激光熔覆技术
激光熔覆技术的研究现状及应用
陈宝洲
（南华大学机械工程学院湖南衡阳邮编：421001）
摘要：本文逐次介绍了激光熔覆技术的原理、特点、材料体系、激光熔覆存在的问题、激
光熔覆层裂纹产生的原因及防止措施，阐述了其工业应用，最后分析了其发展趋势。
关键词：激光熔覆；材料体系；应用
Laser cladding technology research and Application
Chen Baozhou
(College of Mechanical Engineering, University of South China, Heng Yang, 421001, China) Abstract: This paper introduces the technology of laser cladding by the principle, characteristics, material system, the problems of laser cladding, laser cladding crack causes and prevention measures, and expounds its application in industry, finally analyzes its development trend.
Key words: laser cladding; material system; application
1 引言
激光熔覆技术是一项新兴的零件加工于表面改型技术。具有较低稀释率、热
影响区小、与基面形成冶金结合、熔覆件扭曲变形比较小、过程易于实现自动化
等优点。激光熔覆技术应用到表面处理上，可以极大提高零件表面的硬度、耐磨
性、耐腐蚀、耐疲劳等机械性能，可以极大提高材料的使用寿命。同时，还可以
用于废品件的处理，大量节约加工成本。激光溶覆应用到快速制造金属零件，所
需设备少，可以减少工件制造工序，节约成本，提高零件质量，广泛应用于航空、
军事、石油、化工、医疗器械等各个方面。
激光熔覆是一个复杂的物理、化学冶金过程，熔覆过程中的参数对熔覆件的
质量有很大的影响。激光熔覆中的过程参数主要有激光功率、光斑直径、离焦量、
送粉速度、扫描速度、熔池温度等，他们的对熔覆层的稀释率、裂纹、表面粗糙
度以及熔覆零件的致密性都有着很大影响。同时，各参数之间也相互影响，是一
个非常复杂的过程。必须采用合适的控制方法将各种影响因素控制在溶覆工艺允
许的范围内。
随着控制技术以及计算机技术的发展，激光熔覆技术越来越向智能化、自动
化方向前进。国外在这方面做的比较好。从直线和旋转的一维激光熔覆，经过X
和Y两个方向同时运动的二维熔覆，到上世纪90年代初开始向三维同时运动熔
覆构造金属零件发展。如今，已经把激光器、五轴联动数控激光加工机、外光路
系统、自动化可调合金粉末输送系统(也可送丝)、专用CAD/CAM软件和全过程
参数检测系统，集成构筑了闭环控制系统，直接制造出金属零件。标志着激光熔
覆技术的发展登上了新的台阶。各国在激光控制方面的研究的新成果往往都以专
利的形式进行保护，如高质量的同轴送粉熔覆系统以及闭环反馈控制系统等。
国内西北工业大学、清华大学、北京工业大学、上海交通大学和中国科学院等单
位在激光熔覆过程控制方面做了许多研究工作，国内还有许多单位正在积极开展这方面的研究工作。清华大学机械系激光加工研究中心己研制出适合于直接制造金属零件的各种规格的同轴送粉喷嘴和自动送粉器，已申请相关发明专利两项。中科院已经开发出集成化激光智能加工系统。但相对国外的研究和开发水平，国内在控制方面的研究还处在起步阶段，控制措施和手段还不完善。对激光熔覆融池温度的闭环控制鲜有报道，对熔覆质量的闭环控制系统研究的并不充分。
2 激光熔覆技术原理与特点
2.1 激光熔覆技术原理
激光熔覆技术以该技术以“离散+堆积”成形的思想为基础，突破了传统去除材料的加工方法，把激光熔覆表面强化技术和快速原型制造技术相结合，实现了三维近终形全密度金属零件的分层增材制造。激光熔覆成形时，首先在计算机上生成待加工零件的CAD模型，然后对CAD模型进行切片处理，将一个复杂的三维零件转变成一系列的二维平面图形，计算机从每一层二维平面图形中获取扫描轨迹指令，控制数控工作台和激光器的运动。加工过程中利用高能激光束在金属基体上形成熔池，将通过送粉装置和喷嘴输送来的金属粉末或预先置于基体上的涂层快速熔化，金属粉末或涂层快速凝固后，在基材表面形成无裂纹和气孔的冶金结合层。该技术能够按照轮廓轨迹逐线、逐层堆积材料直接生成近终形三维实体零件，其工作原理如图一所示。
图一激光熔覆技术原理图
2.2 激光熔覆技术特点
同其他表面强化技术相比，它具有以下特点：冷却速度快；热输入和畸变较小，涂层稀释率低(一般小于5％)，与基体呈冶金结合；能进行选区熔覆，材料消耗少，具有卓越的性能价格比；光束瞄准可以使难以接近的区域熔覆等。
3 激光熔覆技术材料体系
按照材料成分构成，激光熔覆粉末材料主要分为金属粉末、陶瓷粉末和复合粉末等。在金属粉末中，自熔性合金粉末的研究与应用最多。
3.1 自熔性合金粉末
（1）Fe基合金体系
自熔性合金粉末可以分为Fe基、Ni基、C O基自熔性合金粉末，其主要特点是含有B和S i具有自脱氧和造渣能力。自熔性合金粉末对碳钢、不锈钢、合金钢、铸钢等多种基材有较好的适应性，能获得氧化物含量低、气孔率小的熔覆层[1]。
激光熔覆用的铁基自熔性合金粉末分为两种类型：奥氏体不锈钢型和高铬铸铁型。铁基自熔性合金最大优点是材料来源广泛、成本低且抗磨性能好。缺点是熔点高、抗氧化性差，熔覆层易开裂、易产生气孔等[2]。在铁基合金粉末成分中，通过调整合金元素含量来调整涂层的硬度，并通过添加其它元素改善熔覆层的硬度、开裂敏感性和残余奥氏体的含量，从而提高耐磨性和韧性。
近年来，有关激光熔覆的研究有不少是围绕铁基粉末加入其它成分展开的。宁爽等[3]在45钢基材上制备了WC铁基合金熔覆层。结果表明，铁基合金熔覆层的硬度与耐磨性得到了提高。齐永田等[4]在普通低碳钢上熔覆了含有碳氮化钛增强粒子的铁基熔覆层，原位生成了新的颗粒状强化相Ti(C0.3N0.7)，熔覆层的显微硬度达到600一700 HV0..2。赵高敏[5]等研究了不同稀土加入量对铁基合金激光熔覆层的组织形貌、相组成的影响。结果表明，加入稀土改善了熔覆层表面钝化膜的抗剥落能力，在不同程度上减轻了材料的腐蚀失重，提高了熔覆层的耐腐蚀能力。
（2）Ni自熔性合金粉末
Ni自熔性合金粉末在滑动、冲击磨损和磨粒磨损严重的条件下，单纯的自熔性合金粉已不能胜任使用要求，此时可在自熔性合金粉末中加入各种高熔点的碳化物、氮化物、硼化物和氧化物陶瓷颗粒，制成金属复合涂层。
原津萍等[6]在镍基合金中分别添加Mo和CeO2，研究表明，在镍基合金中添加Mo，改变了显微组织中碳化物的成分和形态，韧性改善，熔覆层抗磨粒磨损性能提高。张光钧[7]等在45钢表面制备镍基纳米W C /C O复合熔覆层，熔覆层的物相为γ ( Fe一N i)基体上分布着以WC、W2C为主的碳化物相，熔覆层显微硬度分别为779. 3~1315.0 OHV0.1。匡建新[8]等采用N i 60+ 70％(质量分数)镍包碳化钨合金粉末在45钢基材表面进行了激光熔覆，对比研究了添加不同量CeO2在不同激光功率条件下对激光熔覆层的显微组织、裂纹情况、硬度分布及耐腐蚀性能的影响。孙海勤[9]等在45钢表面制备原位自生VC颗粒增强镍基复合涂层，原位自生VC颗粒增强镍基熔覆层平均硬度高达1300 HV0.3。
（3）Co基自熔性合金粉末
钴基自熔性合金具有优良的耐热、耐蚀、耐磨、抗冲击和抗高温氧化性能，常被应用于石化、电力、冶金等工业领域。目前，Co基合金所用的合金元素主要是Ni、C、Cr和Fe等。其中，Ni元素可以降低Co基合金熔覆层的热膨胀系数，减小合金的熔化温度区间，有效防止熔覆层产生裂纹，提高熔覆合金对基体的润湿性。
李明喜[10]等利用在低碳钢表面熔覆钒氮合金的钴基合金涂层，结果表明：加入钒氮合金后，出现了σ(FeV)和VN等相，界面处硬度均比表层高，熔覆层的耐磨性随钒氮合金的加入及激光扫描速度的增加而提高。杨胶溪[11]利用积分镜对激光束进行整形获得宽带激光束，进行宽带激光熔覆，获得无裂纹WC/Co基合金层。李明喜[12]在镍基高温合金表面熔覆纳米Al203 /Co基合金复合材料，结果表明，加入纳米Al203，界面的生长形态发生变化，由细长的柱状树枝晶转变为较短的树枝晶，细化了组织。
3.2 陶瓷粉末
陶瓷粉末主要包括硅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(Al203和ZrO2 )为主。由于陶瓷粉末具有优异的耐磨、耐蚀、耐高温和抗氧化特性，所以它常被用于制备高温耐磨耐蚀涂层和热障涂层。目前，生物陶瓷材料是研究的一个热点。
郑敏[13]等在T i-6A l-4V合金表面制备了生物陶瓷复合涂层，涂层中最高显微硬度值达到1474 HV0.3。邓迟等[14]在T i-6A 1 -4V合金表面进行激光熔覆，结果显示：稀土对涂层具有降低开裂倾向的作用。因此，在涂层原料中寻找适当比例的稀土可以有效降低涂层的裂纹敏感性。刘其斌[15]等在T i-6A 1 -4V合金上制备了梯度生物陶瓷复合涂层。结果表明：生物陶瓷涂层显微硬度最大值约为1300 HV0.2。
3.3 复合粉末
复合粉末主要是指碳化物、氮化物、硼化物、氧化物及硅化物等各种高熔点硬质陶瓷材料与金属混合或复合而形成的粉末体系。它将金属的强韧性、良好的工艺性和陶瓷材料优异的耐磨、耐蚀、耐高温和抗氧化特性有机结合起来，是目前激光熔覆技术领域研究发展的热点。
朱庆军[16]等在45钢基体上制备的FeNiSiBVRE非晶涂层进行激光晶化，制备非晶/纳米晶复合涂层，结果表明，涂层存在着分层结构，涂层底部和顶部的显微组织由大量的稀土树枝晶、板条状硼化物和粒状碳化物组成，涂层中部的显微组织是由大量的纳米晶相镶嵌在非晶基体上。何宜柱等原位合成了Co p/Cu复合材料涂层，原位合成了表面光滑、均匀连续的致密Co p/Cu的复合涂层。
4 激光熔覆存在的问题
评价激光熔覆层质量的优劣，主要从两个方面来考虑：一是宏观上，考察熔覆道外形、表面不平度、裂纹、气孔及稀释率等；二是微观上，考察是否形成良好的组织，能否提供所要求的性能。此外，还应测定表面熔覆层化学元素的种类和分布，注重分析过渡层的情况是否为冶金结合，必要时要进行质量寿命检测。目前探究工作的重点是熔覆设备的研制和开发、熔池动力学、合金成分的设计、裂纹的形成[17]、扩展和控制方法以及熔覆层和基体之间的结合力等。目前激光熔覆技术进一步应用面临的主要问题是：
（l）激光熔覆技术在国内尚未完全实现产业化的主要原因是熔覆层质量的不稳定性。激光熔覆过程中加热和冷却的速度极快，由于熔覆层和基体材料的温度梯度和热膨胀系数的差异，可能在熔覆层中产生多种缺陷，主要包括气孔、裂纹、变形和表面不平度。
（2）激光熔覆过程的检测和实施自动化控制还不够成熟。
（3）激光熔覆层的开裂敏感性[18]仍然是困扰国内外探究者的一个难题，也是工程应用及产业化的障碍。目前，虽然已经对裂纹的形成进行了探究，但控制方法方面还不成熟。
5 激光熔覆层裂纹产生的原因及防止措施
通过测定熔覆层开裂时的温度和对裂纹的断口分析认为，激光熔覆层裂纹是在凝固温度附近形成的热裂纹，也称凝固裂纹[19]。在凝固温度区间，初生的发
达枝晶相互连接形成一个结晶固态网，造成枝晶间的液体封闭，在随后冷却中，由于收缩而无足够液体补充，易于在枝晶间硬质相和杂质等应力集中的部位形成凝固裂纹源，随着温度不断降低，应力增大，裂纹将会沿枝晶间扩展。由于激光熔覆冷却的温度梯度分布复杂，故不同区域可能会出现不同的结晶方向，不同生长方向的共晶组织在快速凝固过程中会发生强烈的组织碰撞，导致共晶团界面产生较大的应力而形成显微裂纹。此外，由于陶瓷材料与金属基体结构上差异较大，二者的润湿性与匹配性不好，裂纹源也易在结合面处产生。归纳起来，裂纹源产生的部位主要有3种：（1）熔覆层中的硬质相及夹杂物；（2）熔覆层中共晶团间的显微孔；（3）熔覆层与基材界面间的微孔洞。萌生的裂纹如果继续稳态扩展和失稳扩展便会造成涂层的开裂。
张三川[20]等人研究了利用氧化锆掺杂增韧现象来改善熔覆层裂纹的方法。氧化锆有立方相、四方相和单斜相等三种晶体结构，立方相存在于2 000℃以上，四方相存在于1 100℃以上，而1 100℃以下则转变为单斜相。ZrO2：从四方相转变为单斜相时将伴随5%左右的体积膨胀，利用此特点可以将其作为激光熔覆涂层的增韧相。激光熔覆掺杂复合涂层中氧化锆的增韧机制可归于应力诱导相变增韧、弥散增韧两种。激光熔覆试验结果表明含氧化锆增韧激光熔覆涂层成形关键在于控制熔池熔体的流动性，低的激光线功率密度有助于分层现象的消除：扫描电镜和能谱分析表明氧化锆陶瓷在熔覆层中没有显著的富集，且点状弥散分布较均匀，同时XRD图谱证明激光熔覆层中氧化锆为单斜相结构，达到了利用氧化锆相变消除残余热应力裂纹的目的，从而可以解决激光熔覆裂纹产生的关键问题。
6 激光熔覆技术在工业中的应用
随着大功率激光器的日益商业化，带动了激光熔覆技术的迅猛发展，加快了激光熔覆技术工业应用的步伐。现今，激光熔覆在工业中的应用大致有以下几个方面。
6.1 在航空工业中的应用
（1）激光熔覆成形用于零件制造
钛合金是航空航天工业上正快速采用的较新合金，用来制造高的强度/重量比、耐热、耐疲劳和耐腐蚀的零件。但在这些新型合金的加工上，传统工艺方法有许多难以克服的缺点。而激光熔覆成形技术则可以降低库存和减少制造时间。近年，A eroMet公司的研究更有了实质性进展，他们生产的3个Ti-6A1-4V激光熔覆成形零件已经获准在实际飞行中使用。其中F-22上的两个全尺寸接头满足疲劳寿命的两倍要求，F /A -18E /F的翼根吊环满足疲劳寿命四倍要求，而降落用的连接杆满足飞行试验要求，寿命超出要求30％。
（2）激光熔覆成形用于零件修复
航空发动机钛合金的接触磨损是发动机维修中的一大难题，通过激光熔覆可以获得高硬度、耐磨、耐蚀、耐高温涂层以及热障涂层。刘其斌等采用自制的合金粉末，对航空发动机制件报废的高温锻压模具进行了修复，取得了较好的效果。李养良等研究了钛合金激光熔覆WC-12Co涂层、和45C涂层的组织及耐磨性能。姜伟等以飞机叶片( LY11CZ)为基材，以铝钇铌合金为熔覆材料，研究了单道熔覆层微观组织形貌和耐腐蚀性能。结果表明：A l-Y-Nb合金可以作为激光熔覆修复飞机叶片( LY 11CZ)的参考材料。
6.2 在汽车工业的应用
在汽车发动机气门、气门座圈密封锥面、气门阀杆小端面以及排气阀、阀门座表面等要求耐高温、耐磨损及耐腐蚀性的工作面上，用激光熔覆形成具有优良的耐磨、耐热性合金涂层。美国的汽车排气阀座用激光熔覆Stellite合金，俄罗斯利哈乔夫汽车厂的排气阀座激光熔覆耐热合金。上汽通用五菱汽车股份有限公司冲压车间对使用10多年的VH车型部分模具的磨损和局部损坏进行快速修复，有效保证了冲压车间的正常生产。整个项日共计节约900万元。另外，激光熔覆技术在农用汽车工业中应用广泛，如缸套、曲轴、活塞环、换向器、齿轮等零部件的表面熔覆。
6.3 在模具工业的应用
模具激光表面熔覆技术，经过近年来的发展，现已逐步走向实用阶段。目前广泛地应用于模具的表面强化和修复模具。闫忠琳等对玻璃模具进行了激光熔覆处理。生产现场对比考核结果为：未经激光熔覆处理的模具，总使用时160~200 h后报废；经激光熔覆处理的模具，连续使用100 ~120 h后卸下清理油垢，此时模具的合缝线完好，不需修理可连续使用，模具总使用时间提高了10倍。赵宏运等在汽车连杆辊锻成形模具9CrSi表面熔覆一层WC陶瓷层，进行了一些探索性试验，并取得了良好的应用效果。
6.4 其它方面的应用
文献[21]介绍了应用激光熔覆技术修复大型往复压缩机曲轴曲柄销表面裂纹的简要过程及该曲轴修复后的运行情况；刘永刚[22]研究了采用激光熔覆技术修复压缩机转子轴，转子经激光熔覆修复后，安装于机组上投入生产，机组运行一切正常。杨坤等[23]采用激光熔覆技术，对机车连杆大头定位齿的裂纹修复进行了试验研究。黄开港[24]研究了激光熔覆技术修复严重腐蚀磨损的1TY-520/5.2-1型空压机转子的经验。乐灿甫[25]介绍了激光熔覆及其在水中兵器修复上的应用。邹辉[26]研究了激光熔覆技术在进口SO2风机齿轮轴修复中的应用。李慧玲等[27]用激光微细熔覆快速制造技术直接将电感元件集成在电路板上，使之由插装或表面贴装元件直接转化成平面膜式电感，大大减少了焊点，缩短互连，减少了占用面积，从而提高了可靠性和电性能。钱兆勇等[28]研究了包装用瓦楞辊的激光熔覆材料体系。通过工艺优化，在新辊或失效辊表面激光熔覆制备了无气孔裂纹等缺陷、厚度大于0.4 mm的耐磨涂层，该工艺已经用于工业生产。
7 结语
作为一种重要的表面涂层制备方法，激光熔覆技术在应用与实验研究中逐步发展，正在被越来越多的应用于生产实际，相关的研究工作也越来越深入。从目前研究情况来看，激光熔覆技术的发展趋势大致可以分成这么几个方向：一、涂层类型逐步由容易熔覆的金属涂层或陶瓷金属复合涂层向难熔覆的纯陶瓷涂层发展；二、涂层材料结构逐步由传统材料向纳米结构材料方向发展；三、涂层功能逐步由一般的机械性能向电磁性能、生物相容性能发展，应用领域由工业领域向医疗卫生等领域发展。这几个发展方向相互依托，相互补充，共同促进激光熔覆技术不断向前发展。
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激光熔覆技术介绍
激光熔覆是一种新型的涂层技术，是涉及到光、机、电、材料、检测与控制等多学科的高新技术，是激光先进制造技术最重要的支撑技术，可以解决传统制造方法不能完成的难题，是国家重点支持和推动的一项高新技术。目前，激光熔覆技术已成为新材料制备、金属零部件快速直接制造、失效金属零部件绿色再制造的重要手段之一，已广泛应用于航空、石油、汽车、机械制造、船舶制造、模具制造等行业。 为推动激光熔覆技术的产业化，世界各国的研究人员针对激光熔覆涉及到的关键技术进行了系统的研究，已取得了重大的进展。国内外有大量的研究和会议论文、专利介绍激光熔覆技术及其最新的应用：包括激光熔覆设备、材料、工艺、监测与控制、质量检测、过程的模拟与仿真等研究内容。但到目前为止，激光熔覆技术还不能大面积工业化应用。分析其原因，这里有政府导向的因素、激光熔覆技术本身成熟程度的限制、社会各界对激光熔覆技术的认可程度等因素。因此，激光熔覆技术欲实现全面的工业化应用，必须加大宣传力度，以市场需求为导向，重点突破制约发展的关键因素，解决工程应用中涉及到的关键技术，相信在不远的将来，激光熔覆技术的应用领域及其强度将不断的扩大。下面介绍激光熔覆技术几个发展的动态，以飨读者。 激光熔覆的优势 激光束的聚焦功率密度可达1010~12W/cm2，作用于材料能获得高达1012K/s的冷却速度，这种综合特性不仅为材料科学新学科的生长提供了强有力的基础，同时也为新型材料或新型功能表面的实现提供了一种前所未有的工具。激光熔覆所创造的熔体在高温度梯度下远离平衡态的快速冷却条件，使凝固组织中形成大量过饱和固溶体、介稳相甚至新相，已经被大量研究所证实。它提供了制造功能梯度原位自生颗粒增强复合层全新的热力学和动力学条件。同时激光熔覆技术制备新材料是极端条件下失效零部件的修复与再制造、金属零部件的直接制造的重要基础，受到世界各国科学界和企业的高度重视和多方面的研究。 目前，利用激光熔覆技术可以制备铁基、镍基、钴基、铝基、钛基、镁基等金属基复合材料。从功能上分类：可以制备单一或同时兼备多种功能的涂层如：耐磨损、耐腐蚀、耐高温等以及特殊的功能性涂层。从构成涂层的材料体系看，从二元合金体系发展到多元体系。多元体系的合金成分设计以及多功能性是今后激光熔覆制备新材料的重要发展方向。 最新的研究表明，在我国工程应用中钢铁基的金属材料占主导地位。同时，
激光熔覆技术毕业设计(论文)
1. 引言 1.1 本课题的研究背景及意义 激光熔覆技术（Laser cladding technology）是指在被涂覆机体表面上，以不同的添料方式放置选择的涂层材料，经激光辐照使之和机体表面薄层同时熔化，快速凝固后形成稀释度极低、与基体材料成冶金结合的涂层，从而显著改善机体材料表面耐磨、耐热、耐蚀、抗氧化等性能的工艺方法[1]。按涂层材料的添加方式不同，激光熔覆技术可分为预置法和同步送粉法，如图1所示。激光熔覆技术因具有应用灵活、耗能小，热输入量低、引起的热变形小，不需要后续加工或加工量小，减少公害等优点，近年来已在材料表面改性上受到高度重视[2]。特别是上个世纪80年代以来，该技术得到了很大进步和发展。激光熔覆的最终目的是改善材料的使用性能，使其更好地满足使用要求。与堆焊、热喷涂和等离子喷焊等表面改性技术相比，激光熔覆具有下述优点：（1）熔覆层晶粒细小，结构致密，因而硬度一般较高，耐磨、耐蚀等性能亦更为优异；（2）熔覆层稀释率低,由于激光作用时间短，基材的熔化量小，对熔覆层的冲淡率低（一般仅为5％-8%），因此可在熔覆层较薄的情况下获得所要求的成分与性能，节约昂贵的覆层材；（3）激光熔覆热影响区小，工件变形小，熔覆成品率高；（4）激光熔覆过程易实现自动化生产，覆层质量稳定，如在熔覆过程中熔覆厚度可实现连续调节，这在其他工艺中是难以实现的。由于激光熔覆的上述优点，它在航空、航天乃至民用产品工业领域中都有较广阔的应用前景，已成为当今材料领域研究和开发的热点。
图1.1 激光熔覆原理示意图 1.2 本课题国内外研究现状 激光熔覆技术的发展当然离不开激光器。目前，激光器主要有3种：CO2激光器、YAG 固体激光器和准分子激光器。国内外常用于激光熔敷的激光器主要有两种：一种是输出功率为0.5-10KW的CO2气体激光器，另一种是输出功率为500W左右的YAG固体激光器。其中工业上用来进行表面改性的多为CO2大功率激光器。近年来，华中科技大学、中国科学院、清华大学、西北工业大学等国内多家单位在激光熔覆设备及过程控制方面做了许多研究工作，如华中科技大学激光加工国家工程研究中心已相继成功研制出500 - 10000W大功率CO2气体激光器、100-500W固体激光器等系列激光产品，中科院则开发出集成化激光智能加工系统，清华大学激光加工研究中心已研制出各种规格的同轴送粉喷嘴和自动送粉器等。在激光熔覆技术上，国内的研究主要表现在以下几个方面：1.激光熔覆同轴送粉器以及利用CCD红外检测激光熔覆温度场，如天津工业大学杨洗尘教授[3]；2.激光熔覆制备耐磨涂层[4]；3.激光熔覆工艺参数的研究；4.激光熔覆过程中添加某重金属元素对特定合金组织的影响[5]；5.扫描速度对熔覆层硬度和厚度的影响[6]；6.激光熔覆制备金属基复合涂层以提高机械性能[7]；7.Mg表面熔敷不同金属材料涂层的机械性能[8]；国外的研究状况：国外对激光熔覆技术的研究其实与上世纪80年代，比我国早十年左右，国外的研究主要集中在欧洲、北美和亚洲。欧洲的主要研究内容包括：1.对激光熔覆过程的基础研究与理解，如葡萄牙先进技术研究所和英国利物浦大学，如图2；2.激光熔覆制备金属基复合涂层以提高机械性能[9]；3.激光熔覆恢复零件和工具性能[10]；4.激光熔覆过程显微裂纹和残余
激光熔覆
第五章 激光延寿技术 5.1激光熔覆表面处理技术 2、熔覆层的气孔和裂纹问题 熔覆层中的气孔是常见的缺陷。空气和保护气中的水分以及涂层（或粉）中吸附的水分是产生气孔的主要原因。在激光加热时，金属表面的预涂层中的水将逐步分解。分解出的水分和空气及保护气中的水分可以在激光作用的高温区直接分解产生H 。 同时，涂层中的碳粉也会和金属氧化物发生氧化还原反应产生二氧化碳。 这些H 溶入过热的激光熔覆的熔池中，随后在熔池的冷却结晶过程中析出而形成气泡，这些气泡如不能上浮逸出则成为焊接气孔。由于激光熔覆速度高，熔池的体积又很小，因此熔池的冷却结晶速度极快，不利于气泡的上浮逸出。 从冶金原理知道，对于一般熔覆火花，为防止产生气孔，可以从两方向着手：第一，限制氢溶入焊接熔池，或者减少氢的来源，或者减少氢与熔池的作用时间。第二，尽量促使氢从熔池析出，即在熔池凝固之前使氢以气泡形式及时排出。可以采取的办法：减少氢的来源即是彻底清除涂层中的水分，并加强对熔池的保护；减少熔池吸氢时间也就是减少熔池的存在时间，其中焊接速度是主要参数；对表面进行激光重熔处理。产生裂纹的原因为工艺原因、显微组织因素和残余应力。可以采取合适的办法降低裂纹的发生。如选择合适的熔覆材料，使熔覆层内的残余应力降低；优化激光熔覆技术的工艺方法和参数；合理设计熔覆层等。图2（a ，b ）是应用不同的掺杂和工艺参数获得熔覆层的裂纹检测。图2掺杂5％，10％合金。 HO H O H +→)(2汽2 CO M C O M y x +→+
图2 掺杂5％，10％合金粉末在不同功率下熔覆层裂纹检测 3、激光熔覆工艺参数与优化 脉冲激光可调参数较多，包括单脉冲能量、脉冲宽度、脉冲频率、光斑尺寸、光斑重叠率及激光扫描速度等，这些参数并不是孤立存在的，它们之间的关系以及对溶覆涂层质量的影响较复杂，因此在选择激光工艺参数时需综合考虑各参量，以获得满意的处理效果。 1．1激光工艺参数对熔覆层尺寸的影响 对工件表面进行激光溶覆处理后，表面粗糙度通常较大，因此在实际使用之前，往往需对工件表面进行磨抛处理，这就需要表面培覆层有一定的加工余量,以确保激光擦覆层在磨抛后仍有一定的强化深度。脉冲激光培覆工艺参数中对溶覆层尺寸影响最大的是单脉冲能量、脉冲频率和激光扫描速度,因此应该对这几个工艺参数与强化层尺寸之间的关系进行研究，例如采用粉体材料是50%镍+50%纳米Al 2O 3,采用单道熔覆。 1．2激光工艺参数对溶覆层表面质量的影响 脉冲激光作用下的熔覆层是由多个脉冲重叠而成,因此与连续激光熔覆相比,培覆层表面的粗链度较高,这就导致培覆后需磨抛去除的厚度较大。在激光溶覆过程中,应尽量减少磨抛去除厚度,增加表面光洁度。脉冲激光的工艺参数较多,而影响表面光洁度的主要参数是激光扫描速度和脉冲频率。 脉冲频率与激光扫描)%(560)(323C O B WO Ni a +++) %(1060)(323C O B WO Ni b +++
高速激光熔覆的加工成本是多少(1)
高速激光熔覆的加工成本是多少 高速激光熔覆近两年在金属表面处理行业博得很多的关注，相较传统表面处理工艺，高速激光熔覆技术从原理到应用有着诸多显著的优势。要想深入了解高速激光熔覆，那么激光熔覆是必然绕不开的话题。激光熔覆工艺已不算新鲜，与常见的电镀、热喷涂、堆焊、等离子焊等表面处理工艺类似，激光熔覆历经近15年的发展，设备技术及工业应用已经比较成熟。高速激光熔覆是在原有激光熔覆基础上发展而来，与普通激光熔覆相比具有熔覆加工效率高，熔覆表层平整以及熔覆成本低等优势。高速激光熔覆一经推出就刷新了人们对传统激光熔覆的认知，高速激光熔覆集成了电镀及热喷涂二者的优点，是最先进的绿色环保金属表面处理技术。 很多金属表面处理行业大型国企或领头企业纷纷开始引入该项技术，实现生产力的提高以及利润的提升。而对于一些还在观望的中小型企业甚至是个企，普遍关心的问题是高速激光熔覆工艺的生产成本问题，下面就这个问题做详细的介绍。以当前高速激光熔覆已广泛应用的煤矿液压支架行业为例，我们来计算高速熔覆修复一个平方面积的加工成本。 以目前市场占有率最多的中科中美6000高速激光熔覆设备为例，该台设备在客户现场实测加工修复液压支架时，熔覆层单边0.65mm厚度（简单抛磨后剩0.35mm)，实际效率为0.8㎡/h。 高速激光熔覆设备生产加工成本主要包括电费、易损件、气体、人员工资以及材料粉末的消耗成本这几大块。 （1）电费消耗。以中科中美ZKZM-6000为例，全套（机床+水冷+除尘+激光器）耗电功率约为34KW，这样以单平方加工需要电能为42.5KWh,按照工业用电1元每度，则单平方熔覆加工耗电费用约为42.5元。 （2）易损件消耗。普通激光熔覆工作时需要定期更换保护镜片。中科中美高速激光熔覆目前所有易损件质保期内免费赠送，因此该项费用可忽略。 （3）气体费用。高速激光熔覆设备在加工过程中需要使用氮气或氩气作为送粉气和保护气，在保证合适气压情况下，单平方米的熔覆加工使用的氮气消耗约为20元。 （4）人员工资。以城市平均工资6000元起算，月工作22天，每天工作8小时，以0.8㎡/h效率计算，高速熔覆单位面积人员费用为42元。 （5）金属粉末费用。中科中美6000W设备采用中心送粉技术，粉末利用率可达90%，以金属表面修复比较常见金属粉末来算，粉末单价约为70元/kg，则熔覆1个平米面积的金属粉末费用约为400元。 从上述几大费用来看，ZKZM-6000W高速激光熔覆设备加工1个平方米的面积，其费用约为505元。其中金属粉末成本占了整个消耗费用近80%。而普通激光熔覆因为其效率
激光熔覆成形技术及其在汽车工业中的应用
激光熔覆成形技术的研究进展 1基本概念 激光熔覆成形(Laser cladding forming, LCF)技术集激光技术、计算机技术、数控技术、传感器技术及材料加工技术于一体，是一门多学科交叉的边缘学科和新兴的先进制造技术。该技术把快速原型制造技术和激光熔覆表面强化技术相结合，利用高能激光束在金属基体上形成熔池，将通过送粉装置和粉末喷嘴输送到熔池的金属粉末或事先预置于基体上的涂层熔化，快速凝固后与基体形成冶金结合，根据零件的计算机辅助设计模型，逐线、逐层堆积材料，直接生成三维近终形金属零件。激光熔覆成形系统主要由计算机、粉末输送系统、激光器和数控工作台四部分组成，其原理如图1 所示。由于该技术可以直接制造全密度金属零件，从20 世纪90 年代中期开始，就成为快速成形领域的研究热点和发展方向，具有广阔的应用前景。激光熔覆成形技术在产生后的短短几年内获得了飞速发展，并被冠以不同的名称：如送粉方式的激光工程化近成形(Laser Engineered Net Shaping, LENSTM)、直接光制造技术(Directed light fabrication, DLF)、直接金属沉积(Direct metal deposition, DMD)、堆积成形制造(Shape deposition manufacturing, SDM)，激光固结(Laser consolidation, LC)，激光增材制造(Laser additive manufacturing, LAMSM)，以及粉末预置方式的选择性激光熔化(Selective laser melting, SLM)和金属直接激光烧结(Direct laser sintering of metals ,DSM)等，这些技术的原理和加工方法基本相同，将它们统称为激光熔覆成形技术。 图1 激光熔覆成形原理示意图
激光熔覆技术工艺及案例分析
在很长一段时间内，传统的工业制造加工或者再修复，需要通过电镀技术，这一技术虽然曾一度在金属表面防护、装饰加工等方面发挥了很大的作用，但长期以来带来的污染问题让许多制造企业头疼不已，因此为减少污染，新的激光熔覆技术受到人们的欢迎。 激光表面熔覆具有能量密度高，熔覆质量致密，结合强度高，熔覆层组织的稀释率低、热影响区小等特点。激光表面熔覆为非接触式加工且输入热量可控，采用的规范激光修复方法可以解决其它焊接方法造成焊接残余应力和开裂倾向。因此可以先采用机械加工的方法去除牌坊表面的腐蚀层和磨损的疲劳层，然后选取耐腐蚀性和耐磨性都优于基材的粉末，采用激光熔覆的方法对牌坊进行修复，这样既避免了多次去除材料给牌坊造成的强度下降的缺陷，又避免了堆焊造成的因应力集中导致的变形问题，而且提高了牌坊的耐腐性和耐磨性。 激光熔覆技术是使用激光将金属粉末直接熔融，逐层沉积成型。激光熔覆技术完成的熔覆涂层冶金质量高、稀释率低、变形小、表面光洁度高，属于先进环保的再制造加工技术，在工业再制造领域极大地减少企业的后续机加工成本，能有效延长产品使用周期，在钢铁行业轧机牌坊修复中大受欢迎。
现场激光修复案例分析 1、修复加工方法 因为轧机机架体积及重量大，附属管路等多，拆卸、安装、运输繁杂，另外有大修时间限制。轧机牌坊材质是ZG25，设计使用寿命年限为40年，牌坊工作面腐蚀失效深度1~2.5mm。通过现场勘察及使用工况的调研，综上因素，在考虑满足使用要求的前提下，确定针对轧机牌坊现场修复方法为： 通过在线机械加工，去除牌坊失效工作面（四块衬板下面及两个轧机轴承座底面）表面腐蚀疲劳层，上半面腐蚀较轻，下半面较严重，平均铣去大约2或3mm的深度，为激光熔覆前基体表面处理做准备。在通过机械加工去除材料，清除牌坊表面腐蚀层过程中，要保证恢复失效工作面（和安装面）的垂直度、平面度及粗糙度要求。再通过激光熔覆技术将特殊耐腐蚀材料熔覆到前面加工的基体表面，彻底改变了牌坊表面的特性。预计熔覆涂层寿命在十年以上，避免了对牌坊表面频繁的机加工修复带来的危害，彻底解决轧机牌坊磨损腐蚀的难题。 另外对各工作面原有螺栓孔的处理方法是：清理各螺栓孔，清除断折的螺杆，损伤螺纹
激光熔覆_图文讲解
一、激光熔覆的原理 激光溶覆是利用高能激光束辐照，通过迅速熔化、扩展和凝固，在基材表面熔覆一层具有特殊物理、化学或力学性能的材料，构成一种新的复合材料，以弥补基体所缺少的高性能。能充分发挥二者的优势，克服彼此的不足。 可以根据工件的工况要求，熔覆各种（设计）成分的金属或非金属，制备耐热、耐蚀、耐磨、抗氧化、抗疲劳或具有光、电、磁特性的表面覆层。通过激光熔覆，可在低熔点材料上熔覆一层高熔点的合金，亦可使非相变材料 （AI 、Cu 、Ni 等）和非金属材料的表面得到强化。 在工件表面制备覆层以改善表面性能的方法很多，在工业中应用较多的是堆焊、热喷涂和等离子喷焊等，与上述表面强化技术相比，激光熔覆具 有下述优点： （1 ）熔覆层晶粒细小，结构致密，因而硬度一般较高，耐磨、耐蚀等性能 亦更为优异。 （2 ）熔覆层稀释率低，由于激光作用时间短，基材的熔化量小，对熔覆层的冲淡率低（一般仅为 5％-8%），因此可在熔覆层较薄的情况下，获得所要求的 成分与性能，节约昂贵的覆层材料。 （3 ）激光熔覆热影响区小，工件变形小，熔覆成品率高。 （4 ）激光熔覆过程易实现自动化生产，覆层质量稳定，如在熔覆过程中熔覆厚度可实现连续调节，这在其他工艺中是难以实现的。 由于激光熔覆的上述优点，它在航空、航天乃至民用产品工业领域中都有较广阔的应用前景，已成为当今材料领域研究和开发的热点。 激光熔覆技术应用过程中的关键问题之一是熔覆层的开裂问题，
尤其是大工件的熔覆层，裂缝几乎难以避免，为此，研究者们除了改进设备，探索合适工艺，还在研制适合激光熔覆工艺特点的熔覆用合金粉末和其他熔覆材 料。 二、激光熔覆工艺方法 激光熔覆工艺方法有两种类型： 1、二步法（预置法） 该法是在激光熔覆处理前，先将熔覆材料置于工作表面，然后采用激光将其熔化，冷凝后形成熔覆层。预置熔覆材料的方式包括： （1 ）预置涂覆层：通常是应用手工涂敷，最为经济、方便、它是用粘结剂将熔覆用粉末调成糊状置于工件表面，干燥后再进行激光熔覆处理。但此法生产效率低，熔覆厚度不一致，不宜用于大批量生产。 （2 ）预置片：将熔覆材料的粉末加入少量粘结剂模压成片，置于工件需熔覆部位，再进行激光处理。此法粉末利用率高，且质量稳定，适宜于一些深孔零件，如小口径阀体，采用此法处理能获得高质量涂层。 2、一步法（同步法） 这是在激光束辐照工件的同时向激光作用区送熔覆材料的工艺， 它又有两种方/法。 同步送粉法：使用专用喷射送粉装置（见图）将单种或混合粉末送入熔池，控制粉末送入量和激光扫描速度即可调整熔覆层的厚度。由于松散的粉末对激光的吸收率大，热效率高，可获得比其他方法更厚的熔覆层，容易 实现自动化。国外实际生产中采用较多。 同步送丝法：此法工艺原理虽与同步送粉法相同，但熔覆材料是预先加工成丝材或使用填充丝材。此法便利且不浪费材料，更易保证熔覆层的成分均匀性，尤其是当熔覆层是复合材料时，不会因粉末比重或粒度大小的不同而影响覆层质量，且通过对丝材进行预热的精细处理可提高熔覆速率。但是丝材表面光滑，对激光的反射较强，激光利用率相时较低；此外，线材制造过程较 复杂，且品种规格少。
激光熔覆技术分析与展望讲解
激光熔覆技术分析与展望 作者：张庆茂激光熔覆是一种新型的涂层技术，是涉及到光、机、电、材料、检测与控制等多学科的高新技术，是激光先进制造技术最重要的支撑技术，可以解决传统制造方法不能完成的难题，是国家重点支持和推动的一项高新技术。目前，激光熔覆技术已成为新材料制备、金属零部件快速直接制造、失效金属零部件绿色再制造的重要手段之一，已广泛应用于航空、石油、汽车、机械制造、船舶制造、模具制造等行业。为推动激光熔覆技术的产业化， 作者：张庆茂 激光熔覆是一种新型的涂层技术，是涉及到光、机、电、材料、检测与控制等多学科的高新技术，是激光先进制造技术最重要的支撑技术，可以解决传统制造方法不能完成的难题，是国家重点支持和推动的一项高新技术。目前，激光熔覆技术已成为新材料制备、金属零部件快速直接制造、失效金属零部件绿色再制造的重要手段之一，已广泛应用于航空、石油、汽车、机械制造、船舶制造、模具制造等行业。 为推动激光熔覆技术的产业化，世界各国的研究人员针对激光熔覆涉及到的关键技术进行了系统的研究，已取得了重大的进展。国内外有大量的研究和会议论文、专利介绍激光熔覆技术及其最新的应用：包括激光熔覆设备、材料、工艺、监测与控制、质量检测、过程的模拟与仿真等研究内容。但到目前为止，激光熔覆技术还不能大面积工业化应用。分析其原因，这里有政府导向的因素、激光熔覆技术本身成熟程度的限制、社会各界对激光熔覆技术的认可程度等因素。因此，激光熔覆技术欲实现全面的工业化应用，必须加大宣传力度，以市场需求为导向，重点突破制约发展的关键因素，解决工程应用中涉及到的关键技术，相信在不远的将来，激光熔覆技术的应用领域及其强度将不断的扩大。下面介绍激光熔覆技术几个发展的动态，以飨读者。 激光熔覆的优势 激光束的聚焦功率密度可达1010~12W/cm2，作用于材料能获得高达1012K/s的冷却速度，这种综合特性不仅为材料科学新学科的生长提供了强有力的基础，同时也为新型材料或新型功能表面的实现提供了一种前所未有的工具。激光熔覆所创造的熔体在高温度梯度下远离平衡态的快速冷却条件，使凝固组织中形成大量过饱和固溶体、介稳相甚至新相，已经被大量研究所证实。它提供了制造功能梯度原位自生颗粒增强复合层全新的热力学和动力学条件。同时激光熔覆技术制备新材料是极端条件下失效零部件的修复与再制造、金属零部件的直接制造的重要基础，受到世界各国科学界和企业的高度重视和多方面的研究。 目前，利用激光熔覆技术可以制备铁基、镍基、钴基、铝基、
激光熔覆技术在行业中的应用讲解资料讲解
激光熔覆技术在行业中的应用 1、涡轮动力设备修复和改造 在冶金、石油、化工、电力、铁路、船舶、矿山、航空等国民经济支柱产业中使用着大量的涡轮转动设备,例如:汽轮机、离心压缩机、轴流风机、螺杆压缩机、高炉透平发电 TRT 、烟气轮机、发电机、往复式压缩机、飞机发动机、地面燃机、水轮机、制氧机、水泵、柴油机、工业透平、增速机等等。特别是 70年代末以来引进的大量进口涡轮转动设备(机组, 经过长周期各种工况条件下服役,因腐蚀、磨损和疲劳等因素,所有设备(机组均存在着使用中的损伤失效, 有的则处在报废或即将报废状态。而常规的技术和工艺方法不能, 也不敢动及这些关键的、价值贵重的设备(机组,稍有失误将造成设备(机组失效和破坏, 从而带来的是潜在的巨大的产值和经济损失。 在钢铁冶金行业,涡轮转动设备 (机组是提供能源和动力的载体。钢铁企业拥有的各种规格进口和国产的轴流压缩机(风机,单级、多级离心鼓风机、引风机、除尘风机、 H 型氧压机、氮压机、螺杆压缩机、自备电厂的各种型号汽轮机、高炉能量回收使用的单级、双级透平发电 TRT 机组、各种发电及电动机、大型水泵等涡轮动力设备。再制造工程技术为这些重大关键设备(机组提供了安全可靠,质量保障,性能稳定提升的综合技术。激光熔覆仿形技术和激光快速成形技术在这些关键设备和零部件修复及再造应用, 又使再制造工程技术得到发展。例如, 2007年11月份,天津大族烨峤激光公司应用再制造工程技术和激光熔覆仿形技术修复津西钢铁公司 AV40-12型轴流压缩机的动、静叶片; 2008年 3月份,修复津西钢铁公司2MPG4.5-175/145型高炉透平“一拖二” 式 TRT 机组的动、静叶片并进行两台机 组的拆装、调试和检测的全方位“交钥匙”工程。现在,经修复的两台机组已经投入生产服役,运行良好,平稳可靠。而且,采用激光熔覆仿形技术修复后的两台机组的所有动、静叶片都可比原设计制造的新叶片提高使用寿命 50-100%,仅此两台设备可为津西厂节省约 500多万元维修资金。
激光熔覆工艺参数对熔覆层表面平整度的影响
第37卷 第1期中 国 激 光 Vol.37,No.12010年1月 CHIN ES E J OURNAL OF LAS ERS J anuary ,2010 文章编号:025827025(2010)0120296206 激光熔覆工艺参数对熔覆层表面平整度的影响 朱刚贤 张安峰 李涤尘 (西安交通大学机械制造系统工程国家重点实验室,陕西西安710049) 摘要 为了获得平整的熔覆层表面质量,对316L 不锈钢激光熔覆工艺参数对熔覆层表面平整度、平宽比(表面平整度与单层熔覆宽度比值)及平高比(表面平整度与单层熔覆高度的比值)的影响进行了实验研究。分析了单层熔覆宽度、单层熔覆高度与轨迹间的中心距及搭接率之间的相互关系,并进行了单层熔覆宽度、单层熔覆高度及表面平整度的测试。实验结果表明,随激光功率增大、送粉量增大及扫描速度的减低,熔覆层表面的平整程度降低;随载气流量增大,熔覆层表面的平整程度先增加后降低。 关键词 激光技术;激光熔覆;成形质量;工艺参数;表面平整度 中图分类号 TN249;T G 39 文献标识码 A doi :10.3788/CJL 20103701.0296 Ef f ect of P r oces s P a r a met e rs on S u rf ace S m oot h nes s i n L as e r Cl a ddi n g Zhu Gangxian Zhang Anf eng Li Dichen (St a te Key L abor a tor y f or Ma n uf act u ri ng S yste ms Engi neeri ng ,Xi ′a n J i aotong U niversit y , Xi ′a n ,S ha a nxi 710049,Chi n a ) Abs t r act To obtain the smooth surface quality of cladding layer ,the effects of p rocess parameters on surface smoothness and the ratios of the width and height of cladding layer to surface smoothness were studied by experiments in laser cladding.The relationships of the height and width of cladding layer with center distance and overlapping ratio were analyzed ,and the height ,width and surface smoothness of cladding layer were tested.The experimental results indicate that the degree of surface smoothness decreases with the increase of laser power and powder mass flow rate and the reducing of t raverse speed ;the degree of surface smoothness firstly increased then decreased with the growth of carrier gas flow rates. Key wor ds laser technique ;laser cladding ;forming quality ;p rocess parameters ;surface smoothness 收稿日期:2009202209;收到修改稿日期:2009203227 基金项目:国家973计划(2007CB707704)、国家自然科学基金(50675171)和长江学者和创新团队发展计划 (PCSIR T0646)资助课题。 作者简介:朱刚贤(1980—),男,博士研究生,主要从事复杂构件的高能束控形控性制造方面的研究。E 2mail :gxzhu2005@https://www.wendangku.net/doc/a711265263.html, 导师简介:李涤尘(1964—),男,博士,教授,主要从事快速成形制造、生物制造和复合材料成形等方面的研究。E 2mail :dcli @https://www.wendangku.net/doc/a711265263.html, (通信联系人) 1 引 言 激光熔覆技术是利用高能激光束为热源,以预 置或同步供给方式在基材表面添加金属粉末(丝)使之具有优异的耐磨、耐蚀及耐热等性能的表面改性技术。在激光熔覆过程中,激光、粉末材料及基体间相互作用形成熔覆层是一个较复杂的熔化2凝固冶金过程,这就导致熔覆层的成形质量很难得到准确控制。提高熔覆层的成形质量一直是国内外关注的 热点和追求的直接目标,而加工工艺参数(如激光功 率、扫描速度、送粉量及载气流量等)对熔覆层成形质量起决定性作用,在已有的研究中主要关注的是送粉量、激光功率、扫描速度、保护气流量等加工参数对熔覆层成形宽度、高度的影响规律,也有研究搭接率对表面成形质量的影响[1～7],而熔覆层的表面平整度作为衡量熔覆层成形质量的一个重要指标,目前尚缺乏系统的研究。本文在扫描路径一定的条
高速激光熔覆加工参数
高速激光熔覆相关技术参数介绍 高速激光熔覆是一种快速激光表面处理技术，主要涉及技术参数分为两个方面，一是激光熔覆过程中，设备的调试设置参数，称为加工参数；二是熔覆完成后，对熔覆效果质量的测评衡量参数，称为检测参数。 加工参数主要包括激光功率、光斑形状、光斑尺寸、加工距离、搭接率、熔覆速度、送粉方式、保护气气压共8项关键参数。 （1）激光功率，激光器单位时间内输出的能量。高速激光熔覆一般用KW级激光器，如ZKZM-2KW和ZKZM-4KW在市场上推广应用较多，可满足大部分的领域使用需求。 （2）光斑形状，常见的光斑形状分圆形和矩形两种，用户根据加工对象特点选择使用。 （3）光斑尺寸，光斑尺寸主要影响光功率密度，即单位面积的光能量大小，同等功率条件下，光斑尺寸越小，光功率密度越大，高功率密度光斑适宜熔覆高熔点的金属粉末。 （4）加工距离，指激光出光口距基体表面的距离。加工距离过远，金属粉末容易发散，粉末利用率低；加工距离近，激光熔覆头受激光辐射表面温度过高，严重造成粉末堵塞。 （5）搭接率，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。每道熔覆层之间相互搭接区域的深度与每道熔覆层正中的深度有所不同，从而影响了整个熔覆层。高速熔覆的搭接率高达70%-80%(普通熔覆的搭接率为30%-50%)。 （6）熔覆速度，熔覆线速度和熔覆面积速率均可表示熔覆速度大小。中科中美高速激光熔覆实测线速度为30m/min-100m/min，在熔覆厚度0.2-0.5mm时，熔覆效率每小时0.7-1.2平方米。 （7）送粉方式，高速激光熔覆送粉方式主要有环形送粉和中心送粉两种方式，中心送粉较环形送粉粉末利用率高，但设计难度较大，光束需呈环形围绕送粉管一周，目前市场上环形送粉应用较多。 （8）保护气气压，保护气压力大小加工时可调。保护气一般使用氮气或氩气，主要用于送粉以及在激光熔覆熔池周围形成保护区域，减少氧化。
激光熔覆技术的发展现状
激光熔覆技术的发展现状 激光熔覆技术是—种涉及光、机、电、计算机、材料、物理、化学等多门学科的跨学科高新技术。它由上个世纪60年代提出，并于1976年诞生了第一项论述高能激光熔覆的专利。激光熔覆技术得到了迅速的发展，近年来结合CAD技术兴起的快速原型加工技术，为激光熔覆技术又添了新的活力。 目前已成功开展了在不锈钢、模具钢、可锻铸铁、灰口铸铁、铜合金、钛合金、铝合金及特殊合金表面钴基、镍基、铁基等自熔合金粉末及陶瓷相的激光熔覆。激光熔覆铁基合金粉末适用于要求局部耐磨而且容易变形的零件。镍基合金粉末适用于要求局部耐磨、耐热腐蚀及抗热疲劳的构件。钴基合金粉末适用于要求耐磨、耐蚀及抗热疲劳的零件。陶瓷涂层在高温下有较高的强度，热稳定性好，化学稳定性高，适用于要求耐磨、耐蚀、耐高温和抗氧化性的零件。在滑动磨损、冲击磨损和磨粒磨损严重的条件下，纯的镍基、钴基和铁基合金粉末已经满足不了使用工况的要求，因此在合金表面激光熔覆金属陶瓷复合涂层已经成为国内外学者研究的热点，目前已经进行了钢、钛合金及铝合金表面激光熔覆多种陶瓷或金属陶瓷涂层的研究。 激光熔覆存在的问题 评价激光熔覆层质量的优劣，主要从两个方面来考虑。 一是宏观上，考察熔覆道形状、表面不平度、裂纹、气孔及稀释率等；二是微观上，考察是否形成良好的组织，能否提供所要求的性能。此外，还应测定表面熔覆层化学元素的种类和分布，注意分析过渡层的情况是否为冶金结合，必要时要进行质量寿命检测。 目前研究工作的重点是熔覆设备的研制与开发、熔池动力学、合金成分的设计、裂纹的形成、扩展和控制方法、以及熔覆层与基体之间的结合力等。 目前激光熔敷技术进一步应用面临的主要问题是： ①激光熔覆技术在国内尚未完全实现产业化的主要原因是熔覆层质量的不稳定性。激光熔覆过程中，加热和冷却的速度极快，最高速度可达1012℃/s.由于熔覆层和基体材料的温度梯度和热膨胀系数的差异，可能在熔覆层中产生多种缺陷，主要包括气孔、裂纹、变形和表面不平度 ②光熔敷过程的检测和实施自动化控制。 ③激光熔覆层的开裂敏感性， 仍然是困扰国内外研究者的一个难题，也是工程应用及产业化的障碍. 目前，虽然已经对裂纹的形成扩进行了研究，但控制方法方面还不成熟。 激光熔覆技术的应用和发展前景展望进入20世纪80年代以来，激光熔敷技术得到了迅速的发展，目前已成为国内外激光表面改性研究的热点。激光熔敷技术具有很大的技术经济效益，广泛应用于机械制造与维修、汽车制造、纺织机械、航海与航天和石油化工等领域。目前激光熔覆技术已经取得一定的成果，正处于逐步走向工业化应用的起步阶段。今后的发展前景主要有以下几个方面： （1）激光熔覆的基础理论研究。 （2）熔覆材料的设计与开发。 （3）激光熔覆设备的改进与研制。
超高速熔覆技术原理及其优势
激光熔覆技术已广泛应用于金属表面的修复改性，但传统激光熔覆虽然有柔性加工、异形修复、自定义增材等优势和特点，但工作效率偏低，对于部分生产领域中所要求的大规模快速生产加工需求，仍无法满足。为了满足大批量高速生产需求，提高熔覆工作效率，高速激光熔覆技术应运而生，下文是对其原理及其优势的介绍，希望对你有所帮助。 背景： 在工业、能源、军工、机械相关制造厂以及再制造等领域，由于生产环境恶劣，使用负荷大，导致一些重要的金属零部件腐蚀和磨损。为了延长昂贵的生产设备的使用寿命，须给这些设备的金属部分外表进行提前处理或修复。同时，我国也是世界上最大的液压支架生产国，液压支架的核心部件立柱、千斤顶均同样需要进行表面防腐和耐磨处理。 技术原理：超高速激光熔覆技术是通过同步送粉添料方式，利用高能密度的束流使添加材料与高速率运动的基体材料表面同时熔化，并快速凝固后形成稀释率极低，与基体呈冶金结合的熔覆层，极大提高熔覆速率，显著改善基体材料表面的耐磨、耐蚀、耐热、抗氧化等工艺特性的工艺方法。
传统方式的优劣对比： 超高速激光熔覆的优势： ★扫描速率高 o线速度20~150 m/min o熔覆效率0.5~2m2/h ★质量高 o完全冶金结合，结合力远优于喷涂、电镀等传统工艺，高速激光熔覆是绿色替代镀铬等镀层的优选工艺。
o层厚50~500μm，高速熔覆表面精细平整，非常适用于薄层熔覆。 o稀释率＜5%，可实现热敏感材料零件的涂层制备，避免传统熔覆表面缺陷发生； o零件变形量小，高速熔覆的粘结层相比热喷涂层和电镀涂层更加耐磨耐蚀，是与基体呈冶金结合形式制备的超薄保护层。 超高速激光熔覆的应用： 超高速激光熔覆技术可实现致密无缺陷的熔覆层，熔覆层表面质量致密，与基材呈冶金结合，无开口性缺陷，表面光滑平整。不仅能够在回转体上进行加工，也能在平面和复杂曲面上进行加工。通过持续的技术优化，该技术可广泛应用于煤炭、冶金、海洋平台、造纸、民用家电、汽车、船舶、石油、航空航天行业。 中科煜宸始终致力于为客户提供激光表面处理及再制造应用解决方案，目前已成功研发出新品——超高速激光熔覆装备，配备自主研发的负压载气式送粉器、送粉喷嘴等核心器件，与煤机、冶金、汽车、航空航天等行业深入合作，根据企业需求提供工件加工、工艺开发、设备定制等成套技术服务。
单元设计--激光熔覆成型(LCF)技术工艺参数(精)
浙江工贸职业技术学院 单元教学设计 2016 —2017 学年第二学期 课程名称：3D打印工艺实践 授课班级： 任课教师：金露凡 所在院（系）：材料工程系
单元教学设计基本框架 第一部分：组织教学和阐述本部分知识的总体概况（时间：2分钟） 1、回顾激光熔覆成型（LCF）技术的基本原理、过程 2、总述本次课学习 激光熔覆工艺对于熔覆成型的质量起到至关重要的作用。学会激光熔覆工艺第二部分：学习新内容 【步骤一】说明主要教学内容、目的（时间：3分钟）教学内容：激光熔覆工艺流程及工艺参数 教学目的：了解激光熔覆成型过程中主要的工艺流程及工艺参数 掌握激光熔覆工艺参数的调节方法 掌握工艺参数的优化方法以及不同工艺参数对熔覆结果的影响 【步骤二】新知识的引入（时间：20分钟）激光熔覆技术兴于 20 世纪 70 年代，是通过不同的添料方式，并利用高能密度激光束使基材表面添加熔覆材料与基材表层一起快速熔凝，形成与基材表面冶金结合良好涂层的表面改性技术。与传统的化学热处理( 渗氮、渗碳、渗金属) 、电镀、堆焊、喷涂等相比，该技术具有熔覆层晶粒细小、结构致密及稀释率低等一系列优点，目前在航空航天、模具、石油化工等行业成为表面工程领域研究发展的热点。 激光熔覆是一个复杂的物理、化学冶金过程，传统的熔覆工艺面临着熔覆层开裂敏感性高，易产生气孔及效率较低等问题。裂纹现象和行为牵涉到激光熔覆的很多方面，熔覆工艺是决定熔覆质量及效率的关键因素。 激光熔覆技术按熔覆材料的供给方式分为两类，即预置粉末激光熔覆和同步送粉激光熔覆。预置式是指将待熔覆的合金粉末预先置于基材表面，然后利用激光束在合金覆盖层表面扫描，使覆盖层及一部分基材熔化，激光束离开后熔化的金属快速凝固在基材表面形成冶金结合良好的熔覆层。 同步式是指在激光熔覆过程中采用专门的送粉系统将合金粉末直接送入激光作用区，在激光的作用下使供料和熔覆同时完成，之后冷却结晶形成熔覆层。预置式的手工涂覆效率较
激光熔覆加工技术几种典型应用
激光熔覆加工技术几种典型应用 激光熔覆加工技术的适用范围和应用领域非常广泛，几乎可以覆盖整个机械制造业，包括矿山机械、石油化工、电力、铁路、汽车、船舶、冶金、医疗器械、航空、机床、发电、印刷、包装、模具、制药等行业。1、矿山设备及其零部件的制造与再制造矿山煤机设备用量大、磨损快，由于其工作环境恶劣，零部件损坏速度比较快，本公司主要经营激光制造与再制造的煤机设备零部件包括：三机一架（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。 掘进机截割齿熔覆后的液压支架立柱激光熔覆后的截齿2、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。电机转子轴劲激光熔覆汽轮机转子修复排粉风机叶片磨损修复3、石油化工设备及其零部件的制造与再制造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。激光熔覆石油钻杆、钻具等硬陶瓷涂层4、铁路设备及其零部件的制造与再制造铁路交通运输随社会经济的增长快速发展，新造铁路车辆需求量非常大，对主要零部件的数量和性能要求也在增加。再制造技术作为一种新的资源再利用技术，可以应用于车辆易磨损零件的再制造。而激光表面强化是再制造的核心技术和工艺手段，其中激光表面熔覆技术可以应用于再制造零件表面的修复和强化。5、其他机械行业设备关键零部件的再制造其它机械制造业的关键零部件的再制造，涉及的行业包括冶金、石化、矿山、化工、航空、汽车、船舶、机床等等领域，针对这些领域中的精密设备、大型设备、贵重零部件磨损、冲蚀、腐蚀部位，使用
激光熔覆技术研究现状及发展趋势
激光熔覆技术研究现状及发展趋势 介绍了激光熔覆的技术特点，综述了国内外激光熔覆技术的研究现状，并阐述了激光熔覆技术的发展趋势，最后总结了激光熔覆技术亟待解决的几个问题和发展对策。 标签：激光熔覆；发展趋势；研究现状；发展对策 0引言 近些年来，随着科学技术的大力发展，激光熔覆技术因其在零件材料表面改变性能中的突出优点而获得了国内外大多学者的广泛关注和研究，陆续已经进入到工业生产领域。激光熔覆技术是指利用激光束为热源，将其合金粉末熔化，在零件材料基体合金表面形成一种冶金结合表面的涂层[1]。激光熔覆技术作为零件材料表面改性技术的一种非常有效的手段，可以有效改善金属材料表面的硬度、耐磨性、强度、抗高温氧化性和耐腐蚀等性能，与其他表面处理技术相比较，激光熔覆技术具有很多优点，例如熔覆热能影响区域较小，加工工件的变形小，加工工艺易于实现自动化控制等，激光熔覆按涂层材料的添加方式，可以分为同步式和预置式，同步式是将涂覆合金粉末直接喷在受激光辐照的合金熔池内直接成型，预置式是将要涂覆的合金材料通过喷涂或粘结等方法预置于材料基体合金表面，然后用激光束进行辐照，后者操作简单，但对于预涂层粉末的厚度，粘结剂的要求较高，后者熔覆层质量更好，生产效率更高，同时对于送粉设备以及预涂层粉末要求也比较高。 1国内外研究现状 激光熔覆技术的实验研究开始于20世纪70年代中期，研究初期对激光熔覆技术的研究主要在于熔覆工艺，熔覆层的性能，熔覆层的微观组织结构以及激光熔覆工艺应用等方面的研究、当代激光熔覆技术主要集中在激光熔覆机的研制、激光熔覆材料的研制、激光熔覆模型和基础理论、激光熔覆过程检测与控制、激光熔覆送粉系统的研制、基于激光熔覆的快速成形与制造技术等领域的研究[2]。 1.1国外激光熔覆技术的发展现状。 国外对激光熔覆技术的研究始于上世纪80年代，比我们国家早二十年左右的时间，国外的研究主要集中在以下三个地区：欧洲（德国、荷兰、法国、英国、芬兰、、葡萄牙、瑞典）北美（美国）和亚洲（日本、澳大利亚、新加坡）[3]。20世纪80年代后期以后，激光表面处理方面的的论文篇数逐渐大于焊接和切割方面的论文篇数，这不仅说明国外对于激光熔覆技术这方面的研究速度加快，国外对激光熔覆加工领域的研究主要集中在微观组织结构和金相分析、激光熔覆层的性能、熔覆层缺陷以及激光熔覆过程关键因素的检测与控制、激光熔覆加工设
激光熔覆技术
激光熔覆技术 激光熔覆技术是指以不同的填料方式在被涂覆基体表面上放置选择的涂层材料，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并与基体材料成冶金结合的表面涂层，从而显著改善基体材料表面的耐磨、耐蚀、耐热、抗氧化及电器特性等的工艺方法。 激光熔覆技术 激光熔覆技术是一项新兴的零件加工于表面改型技术。具有较低稀释率、热影响区小、与基面形成冶金结合、熔覆件扭曲变形比较小、过程易于实现自动化等优点。激光熔覆技术应用到表面处理上,可以极大提高零件表面的硬度、耐磨性、耐腐蚀、耐疲劳等机械性能,可以极大提高材料的使用寿命。同时,还可以用于废品件的处理,大量节约加工成本。激光溶覆应用到快速制造金属零件,所需设备少,可以减少工件制造工序,节约成本,提高零件质量,广泛应用于航空、军事、石油、化工、医疗器械等各个方面。 激光熔覆是一个复杂的物理、化学冶金过程,熔覆过程中的参数对熔覆件的质量有很大的影响。激光熔覆中的过程参数主要有激光功率、光斑直径、离焦量、送粉速度、扫描速度、熔池温度等,他们的对熔覆层的稀释率、裂纹、表面粗糙度以及熔覆零件的致密性都有着很大影响。同时,各参数之间也相互影响,是一个非常复杂的过程。必须采用合适的控制方法将各种影响因素控制在溶覆工艺允许的范围内。 随着控制技术以及计算机技术的发展,激光熔覆技术越来越向智能化、自动化方向前进。国外在这方面做的比较好。从直线和旋转的一维激光熔覆,经过X和Y两个方向同时运动的二维熔覆,到上世纪90年代初开始向三维同时运动熔覆构造金属零件发展。如今,已经把激光器、五轴联动数控激光加工机、外光路系统、自动化可调合金粉末输送系统(也可送丝)、专用CAD/CAM软件和全过程参数检测系统,集成构筑了闭环控制系统,直接制造出金属零件。标志着激光熔覆技术的发展登上了新的台阶。各国在激光控制方面的研究的新成果往往都以专利的形式进行保护, 如高质量的同轴送粉熔覆系统以及闭环反馈控制系统等。国内西北工业大学、清华大学、北京工业大学、上海交通大学和中国科学院等单位在激光熔覆过程控制方面做了许多研究工作,国内还有许多单位正在积极开展这方面的研究工作。清华大学机械系激光加工研究中心己研制出适合于直接制造金属零件的各种规格的同轴送粉喷嘴和自动送粉器,已申请相关发明专利两项。中科院已经开发出集成化激光智能加工系统。但相对国外的研究和开发水平,国内在控制方面的研究还处在起步阶段,控制措施和手段还不完善。对激光熔覆融池温度的闭环控制鲜有报道,对熔覆质量的闭环控制系统研究的并不充分。 激光雕刻加工是利用数控技术为基础，激光为加工媒介。加工材料在激光照射下瞬间的熔化和气化的物理变性，达到加工的目的。激光加工特点：与材料表面没有接触，不受机械运动影响，表面不会变形，一般无需固定。不受材料的弹性、柔韧影响，方便对软质材料。加工精度高，速度快，应用领域广范。