激光熔覆是指以不同的添料方式在被熔覆基体表面上放置被选择的涂层材料经激光辐照使之和基体表面一薄层同时熔化，并快速凝固后形成稀释度极低，与基体成冶金结合的表面涂层，显著改善基层表面的耐磨、耐蚀、耐热、抗氧化及电气特性的工艺方法，从而达到表面改性或修复的目的，既满足了对材料表面特定性能的要求，又节约了大量的贵重元素。

与堆焊、喷涂、电镀和气相沉积相比，激光熔覆具有稀释度小、组织致密、涂层与基体结合好、适合熔覆材料多、粒度及含量变化大等特点，因此激光熔覆技术应用前景十分广阔。

从当前激光熔覆的应用情况来看，其主要应用于三个方面：一，对材料的表面改性，如燃汽轮机叶片，轧辊，齿轮等;二，对产品的表面修复，如转子，模具等。有关资料表明，修复后的部件强度可达到原强度的90%以上，其修复费用不到重置价格的1/5，更重要的是缩短了维修时间，解决了大型企业重大成套设备连续可靠运行所必须解决的转动部件快速抢修难题。另外，对关键部件表面通过激光熔覆超耐磨抗蚀合金，可以在零部件表面不变形的情况下大大提高零部件的使用寿命;对模具表面进行激光熔覆处理，不仅提高模具强度，还可以降低2/3的制造成本，缩短4/5的制造周期。三，快速原型制造。利用金属粉末的逐层烧结叠加，快速制造出模型。利用激光熔敷技术快速制造零件的技术，又称作LENS (Laser Engineered Net Shaping) 、DLF (Direct Laser Fabrication) 、DMD (Direct Metal Deposition)、LC (Laser Consolidation) 等[1] 。

熔覆材料：目前应用广泛的激光熔覆材料主要有：镍基、钴基、铁基合金、碳化钨复合材料。其中，又以镍基材料应用最多，与钴基材料相比，其价格便宜。

熔覆工艺：激光熔覆按熔覆材料的供给方式大概可分为两大类，即预置式激光熔覆和同步式激光熔覆。

预置式激光熔覆是将熔覆材料事先置于基材表面的熔覆部位，然后采用激光束辐照扫描熔化，熔覆材料以粉、丝、板的形式加入，其中以粉末的形式最为常用。

同步式激光熔覆则是将熔覆材料直接送入激光束中，使供料和熔覆同时完成。熔覆材料主要也是以粉末的形式送入，有的也采用线材或板材进行同步送料。

预置式激光熔覆的主要工艺流程为：基材熔覆表面预处理---预置熔覆材料---预热---激光熔化---后热处理。

同步式激光熔覆的主要工艺流程为：基材熔覆表面预处理---送料激光熔化---后热处理。

按工艺流程，与激光熔覆相关的工艺主要是基材表面预处理方法、熔覆材料的供料方法、预热和后热处理。

激光器工作原理：

激光熔覆成套设备组成：激光器、冷却机组、送粉机构、加工工作台等。

激光器的选用：应用广泛的有CO2激光器，固体激光器。

CO2激光器是应用最广、种类最多的一种激光器，在汽车工业、钢铁工业、造船工业、航空及宇航业、电机工业、机械工业、冶金工业、金属加工等领域广泛应用。约占全球工业激光器销售额40%，北美更高达70%。

1.功率高。CO2激光器是目前输出功率达到区的激光器之一，其最大连续输出功率可达几十万瓦

2.效率高。光电转换率可达30%以上，比其它加工用激光器的效率高得多。

3.光束质量高。模式好，相干性好，线宽窄，工作稳定。

传统的固体激光器通常采用高功率气体放电灯泵浦，其泵浦效率约为3%到6%。泵浦灯发射出的大量能量转化为热能，不仅造成固体激光器需采用笨重的冷却系统，而且大量热能会造成工作物质不可消除的热透镜效应，使光束质量变差。加之泵浦灯的寿命约为400小时，操作人员需花很多时间频繁地换灯，中断系统工作，使自动化生产线的效率大大降低。与传统灯泵浦激光器比较，固体激光器(光纤激光器、碟片激光器、二极管激光器)具有以下优点：

(1) 转换效率高：由于半导体激光的发射波长与固体激光工作物质的吸收峰相吻合， 加之泵浦光模式可以很好地与激光振荡模式相匹配，从而光光转换效率很高，已达50%以上，整机效率也可以与二氧化碳激光器相当，比灯泵固体激光器高出一个量级，因而二极管泵浦激光器体积小、重量轻，结构紧凑。

(2) 性能可靠、寿命长：激光二极管的寿命大大长于闪光灯，达 15000小时，泵浦光的能量稳定性好，比闪光灯泵浦优一个数量级，性能可靠，为全固化器件，是至今为止唯一无需维护的激光器，尤其适用于大规模生产线。

(3) 输出光束质量好：由于二极管泵浦激光的高转换效率，减少了激光工作物质的热透镜效应， 大 大改善了激光器的输出光束质量，激光光束质量已接近极限。

(4)速度快、深度大、无变形、熔覆层无夹渣、熔池细腻无气孔。

(5)可以在室温或者特殊的条件下进行工作，比如激光经过磁场之后光束不会发生偏转吗，在真空情况下都能够进行使用，通过玻璃和透明的材料进行熔覆。

(6)可进行薄壁激光熔覆，基体无变形。

但如果熔覆的材料，包括粉末和母材，为高反射材料，则光纤激光器、二极管激光器由于其自身设计的特点，就显得不太适合了，而碟片激光器则比较适合焊接(包括熔覆)、切割反射率比较高的材料。

工艺参数

激光熔覆的工艺参数主要有激光功率、光斑直径、熔覆速度、离焦量、送粉速度、扫描速度、预热温度等。这些参数对熔覆层的稀释率、裂纹、表面粗糙度以及熔覆零件的致密性等有很大影响。各参数之间也相互影响，是一个非常复杂的过程，须采用合理的控制方法将这些参数控制在激光熔覆工艺允许的范围内。[2]

激光熔覆有3个重要的工艺参数

激光功率

激光功率越大，融化的熔覆金属量越多，产生气孔的概率越大。随着激光功率增加，熔覆层深度增加，周围的液体金属剧烈波动，动态凝固结晶，使气孔数量逐渐减少甚至得以消除，裂纹也逐渐减少。当熔覆层深度达到极限深度后，随着功率提高，基体表面温度升高，变形和开裂现象加剧，激光功率过小，仅表面涂层融化，基体未熔，此时熔覆层表面出现局部起球、空洞等，达不到表面熔覆目的。[2]

光斑直径

激光束一般为圆形。熔覆层宽度主要取决于激光束的光斑直径，光斑直径增加，熔覆层变宽。光斑尺寸不同会引起熔覆层表面能量分布变化，所获得的熔覆层形貌和组织性能有较大差别。一般来说，在小尺寸光斑下，熔覆层质量较好，随着光斑尺寸增大，熔覆层质量下降。但光斑直径过小，不利于获得大面积的熔覆层。[2]

熔覆速度

熔覆速度V与激光功率P有相似的影响。熔覆速度过高，合金粉末不能完全融化，未起到优质熔覆的效果;熔覆速度太低，熔池存在时间过长，粉末过烧，合金元素损失，同时基体的热输入量大，会增加变形量。

激光熔覆参数不是独立的影响熔覆层宏观和微观质量，而是相互影响的。为了说明激光功率P、光斑直径D和熔覆速度V三者的综合作用，提出了比能量Es的概念，即：

Es=P/(DV)

即单位面积的辐照能量，可将激光功率密度和熔覆速度等因素综合在一起考虑。

比能量减小有利于降低稀释率，同时与熔覆层厚度也有一定的关系。在激光功率一定的条件下，熔覆层稀释率随光斑直径增大而减小，当熔覆速度和光斑直径一定时，熔覆层稀释率随激光束功率增大而增大。另外，随着熔覆速度的增加，基体的融化深度下降，基体材料对熔覆层的稀释率下降。

在多道激光熔覆中，搭接率是影响熔覆层表面粗糙度的主要因素，搭接率提高，熔覆层表面粗糙度降低，但搭接部分的均匀性很难得到保证。熔覆道之间相互搭接区域的深度与熔覆道正中的深度有所不同，从而影响了整个熔覆层的均匀性。而且多道搭接熔覆的残余拉应力会叠加，使局部总应力值增大，增大了熔覆层裂纹的敏感性。预热和回火能降低熔覆层的裂纹倾向。

4.预置式和送粉式

众所周知，熔覆可以改善金属零件的抗磨损和抗腐蚀性。虽然传统的电弧焊和基于激光的方法是经济上可行的工艺，并能带来不错的性能，但在熔覆过程中仍然有可能形成碳化物晶粒，从而会影响熔覆层的机械强度和寿命。本文介绍了一种新的自动化的激光工艺，能避免碳化物晶粒的形成，并探讨了新一代光纤激光器如何让该工艺不受背反射的影响。

传统激光熔覆的特点

简单地说，熔覆材料以粉末或丝状的形式被引入到零部件的表面，随后用激光器来选择性地将这种材料和基材溶化到非常小的深度，以融合这两种材料。

相比电弧焊和热喷涂方法，激光熔覆具有几个优势。具体来说，对热量进行精准而有限的应用，可以将零部件的热变形控制在最小比例甚至不会产生热变形，从而免去了后续处理中再加工的需要。同时，激光熔覆也会让沉积材料和基体材料产生很少的混合(稀释)，在熔覆层和基材之间产生真正牢固的冶金结合。

然而，几位研究人员注意到，有时候在激光熔覆过程中发生的材料快速冷却，会产生结合缺陷，并在熔覆层中产生一些孔隙，从而导致晶粒或其他异质显微结构的形成。这些结构的特殊性质高度依赖于精确的激光工艺参数与采用的熔覆材料，他们还观察到裂缝、孔隙和各种柱状和带状晶粒结构的存在。每一个这样的结构都会影响熔覆层的寿命和有效性。例如，熔覆层裂纹会为腐蚀提供温床，甚至可能会贯通熔覆层直至基体。晶粒或其他微观结构会影响熔覆层的机械性能，并且已经被证明在某些情况下会降低熔覆层的抗拉强度。

优化熔覆工艺

对各种工艺参数的影响进行了研究，如激光功率、激光光束扫描速度、送料速度和熔覆材料的精确配方。通过适当地控制这些因素，可以将不良的熔覆微观结构的形成降至最低甚至避免这些瑕疵。具体地说，可以通过以下方法来创建高性能的熔覆系统，包括精确地模拟熔覆过程、优化熔覆材料，并在之后仔细控制熔覆工艺流程以重现计算结果。

K?thener Spezialdichtungen GmbH(KSD，德国Kleinwülknitz)开发了一种“激光材料快速制造系统(Rapid Laser Materials Manufacturing，R：LM2)”。该系统由三个主要功能元件组成，即混料系统、迷你熔化炉和沉积控制系统(图1)。

图1：KSD的“激光材料快速制造系统”的主要功能元件示意图

混料系统包含几种不同的熔覆粉末以及配备了材料模拟软件的计算机。迷你熔化炉包括光纤激光器和密封处理室，而后者包含光学聚焦元件、送粉喷嘴、运动系统、高温测量仪及过程监控摄像机。沉积控制系统配置了运行着CAD/CAM软件和有限元方法(FEM)模拟软件的计算机。

R：LM2 通过对一组有限的金属粉末进行各种组合后来创建不同的熔覆层。为了根据给定的应用来选出合适的配方，需要将客户的要求输入到该系统中，包括熔覆层所需的机械性能和化学性能(如耐腐蚀性)。然后，材料模拟程序使用相图来计算出能满足性能要求的熔覆材料的最佳组合。

然后，沉积控制系统中的FEM模拟软件接收到这个配方，并确定好熔覆工艺参数，包括送粉速度、激光功率、气体成分、需要的工艺温度，以获得最佳效果。在密封处理室中，金属粉末通过喷嘴被喷涂到工件上，然后用激光熔化。熔覆区域的具体形状由喷嘴和激光光束的运动轨迹来确定，主要是通过沉积控制系统中的CAD/CAM软件来控制。沉积控制系统通过过程摄像机来监控熔覆区域的尺寸和位置，并用高温测量仪来监控温度，必要的时候调整参数以获得预期的效果。R：LM2系统还能严密控制密封处理室中的气体。这对于实现均匀、重现性好的熔覆是至关重要的。

相比传统的激光熔覆，用R：LM2 系统打造的熔覆展现出非常精细的碳化物晶粒结构。这些涂层都不含孔隙或裂缝，并且可以达到 68 HRC的硬度级别。此外，该系统还有望显著降低熔覆成本，因为最常见的传统熔覆材料都很昂贵，例如镍合金、碳化钨和因科镍合金(Inconel)。而R：LM2 所具有的复杂模拟和精准沉积能力，使其在使用成本较低的有色合金组合时也能让熔覆层在抗腐蚀和耐磨性等方面实现同样的效果。另外，该系统大大减少了复杂零部件的加工周期。

光纤激光器的考量

光纤激光器对于实现R：LM2 工艺的要求来说是一个理想的选择，因为它们能提供所需的高输出功率(约800W)和近红外(NIR)波长，而且相比其他类型的激光器，如闪光灯泵浦的脉冲Nd：YAG激光器，光纤激光器的操作成本较低，保养周期更长。

在基于单管激光二极管泵浦的第一代光纤激光器中，数量众多的所有泵浦组件通常被融合在一起，以实现最大的稳定性。虽然这种方法一般来说具有很高的稳健性，但是特别容易受到来自目标材料的背反射的影响。因此，在处理反射型金属时，如铜和黄铜，必须使用某种类型的光隔离器。此外，融合组件(有时包括最终的传输光纤) 的使用意味着这些激光器不能现场维修。因此，如果任何组件稍有损坏，都必须将整个激光器运回工厂进行更换。

相干(Coherent)对光纤激光器的设计使用了创新的模块化方法，主要是基于半导体激光器线阵(Bar)，而不是激光单管(Single Emitter)，来作为泵浦源。使用由分立式光学元件组成的光束组合器将这些泵浦线阵发射的光引入到增益光纤中。这个光束组合器还能校准增益光纤输出的光束，然后其他光学元件将其有效地耦合到最终的传输光纤中。

光束组合器的几何形状能阻止背反射进入泵浦二极管激光线阵，再加上没有易损坏的接合，使得这种设计不会受到背反射的影响(图2)。

图2：通过在泵浦光耦合和激光提取中使用自由空间光学元件，这种光纤激光器不会受到背反射的影响，并且可以很容易地进行现场维修。

这种模块化的方法还能实现极具灵活性的现场维护，因为它使最终用户能够在短短几分钟内交换传输光纤。此外，其他的模块化组件，例如泵浦二极管线阵，甚至是增益光纤，全部都可以在必要的情况下进行现场更换。

KSD公司在使用传统结构的光纤激光器后发现有可靠性方面的问题，于是改为使用相干的HighLight 1000FL 1kW光纤激光器。这消除了他们曾经历过的由背反射原因引起的操作难题。

应用

现在，KSD公司使用R：LM2 系统对工业水龙头的垫片以及滑环或旋转密封件的滚道承重面(图3)进行熔覆。这种密封元件用于回转泵、潜水泵或螺旋给料机。用于安全或控制配件的垫圈必须能承受极端的应力，如空蚀或流体流动磨损。它们一般在-255°至650°C的温度范围内工作，需要与研磨介质一起使用，冲数大于100，000/年。轴承表面需要在400，000千米/年的移动速度下与具有研磨性或胶粘性的高粘度介质一起工作。到目前为止，使用R：LM2 工艺制造的全铁合金熔覆层已经被证明能有效胜任这些应用。

图3：使用R：LM 2系统在滑环上熔覆铁锰铬(FeMnCr)奥氏体硬质合金。

KSD公司也在研发通过借助R：LM2 技术实现3D零件的激光增材制造方面的应用。通常情况下，首先将相对较薄(600微米)的材料层在零件壁上沉积下来形成条状，然后再填充这些条状之间的缝隙。

在这种工艺中，粉末利用率为70~80%，最终零件的尺寸精度在0.2~0.3毫米范围内。这样的尺寸精度比传统的粉床法要低大约10倍，但是就像选择性激光熔化那样，最终的零件尺寸可以通过机械后加工来迅速获得。在这种情况下，R：LM2方法的独特优点就是，借助混料计算机可以加工并沉积各种材料，具有很高的灵活性。

总而言之，一种新型的自动化激光熔覆系统简化了这个工艺，并且通过使用成本较低的有色金属合金让熔覆更为经济。光纤激光源的使用使得该工艺能不受背反射的影响，并且也更容易维护，这应该能帮助激光熔覆和激光增材制造被更广泛的受众所接受。

激光熔覆包括两部分：一，针对各种磨损，腐蚀，铬痕，划痕，拉伤等金属缺陷的再制造修复;二，对需要提高硬度，耐磨度，防腐，耐高温，无磁等要求的配件进行表面改性。

购买激光熔覆设备的客户都需要购买一台能同时完成上述两种功能的设备。激光熔覆过程中的主要技术参数有三个：较高的表面功率密度，以便能将各种熔覆材料(包括含陶瓷、碳化钨等难熔材料)与基体形成熔池达到冶金结合;大光斑快速熔覆，满足各种大件，大面积缺陷修复或表面改性熔覆的要求;小光斑熔覆，满足各种高精密配件，薄壁配件，易受热变形配件的熔覆要求。目前应用在激光熔覆市场的设备有三种，即二氧化碳激光，半导体激光，YAG激光。

二氧化碳激光因其波长10.64μm，是半导体激光、YAG激光波长的10倍，相同输出功率的设备，二氧化碳激光在熔覆时的表面功率密度是半导体激光和YAG激光的三分之一，而热影响区是半导体激光和YAG激光的三倍。为增加表面功率密度必须增加设备的输出功率，因此市场应用在熔覆市场的二氧化碳激光输出功率都很大。一方面增加了设备的采购成本，另一方面，二氧化碳激光设备体积庞大，不适于现场修复和与各种熔覆工装配合使用。二氧化碳激光运行成本，维修成本高，更换易损配件频率高且价格昂贵。特别是二氧化碳激光热影响区极高，被熔覆配件受热变形率高，需要在熔覆过程中、熔覆后对熔覆配件进行复杂的保温处理。所以，二氧化碳激光不是激光金属熔覆工艺的最佳选择。

YAG激光是脉冲输出方式，熔覆时被熔覆基体热影响极低，可以修复薄壁件、小件、高精度极易变形配件。YAG激光结构简单，易于修复，配件价格低，是修复行业初期创业者，熔覆量不是很大单位的首选设备。YAG激光的缺点是电光转换率低，只有5%，因发光原理的限制不能生产1000W以上大功率激光设备，所以，YAG激光输出功率小，熔覆效率低，不适于进行大配件，大面积熔覆。目前市场上应用的直接输出半导体激光，输出功率在2000W-6000W之间，半导体激光体积小，重量轻，电光转换了达到50%，输出激光波长808nm，976nm,1064nm等，解决了二氧化碳激光体积大、笨重、输出激光波长长等缺点。解决了YAG激光不能生产大功率输出激光的难题。但直接输出半导体激光有两个致命弱点：一是因为直接输出半导体激光的光束整形困难，难于将激光输出光斑整形到很小，所以直接输出半导体激光不能进行薄壁件、小件、高精度易变形件的熔覆;二是直接输出半导体激光激光器直接面对被熔覆基体，基体的熔池热辐射对激光器发光bar条损伤极大，虽然国内某些公司声称能用光返技术解决熔池对激光器的热辐射问题，但经过市场检验，防返技术并不成熟，出现大规模的退设备现象。国际上最好的激光器是光纤半导体激光，但价格昂贵，光纤半导体激光的高质量光束，对熔覆工艺是一种浪费。因为，熔覆工艺不需要1mm米以下的极小光斑。光线半导体激光易损件昂贵，售后时间长，不能满足熔覆工艺的连续性。因为，维修的特点是大部分被修复配件都是企业停产等待修复，因激光设备耽搁配件修复周期，会给停产企业造成巨大损失。

能完好解决二氧化碳激光、YAG激光、直接输出半导体激光存在的各种熔覆功能不足的方法就是选用光纤输出半导体激光器。光纤输出半导体激光器的优势:一，半导体激光光束经光纤传导输出，能完成小光斑聚焦输出，进而完成薄壁件，小件，高精度易变形配件的熔覆;二，半导体激光光束经光纤传到输出，光斑功率密度分布均匀，激光熔覆熔池无夹渣，喷溅低，熔覆层细腻，无气眼;三，光纤输出半导体激光光纤传播距离长，光纤头体积小，重量轻易与各种熔覆工装、机械手配合使用;四，半导体激光经光纤传导输出，解决了直接输出半导体激光熔池光辐射对激光器造成损害的难题;五，光纤输出半导体激光体积小，重量轻，操作简单，免维护，价格与直接输出半导体激光价格相当。目前，能提供光纤输出半导体激光器的有德国DILAS，国内有河北瑞驰激光。