激光熔覆技术特点及行业应用

激光熔覆也叫激光包覆或激光熔敷，采用高能量激光作为热源，金属合金粉末作为焊材，通过激光与合金粉末(或丝材)同步作用于金属表面快速熔化形成熔池，再快速凝固形成致密、均匀并且厚度可控的冶金结合层。

激光熔覆技术原理图

一、激光熔覆技术特点

与许多传统表面处理技术相比，激光熔覆技术具有以下显著优势与特点：

1.高冶金结合强度。激光熔覆利用高能激光束极高的集中能量，瞬间微熔工件表面，同时完全熔化预设在工件表面或与激光束同步自动输送的合金粉末。激光束扫描后，衬底通过自冷却快速凝固，得到与衬底冶金结合的致密涂层合金层。

2.可选硬度和厚度。激光熔覆后，熔覆层的硬度可选择在HRC20-62之间，熔覆厚度可根据需要调整。

3.耐磨性和耐腐蚀性。激光熔覆可以在普通碳钢工件表面形成耐蚀性、耐磨性、优异的合金层，从而延长工件的使用寿命。

4.降低成本和能耗。激光熔覆通过在基体表面形成具有不同冶金结合的、合金成分和性能的合金涂层，可以在低成本基体上制作高性能的合金功能层，从而节约材料成本。

5.包层质量高。变形小，机械重复性好，界面组织致密，晶粒细小，无孔洞、裂纹等缺陷。

二、 激光熔覆机的主要特点:

1.冷却速度快(高达106K/s),属于快速凝固过程,容易得到细晶组织或产生平衡态所无法得到的新相,如非稳相、非晶态等。

2.涂层稀释率低(一般小于5%),与基体呈牢固的冶金结合或界面扩散结合,激光熔覆机通过对激光工艺参数的调整,可以获得低稀释率的良好涂层,并且涂层成分和稀释度可控;

3.激光熔覆机热输入和畸变较小,尤其是采用高功率密度快速熔覆时,变形可降低到零件的装配公差内。

4.粉末选择几乎没有任何限制,特别是在低熔点金属表面熔敷高熔点合金;

5.激光熔覆机熔覆层的厚度范围大,单道送粉一次涂覆厚度在0.2-2.0mm,

6.能进行选区熔敷,材料消耗少,具有卓越的性能价格比;

7.光束瞄准可以使难以接近的区域熔敷;

8.激光熔覆机工艺过程易于实现自动化。

三、激光熔覆技术的常见应用行业

激光熔覆技术是一门涉及激光技术、材料加工技术、传感技术及计算机技术等于一体的多学科交叉的边缘学科，同时也是一种新兴的先进制造技术。基本上，使用高能量密度的激光辐射将其在基体表面熔化，且快速凝固形成以基体表面为冶金结合的表面涂层的加工过程。

激光熔覆技术在经过数十年的发展，已从实验室进入到实际工业应用中，并在冶金行业、煤炭行业、石油化工行业、交通运输、机械制造、模具行业、五金工具等行业得到了广泛的应用。

1.冶金行业

据初步估算，全国钢铁行业每年仅各种轧钢生产线上的重要零部件消耗达100亿元。传统办法主要是更换这些设备零部件，甚至因零部件无法使用报废或者更换整机，损伤失效和报废的零部件或者整机基本上作为废品处理，造成大量资源的浪费。激光熔覆修复设备可以在零部件金属基材上制备出高性能的合金表面，能显著提高其表面耐磨、耐蚀、耐热、抗氧化及电气等性能，不但能延长新的零部件的使用寿命，还能对已磨损零部件进行熔覆修复，恢复其原有尺寸，从而减少更换零部件的周期。

2.矿山机械行业

矿山机械设备的特点：体积庞大、价格昂贵、装卸困难，而且保养维修工作量大。因此在零部件因磨损损坏而停止运行时，会造成巨大的经济损失。激光熔覆可以对新、旧零件进行表面再制造，如液压油缸、立柱激光熔覆等，从而有效提高零件的耐磨耐蚀性能，延长零件的使用寿命。

一般用到的都有：

(1)采煤机：主机架、摇臂、齿轮、齿轮轴、各种衬套、铰接架、油缸、油缸座、导向滑靴、链轮、销轨轮、驱动轮、截齿等。

(2)掘进机：油缸、支架、轴、各种衬套、截齿等。

(3)刮板运输机：中部溜槽、过渡槽、齿轮箱体、齿轮、齿轮轴、螺旋伞齿轮、轴类零件等。

(4)液压支架：油缸、底座和支架等的铰接孔、各种衬套等。

3.石油化工行业

在石油化工行业中，由于设备长期在恶劣的环境下工作，容易使产品腐蚀磨损，定期对设备零件进行维护保养，显得尤其重要。激光熔覆可以对失效的零件进行熔覆修复，恢复原有的使用尺寸，高效恢复设备的使用。

现代的石化工业基本上采用都是连续大量生产模式，在生产过程中，机器长时间在恶劣的环境下工作，导致设备内元件出现损坏，腐蚀、磨损，其中经常会出问题的零部件包括阀门、泵、叶轮、大型转子的轴颈、轮，盘、轴套、轴瓦等，而且这些元件十分昂贵，涉及到的零部件种类也有很多，形状大多数都很复杂，修复起来有一定的难度，但是因为激光熔覆技术的出现，这些问题就都不是问题了。

4.交通运输行业

交通运输行业包括陆路、水路、航空运输等，交通运输设备的特点是使用频率高，环境复杂多变，导致设备需要定期维护保养。激光熔覆可修复各类零部件，使其恢复原有尺寸，从而有效提高零部件的使用周期。

1)海洋环境恶劣，湿度大、盐分高，海洋船舶装备易发生磨损和腐蚀。海洋工程装备和船舶部件技术复杂、价值较大，失效报废浪费巨大。国内已有船厂应用激光熔覆技术对船舶叶轮腐蚀、发动机缸套以及柴油机进排气阀盘锥面磨损，进行高精度修复，获得了良好的熔覆效果，恢复了功能并提高了耐磨、耐腐蚀性能。

2)在汽车工业应用中，最先采用激光技术主要用于切割，热处理，随着熔覆技术的发展，逐步发展到柔性增材制造技术。例如发动机的排气门的密封锥形面熔覆Stellite合金是最先采用该技术的汽车零件。意大利菲亚特汽车发动机排气阀座的环形表面和美国的汽车排气阀座都采用激光熔覆耐热合金。目前北京机科国创轻量化科学研究院与广西玉柴合作，在发动机气门座环形表面进行耐磨耐高温合金的熔覆成形，也取得了阶段性成果。

3)在航空航天领域中，激光高速熔覆技术在航空航天领域的另一应用就是“移动式零件修复医院”。核心是采用激光高速熔覆技术在战场上进行关键件的修复或者制造。它甚至可以采用卫星通信设备传输有关制造零件的数据信息。在没有数据信息的情况下，也可以采用逆向工程获得要建零件的外部轮廓信息，经过必要的处理后实现修复或者制造工作。激光高速熔覆技术最具特色的优势在于通过改进送粉技术，实现零件中材料成分的实时连续变化，制造具有梯度成分材料的高性能零部件。

航空用钛合金装备耐磨备件，激光熔覆后备件磨损仅为原始件的4.2%，直至将对磨钢丝绳磨断也没发生磨损。

5. 电力设备及其零部件的制造与再制造

电力设备分布量大、不间断运转，其零部件的损坏机率高。汽轮机是火力发电的核心设备，由于高温高热特殊的工作条件，每年都需定期对损伤的机组零部件进行修复，如主轴轴径、动叶片等。燃气轮机由于其在高达1300℃的高温条件下工作，经常会发生损伤。采用激光再制造技术将其缺陷全部修复完好，恢复其使用性能，费用仅为新机组价格的1/10。

审核编辑：汤梓红