江吉彬，練國(guó)富，許明三

(福建工程學(xué)院機(jī)械與汽車工程學(xué)院，福州 350118)

激光熔覆技術(shù)通過(guò)金屬合金或其他類型材料在基體上沉積，實(shí)現(xiàn)涂層和基層材料間的冶金結(jié)合，獲得無(wú)孔、晶粒細(xì)小的顯微組織以及良好機(jī)械性能的熔覆層［1-2］。同其他涂覆工藝技術(shù)如等離子噴涂(atmospheric plasma spraying，APS)和高速火焰噴涂(high velocity oxy-fuel spraying，HVOF)相比，熔覆層的結(jié)合性能和摩擦性能更優(yōu);同其他冶金結(jié)合工藝如電弧堆焊等相比，激光熔覆工藝對(duì)基體的熱傳導(dǎo)低、熱影響區(qū)(heat affected zone，HAZ)較小、基體變形較少?；谏鲜鰞?yōu)點(diǎn)，激光熔覆技術(shù)逐漸應(yīng)用于不同領(lǐng)域，如高附加值產(chǎn)品再制造或復(fù)雜形狀金屬零件的直接制造等。

隨著大功率激光器件的價(jià)格下降，在國(guó)內(nèi)外高校、研究院所，越來(lái)越多的研究者開(kāi)展或計(jì)劃開(kāi)展激光熔覆技術(shù)研究。目前，該領(lǐng)域研究的新名詞不斷出現(xiàn)，研究?jī)?nèi)容紛繁多樣，從而給新加入的研究者在選擇研究?jī)?nèi)容、構(gòu)建研究體系方面帶來(lái)困難。本文試圖在近幾年公開(kāi)發(fā)表的論文和成果分類的基礎(chǔ)上，對(duì)現(xiàn)有的基礎(chǔ)理論、技術(shù)方法、研究?jī)?nèi)容進(jìn)行歸類分析，對(duì)主要開(kāi)展的研究工作進(jìn)行介紹，并就后續(xù)發(fā)展方向進(jìn)行展望。

1 熔覆工藝界定

激光熔覆利用高能激光束，將通過(guò)輸送裝置的金屬粉末或事先預(yù)置于基體上的涂層熔化，在基體上形成熔池。在光束通過(guò)后，熔化金屬(包括增材材料和部分基體材料)快速凝固后與基體冶金結(jié)合，形成厚0.2～2 mm、寬0.4～5 mm的單道熔覆軌跡，并通過(guò)多道軌跡搭接，在基體上建立一定體積范圍的熔覆層［3］。通過(guò)有目的地選擇材料可獲得預(yù)設(shè)計(jì)的表面屬性(耐磨性和耐腐蝕性)，或通過(guò)層疊添加方式制造出預(yù)設(shè)計(jì)的零件。

根據(jù)熔覆層材料準(zhǔn)備方式不同，激光熔覆分成一步法和兩步法2種工藝類型［1］:兩步法工藝流程的第1步是將熔覆材料預(yù)置于基體表面，通常采用膠粘方式保證材料不流動(dòng);第2步中激光束對(duì)金屬熔化，冷卻后形成熔覆層。一步法熔覆工藝是在激光束持續(xù)工作過(guò)程中增加材料被連續(xù)地輸送到熔池，輸送材料形狀可以是粉末、線材，或是被膠粘在一起的條狀材料。熔覆材料類型可以是金屬或陶瓷等非金屬。針對(duì)粉末噴射送料工藝，根據(jù)粉末噴射頭和激光工作頭的集成情況，還可以分成同軸送粉方式(圖1(a))或側(cè)向送粉方式(圖1(b))。

針對(duì)上述的不同工藝類型，本文的研究選擇目前應(yīng)用更為廣泛的類型:氣體噴射金屬粉末、一步法激光熔覆工藝。工藝系統(tǒng)的硬件配置組成如圖2所示，按圖例順序分別包括:1激光光源，2光束轉(zhuǎn)移器，3熔覆基體，4激光工作頭(光路系統(tǒng)和保護(hù)氣體輸送裝備)，5粉末噴射頭，6光纖，7送粉器，8實(shí)時(shí)監(jiān)控單元(如光學(xué)CCD探測(cè)器)，9位置坐標(biāo)單元，10圖像采集器和11中央控制單元(圖像采集、圖像處理、模式識(shí)別、CAD/CAM和通信接口)等。除了圖2所示的坐標(biāo)機(jī)床配置形式［1］外，機(jī)器人配置方式也較為普遍，即熔覆工作頭由機(jī)器人夾持，并控制其軌跡運(yùn)動(dòng)，完成熔覆工藝全過(guò)程。

圖1 送粉方式示意圖

圖2 粉末噴射激光熔覆工藝系統(tǒng)

針對(duì)上述界定工藝，主要涉及的參數(shù)類型有工藝參數(shù)、過(guò)程參數(shù)、質(zhì)量參數(shù)。其中:① 工藝參數(shù)包括光源參數(shù)(功率、焦點(diǎn)尺寸、波長(zhǎng)，脈沖，光束輪廓)、工件運(yùn)動(dòng)參數(shù)(精度、速度和加速度)、基體參數(shù)(幾何形狀、材料屬性、預(yù)熱溫度)、粉末參數(shù)(材料成份、幾何形狀、粒度、分布狀態(tài))、送料參數(shù)(送粉率、噴嘴形狀)和環(huán)境參數(shù)(保護(hù)氣種類、流量)等;② 過(guò)程參數(shù)包括能量吸收率、熱傳導(dǎo)率、粉末利用率、材料擴(kuò)散、熔池溫度和流動(dòng)性、粉末對(duì)激光能量損失率、凝固速率等;③質(zhì)量參數(shù)包括宏觀幾何形狀(層寬、高、過(guò)度層深度)、硬度、表面粗糙度、稀釋率、結(jié)合性、微觀金相結(jié)構(gòu)、殘余應(yīng)力、缺陷(裂紋、氣孔)等。這些參數(shù)正是激光熔覆技術(shù)研究的控制和結(jié)果對(duì)象。

2 激光熔覆技術(shù)研究現(xiàn)狀

2.1 激光熔覆的同義詞

目前有關(guān)上述激光熔覆工藝，在不同文獻(xiàn)中有不同名稱，如激光涂層(laser coating)、激光粉末沉積(laser powder deposition)等［4］。其主要原因之一是相關(guān)研究機(jī)構(gòu)和公司所采用的工藝對(duì)象、設(shè)備配置等技術(shù)細(xì)節(jié)存在差異，但基本工藝流程相似。

按本文界定的工藝特征，對(duì)近年來(lái)的研究論文和報(bào)告分析進(jìn)行總結(jié)。國(guó)內(nèi)外的主要研究單位提出的名稱有:在歐美國(guó)家中，美國(guó)Sandia國(guó)家實(shí)驗(yàn)室稱作“激光工程化近成形 (laser engineered net shaping)”［4］;密西根大學(xué)的激光輔助智能制造中心冠名為“直接金屬沉積 (direct metal deposition)”［5］;Los Alamosl國(guó)家實(shí)驗(yàn)室稱作“直接激光制造 (direct light fabrication)”［6］;加拿大國(guó)家科學(xué)院集成制造技術(shù)研究所稱為“激光合成 (laser consolidation)”［7］;加拿大滑鐵盧大學(xué)稱為“激光粉末沉積(laser powder deposition)”［8］;英國(guó)曼徹斯特大學(xué)稱為“激光沉積(direct laser deposition)”［9］;英國(guó)利物浦大學(xué)稱作為“激光鑄造(laser direct casting)”［10］;伯明翰大學(xué)稱為“激光直接制造(direct laser fabrication)”［11］。在國(guó)內(nèi)的研究機(jī)構(gòu)中，香港理工大學(xué)和上海交通大學(xué)都將其定義為激光快速成型(laser rapid forming)［12-13］;西北工業(yè)大學(xué)則稱為激光立體成形技術(shù)(laser solid forming，LSF)［14］。

2.2 研究?jī)?nèi)容歸類分析

目前研究工作主要集中在激光熔覆機(jī)理基礎(chǔ)理論和工藝參數(shù)影響性技術(shù)方法研究2個(gè)方面。研究多以樣件為對(duì)象，采用理論計(jì)算、模型仿真和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證的對(duì)比方法，研究工藝控制參數(shù)對(duì)熔覆層形成過(guò)程中熱引起的溫度場(chǎng)變化，熔融與凝固過(guò)程的微觀組織變化以及對(duì)最終質(zhì)量特征參數(shù)中的形狀、殘余應(yīng)力、結(jié)合性的影響關(guān)系。同時(shí)，結(jié)合上述研究需要，開(kāi)展實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)、工藝設(shè)備的開(kāi)發(fā)研究。主要研究?jī)?nèi)容可歸納如下:

2.2.1 熔覆層形性建模與實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證研究

由于激光熔覆屬于自由成型且具有快速冷卻的冶金工藝過(guò)程，形狀(包括表面質(zhì)量)和性能(包括應(yīng)力集中)控制是最關(guān)鍵的技術(shù)。針對(duì)形狀、性能綜合控制方法研究，多采用模型預(yù)測(cè)加實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證方式，探究熔覆層形狀、表面質(zhì)量、力學(xué)性能等同工藝參數(shù)間的對(duì)應(yīng)關(guān)系，為熔覆工藝的實(shí)施提供控制依據(jù)。

Hussam ElCheikh 等［15］認(rèn)為:對(duì)于單道軌跡的激光熔覆，功率、送粉率和掃描速度是影響熔覆層橫截面尺寸的3個(gè)重要工藝參數(shù)。采用解析法開(kāi)展軌跡幾何參數(shù)(熔覆層寬度、高度、面積、過(guò)度區(qū)深度)和工藝參數(shù)間的相關(guān)性分析，提出2種以工藝參數(shù)為變量的形狀預(yù)測(cè)模型，包括噴射粉末分布模型(即高斯、均勻和多項(xiàng)式3種分布模式)以及截面圓幾何解析模型(即圓中心、半徑同參數(shù)間關(guān)系)。同時(shí)，開(kāi)展3個(gè)工藝參數(shù)的交叉實(shí)驗(yàn)研究，利用27道熔覆軌跡的實(shí)際截面形狀，對(duì)預(yù)測(cè)模型的有效性進(jìn)行驗(yàn)證。

S.Santhanakrishnan等［16］開(kāi)發(fā)了基于實(shí)驗(yàn)的有限元熱模型，包括材料溫度屬性、相變和實(shí)驗(yàn)邊界條件，以預(yù)測(cè)激光熔覆過(guò)程中橫截面隨時(shí)間的溫度變化以及加熱和冷卻周期速率、溫度梯度、凝固速率。在該模型的基礎(chǔ)上，進(jìn)行熱力耦合場(chǎng)的數(shù)值模擬分析，實(shí)現(xiàn)對(duì)熔覆層的微觀結(jié)構(gòu)和硬度變化的預(yù)測(cè)。在AISI4140鋼上用側(cè)向送粉系統(tǒng)進(jìn)行H13工具鋼熔覆實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證了過(guò)程參數(shù)對(duì)熔覆層幾何、微結(jié)構(gòu)和硬度變化的影響。

A.Suárez等［2］針對(duì)高溫、快速凝固而引起的殘余應(yīng)力，開(kāi)發(fā)了瞬態(tài)非線性熱力耦合有限元模型對(duì)過(guò)程溫度、應(yīng)力和應(yīng)變進(jìn)行預(yù)測(cè)。該模型使熔覆層殘余應(yīng)力分布結(jié)果更直觀、更易理解，并可進(jìn)行部分優(yōu)化任務(wù)。為了驗(yàn)證模型的有效性，采用能量色散X射線衍射儀(EDXRD)對(duì)樣件(AISI 304不銹鋼基體、6B硬質(zhì)合金熔覆層)進(jìn)行測(cè)量，將樣件殘余應(yīng)力分布與模型預(yù)測(cè)進(jìn)行比較。由圖3可知預(yù)測(cè)結(jié)果與測(cè)量結(jié)果具有一致性。

Subrata Mondal等［17］在 CO2激光熔覆過(guò)程中考慮熔覆的寬度、深度和性能特征，利用Taguchi’s質(zhì)量損失函數(shù)進(jìn)行多參數(shù)優(yōu)化。通過(guò)大量的實(shí)驗(yàn)，應(yīng)用人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的反向傳播方法，建立輸入?yún)?shù)和響應(yīng)參數(shù)間的相互關(guān)系模型。其中響應(yīng)參數(shù)確定為熔覆層高度、寬度、結(jié)合層深度，輸入工藝參數(shù)確定激光功率、工作臺(tái)速度和送粉率，并采用方差分析確定各控制參數(shù)對(duì)熔覆層質(zhì)量的影響權(quán)重。為了驗(yàn)證模型預(yù)測(cè)結(jié)果的有效性，利用優(yōu)化控制參數(shù)進(jìn)行熔覆實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。

圖3 Z方向殘余應(yīng)力三維模型預(yù)測(cè)與實(shí)際測(cè)量值

2.2.2 熔覆過(guò)程數(shù)值模擬與實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證研究

熔覆過(guò)程的熔池溫度、粉末和保護(hù)氣流場(chǎng)等環(huán)境要素一方面由工藝參數(shù)確定，另一方面它們直接決定冷卻后的熔覆層質(zhì)量。從機(jī)理研究角度來(lái)說(shuō)，需要清晰了解熔覆過(guò)程中上述環(huán)境要素的變化情況，以獲得熔融和冷卻的相組織變化規(guī)律，為參數(shù)與質(zhì)量間的相關(guān)性分析提供理論支撐。但由于上述環(huán)境要素變化的實(shí)際測(cè)量比較困難，故數(shù)值模擬成為解決上述問(wèn)題的基本研究方法。

I.Tabernero等［18］應(yīng)用計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)(CFD)開(kāi)展了同軸送粉器的粉末流量分布數(shù)值模擬研究。流場(chǎng)模型由2個(gè)不同相模塊組成，其中連續(xù)相(輸送和保護(hù)氣體)采用Navier-Stokes方程，離散相(粉末顆粒)采用歐拉-拉格朗日近似方程，可實(shí)現(xiàn)對(duì)粉末分布狀態(tài)、顆粒速度和軌跡的數(shù)值模擬。圖4是對(duì)AISI-D2粉末濃度、顆粒速度、流場(chǎng)的模擬結(jié)果。由圖5可見(jiàn):在噴嘴出口附近的粉末成環(huán)形分布，焦點(diǎn)平面為高斯分布，整個(gè)流場(chǎng)軸向截面表現(xiàn)為環(huán)形區(qū)、轉(zhuǎn)換區(qū)和高斯區(qū)的連續(xù)變化分布。該模型可用于評(píng)價(jià)最優(yōu)工藝參數(shù)，或者用于優(yōu)化粉末通量的同軸噴嘴設(shè)計(jì)。作為CFD模型的一個(gè)應(yīng)用實(shí)例，研究者利用粉末流量模擬值計(jì)算了熔覆層幾何高度。在上述成果的基礎(chǔ)上，該研究組進(jìn)行了熔覆過(guò)程中粉末流影響激光能量損失的研究［19］，提出了一種基于“基體上粉末顆粒陰影”的能量損失模型，用于估算光束能量衰減和表征基體表面的能量密度。

圖4 模擬后得到的AISI-D2濃度(a)和速度場(chǎng)(b)

圖5 噴嘴粉末濃度分布的演變

LUO Fang等［20］采用有限元法建立同步送粉的高斯熱源三維數(shù)字模型，分析熔覆過(guò)程中激光功率同熔池溫度、熱影響區(qū)(heat affected zone，HAZ)范圍的相關(guān)性。研究選擇了以塑料模具鋼P(yáng)20為基體的H13粉末熔覆實(shí)驗(yàn)比較分析，并將激光功率分別設(shè)定為1.2，1.8和2.2 kW。為了實(shí)現(xiàn)熔池在熔覆過(guò)程的位置變化運(yùn)動(dòng)模擬，利用ANSYS軟件的APDL功能模塊將空間連續(xù)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)化為離散時(shí)間域，然后以實(shí)際時(shí)間步長(zhǎng)進(jìn)行循環(huán)加載。表1顯示了研究的熱影響區(qū)在深度和寬度方向的范圍。

表1 激光參數(shù)、寬度和熱影響區(qū)深度

2.2.3 工藝參數(shù)變化對(duì)熔覆層質(zhì)量影響研究

工藝參數(shù)對(duì)熔覆層形狀、表面質(zhì)量和微裂紋的形成有重要的決定作用，它將影響熔覆層和基體的結(jié)合性以及冷卻速率，進(jìn)而影響結(jié)晶過(guò)程，形成不同的力學(xué)性能。因此，有關(guān)工藝參數(shù)優(yōu)化和控制的研究是目前最為廣泛的研究課題。

Ali Emamian等［21］以工藝參數(shù)對(duì)熔覆層密度、結(jié)合性、顯微結(jié)構(gòu)的影響為目標(biāo)，針對(duì)傳統(tǒng)研究使用過(guò)多成份元素合金粉末而使顯微結(jié)構(gòu)過(guò)于復(fù)雜從而干擾結(jié)果分析的問(wèn)題，采用少合金元素的原位激光熔覆(insitu laser cladding)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行研究。研究使用了純鈦、石墨和Fe三種元素的混合粉末。選擇工藝參數(shù)范圍如下:激光功率為250～1000 W、送粉速率為4～8 g/min、掃描速度為2～16 mm/s。通過(guò)工藝參數(shù)交叉實(shí)驗(yàn)獲得26組不同工藝參數(shù)熔覆層，如表2所示。其中，僅有6組參數(shù)的熔覆層完全同基體結(jié)合，狀態(tài)良好。研究結(jié)果表明:激光工藝參數(shù)對(duì)質(zhì)量和微觀結(jié)構(gòu)起著至關(guān)重要的作用。

表2 激光參數(shù)和熔覆質(zhì)量

續(xù)表

Shuang Liu等［22］從粉末利用的角度，采用實(shí)驗(yàn)和統(tǒng)計(jì)分析相結(jié)合的方法研究了工藝參數(shù)、粉末利用率、熔覆層幾何尺寸間的關(guān)系研究。由直觀的熔覆過(guò)程可知:高速噴射的粉末會(huì)有部分直接沖擊到熔池邊緣而被反彈未落入熔池形成有效利用，進(jìn)而影響實(shí)際成形幾何形狀。研究工作利用鐵基粉末、中碳鋼基體交叉實(shí)驗(yàn)以及反應(yīng)曲面法(response surface methodology，RSM)的二次回歸模型，對(duì)比分析工藝參數(shù)(激光功率、送粉率、載氣流量和噴嘴至基體距離)對(duì)粉末利用、層高、層寬的影響。

Didier Boisselier等［23］對(duì)粉末特性參數(shù)同供粉效率、熔覆層尺寸、表面粗糙度、力學(xué)性能以及工藝參數(shù)設(shè)置的影響進(jìn)行研究。研究選擇3種不同成分的氣體霧化A.316L粉末，在對(duì)粉末的特性(包括化學(xué)成分、尺寸、形狀和分布狀態(tài))分析的基礎(chǔ)上進(jìn)行熔覆實(shí)驗(yàn)研究。分析結(jié)果表明:熔覆層形貌同粉末特性高度相關(guān)，且實(shí)際工藝參數(shù)需要根據(jù)粉末特性參數(shù)不同進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整。

2.2.4 材料成份變化對(duì)熔覆層質(zhì)量影響研究

有關(guān)該方面的研究，主要以獲得高質(zhì)量合金涂層為目標(biāo)，通過(guò)合金元素比例調(diào)整、不同材料粉末比例混合2類實(shí)驗(yàn)研究，分析元素或材料成份對(duì)熔覆層組織結(jié)構(gòu)和性能的影響，為熔覆材料的設(shè)計(jì)提供基礎(chǔ)。

在合金元素的影響性分析方面，A.Farnia等［24］開(kāi)展Stellite 6和Ta的混合粉末的激光熔覆實(shí)驗(yàn)。他采用掃描電子顯微鏡、能量色散光譜和透射電子顯微鏡等設(shè)備，研究了不同含量的Ta元素對(duì)Stellite 6合金顯微組織的影響。這些微觀結(jié)構(gòu)的變化使熔覆層合金硬度得到提高，如圖6所示。另外，其研究發(fā)現(xiàn)隨著Ta含量的增加，硬度在整個(gè)涂層變得更均勻。

圖6 不同量Ta的涂層的硬度分布

Q.H.Li等［25］利用鈦粉末，加入不同比例納米碳管(CNT)，在鈦基體材料上制備具有高溫磨損性能的TIC復(fù)合涂層。通過(guò)干滑動(dòng)條件下的銷-盤(pán)(pin-on-disk)磨損測(cè)試發(fā)現(xiàn)，TiC復(fù)合涂層的高溫耐磨性比鈦基體高出10倍，涂層的摩擦系數(shù)比鈦基體更穩(wěn)定，具有較低的平均值。由進(jìn)一步的機(jī)理研究發(fā)現(xiàn):TiC復(fù)合涂層的主要磨損行為是粘著磨損和氧化，而Ti基體具有磨料磨損、粘著磨損，以及嚴(yán)重塑性變形、高溫氧化現(xiàn)象。正是由于TiC這一硬質(zhì)相，提高了熔覆層硬度，使高溫耐磨性能得到改善。

在不同材料粉末比例混合研究方面，G.J.Xu等［26］對(duì)鎢鉻鈷合金6和硬質(zhì)合金(WC)混合粉末中WC比例的影響進(jìn)行分析。對(duì)WC重量比例在0～47%范圍內(nèi)調(diào)整，以獲得不同成份的合金粉末，然后進(jìn)行2種方式的熔覆實(shí)驗(yàn)，即恒定成份材料多層熔覆(CCCMLC)和功能梯度材料多層熔覆(FGMMLC)，以分析考查WC成份變化對(duì)金相組成、微觀結(jié)構(gòu)、硬度和耐磨性的影響。研究結(jié)果表明:金相組織為亞共晶結(jié)構(gòu)、未熔解WC分散在Co合金基體、硬度隨WC成份增加而增加。CCCMLC和FGMMLC 2種工藝方法第3層的WC比重相同，由于它們具有相同的微觀結(jié)構(gòu)，故熔覆層的耐磨性幾乎相同，但在微裂紋敏感性方面，F(xiàn)GMMLC模式比CCCMLC方式更低。

Yibo Wang等［27］從改善 FeCrBSi熔覆層組織韌性角度，將鎳基和鐵基合金粉末加入FeCrBSi合金粉末，并進(jìn)行不同比例的粉末材料混合實(shí)驗(yàn)，分析熔覆層裂紋敏感性影響。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明:熔覆層的硬質(zhì)相主要由碳化物M23C6、韌性相的由奧氏體γ-Fe和γ-Ni組成。隨著Ni和Fe基合金粉末含量的增加，其韌性相得以增加，相對(duì)的硬質(zhì)相變得稀疏，從而降低了微裂紋產(chǎn)生傾向，使熔覆層韌性變高、表面粗糙度變小、內(nèi)部缺陷變少。

除了外加材料成份對(duì)熔覆層性能影響外，熔覆過(guò)程材料稀釋狀態(tài)對(duì)性能影響也比較大。最低稀釋率可保證熔覆層和基體之間的良好結(jié)合，過(guò)度稀釋率則會(huì)影響熔覆層的成分和性能。I.Hemmati等［28］對(duì)Ni-Cr-B-Si-C激光熔覆層性能的稀釋影響進(jìn)行分析，從稀釋基體被額外補(bǔ)充的鐵方面研究熔覆層的顯微組織、硬度與稀釋之間的關(guān)系機(jī)制。

2.2.5 搭接和對(duì)接對(duì)成形件質(zhì)量影響研究

由于激光功率所限，單道軌跡掃描寬度較小，搭接、層疊是大面積表面工程、零件直接成型的基本工藝方法。在多道搭接熔覆中由于熔覆層多次加熱、冷卻會(huì)使熔覆層和基體材料產(chǎn)生變形，開(kāi)裂傾向加大，且搭接界面有與其他區(qū)域不同的組織結(jié)構(gòu)特征。另外，對(duì)于回轉(zhuǎn)面基體的熔覆加工(如軋輥表面強(qiáng)化)，需要封閉環(huán)形軌跡對(duì)接工藝。對(duì)接工藝除存在著材料反復(fù)加熱問(wèn)題外，還有表面形狀偏差問(wèn)題。若沒(méi)有對(duì)起點(diǎn)、終點(diǎn)進(jìn)行精確軌跡控制，會(huì)在對(duì)接處產(chǎn)生凹或凸的形狀偏差，后續(xù)磨削會(huì)產(chǎn)生誤差復(fù)印，直接影響零件的最終成型質(zhì)量。因此，有關(guān)搭接和對(duì)接研究是改善組織、減少缺陷、提高精度不可缺少的環(huán)節(jié)。

黃鳳曉等［29］探討了工藝參數(shù)對(duì)熔覆層橫向搭接結(jié)合界面組織的影響。采用中碳鋼基體熔覆鎳基合金材料組合，進(jìn)行單層兩道橫向搭接熔覆實(shí)驗(yàn)，搭接率為35%。實(shí)驗(yàn)和顯微組織分析結(jié)果表明:工藝參數(shù)對(duì)結(jié)合界面組織的影響與其對(duì)前一道熔覆層表面轉(zhuǎn)向枝晶區(qū)域的重熔深度，以及前一道表面晶粒取向、各晶粒的熔化程度與激光熔池內(nèi)存在的對(duì)流作用有關(guān)。

Andrea Angelastro 等［30］用鎳基合金(colmonoy 227-f)和碳化鎢/鈷/鉻(WC/Co/Cr)采用多層激光熔覆工藝制備復(fù)合涂層。以最小孔隙率和良好結(jié)合性為優(yōu)化目標(biāo)，建立了激光束平移速度、橫向掃描間距和層間沉積厚度為控制參數(shù)的優(yōu)化模型，并通過(guò)同軸送粉熔覆進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。

V.Ocelík［31］等針對(duì)環(huán)形幾何軌跡對(duì)接處出現(xiàn)的材料性能差異和裂紋缺陷的問(wèn)題，在IPG光纖激光器、四軸運(yùn)動(dòng)控制組成的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)中，用鐵基、鈷基2種粉末、直徑為40 mm的SS304棒料基體進(jìn)行對(duì)接實(shí)驗(yàn)。通過(guò)對(duì)回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)、光源開(kāi)關(guān)延時(shí)控制邏輯的設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)了“Laser after motion、Gradient power、Variable defocus、Track-in/Trackout、Remelting”5 種對(duì)接方式。通過(guò)對(duì)“起/?！苯雍蠀^(qū)的厚度、硬度和界面組織進(jìn)行分析，評(píng)估對(duì)接方式的可行性，研究表面只有“Gradient power、Variable defocus”可以滿足要求。同時(shí)，通過(guò)對(duì)接合區(qū)材料成份、晶體結(jié)構(gòu)的分析，進(jìn)一步研究了對(duì)接區(qū)硬度變化和局部“稀釋率”之間的相關(guān)性。

2.2.6 熔覆工藝系統(tǒng)研發(fā)及設(shè)備應(yīng)用比較研究

高性能熔覆工藝系統(tǒng)是高質(zhì)量熔覆層獲取的前提之一。目前，已有的工藝系統(tǒng)研究主要集中在激光器、送粉器、進(jìn)給系統(tǒng)等工藝設(shè)備和狀態(tài)監(jiān)控等質(zhì)量保障設(shè)備方面。由于目前應(yīng)用的激光熔覆系統(tǒng)多是開(kāi)環(huán)控制，熔覆層質(zhì)量在很大程度上依賴于操作者的技能，后處理過(guò)程經(jīng)濟(jì)和時(shí)間成本高，因此狀態(tài)監(jiān)控和實(shí)時(shí)控制已成為急需解決的工程應(yīng)用關(guān)鍵問(wèn)題。

J.T.Hofman等［32］開(kāi)發(fā)了激光功率閉環(huán)控制系統(tǒng)進(jìn)行熔覆層寬度過(guò)程控制研究。該系統(tǒng)采用CMOS相機(jī)、離散信號(hào)處理器、熔池寬度的控制算法，在確定指定熔池寬度所需的激光功率基礎(chǔ)上，通過(guò)處理器增益控制，實(shí)現(xiàn)對(duì)熔覆過(guò)程的有效擾動(dòng)(如熱變化、速度變化)引起寬度變化的補(bǔ)償。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明:該系統(tǒng)在有效控制軌跡寬度的同時(shí)，通過(guò)實(shí)時(shí)調(diào)整激光功率，使得熔覆層的稀釋率、顯微硬度等質(zhì)量指標(biāo)在整個(gè)軌跡上保持相對(duì)恒定的值。

L.Song等［33］開(kāi)展了熔覆層高度過(guò)程控制研究，開(kāi)發(fā)了基于CCD相機(jī)和雙色高溫多信號(hào)處理控制器。該系統(tǒng)包括基于規(guī)則邏輯的高度主控制器以及基于預(yù)測(cè)控制算法的熔池溫度輔助控制器。在實(shí)際熔覆過(guò)程中，當(dāng)熔池高度超過(guò)預(yù)定熔覆層的厚度變化范圍時(shí)，溫度控制器會(huì)激活主控制器，增加和減小激光功率，實(shí)現(xiàn)高度恒定在線控制。

J.L.Arias等［34］從解決圖像處理速度慢、影響控制精度問(wèn)題的角度，開(kāi)展了基于現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列FPGA的控制系統(tǒng)研發(fā)。系統(tǒng)同樣利用相機(jī)圖像處理，實(shí)現(xiàn)寬度和功率間的閉環(huán)控制。所有的控制和監(jiān)測(cè)的任務(wù)均通過(guò)FPGA進(jìn)行，從而充分利用其資源和運(yùn)行速度，保證系統(tǒng)監(jiān)控的實(shí)時(shí)處理能力。同時(shí)，系統(tǒng)還集成了激光焦點(diǎn)距離控制的功能。

工藝設(shè)備應(yīng)用比較方面的研究工作為現(xiàn)有設(shè)備選型、針對(duì)熔覆工藝的設(shè)備性能改善提供理論依據(jù)。

J.del Val等［35］進(jìn)行了 Yb:YAG單模光纖激光器和Nd:YAG激光器作為熔覆能源的性能差異性研究。通過(guò)相同條件下的兩光源熔覆實(shí)驗(yàn)，對(duì)幾何形狀、硬度、楊氏模量和剛度測(cè)量比較分析。結(jié)果表明:只有在很窄的軌跡寬度熔覆時(shí)，才需要選擇高能量的激光器;而大面積熔覆時(shí)，選擇傳統(tǒng)的Nd∶YAG激光更為適用。

Alain Kusmoko等［36］在鎳合金基體上進(jìn)行Stellite 6涂層實(shí)驗(yàn)，對(duì)激光熔覆、高速氧燃料(HVOF)噴涂和等離子噴涂技術(shù)進(jìn)行工藝比較研究。結(jié)果表明:相對(duì)于其他2種涂覆工藝，激光熔覆沉積層最為致密、無(wú)裂紋，硬度、耐磨性最高。

2.2.7 激光熔覆直接制備新型金屬/合金/生物材料

由于激光熔覆同傳統(tǒng)技術(shù)方式相比，具有更快的處理速度、高加熱/冷卻速率(105 K/s)和凝固速度(最高可達(dá)30 m/s)、過(guò)程易于自動(dòng)化、環(huán)境清潔等優(yōu)勢(shì)，被成功應(yīng)用于材料設(shè)計(jì)研究與開(kāi)發(fā)方面。目前主要集中在設(shè)計(jì)金屬基復(fù)合材料、高熵合金以及生物質(zhì)活性材料方面。

J.D.Majumdar等［37］開(kāi)展碳化硅分散(5 和20%)AISI316L不銹鋼金屬-基體復(fù)合材料的研究，成功地在最佳工藝條件下獲得2種無(wú)缺陷均勻不銹鋼陶瓷復(fù)合材料，2種(5和20%SiC)不銹鋼陶瓷復(fù)合材料的顯微硬度有明顯提高，20% 的SiC不銹鋼陶瓷復(fù)合材料的耐磨性得到了較大的改進(jìn)。

T.M.Yue等［38］在純鎂基體上通過(guò)激光熔覆方法制造AlCoCrCuFeNi高熵合金(HEA)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果的熔覆層可分為2部分，頂部為AlCoCrCuFe-Ni合金層，下層為含有部分熔化高熵合金的富鎂基復(fù)合材料層。研究同時(shí)發(fā)現(xiàn):在熱凝固過(guò)程中，由于銅元素同其他元素的低親和力，部分Cu元素?cái)U(kuò)散到鎂熔液中，隨后固化銅鎂合金。借助KGB(the Kurz-Giovanola-Trivedi and the Gaümann model)模型，對(duì) HEA凝固的分析結(jié)果也表明銅從HEA熔液中析出，且析出量與實(shí)測(cè)值高度一致。

R.Comesa?at等［39］采用激光熔覆快速成型技術(shù)研制磷酸鈣移植材料—羥基磷灰石(hydroxyapatite，HA)，基于過(guò)程參數(shù)和熱/溫歷史數(shù)據(jù)評(píng)估實(shí)現(xiàn)熔覆過(guò)程優(yōu)化，得到完全的HA脫羥基材料。其微觀結(jié)構(gòu)是α-磷酸三鈣(A-TCP)基體上分布著核磷酸四鈣(TTCP)顆粒，并與氧基磷灰石和無(wú)定形磷酸鈣共存。

3 激光熔覆技術(shù)研究趨勢(shì)

1)在研究體系構(gòu)建方面，激光熔覆作為材料科學(xué)、機(jī)械工程等多學(xué)科交叉技術(shù)，其研究需要由材料科學(xué)領(lǐng)域向制造工程領(lǐng)域拓展，并面向工程應(yīng)用對(duì)象來(lái)構(gòu)建研究體系。

盡管激光熔覆已經(jīng)成為國(guó)內(nèi)外表面工程材料領(lǐng)域和增材制造領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)，但目前還主要集中在材料工程領(lǐng)域的理論和應(yīng)用基礎(chǔ)研究，其工程化應(yīng)用研究相對(duì)較弱，批量、規(guī)模應(yīng)用還未見(jiàn)報(bào)道，更多的是少量試驗(yàn)驗(yàn)證應(yīng)用。隨著關(guān)鍵設(shè)備價(jià)格的下降，越來(lái)越多的企業(yè)會(huì)引入激光熔覆工藝，因此工程化應(yīng)用研究趨勢(shì)成為必然。激光熔覆技術(shù)涉及的學(xué)科領(lǐng)域廣泛，且未知研究方向不斷被發(fā)掘，需要研究者和研究機(jī)構(gòu)在不斷出現(xiàn)的新名詞、新方法面前，結(jié)合已有的條件基礎(chǔ)，選擇具體工程應(yīng)用對(duì)象，構(gòu)建完整研究體系，包括研究方向的凝練、隊(duì)伍和實(shí)驗(yàn)條件的建設(shè)等。由于激光熔覆直接制造金屬零件時(shí)，其表面粗糙度等無(wú)法滿足精密零件的需要，在研究體系構(gòu)建中，還需要綜合考慮后序精密切削加工。只有這樣才能借助工程應(yīng)用來(lái)發(fā)現(xiàn)和提煉新科學(xué)問(wèn)題和新技術(shù)方法，實(shí)現(xiàn)研究工作的可持續(xù)化，并形成自己的研究特色。

2)在應(yīng)用基礎(chǔ)研究方面，激光熔覆及合金化涉及遠(yuǎn)離平衡態(tài)的復(fù)雜物理冶金過(guò)程。其研究需要在表面精度、少無(wú)缺陷2個(gè)研究方向上取得突破，尤其要解決裂紋問(wèn)題。

首先，復(fù)雜形狀零件少無(wú)切削加工是增材制造的最大優(yōu)勢(shì)。相對(duì)于激光金屬燒結(jié)工藝，激光熔覆直接成型零件的表面粗糙度高，形狀、位置精度低。盡管目前如德馬吉、三菱等已成功開(kāi)發(fā)了增-減材料復(fù)合加工工藝及裝備，但對(duì)于具有復(fù)雜形狀內(nèi)腔的零件磨削就無(wú)能為力。其次，由于“高溫、快冷”的工藝特性，造成熔覆層的應(yīng)力集中、開(kāi)裂傾向大，已嚴(yán)重影響了激光熔覆技術(shù)的工程化應(yīng)用［40］。針對(duì)熔覆層裂紋敏感性大的問(wèn)題，需要從凝固動(dòng)力學(xué)、結(jié)晶學(xué)和相變理論出發(fā)，系統(tǒng)研究激光快速凝固行為，揭示材料微結(jié)構(gòu)的形成、演化機(jī)理及其規(guī)律;同時(shí)，研究熔融時(shí)熔池溫度場(chǎng)分布、熔池對(duì)流機(jī)制，冷凝時(shí)熔覆層內(nèi)發(fā)生的組織變化過(guò)程及其規(guī)律，為優(yōu)化加工工藝參數(shù)提供基礎(chǔ)理論數(shù)據(jù)。

3)在應(yīng)用技術(shù)研究方面，激光熔覆技術(shù)可實(shí)現(xiàn)形狀復(fù)雜、功能特殊的金屬零件直接制造，還需向曲面基體混合制造、梯度材料零件制造和大面積激光熔覆方向拓展。

首先，現(xiàn)有實(shí)驗(yàn)研究對(duì)象多為平面基體、直線軌跡。而在工程上，直接成型混合制造(hybrid manufacturing)零件對(duì)象，基體多為曲面，成型軌跡也是空間曲線，如葉輪表面強(qiáng)化、滾刀刀刃直接成形。同平面基體、直線軌跡熔覆相比，其溶池形狀、稀釋率、光束入射角等影響因素會(huì)有較大不同。需要在平面基體研究成果的基礎(chǔ)上進(jìn)一步研究曲面和空間軌跡參數(shù)的對(duì)熔覆過(guò)程的影響，并優(yōu)化加工工藝參數(shù);其次，在梯度功能材料零件直接成型方面，相對(duì)于傳統(tǒng)制造和激光燒結(jié)工藝，激光熔覆工藝已表現(xiàn)出便于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化、過(guò)程中隨時(shí)改變?nèi)鄹埠辖鸪煞值膬?yōu)勢(shì)。但如何控制和優(yōu)化強(qiáng)化相的分布、實(shí)現(xiàn)組織變化均勻化等問(wèn)題，仍需要進(jìn)行深入細(xì)致的研究［41-44］;第三，如前所述，實(shí)際工程中有許多大面積熔覆，多道搭接仍是基本解決方法。但搭接熔覆增加開(kāi)裂傾向問(wèn)題、掃描軌跡優(yōu)化問(wèn)題等，仍需進(jìn)行深入細(xì)致的研究。

4)在功能器件研發(fā)方面，激光熔覆的動(dòng)態(tài)高溫小熔池冶金、自由成型工藝需要加強(qiáng)實(shí)時(shí)檢測(cè)與反饋控制技術(shù)研究，研發(fā)可工程化應(yīng)用的熔覆質(zhì)量控制系統(tǒng)。

為了獲得穩(wěn)定的晶粒結(jié)構(gòu)、力學(xué)性能和表面質(zhì)量，必須對(duì)熔覆過(guò)程進(jìn)行實(shí)時(shí)控制［42］。熔覆過(guò)程是多因素互相作用的動(dòng)態(tài)冶金過(guò)程，且零件成形通過(guò)單道軌跡掃描層疊循環(huán)獲得，成形質(zhì)量隨時(shí)會(huì)因某一因素的不穩(wěn)定而變化，并被后續(xù)層疊過(guò)程放大，使制造無(wú)法進(jìn)行或失敗。因此，對(duì)熔覆制造過(guò)程的檢測(cè)與閉環(huán)反饋控制極為重要。通過(guò)對(duì)熔覆過(guò)程中熔池溫度場(chǎng)、熔池形狀變化、沉積層厚度等關(guān)鍵因素的實(shí)時(shí)檢測(cè)，反饋控制激光器輸出功率、掃描速度、送粉速度等工藝參數(shù)，以補(bǔ)償工藝過(guò)程的外部環(huán)境變化以及工藝參數(shù)的隨機(jī)偏差，是熔覆質(zhì)量控制系統(tǒng)研發(fā)的基本思路。但由于熔池溫度高、組織變化快、電光磁干擾大，加之工藝參數(shù)間非線性耦合影響等問(wèn)題，給上述思路的實(shí)驗(yàn)帶來(lái)相當(dāng)大的困難。因此，需要在熔覆機(jī)理研究成果的基礎(chǔ)上，針對(duì)熔覆工藝特性開(kāi)展檢測(cè)技術(shù)和控制方法研究，從而研發(fā)出穩(wěn)定工程應(yīng)用的功能器件和控制系統(tǒng)。

4 結(jié)論

1)激光熔覆技術(shù)隨著大功率激光技術(shù)的日益成熟、制造成本的降低，以及表面工程和增材制造領(lǐng)域應(yīng)用研究的深入，將成為學(xué)術(shù)界、工業(yè)界的熱點(diǎn)。

2)激光熔覆技術(shù)的理論、應(yīng)用基礎(chǔ)研究目前較多地集中于材料科學(xué)和工程方向。但該技術(shù)作為典型的制造工藝技術(shù)，其結(jié)合工程對(duì)象的應(yīng)用基礎(chǔ)研究相對(duì)薄弱，這也是影響工程應(yīng)用效果的主要原因。

3)激光熔覆技術(shù)研究者需要將該技術(shù)作為整個(gè)制造工程領(lǐng)域的單元技術(shù)之一，同精密切削加工技術(shù)等一起來(lái)構(gòu)建完整的研究體系，并面向工程應(yīng)用對(duì)象，發(fā)現(xiàn)技術(shù)問(wèn)題、提煉科學(xué)問(wèn)題。

4)探索提高激光熔覆成形金屬零件的尺寸和形狀精度，降低缺陷產(chǎn)生和加工成本的方法，并以此為基礎(chǔ)，開(kāi)展大型高性能金屬結(jié)構(gòu)部件的激光快速修復(fù)研究是激光熔覆技術(shù)實(shí)現(xiàn)快速工程應(yīng)用的有效途徑。

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