高速激光熔覆优势和关键技术问题解析

激光熔覆技术是利用激光的高能量密度熔化加入的金属合金粉末，并与微熔的基体表面层形成界面为冶金结合的涂层，进而显著提升零部件的表面层耐磨性能、耐腐蚀性能和使用期限的增材制造技术。

高速激光熔覆技术是在激光熔覆基础上快速发展起来的一项新工艺，是增材制造行业领域革命性的突破，高速激光熔覆在国内刚起步不久，得到了国家的高度重视，已被列入我国“中国制造2025”的重要战略规划发展方向之一。

高速激光熔覆的由来

高速激光熔覆由德国Fraunhofer激光研究所的Thomas Schopphoven等在JOURNAL OF LASER APPLICATIONS学术期刊上发表了名为“Investigations on ultra-high-speed laser material deposition as alternative for hard chrome plating and thermal spraying”的论文，目的在于利用高速激光熔覆代替传统式镀硬铬和热喷涂工艺。该技术在德国弗劳恩霍夫运用促进协会年度科学技术奖励大会中，荣获Fraunhofer科技创新奖。

高速激光熔覆的优势

高速激光熔覆利用极高的激光扫描速度，得到比传统式激光熔覆层更均匀的涂层厚度、更平整表面质量、更低的稀释率、更高的沉积效率、更小的工件形变量，已成为世界各国科研机构和企业重点关注的激光应用新的领域。

下表列出了高速激光熔覆与传统式激光熔覆的主要数据对比。

从上表能够看得出，高速激光熔覆技术在激光制造和再制造行业领域运用中，能有效的减低机加工成本，提升产品质量，增加产品使用期限，特别是在液压支柱、轴类零件、大型覆盖件模具、阀门等应用领域，有着广阔的应用前景。

高速激光熔覆的关键技术

1.器件方面

激光器：

长时间工作条件下，激光器的功率稳定性、光束模式及其稳定性，是高速激光熔覆最主要的技术，如何提高目前的三大类激光器（即光纤激光器、半导体激光器和碟片激光器）激光功率的稳定性，改进光束模式及其稳定性，是摆在面前的主要技术难题。

熔覆头：

粉末焦点与激光束焦点的同步效果差，使得合金粉末利用率较低；

合金粉末在到达激光熔池以前，粉末受激光能量的辐照的时间较短，粉末的温度较低，使得超高速激光熔覆的效率降低，熔覆层的稀释率很难把控；

送粉嘴出口粉末的分布密度与激光能量密度的匹配关系不清楚，使得熔覆层的厚度均匀性差，表面粗糙度偏高；

粉嘴选用铜合金制造，其耐磨性能差，使用期限长。

送粉器：

送粉器送粉速率的稳定性决定了高速激光熔覆层表面的平整度，目前我国所采用的刮板式送粉器，其精度有待进一步提高。

2.粉末材料及激光与材料作用机理方面

国内外缺少对超高速激光熔覆专用粉末的系统研究，特别是在新型非晶和高熵合金粉末研制。许多基础性技术问题缺少系统的研究及进一步探讨，比如激光高速熔覆中专用材料的特性、激光能量分布特征、熔覆层温度场和质场分布机理等，因此造成了熔覆层粉末利用率低、熔覆层的微观和宏观质量可控性能差、熔覆层的性能无法满足复杂工况下的需求等致命问题，这在很大程度上限制了该新技术的应用效果。