常用工艺对比

激光熔覆设备主要包括： 激光器、熔覆喷头、加工平台和送料装置。

而激光熔覆喷头是激光熔覆系统的关键核心部件，可实现激光束传输、变换、聚焦和熔覆材料的同步输送，在基材表面实现激光束、熔覆材料、熔池之间的精确耦合并连续形成熔覆层。其中激光束的整形变换聚焦、材料的传输喷射汇聚、光粉的耦合方式是熔覆喷头的关键技术。

激光熔覆的分类

1. 按工作介质分为 4 类（如下表 ）；

2. 按工作方式分为连续型和脉冲型；

熔覆喷头系统

研究表明，采用矩形光斑或激光－感应复合熔覆技术等均有利于提高熔覆效率。如在宽带光束模式下，不仅可以增加熔覆带宽度，还能够降低裂纹敏感度。同时，利用熔池边缘温度梯度形成的表面张力起到搅拌熔体合金使其均匀分布的作用。

稀释率是影响熔覆层质量的重要因素，稀释率过低，熔覆层与基材的结合性能较差，甚至无法实现冶金结合；稀释率过高，基材元素过度稀释熔覆层，极易导致熔覆层产生裂纹、气孔等缺陷。研究表明，稀释率取值范围在 10% ～15% 之间熔覆层性能最好。以稀释率范围为约束条件，采用最佳显微硬度值选取最优熔覆工艺参数。

熔覆层的热应力

熔覆层裂纹的产生是由工艺原因、组织因素、 残余应力及显微偏析等综合作用的结果，但其中又以熔覆过程中各种应力综合作用的影响最大。总体上，涂层内部的应力可分为三类：

热应力在激光熔覆层中的表现形式为拉应力，该拉应力的大小可以由以下公式计算：

式 中：σth 代表热应力，MPa；E 为弹性模量，MPa；ν 代表泊松比；Δα 为基材材料与熔覆层材料的热膨胀系数之差；ΔT 熔覆层温度与环境温度之差，℃；σ1， σ2 分别为熔覆层与基体的抗拉强 度，MPa；E' 代表基体材料的弹性模量，MPa。 

由表达式（2）可知，热应力值与温差、泊松比、弹性模量以及膨胀系数之差有关。 随着 Δα 减小，热应力也随之减小。 

同时由式（3）可知，Δα 应控制一个合理区间内。因此，尽可能地选取与基体热物理特性参数接近的熔覆材料，可以有效地降低热应力，从而降低熔覆层发生开裂的敏感性。

熔覆层的质量评价指标

8.1 评价熔覆层质量的好坏，主要从两个方面来考虑：

一是从宏观上，考察熔覆道形状、表面平整度、 裂纹、气孔及稀释率等；

二是从微观上，考察是否形成良好的组织，能否提供所需要的性能。

8.2 激光熔覆技术面临的主要问题是：

1）传统的激光熔覆层质量不太稳定性。在激光熔覆过程中，加热和冷却的速度极快，再加上熔覆层和基体材料在温度梯度和热膨胀系数等性能上的差异，从而使熔覆层中容易产生多种缺陷，主要包括气孔、裂纹、变形和表面不平度等，导致激光熔覆技术在国内还未实现完全产业化；

2）激光熔覆过程的在线检测和自动化控制还不太成熟；

3）熔覆层脆性高，裂纹倾向大。激光熔覆层的开裂敏感性，仍然是困扰国内外研究者的一个难题，也是工程应用及产业化；

4）大面积熔覆等亟待解决的问题限制了它的应用发展；及设备昂贵等问题。

激光熔覆工艺的性能优点

激光熔覆工艺的参数优化

在实际工艺中常用比能量 E（＝P / DVH)、来评价熔覆层质量；

其中：

E为激光能量密度，J/mm3；

P为激光功率，W；

V为激光扫描速度，mm/s ; 

D为光斑直径，mm；

H为铺粉厚度，mm。

SLM打印工艺参数选用GE M2机型使用的钛合金打印参数，即Р激光功率为370W，V扫描速度为1700mm/s，D光斑直径为130μm，H铺粉层厚为60μm。该参数的激光能量密度由公式1推导出，为27.9J/mm³。

激光束的整形变换聚焦、材料的传输喷射汇聚、光粉的耦合方式是熔覆喷头；

比能量过大会造成合金粉末过烧，熔覆深度大，稀释率大，严重降低熔覆层的耐磨、耐蚀性能，熔覆材料过烧、蒸发，表面呈散裂状，涂层不平度增加;

比能量过小会使熔化不完全,稀释率太小,润湿性差,熔覆层和基体结合不牢，容易剥落,熔覆层表面出现气孔等外观缺陷;表面不平整；

光斑直径过小，热能量过于集中，晶粒细化效果不佳，会导致熔覆层硬度不够，也不利于大面积的涂层；增大光斑直径，激光熔池增大，熔池表面张力减小，熔覆层表面质量提高；若光斑直径过大，则输入热能过低，不能彻底熔融，结合质量下降，导致裂纹开裂倾向增大；

搭接率过小会使各熔覆道之间出现凹陷。随着搭接率提高，激光熔覆表面粗糙度会降低，熔覆层表面会变得平整。但过大的搭接率会导致气孔、裂纹的产生；

未完待续...

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