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

激(jī)光熔覆技術是一個複(fú)雜(zá)的物理、化學冶金過程，激(jī)光參數的設置對熔覆(fù)層質(zhì)量(liàng)的影響較大。除此(cǐ)之外，合(hé)金粉末的選擇也是重要(yào)的(de)因素。激光(guāng)熔覆合金粉末按(àn)照材(cái)料成分構成可分為：自熔性合金粉末(mò)、複合粉末和陶瓷粉末。其中，自熔(róng)性合金粉末的在現實中研究與應(yīng)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(gǔ)基(Co)合金粉(fěn)末，其(qí)主要特點是含有硼(B)和矽(Si)，因而具有自脫氧和造渣性能(néng);還含有較高的鉻，它們優先與合金粉末中的(de)氧和工件(jiàn)表面氧化物一起熔融生成低熔點的硼矽(xī)酸鹽等覆蓋在熔池表面，防止液态金屬過度氧化，從而改善熔體對基體金屬的潤濕能力，減少(shǎo)熔覆層中的夾雜和含氧量(liàng)，提(tí)高(gāo)熔覆層的工藝成形性能，因而(ér)具有優異的耐蝕性和抗氧化(huà)性。對碳鋼、不鏽鋼、合金鋼、鑄鋼等多種基材有較好的适應性(xìng)，能獲得氧化物(wù)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(miàn)處易形成一種低熔點的脆性物相，使得覆層易于剝落，因此應慎重(zhòng)選用(yòng)。

01　　鐵基(Fe)自熔性合金粉末

Fe基(jī)自熔性合金粉末适用于要求局部耐磨且容易變形(xíng)的零件(jiàn)，基體多為鑄鐵和低碳鋼，其.大優點是材料來源廣泛、成本低且抗磨性能好。缺點是熔點高(gāo)、抗氧化性差，熔覆層易開裂、易産生氣孔等。在鐵基合金粉末成分中(zhōng)，通過調整合金元素含(hán)量來調整塗層的硬度，并通過(guò)添加其它(tā)元素改善熔覆層的硬度、開裂敏感(gǎn)性和殘餘奧氏(shì)體的含量，從而提高熔覆層的耐磨性和韌性。激光(guāng)熔覆用的鐵基自熔性合金粉末分為兩(liǎng)種類型：奧(ào)氏體不(bú)鏽鋼型和高鉻鑄鐵型。

鐵基(jī)合金粉末

近年(nián)來，有關激光熔覆的(de)研究，不少人圍繞鐵基粉末中加(jiā)入其它(tā)成分進行實驗。結果表明，加入(rù)稀土(tǔ)改善(shàn)了熔覆層表面鈍化(huà)膜的抗剝落能力，在不(bú)同程度上減輕了(le)材料(liào)的腐蝕失重，提(tí)高了熔覆層的耐腐蝕能力。

02　　鎳基(Ni)自熔性合金粉末(mò)

Ni基自熔性合金(jīn)粉末以其良好的潤(rùn)濕性、耐蝕性(xìng)、高(gāo)溫自潤滑作用和适(shì)中的價格在激光熔覆材料中研究.多、應用.廣(guǎng)。

鎳基合金粉末

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

03　　钴基(Co)自(zì)熔性合金粉末

钴基(Co)自熔性合金粉末具有優良的耐熱、耐(nài)蝕、耐磨、抗沖擊和抗高溫氧化性能，常被應用于石(shí)化、電力、冶金等工業(yè)領域的耐磨耐蝕耐高溫等場合。Co基(jī)自熔性合金潤濕性好，其(qí)熔點較碳化物低，受熱後Co元素(sù).先處于熔化狀(zhuàng)态，而合金凝固(gù)時(shí)它.先與其它元素形成新的物相，對(duì)熔(róng)覆層的強化極為有利。目前，钴基合金所(suǒ)用的合金(jīn)元素主要是鎳、碳、鉻和鐵等。其中，鎳元素可以降低钴基合金熔覆(fù)層(céng)的熱膨脹系數，減小合(hé)金的熔化溫度(dù)區間，有效防止(zhǐ)熔覆層産生裂紋，提高熔覆合金對基體的潤濕性。

钴基合金粉末

綜合分析可以看出，Ni基或(huò)Co基自(zì)熔性合金粉末體系具(jù)有良好的自熔性和耐蝕、耐(nài)磨、抗(kàng)氧化性能，但價格較高;Fe基自熔性(xìng)合金粉末雖(suī)然便宜，但自熔性差(chà)，易開裂和氧化。因此，在實(shí)際應用(yòng)中(zhōng)，應根據使用要求合理選擇自熔性合金粉末(mò)體系(xì)。

二、複合粉末

複合粉末主要是指碳化物、氮化物、硼化物、氧化物及矽化物等各種高熔點(diǎn)硬(yìng)質陶瓷材料與金屬混合或複(fú)合而形成的粉末體系。複合粉(fěn)末可以借助激光熔覆技術制備出陶(táo)瓷(cí)顆粒增強金屬基(jī)複(fú)合塗層，将(jiāng)金屬的強韌性、良好(hǎo)的工藝性和陶(táo)瓷材料優異的耐磨、耐蝕、耐高溫和抗氧化特性有機結合(hé)起來，能在一定程度上使碳化物免受氧化和分解，從而獲(huò)得具有很高耐磨和(hé)硬度的塗層(céng)，這是是目前激光(guāng)熔覆技術(shù)領域研(yán)究發展的熱(rè)點。其中，碳化物合金粉末和氧化物合金粉末(mò)研究(jiū)和應用.多，主要應用于制(zhì)備耐磨塗層。複合粉末中的碳化物(wù)顆粒可以(yǐ)直接加入激光熔池或者直接與金屬粉末混合成混合粉末(mò)，但更有效的是以包(bāo)覆型粉末(如鎳包碳(tàn)化物、钴包碳化物)的形式加(jiā)入。

鎳基碳化鎢粉末

在激光熔覆過程中，包覆型粉末的(de)包覆金屬對芯核碳化物能起到有(yǒu)效保護、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(sǔn)、失碳、揮發等現象。

三、陶瓷粉末

陶瓷粉(fěn)末主要包(bāo)括矽化物陶瓷粉末和氧化物陶瓷粉(fěn)末，其中又以氧化物陶瓷粉末(氧(yǎng)化鋁和氧化锆)為主。氧化锆比氧化鋁陶瓷粉(fěn)末具有更低的熱導性和更好的熱抗震性能，因而也(yě)常(cháng)用(yòng)于制備熱障塗層。由于陶瓷粉末具有優異的耐磨、耐蝕、耐高溫和抗氧化特性，所(suǒ)以它常被用(yòng)于制備(bèi)高(gāo)溫耐磨(mó)耐蝕塗層。目前(qián)，生物陶瓷(cí)材料是研究的一個熱點。

氧化锆陶(táo)瓷粉

陶瓷粉末缺點：與基體金屬的熱膨脹系數、彈性模量及導熱系數等差别較大，熔覆層易出現裂紋和(hé)孔洞等缺陷，在(zài)使用中容易出現變(biàn)形開裂、剝(bāo)落(luò)損壞(huài)等現象(xiàng)。

為了解決純陶瓷塗層中的裂紋及與金屬基體的高強結合，有學者嘗試使用中間過渡層并在陶瓷層中加入低熔點高膨脹系數的CaO、SiO2、TiO2等(děng)來降低内部(bù)應(yīng)力，緩解了裂紋傾向，但現有的(de)研究表明，純陶瓷塗層的裂紋和剝落問題并(bìng)未得到很好解決，因此有待于(yú)進一步深入研究。

目前對激光(guāng)熔覆(fù)生物陶瓷材料的研究主要集中在Ti基合金、不鏽鋼等金(jīn)屬表面進行激(jī)光熔覆的羟基(jī)磷灰石(HAP)、氟磷灰石以及含Ca、Pr等生物陶瓷材料上。羟基磷灰石生物陶瓷具(jù)有(yǒu)良好的生物相容(róng)性，作為人體牙齒早已受到國(guó)内外有關學者的廣泛重視。總(zǒng)體來說激光熔覆生物陶瓷材料的研究起步(bù)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，目前已開發研究的熔覆材料體系還(hái)包括：銅基、钛(tài)基、鋁基、鎂基、锆基、鉻基以及金屬間化合物基材料等。這些材料多(duō)數是利(lì)用合金(jīn)體系的某些特殊性質使其達到耐磨(mó)、減摩(mó)、耐蝕、導電、抗高(gāo)溫、抗熱氧化等(děng)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(mò)材料。利用(yòng)銅合金體系存(cún)在液相分離現象等冶金性質，可以設計出激光熔覆銅基自生複合材料的銅基複合粉末材料(liào)。研究表(biǎo)明，其激光熔覆層(céng)中存在大(dà)量(liàng)的自生硬質顆粒增(zēng)強體，具有良好的耐磨性(xìng)。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特性，采用(yòng)激光熔覆制備了Fe3Si彌散分(fèn)布的銅基合金複合熔覆層。研究表明：激光熔覆過程中，由母材熔化而(ér)進入熔池的Fe元素(sù)與熔池中的Cu合金呈液相分離狀态;進入溶池的Fe由于(yú)密度小(xiǎo)而上浮(fú)，上浮過程中與熔池中(zhōng)的Si反應生成Fe3Si，Fe3Si在(zài)激光熔覆層中呈彌散狀梯度分布于α-Cu基體(tǐ)中。

銅基(jī)合金粉末

2、钛基

钛基熔覆材料主(zhǔ)要用于(yú)改善基體金屬材(cái)料表面的生(shēng)物相容性、耐磨性或耐蝕性等。研究的钛基激光熔覆粉末材(cái)料主要是純(chún)Ti粉、Ti6Al4V合金粉(fěn)末以及Ti-TiO2、Ti-TiC、Ti-WC、Ti-Si等钛基複合(hé)粉末。張(zhāng)松等在氩氣(qì)氛環境下，在Ti6Al4V合金表面激光熔覆Ti-TiC複合塗層，研究表(biǎo)明複合塗層中原位自生形成了微小的TiC顆粒，複合塗層具有優良的摩擦磨損性能。

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(de)激光(guāng)熔(róng)覆，以提高鎂合金(jīn)表面的耐磨性能和耐蝕性能。J.DuttaMajumdar等在普通商用(yòng)鎂合(hé)金上熔覆(fù)鎂基MEZ粉末(成分：Zn：0.5%，Mn：0.1%，Zr：0.1%，RE：2%，Mg：Bal)。研究表明(míng)，熔覆層顯微硬度由HV35提高到HV 85～100，并且因為晶(jīng)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(néng)比基體鎂(měi)合金大大提高。

鎂基合金粉

4、鋁基

SorinIgnat等在(zài)WE43和ZE41兩種鎂合金基體上(shàng)采用3kW的Nd∶YAG激(jī)光器側向(xiàng)送粉熔覆鋁粉，得到(dào)了(le)結合性能良好的熔覆層。研究發(fā)現，塗層硬(yìng)度(dù)值達到HV0.05120～200，硬度提高的主(zhǔ)要原因(yīn)是Al3Mg2和Al12Mg17金屬化合物的存(cún)在。ZMei等在鎂基ZK60/SiC基體上激光熔覆(fù)鋁基Al-Zn粉末，得到了冶金良好的(de)熔覆層。研究表明，熔覆層腐蝕電位比(bǐ)标準試樣電位高300mV，而腐蝕電流則至少低3個數量級。

鋁基(jī)合金粉(fěn)末

5、锆基

在(zài)純钛基體上激光熔覆锆(gào)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(de)金屬(shǔ)間化合物與少量的非晶(jīng)相(xiàng)構成，具(jù)有較好的力學性能;在ZrAlNiCu合金粉末中添加2wt%B和2.75wt%Si，發現塗層中非晶含量增加，硬度(dù)升高，兩種塗層的.高硬度分别(bié)達到(dào)HV909.6和HV1444.8。

锆基合金粉

五、總結：

不同熔(róng)覆材料的特點、價(jià)格以及熔覆後的性能差别(bié)較大，實際使用(yòng)時可根據不(bú)同的加工需求選擇不同性能的(de)合金粉末。通過激(jī)光将(jiāng)合金粉末熔覆在工件表面(激光熔覆)，可以在廉價金(jīn)屬基材上制備出高性能的合金表面而(ér)不影響基體的性質，有效(xiào)降低生産成本，節約貴重稀有金屬材料。與堆焊、熱噴塗、電鍍等傳統表面處理技術相比，激光熔覆具有稀(xī)釋度小、組織緻密、塗層與基體結合好、适(shì)合熔覆材料(liào)多、粒度及含量變(biàn)化大、加工質量高、可控(kòng)性好(可實現三維自動加工)等優點。

目前主要應用于材料表面改性(xìng)(如(rú)液壓立柱、軋(zhá)輥、齒(chǐ)輪、燃汽輪機葉片等)，産品(pǐn)表(biǎo)面修複(如因磨損而失效的轉子、模具(jù)、軸承(chéng)内孔等)，修(xiū)複(fú)後的部件強度可達原強度的90%以上，且修複費用不到(dào)産品換新成(chéng)本的1/5，更重要的是縮短了維修時間，有效解(jiě)決了大型企(qǐ)業(yè)重大成套設備(bèi)轉動部件快速搶修難題。

此外，對關鍵部件表面通過(guò)激光熔覆耐磨抗蝕合金，可以在零部件表面(miàn)不變形的情況下大大(dà)提高(gāo)零部件的使用壽(shòu)命。對模具表面進行激光熔覆處理，不僅提高(gāo)模具強(qiáng)度，還(hái)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(guāng)熔覆技術是一項具有高科技含量的表(biǎo)面改(gǎi)性技術與裝備維修(xiū)技術，其研究和發展具有重要的理論意義和經濟(jì)價值。

激光熔覆材料是制約激光熔(róng)覆技術發展和應用的主要因(yīn)素。目(mù)前在(zài)研制(zhì)激光熔(róng)覆材料方面雖取得了(le)一定進展(zhǎn)，但(dàn)與按照設計的熔(róng)覆件性能和應用要求定量地(dì)設計(jì)合金成分(fèn)還存在很長距離，激光熔覆材料(liào)遠未(wèi)形成系列化和标準化，尚需(xū)要加大力度進行深入研究。