器安装位置必须要很严格的减震措施，而光纤激光没有传统意义的光学镜组，因此可以耐冲击、耐振动，即激光器挪位可以不用调整激光器，使得激光器现场施工成为可能。

传统激光器由于激光泵浦要求条件苛刻，对激光环境的温度、湿度及灰尘有严格的要求，而光纤激光器泵浦在光纤内部，且各个泵浦源是并联的二极管模块，灰尘对激光泵浦不会造成影响，同时温度、湿度要求条件也要宽泛的多，增强光纤激光器的环境容忍性，使野外及海上作业成为可能。

4）体积小巧、光纤传输

光纤激光器没有复杂的光学镜组，光电转换效率高于传统激光器，因此光纤激光器的体积显著小于其他激光器，体积小巧使得激光器场地占用小，可以方便地集成在成套加工设备中，也可以方便地运输，便于应用于不同的现场作业。

光纤激光器采用光纤传输，同时一台激光器可以最多输出六路光纤，实现一机多位的加工作业；激光在光纤内部是全反射，能量损失小，可以远距离柔性传输（200m范围内），使得光纤加工应用非常灵活，减少加工准备工作，提高生产效率。

5）光束质量优异

单模光纤激光器光束质量接近理论极限，多模光纤激光器光束质量接近CO2激光器TEM00模，优异的光束质量使得光纤激光器具备多个领域的应用能力，如焊接、切割、钻孔、熔覆等，同时加工对象也是其他激光器不能比拟的，如在铝合金、铜合金焊接方面，具有明显的优势。

光纤激光器的光束质量优异，对焊接而言，可以获得更大的熔深熔宽比，因此与传统激光器相比，相同功率的激光器，可以获得更大的熔深、更快的焊接速度、更小的焊接变形量，从而保证更好的焊接质量。

自激光熔覆技术开发应用以来，最先应用和研究最广的涂层材料是自熔合金［14］。在此基础上，根据服役条件和更加严格的性能要求，在自熔合金中加入各种高熔点的碳化物（TiC，SiC，BC和WC等）、氮化物、硼化物和氧化物陶瓷颗粒，形成了复合涂层甚至纯陶瓷涂层［15-17］，使熔覆层的硬度和耐磨性得到了显著提高［18-22］。