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激光熔覆技術是指以不同的填料方式将(jiāng)所選塗層合金粉末放置于基體表(biǎo)面，利用高能激(jī)光(guāng)束輻照，使之作用于基體表面，迅速熔化、擴展和(hé)凝固在基材表面的過程，進而形成一層(céng)與基底材料相結合的覆蓋層。這個新生成的覆蓋層能夠顯著改善甚至再造基體材料，使(shǐ)其能夠達到耐磨損、耐熱、耐(nài)腐蝕(shí)、抗氧化及其他目标特性。

激光熔覆(fù)技(jì)術是一個複雜的物理、化學冶金過程，激光參數的設置對熔覆層質(zhì)量的影響較大。除此(cǐ)之外，合(hé)金粉末的選擇也是重要的(de)因素。激光熔覆合(hé)金粉末按(àn)照材料成分構成可分為：自熔性合金粉末、複合粉末和陶瓷粉末。其中，自熔性合金粉末的在現實中研究與應用.多。

一、自熔性合金粉末

自熔性(xìng)合金粉末可以分為鐵基(Fe)、鎳(niè)基(Ni)、钴基(Co)合金粉(fěn)末，其主要特點是含有硼(B)和矽(Si)，因而具有自脫氧和造渣(zhā)性能(néng);還含(hán)有較高的鉻，它們優先(xiān)與合金粉末中的(de)氧和工件表面氧化物一起熔(róng)融生(shēng)成(chéng)低熔點的硼矽酸鹽等覆蓋在熔池表面，防(fáng)止液态金(jīn)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(tí)高熔覆層的工藝成形性能，因而具有優異的耐蝕性和抗氧化性。對碳鋼、不鏽鋼、合金鋼、鑄鋼等多種基(jī)材有(yǒu)較好的适應性，能獲得氧化物含量低、氣孔率小的熔覆層。但對于(yú)含硫鋼，由于硫的存在，在交界面(miàn)處易形成一種低熔點的脆性物相，使(shǐ)得覆層易于剝落，因此應慎重選用(yòng)。

01　　鐵基(Fe)自熔性合金粉末(mò)

Fe基自熔性合金粉末适用于(yú)要求局部耐磨且容(róng)易變形的零件，基體多為鑄鐵和低(dī)碳鋼，其.大優點是材(cái)料來源廣泛、成(chéng)本低且抗磨性能好。缺點是熔點高(gāo)、抗氧化性差，熔覆層易(yì)開裂、易産生(shēng)氣孔(kǒng)等。在鐵基(jī)合金粉末(mò)成分中(zhōng)，通過調整合金元素(sù)含(hán)量來調整塗層的硬度，并通過添加(jiā)其它元(yuán)素改善熔覆層的硬度、開裂敏感性和(hé)殘餘奧氏體的含量，從而提高熔覆(fù)層的(de)耐磨性和韌性。激光熔覆用的(de)鐵基自熔性合金粉末分為兩種類型：奧氏體不鏽(xiù)鋼型和高鉻鑄鐵型。

鐵基(jī)合金粉末

近年(nián)來，有關激光熔覆的研究，不少人圍繞鐵(tiě)基粉末中加入其它成分進(jìn)行實驗。結果表明，加入稀土改善了熔覆層表面鈍化膜的抗(kàng)剝落能力，在不同(tóng)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(niè)基(Ni)自熔性合金粉末(mò)

Ni基自熔性(xìng)合金粉末以其良好(hǎo)的潤濕性、耐蝕性、高溫自潤(rùn)滑(huá)作用和适中的價格在激光熔覆(fù)材料中研究.多、應用.廣。

鎳基合金粉末

鎳基(Ni)自(zì)熔性合金粉末在滑(huá)動、沖擊磨損和磨粒磨損嚴重的條件(jiàn)下，單純的自熔性合金粉已不能勝任使用要求，此時可(kě)在自熔性合金粉末中加入(rù)各種高熔點的碳化物、氮化物、硼化物(wù)和氧(yǎng)化物陶瓷顆粒，制成(chéng)金屬複合塗層。

03　　钴基(Co)自熔性(xìng)合金粉末

钴基(Co)自熔性合金粉末具有優良的耐熱、耐蝕、耐磨、抗(kàng)沖擊和抗高溫氧化性能，常被應用(yòng)于石化、電力、冶金(jīn)等工業領域的耐磨耐蝕耐(nài)高溫等場(chǎng)合。Co基自熔性合金潤濕性好，其熔點較碳化物低，受熱後Co元(yuán)素.先處于熔化狀态，而合金凝固(gù)時它.先與其它元素形成新的物相，對熔覆層的強化極(jí)為有利。目前，钴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(kě)以降低钴基合金熔覆層的熱膨脹系數，減小(xiǎo)合(hé)金的熔化溫度區間，有效防止熔覆層産生裂紋，提(tí)高熔覆合金對基體的潤濕性。

钴基(jī)合金(jīn)粉末

綜合分析可以看出，Ni基或(huò)Co基自熔性合金粉末體系具有良好的(de)自熔性和耐蝕、耐磨、抗氧化性能，但價格較(jiào)高;Fe基自熔(róng)性合金粉末雖(suī)然便(biàn)宜，但自熔(róng)性差(chà)，易開裂和氧化。因此，在實際應用(yòng)中，應根據使用要(yào)求合理選擇自熔性合金粉末體系(xì)。

二、複合粉末

複合粉末主要是指碳化(huà)物、氮化物、硼化物、氧化物及矽化物等各種高熔點(diǎn)硬質陶瓷材料與金屬混合或複合而形成的粉末體(tǐ)系。複合粉(fěn)末可以借助激光熔(róng)覆技(jì)術制(zhì)備出陶瓷顆粒增強金屬基複合塗層，将金屬的強(qiáng)韌性、良好的工藝性(xìng)和陶瓷材料優異的耐磨、耐蝕(shí)、耐高溫和抗氧化特性有(yǒu)機結合起來，能在一定程(chéng)度上使碳化物(wù)免受氧化和分解，從而(ér)獲得具有很高耐(nài)磨和(hé)硬度的塗層，這是是目前激光熔覆技術領域研究發展的熱點。其中，碳化物合金粉末和氧化物合金(jīn)粉末研究和應用(yòng).多，主要應用于制備耐磨塗層。複(fú)合粉(fěn)末中的碳化物(wù)顆粒可以(yǐ)直接加入激光熔池或者(zhě)直接與金屬粉(fěn)末混合成(chéng)混合粉末(mò)，但更有效的是以包覆型粉末(如鎳(niè)包碳(tàn)化物、钴包碳(tàn)化物)的形式加入。

鎳基(jī)碳化鎢粉末

在激光(guāng)熔覆過程中，包覆型粉末(mò)的包覆金屬對芯核碳(tàn)化物能起到有效(xiào)保護(hù)、減弱高能激光與碳化物的直接作用，可有效(xiào)減弱或避免碳化物發生燒損、失碳(tàn)、揮發等現象。

三(sān)、陶瓷粉末

陶瓷粉末主要包括矽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(氧化鋁和氧化锆)為主。氧化锆比氧化鋁陶瓷粉末具有更(gèng)低的熱(rè)導(dǎo)性和更好的熱抗震性能，因而也常用(yòng)于制備熱障塗層。由于陶瓷粉(fěn)末具有優異的耐磨、耐蝕、耐高溫和(hé)抗氧化特性，所以它常被用于制備(bèi)高溫耐磨(mó)耐蝕塗層(céng)。目前，生物陶瓷(cí)材料是研究的一個熱(rè)點。

氧化锆陶瓷粉

陶(táo)瓷(cí)粉末(mò)缺點：與基體金屬的(de)熱膨脹系數、彈性模量及(jí)導熱系數(shù)等差别較大，熔覆層易出現裂紋和孔洞等缺陷，在使用中容易出現變形開裂、剝落損壞等現象。

為了解決純陶瓷塗(tú)層中的(de)裂紋及與金屬基(jī)體的高強結合，有學者嘗試使用中間過渡層并在陶瓷層中(zhōng)加入低熔(róng)點高膨脹系數的CaO、SiO2、TiO2等來降低内(nèi)部應力，緩解了裂紋傾向，但現有的研究(jiū)表明，純陶瓷塗層的裂紋和剝落問題并未得到很好解決，因此有待于進一步深入研(yán)究(jiū)。

目前對激光熔覆生物陶瓷材料(liào)的研究主要集(jí)中在(zài)Ti基合金、不鏽鋼等金屬表面進行激光熔(róng)覆的羟基(jī)磷灰石(HAP)、氟磷灰石以及含Ca、Pr等生(shēng)物陶瓷材料上。羟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(guó)内外有關(guān)學者的廣泛重視。總(zǒng)體來說激光熔覆生物陶瓷材(cái)料的研(yán)究起步雖然較晚，但發展非常迅速，是一個(gè)前(qián)景廣闊的研究方向。

四、其他(tā)金屬粉末

除(chú)以上幾類激光熔覆粉末材(cái)料體系，目前已開發研究的(de)熔覆材料體系還包括：銅基、钛基、鋁基、鎂(měi)基、锆基、鉻基以及金屬(shǔ)間化合物基材料等。這(zhè)些材料多數是利用合金(jīn)體系的某些特殊性質使其(qí)達到耐磨(mó)、減摩(mó)、耐蝕、導電、抗(kàng)高溫、抗熱(rè)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(jī)合金粉末及複合粉末材料。利(lì)用銅合金體系存在液相分離現象等冶金性質，可(kě)以設計出激光熔覆銅基自生複合材料(liào)的銅基複合粉末材料(liào)。研究表(biǎo)明，其激光熔覆層中存在大量的自生硬質顆粒(lì)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(fèn)離和母材與堆焊材(cái)料的(de)冶金反應特性，采用(yòng)激光熔覆制備了Fe3Si彌散分布的銅基合金複合熔覆層。研究表明：激光熔覆(fù)過程(chéng)中，由母材熔化而(ér)進入(rù)熔池的Fe元素與熔池中的Cu合(hé)金(jīn)呈液相分離狀态;進入溶池的Fe由于密度小而上浮(fú)，上浮過程中與熔池(chí)中(zhōng)的Si反應生成Fe3Si，Fe3Si在(zài)激光熔覆層中呈(chéng)彌散(sàn)狀梯度分布于(yú)α-Cu基體中(zhōng)。

銅基合(hé)金粉末

2、钛基

钛基熔覆材料主(zhǔ)要用(yòng)于(yú)改(gǎi)善基體金屬材料表(biǎo)面的生物(wù)相容性、耐磨性或耐蝕性等。研究的钛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等钛基複合粉末。張松(sōng)等在氩氣氛環(huán)境下，在Ti6Al4V合金表(biǎo)面激光熔覆Ti-TiC複合塗層，研究表明複合塗層中(zhōng)原位自生形成了微小的TiC顆粒，複(fú)合塗層具有(yǒu)優良的(de)摩擦磨(mó)損性能。

钛基合金粉(TC)

3、鎂基

鎂基熔覆(fù)材料主要用于鎂合金表面的激光熔(róng)覆，以提高鎂合金表面的耐磨性(xìng)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(dù)由(yóu)HV35提高到HV 85～100，并且因為晶(jīng)粒細化和金(jīn)屬間化合物的重新分布，熔覆層在3.56wt%NaCl溶液(yè)中的抗(kàng)腐蝕性能(néng)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(zhǒng)鎂合金基體上采用3kW的Nd∶YAG激光器側向(xiàng)送粉熔覆鋁粉，得到了結合性能良好的熔覆層。研究發現，塗(tú)層硬度(dù)值達到HV0.05120～200，硬度(dù)提高的主要原因是Al3Mg2和Al12Mg17金屬化合物(wù)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(fù)層腐蝕電位比(bǐ)标準試樣電位高300mV，而腐(fǔ)蝕電流則至少低3個數量級。

鋁基合金粉末

5、锆基

在純钛基體(tǐ)上激光熔覆锆基ZrAlNiCu合金粉末，并對塗層進行了研究分析。發現(xiàn)，塗層由具有高比強、高硬度的金屬間化合物與少量(liàng)的非晶相構成(chéng)，具有較好的力學性能(néng);在ZrAlNiCu合金粉(fěn)末中添加2wt%B和2.75wt%Si，發現塗層中非晶含量增加，硬度升高，兩種塗層的.高硬度分别達到(dào)HV909.6和HV1444.8。

锆基合金粉

五、總結：

不(bú)同熔覆材料的特點、價格以及熔覆(fù)後的性能差别(bié)較大(dà)，實(shí)際使用時可根據不同的加工需求(qiú)選擇不(bú)同性能的合金粉末。通過激光将合(hé)金粉末熔(róng)覆在工件表面(激光熔覆)，可以在廉(lián)價金(jīn)屬基材上制備(bèi)出高性能的合金表面而不影響基體的性質，有效降低生産成本，節約貴重稀有金屬材料。與堆焊、熱噴(pēn)塗、電鍍等傳統表面處理技術相(xiàng)比，激光熔覆具有稀(xī)釋度小、組織緻密(mì)、塗(tú)層與基體結合(hé)好、适合熔覆材料多、粒度及含量變化大、加工質量高、可控性好(可實現三維自動加工)等優點。

目前主要應用于(yú)材料表面改性(如液壓立柱、軋(zhá)輥、齒輪、燃汽輪機(jī)葉片等)，産品表面修複(如因磨損而(ér)失效的轉子、模具、軸承(chéng)内孔等)，修複後的部(bù)件強度可達原強度的90%以上，且修複費用不到産品換新成本的1/5，更重要(yào)的是(shì)縮短(duǎn)了維修時間，有效解決了大型企業(yè)重大成套設備(bèi)轉動部(bù)件快速搶修難題。

此外(wài)，對關鍵部件表面通過激光熔覆耐磨抗蝕(shí)合金，可以在零部件表面不變形的情況下大大(dà)提高(gāo)零部件的使用壽命。對模具表面進行激(jī)光熔覆處(chù)理，不僅提高模具強度，還(hái)可以降低2/3的制造成(chéng)本，縮短4/5的(de)制造周期。

總的(de)來說激光熔覆技術(shù)是一項具有高科技含量的表面改(gǎi)性技術與裝備維修(xiū)技術，其研究和(hé)發展(zhǎn)具有重要的理論意義和經(jīng)濟(jì)價值。

激光熔覆材料是制(zhì)約激光熔(róng)覆技術發展和應用的主要因素。目前在(zài)研制激光熔(róng)覆(fù)材料方面雖取(qǔ)得了(le)一定進展，但與按照設計(jì)的熔覆件性能和應用要求定量地設計(jì)合金成分還存在很長距(jù)離，激光熔覆材料遠未形成系列化和标準化(huà)，尚需要加大力度進行深(shēn)入(rù)研究。