激光熔覆技術(shù)是指以不同的填料方式將所選涂層合金粉末放置于基體表面，利用高能激光束輻照，使之作用于基體表面，迅速熔化、擴(kuò)展和凝固在基材表面的過程，進(jìn)而形成一層與基底材料相結(jié)合的覆蓋層。這個新生成的覆蓋層能夠顯著改善甚至再造基體材料，使其能夠達(dá)到耐磨損、耐熱、耐腐蝕、抗氧化及其他目標(biāo)特性。
激光熔覆技術(shù)是一個復(fù)雜的物理、化學(xué)冶金過程，激光參數(shù)的設(shè)置對熔覆層質(zhì)量的影響較大。除此之外，合金粉末的選擇也是重要的因素。激光熔覆合金粉末按照材料成分構(gòu)成可分為：自熔性合金粉末、復(fù)合粉末和陶瓷粉末。其中，自熔性合金粉末的在現(xiàn)實中研究與應(yīng)用最多。
一、自熔性合金粉末
自熔性合金粉末可以分為鐵基(Fe)、鎳基(Ni)、鈷基(Co)合金粉末，其主要特點(diǎn)是含有硼(B)和硅(Si)，因而具有自脫氧和造渣性能;還含有較高的鉻，它們優(yōu)先與合金粉末中的氧和工件表面氧化物一起熔融生成低熔點(diǎn)的硼硅酸鹽等覆蓋在熔池表面，防止液態(tài)金屬過度氧化，從而改善熔體對基體金屬的潤濕能力，減少熔覆層中的夾雜和含氧量，提高熔覆層的工藝成形性能，因而具有優(yōu)異的耐蝕性和抗氧化性。對碳鋼、不銹鋼、合金鋼、鑄鋼等多種基材有較好的適應(yīng)性，能獲得氧化物含量低、氣孔率小的熔覆層。但對于含硫鋼，由于硫的存在，在交界面處易形成一種低熔點(diǎn)的脆性物相，使得覆層易于剝落，因此應(yīng)慎重選用。
01 鐵基(Fe)自熔性合金粉末
Fe基自熔性合金粉末適用于要求局部耐磨且容易變形的零件，基體多為鑄鐵和低碳鋼，其最大優(yōu)點(diǎn)是材料來源廣泛、成本低且抗磨性能好。缺點(diǎn)是熔點(diǎn)高、抗氧化性差，熔覆層易開裂、易產(chǎn)生氣孔等。在鐵基合金粉末成分中，通過調(diào)整合金元素含量來調(diào)整涂層的硬度，并通過添加其它元素改善熔覆層的硬度、開裂敏感性和殘余奧氏體的含量，從而提高熔覆層的耐磨性和韌性。激光熔覆用的鐵基自熔性合金粉末分為兩種類型：奧氏體不銹鋼型和高鉻鑄鐵型。
鐵基合金粉末
近年來，有關(guān)激光熔覆的研究，不少人圍繞鐵基粉末中加入其它成分進(jìn)行實驗。結(jié)果表明，加入稀土改善了熔覆層表面鈍化膜的抗剝落能力，在不同程度上減輕了材料的腐蝕失重，提高了熔覆層的耐腐蝕能力。
02 鎳基(Ni)自熔性合金粉末
Ni基自熔性合金粉末以其良好的潤濕性、耐蝕性、高溫自潤滑作用和適中的價格在激光熔覆材料中研究最多、應(yīng)用最廣。
鎳基合金粉末
鎳基(Ni)自熔性合金粉末在滑動、沖擊磨損和磨粒磨損嚴(yán)重的條件下，單純的自熔性合金粉已不能勝任使用要求，此時可在自熔性合金粉末中加入各種高熔點(diǎn)的碳化物、氮化物、硼化物和氧化物陶瓷顆粒，制成金屬復(fù)合涂層。
03 鈷基(Co)自熔性合金粉末
鈷基(Co)自熔性合金粉末具有優(yōu)良的耐熱、耐蝕、耐磨、抗沖擊和抗高溫氧化性能，常被應(yīng)用于石化、電力、冶金等工業(yè)領(lǐng)域的耐磨耐蝕耐高溫等場合。Co基自熔性合金潤濕性好，其熔點(diǎn)較碳化物低，受熱后Co元素最先處于熔化狀態(tài)，而合金凝固時它最先與其它元素形成新的物相，對熔覆層的強(qiáng)化極為有利。目前，鈷基合金所用的合金元素主要是鎳、碳、鉻和鐵等。其中，鎳元素可以降低鈷基合金熔覆層的熱膨脹系數(shù)，減小合金的熔化溫度區(qū)間，有效防止熔覆層產(chǎn)生裂紋，提高熔覆合金對基體的潤濕性。
鈷基合金粉末
綜合分析可以看出，Ni基或Co基自熔性合金粉末體系具有良好的自熔性和耐蝕、耐磨、抗氧化性能，但價格較高;Fe基自熔性合金粉末雖然便宜，但自熔性差，易開裂和氧化。因此，在實際應(yīng)用中，應(yīng)根據(jù)使用要求合理選擇自熔性合金粉末體系。
二、復(fù)合粉末
復(fù)合粉末主要是指碳化物、氮化物、硼化物、氧化物及硅化物等各種高熔點(diǎn)硬質(zhì)陶瓷材料與金屬混合或復(fù)合而形成的粉末體系。復(fù)合粉末可以借助激光熔覆技術(shù)制備出陶瓷顆粒增強(qiáng)金屬基復(fù)合涂層，將金屬的強(qiáng)韌性、良好的工藝性和陶瓷材料優(yōu)異的耐磨、耐蝕、耐高溫和抗氧化特性有機(jī)結(jié)合起來，能在一定程度上使碳化物免受氧化和分解，從而獲得具有很高耐磨和硬度的涂層，這是是目前激光熔覆技術(shù)領(lǐng)域研究發(fā)展的熱點(diǎn)。其中，碳化物合金粉末和氧化物合金粉末研究和應(yīng)用最多，主要應(yīng)用于制備耐磨涂層。復(fù)合粉末中的碳化物顆?？梢灾苯蛹尤爰す馊鄢鼗蛘咧苯优c金屬粉末混合成混合粉末，但更有效的是以包覆型粉末(如鎳包碳化物、鈷包碳化物)的形式加入。
鎳基碳化鎢粉末
在激光熔覆過程中，包覆型粉末的包覆金屬對芯核碳化物能起到有效保護(hù)、減弱高能激光與碳化物的直接作用，可有效減弱或避免碳化物發(fā)生燒損、失碳、揮發(fā)等現(xiàn)象。
三、陶瓷粉末
陶瓷粉末主要包括硅化物陶瓷粉末和氧化物陶瓷粉末，其中又以氧化物陶瓷粉末(氧化鋁和氧化鋯)為主。氧化鋯比氧化鋁陶瓷粉末具有更低的熱導(dǎo)性和更好的熱抗震性能，因而也常用于制備熱障涂層。由于陶瓷粉末具有優(yōu)異的耐磨、耐蝕、耐高溫和抗氧化特性，所以它常被用于制備高溫耐磨耐蝕涂層。目前，生物陶瓷材料是研究的一個熱點(diǎn)。
氧化鋯陶瓷粉
陶瓷粉末缺點(diǎn)：與基體金屬的熱膨脹系數(shù)、彈性模量及導(dǎo)熱系數(shù)等差別較大，熔覆層易出現(xiàn)裂紋和孔洞等缺陷，在使用中容易出現(xiàn)變形開裂、剝落損壞等現(xiàn)象。
為了解決純陶瓷涂層中的裂紋及與金屬基體的高強(qiáng)結(jié)合，有學(xué)者嘗試使用中間過渡層并在陶瓷層中加入低熔點(diǎn)高膨脹系數(shù)的CaO、SiO2、TiO2等來降低內(nèi)部應(yīng)力，緩解了裂紋傾向，但現(xiàn)有的研究表明，純陶瓷涂層的裂紋和剝落問題并未得到很好解決，因此有待于進(jìn)一步深入研究。
目前對激光熔覆生物陶瓷材料的研究主要集中在Ti基合金、不銹鋼等金屬表面進(jìn)行激光熔覆的羥基磷灰石(HAP)、氟磷灰石以及含Ca、Pr等生物陶瓷材料上。羥基磷灰石生物陶瓷具有良好的生物相容性，作為人體牙齒早已受到國內(nèi)外有關(guān)學(xué)者的廣泛重視。總體來說激光熔覆生物陶瓷材料的研究起步雖然較晚，但發(fā)展非常迅速，是一個前景廣闊的研究方向。
四、其他金屬粉末
除以上幾類激光熔覆粉末材料體系，目前已開發(fā)研究的熔覆材料體系還包括：銅基、鈦基、鋁基、鎂基、鋯基、鉻基以及金屬間化合物基材料等。這些材料多數(shù)是利用合金體系的某些特殊性質(zhì)使其達(dá)到耐磨、減摩、耐蝕、導(dǎo)電、抗高溫、抗熱氧化等一種或多種功能。
1、銅基
銅基激光熔覆材料主要包括Cu-Ni-B-Si、Cu-Ni-Fe-Co-Cr-Si-B、Cu-Al2O3、Cu-CuO等銅基合金粉末及復(fù)合粉末材料。利用銅合金體系存在液相分離現(xiàn)象等冶金性質(zhì)，可以設(shè)計出激光熔覆銅基自生復(fù)合材料的銅基復(fù)合粉末材料。研究表明，其激光熔覆層中存在大量的自生硬質(zhì)顆粒增強(qiáng)體，具有良好的耐磨性。單際國等利用Cu與Fe具有液相分離和母材與堆焊材料的冶金反應(yīng)特性，采用激光熔覆制備了Fe3Si彌散分布的銅基合金復(fù)合熔覆層。研究表明：激光熔覆過程中，由母材熔化而進(jìn)入熔池的Fe元素與熔池中的Cu合金呈液相分離狀態(tài);進(jìn)入溶池的Fe由于密度小而上浮，上浮過程中與熔池中的Si反應(yīng)生成Fe3Si，F(xiàn)e3Si在激光熔覆層中呈彌散狀梯度分布于α-Cu基體中。
銅基合金粉末
2、鈦基
鈦基熔覆材料主要用于改善基體金屬材料表面的生物相容性、耐磨性或耐蝕性等。研究的鈦基激光熔覆粉末材料主要是純Ti粉、Ti6Al4V合金粉末以及Ti-TiO2、Ti-TiC、Ti-WC、Ti-Si等鈦基復(fù)合粉末。張松等在氬氣氛環(huán)境下，在Ti6Al4V合金表面激光熔覆Ti-TiC復(fù)合涂層，研究表明復(fù)合涂層中原位自生形成了微小的TiC顆粒，復(fù)合涂層具有優(yōu)良的摩擦磨損性能。
鈦基合金粉(TC)
3、鎂基
鎂基熔覆材料主要用于鎂合金表面的激光熔覆，以提高鎂合金表面的耐磨性能和耐蝕性能。J.DuttaMajumdar等在普通商用鎂合金上熔覆鎂基MEZ粉末(成分：Zn：0.5%，Mn：0.1%，Zr：0.1%，RE：2%，Mg：Bal)。研究表明，熔覆層顯微硬度由HV35提高到HV 85～100，并且因為晶粒細(xì)化和金屬間化合物的重新分布，熔覆層在3.56wt%NaCl溶液中的抗腐蝕性能比基體鎂合金大大提高。
鎂基合金粉
4、鋁基
SorinIgnat等在WE43和ZE41兩種鎂合金基體上采用3kW的Nd∶YAG激光器側(cè)向送粉熔覆鋁粉，得到了結(jié)合性能良好的熔覆層。研究發(fā)現(xiàn)，涂層硬度值達(dá)到HV0.05120～200，硬度提高的主要原因是Al3Mg2和Al12Mg17金屬化合物的存在。ZMei等在鎂基ZK60/SiC基體上激光熔覆鋁基Al-Zn粉末，得到了冶金良好的熔覆層。研究表明，熔覆層腐蝕電位比標(biāo)準(zhǔn)試樣電位高300mV，而腐蝕電流則至少低3個數(shù)量級。
鋁基合金粉末
5、鋯基
在純鈦基體上激光熔覆鋯基ZrAlNiCu合金粉末，并對涂層進(jìn)行了研究分析。發(fā)現(xiàn)，涂層由具有高比強(qiáng)、高硬度的金屬間化合物與少量的非晶相構(gòu)成，具有較好的力學(xué)性能;在ZrAlNiCu合金粉末中添加2wt%B和2.75wt%Si，發(fā)現(xiàn)涂層中非晶含量增加，硬度升高，兩種涂層的最高硬度分別達(dá)到HV909.6和HV1444.8。
鋯基合金粉
五、總結(jié)：
不同熔覆材料的特點(diǎn)、價格以及熔覆后的性能差別較大，實際使用時可根據(jù)不同的加工需求選擇不同性能的合金粉末。通過激光將合金粉末熔覆在工件表面(激光熔覆)，可以在廉價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)，有效降低生產(chǎn)成本，節(jié)約貴重稀有金屬材料。與堆焊、熱噴涂、電鍍等傳統(tǒng)表面處理技術(shù)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、適合熔覆材料多、粒度及含量變化大、加工質(zhì)量高、可控性好(可實現(xiàn)三維自動加工)等優(yōu)點(diǎn)。
目前主要應(yīng)用于材料表面改性(如液壓立柱、軋輥、齒輪、燃汽輪機(jī)葉片等)，產(chǎn)品表面修復(fù)(如因磨損而失效的轉(zhuǎn)子、模具、軸承內(nèi)孔等)，修復(fù)后的部件強(qiáng)度可達(dá)原強(qiáng)度的90%以上，且修復(fù)費(fèi)用不到產(chǎn)品換新成本的1/5，更重要的是縮短了維修時間，有效解決了大型企業(yè)重大成套設(shè)備轉(zhuǎn)動部件快速搶修難題。
此外，對關(guān)鍵部件表面通過激光熔覆耐磨抗蝕合金，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4/5的制造周期。
總的來說激光熔覆技術(shù)是一項具有高科技含量的表面改性技術(shù)與裝備維修技術(shù)，其研究和發(fā)展具有重要的理論意義和經(jīng)濟(jì)價值。
激光熔覆材料是制約激光熔覆技術(shù)發(fā)展和應(yīng)用的主要因素。目前在研制激光熔覆材料方面雖取得了一定進(jìn)展，但與按照設(shè)計的熔覆件性能和應(yīng)用要求定量地設(shè)計合金成分還存在很長距離，激光熔覆材料遠(yuǎn)未形成系列化和標(biāo)準(zhǔn)化，尚需要加大力度進(jìn)行深入研究。
此文感謝資料提供：賽億快速制造、智匯設(shè)計機(jī)器人