呂曉仁，馬孝威，董麗虹，王海斗

(1. 沈陽工業(yè)大學 機械工程學院，沈陽 110870；2. 裝甲兵工程學院 裝備再制造技術國防科技重點實驗室，北京 100072)

0 引 言

激光熔覆是一種具有高功率密度、薄硬化層、低熱輸入和小熱影響區(qū)的表面改性技術[1]。激光熔覆技術利用高能量密度的激光束在有缺損的工件表面熔覆一層合金，使工件具有甚至超過原來的使用性能[2]。激光熔覆技術可以在不同的材料表面制造不同功能的熔覆層[3]，如耐高溫熔覆層[4]、耐腐蝕熔覆層[5]、耐磨熔覆層[6-7]等，甚至可改善熔覆層的機械性能和可靠性[8]。雖然激光熔覆技術可以在材料表面產生優(yōu)良的功能層，但是目前還面臨著熔覆層中出現孔隙、裂紋等問題?？紫逗土鸭y會對熔覆層的質量產生嚴重的影響?？紫稌档腿鄹矊拥慕Y構強度減小結構橫截面的有效承載面積，并且在孔隙的周圍會產生應力集中。應力集中不僅會降低機械部件的疲勞壽命[9]還會引起裂紋的產生。裂紋的產生會削弱工件的承載能力造成工件的脆性斷裂、塑性斷裂、疲勞斷裂等。因此，減少孔隙、裂紋是優(yōu)化激光熔覆技術首先要解決的問題。一般通過預熱基體[10]和改變加工工藝[11]來減少孔隙、裂紋，通過改變粉末類型[12-13]和稀釋率[14]等其他方法也可以顯著減少孔隙和裂紋的產生。為從根本上解決孔隙、裂紋的問題應從機制機理上總結其生成規(guī)律，因此本文總結了孔隙、裂紋的形成機制并對比了抑制方法，旨在為相關研究提供一定的理論依據。

1 激光熔覆層孔隙的形成機制及抑制方法

1.1 孔隙的生成原因

激光熔覆層中能觀察到三種類型的孔隙：氣孔孔隙、鎖孔和未熔合孔隙。研究發(fā)現在較厚基材上熔覆時更容易產生氣孔孔隙，在薄基材上熔覆時會頻繁且大量地產生未熔合孔隙[15]。Lewis等[16]在熔覆鎢和錸制成的W-25Re粉末時產生了兩種孔隙，作者對這兩種孔隙進行了對比。圖1(a)顯示了氣孔孔隙，氣孔是在熔覆時形成并保留在凝固的熔覆層中的孔隙，是粉末材料中的殘余氣體或通過激光加熱和熔化產生的分解產物形成的孔隙。圖1(b)顯示了熔覆層邊界處未熔合而導致的孔隙。

氣孔孔隙一般分為氫氣孔、氮氣孔和一氧化碳氣孔。氫氣孔是由于基體的汽化、孔的徑向生長和熔化區(qū)的快速膨脹產生的[17]。Huang等[18]模擬了氫氣孔的生長，發(fā)現只要液態(tài)金屬中的氫含量高于界面處的氫含量氫就會保持從液態(tài)金屬擴散到氣孔中驅動氣孔生長。增加界面處的氫含量以及減小氣孔的表面面積可以減緩氫擴散到氣孔中，可抑制氣孔的生長。氮氣孔的產生是因為噴嘴口的保護氣體形態(tài)由層流變?yōu)槲闪魇箍諝鈹囘M保護氣體中，氮氣在凝固時來不及外逸而殘存焊縫內部。一氧化碳氣孔是在熔覆時碳與氧氣結合產生的。Mizuki等[19]通過對比灰鑄鐵和球墨鑄鐵發(fā)現碳含量對于CO氣孔的產生沒有太大的影響。通過SEM圖像和EDS映射圖像分析得出：CO氣孔的產生是基體中的Si、Mn與O發(fā)生反應生成SiO2、MnO，C再與SiO2、MnO反應生成CO氣孔。

圖1 熔覆層中的氣孔孔隙；熔覆層中的未熔合孔隙[16]Fig 1 Porosity in the cladding layer and porosity resulting from lack of fusion in the cladding[16]

鎖孔是由于激光沖擊產生的熔池塌陷使熔池中的空氣或保護氣體無法溢出而形成的孔隙，一般發(fā)生在鋁合金的激光熔覆中。Pang等[20]通過數值模擬分析三維鎖孔的不穩(wěn)定性、熔池動力學和孔隙形成規(guī)律，圖2顯示了在1.2 kW的激光功率和3.7 m/min的熔覆速度下鎖孔塌陷和氣泡形成的瞬態(tài)過程。由于鋁合金表面的激光熔覆具有更快的凝固速度和更長的逃逸距離，氣體難以從熔池中逸出更容易被凝固界面捕獲產生鎖孔。

圖2 鎖孔坍塌和氣泡形成的瞬態(tài)過程[20]Fig 2 The transient process of keyhole collapsing and bubble formation[20]

鎖孔的運動與小鎢顆粒的運動非常相似，Matsunawa[21]在熔池中放置了直徑為0.1～0.4 mm的小鎢顆粒，通過追蹤小鎢顆粒的運動來觀察熔池中金屬的流動。如圖3所示，許多大氣泡不能通過浮力上浮而是被液態(tài)金屬流夾帶并被截留在凝固壁上形成鎖孔。在鋁合金表面的激光熔覆中鎖孔后面的流體流動越劇烈，深寬比越大，鎖孔越不穩(wěn)定，越容易坍塌形成氣泡[22]。鎖孔的不穩(wěn)定性與鎖孔壁上的凸起行為密切相關，反沖壓力、表面張力和流體流動的沖擊壓力周期性地驅動凸起向下使鎖孔塌陷并且導致在鎖孔的中心部分或尖端附近形成孔隙[23]。

圖3 通過鎢顆粒的軌跡觀察到鎖孔激光焊接中的液體運動[21]Fig 3 Liquid motion in keyhole laser welding observed by trajectory of tungsten particles[21]

在激光熔覆時若噴嘴移動速度較快粉末會因未熔合而產生孔隙，特別是在靠近基體的熔覆層中。噴嘴的高速橫向移動需要足夠的激光功率，以便完全熔化粉末并獲得致密的熔覆層[24]。Wu等[25]在低功率熔覆中發(fā)現多孔熔覆層與粉末的不完全熔化有關，該熔覆層由松散結合的顆粒組成，這些顆粒熔合在一起形成互連孔隙。Tang等[26]通過仿真模型來預測未熔化材料的體積分數，模擬正確地預測了孔隙率變大的工藝條件以及孔隙率隨著工藝條件的變化而增加的速率。通過該模型可以預測不同材料的基體產生未熔合孔隙的工藝條件，該模型的預測縮小了實驗的范圍減少了實驗的次數。

1.2 孔隙分布的分析

分析孔隙的分布規(guī)律也是研究孔隙生成機制的重要方法。在激光熔覆過程中整個熔池內部存在著強對流運動，熔池中的氣泡生成后并不是沿直線上浮而是在上浮的過程中向周圍擴散，在此過程中氣泡所受的浮力作用遠小于熔池攪動力對其分布的影響[27]。Kistler等[28]使用Ti-6Al-4V材料進行激光熔覆，通過分析熔覆層的密度來確定熔覆層的孔隙率。Yang等[29]采用高功率二極管激光器在ZL205A合金上的制備了單層和多層均勻涂層。作者觀察到兩種類型的氫氣孔：一種是沿熔池底部產生的鏈狀孔，另一種是分散地分布在涂層中直徑大于100 μm的較大孔。通過改變激光功率和粉末進料速率可以完全消除直徑大于100 μm的較大孔。Matsunawa[30]和Seto[31]開發(fā)了圖4所示的高速X射線透射成像系統。該系統可以拍攝高達5 000次/秒的高速視頻圖像。從圖像中可以清楚地觀察到鎖孔底部間歇地形成大氣泡，并且可確定每個鎖孔在何時何處被凝固壁捕獲形成孔隙。

圖4 用于觀察金屬鎖孔的X射線透射成像系統[30-31]Fig 4 X-ray transmission imaging system for observation of keyhole in metal[30-31]

通過對圖像和數據的處理也可以分析孔隙的分布規(guī)律。Zeng等[32]開發(fā)了二維圖像分析方法來評估孔隙率，發(fā)現熔覆層中的孔隙遵循威布爾分布而不是正態(tài)或對數正態(tài)分布。Wang等[33]對獲得的二維數據進行了三維重建，如圖5所示，并對孔的大小和空間分布進行了數值計算。發(fā)現了兩種類型的孔隙：一種是隨機分布的氣孔，另一種是以團簇的形式存在的未熔合孔隙。該方法通過二位數據建立三維模型，可以更全面的觀察熔覆層中孔隙的分布和類型。

圖5 樣品的層間孔隙率和內部氣孔孔隙率[33]Fig 5 Interlayer porosity and internal gas porosity of the sample[33]

孔隙的分布一般通過對截面直接觀察、使用透射設備進行觀察或對數據進行圖像處理等方法進行分析。直接觀察法只能觀察某一截面的孔隙分布，這一截面并不能反映熔覆層整體的孔隙分布情況，該方法結果較片面。X射線透射成像法觀察到的圖像較模糊，對較小的孔隙無法觀察。圖像建模的方法相比于高速X射線透射成像法能更立體、更全面的觀察氣孔的分布但該方法只能對凝固后的熔覆層進行圖像建模無法分析孔隙的形成過程，難以說明熔覆層熔融狀態(tài)時氣孔的運動。

1.3 孔隙的抑制方法

孔隙的產生是由于氣體未能及時逸出熔覆層和粉末不能完全熔化，因此抑制孔隙的產生應從加工工藝和粉末入手。

在加工工藝方面Yu等[34]評估了使用保護氣體金屬電弧焊(shielding gas metal arc welding GMAW)和使用激光添加金屬層沉積(additive metal-layer deposition AMD)修復后的灰鑄鐵的機械性能。如圖6所示，AMD能制造出具有良好冶金結合的熔覆層，其孔隙率比GMAW低5.9倍。

圖6 通過焊接和AMD工藝修復的樣品內部孔隙率的比較[34]Fig 6 Comparison of porosity inside specimens repaired by welding and AMD process[34]

Erfanmanesh等[35]在AISI321鋼上同軸激光熔覆WC-12Co粉末，通過構建工藝圖將熔覆層的幾何特征和孔隙率與其應用的加工參數相關聯。如圖7所示，其中縱軸表示激光功率(P)，橫軸表示針對每個單位長度(F/V)進給的粉末材料，另一個水平軸表示潤濕角(h)。在加工圖上形成了兩個陰影區(qū)域，這些區(qū)域代表了獲得合適幾何形狀和低孔隙率熔覆層的加工工藝。

圖7 在AISI 321鋼上激光熔覆WC-12Co粉末的工藝圖[35]Fig 7 Processing map for laser cladding of WC-12Co powder on AISI 321 steel[35]

Choi和Chang[36]發(fā)現較高的進料速率導致較高的孔隙率，但是這種孔隙可以通過增加激光功率來減少。作者認為如果激光功率不足可以通過增加熔覆層重疊百分比來減少孔隙，熔覆層的重疊率應高于50%。Zhang等[37]通過添加電磁復合場改變應力狀態(tài)來減少孔隙。當施加向下的安培力時孔隙率和孔徑均減小，孔集中在熔覆層的上表面。當施加向上安培力時熔池中的氣體溢出將更加困難，隨著安培力的增加孔隙率和孔徑均呈增加趨勢。

在粉末方面熔覆的粉末不能太細，使用較細的粉末會產生較高的溫度，從而導致大量的粉末蒸發(fā)使熔覆層質量明顯下降。因此選擇合適的粉末粒徑和激光能量可以防止激光熔覆過程中粉末因過熱影響熔覆層質量[38]。Lee等[39]認為孔隙率是l/r的函數，其中l(wèi)是相鄰粉末顆粒之間的接觸長度，r是粉末的平均粒子半徑。熔覆層的孔隙率隨著小粉末顆粒(10～38 μm)混合比的增加而降低。使用混合比例為7∶3(10～38 μm∶20～73 μm)的混合粉末熔覆的熔覆層具有最低的孔隙率，甚至低于單一粉末熔覆層的孔隙率。熔覆層中較低的孔隙率是由于熔覆時較小的顆粒有效地填充到較大顆粒之間填補了孔隙，如圖8所示。

圖8 用于孔隙率評估的接觸粒子模型的示意圖Fig 8 A schematic of contact particle model for porosity evaluation

對于孔隙可以通過多種方法對其進行抑制。在工藝方面：增大激光功率，降低送粉率與熔覆速度，可以降低孔隙率；在粉末方面：不同的熔覆材料選擇合適的粉末粒徑可以有效降低孔隙的產生。粉末的熔點要適中，粉末熔點越低液態(tài)流動性越好，越易得到無缺陷的熔覆層，但粉末熔點過低會使熔覆層產生過燒現象。粉末應具有良好的潤濕性，潤濕角越小液態(tài)流動性越好，易于得到平整光滑的熔覆層[39]。

2 激光熔覆層裂紋的形成機制及抑制方法

2.1 裂紋的產生原因

裂紋的產生是由應力引起的，激光熔覆中產生的應力主要有熱應力、約束應力和殘余應力。激光熔覆時激光的能量被金屬吸收并轉化為熱能，在短時間內熱能不會擴散到材料的深處，因此大部分熱能集中在熱影響區(qū)形成熱應力，當熱應力超過材料的強度極限時就會形成裂紋[40]。熱應力是由于材料的溫度梯度和熱膨脹系數不同導致熔覆層膨脹和收縮不均勻而產生的，其計算公式為[41]：

(1)

式中：E為熔覆層的彈性模量；u為熔覆層泊松比；Δα為熔覆層與基體的熱膨脹系數差值：ΔT為熔覆層溫度與室溫差值。激光熔覆時當激光束遠離掃描區(qū)域熔覆層快速冷卻，由于受到周圍基材的限制熔覆層邊界處迅速形成約束應力。如果約束應力大于材料強度極限則會在熔覆層表面產生微裂紋。在熔覆過程中產生的熱應力、約束應力等超過材料的屈服極限導致熔覆層產生塑性變形，塑性變形后熔覆層中產生殘余應力引起裂紋[42]。

熱應力是產生裂紋的主要因素。Liu等[43]在鑄鐵基體上進行正交對比實驗，發(fā)現裂紋敏感性主要由基體的熱膨脹系數決定。隨著基體熱膨脹系數的減小熱應力增加，導致裂紋敏感性增加。Zhou等[44]對保護氣體的散熱進行了模擬并將保護氣體的散熱計算結果引入AlN陶瓷表面單道激光熔覆銅粉的應力與應變計算過程中，分析了熔覆過程中的熱應力和熔覆層的應變。發(fā)現熔覆過程中裂紋產生形式主要包括3種：切應力作用導致的銅熔覆層與AlN陶瓷基體結合面撕裂；拉應力作用下AlN陶瓷上表面拉裂；較大主應變導致的垂直于熔覆方向的銅熔覆層橫向裂紋。

裂紋的產生除了有應力還要有一個應力集中點，應力在這一點聚集產生裂紋。Xu等[45]建立了宏觀激光熔覆模型和微石墨模型。發(fā)現石墨尖端出現應力集中，如圖9所示，這是微裂紋起始的區(qū)域。微裂紋是由石墨區(qū)域的微觀結構特征和石墨尖端的應力集中共同作用的結果。

圖9 微石墨模型在不同時間的瞬態(tài)應力分布[45]Fig 9 Transient stress distribution of micrographite model at different times [45]

Bahoosh等[46]使用掃描電子顯微鏡確定WC-Co金屬陶瓷裂紋的優(yōu)先生長方向、裂紋生長步驟和相的斷裂行為。裂紋分兩步傳播：首先在碳化物處產生裂紋(作為最弱的區(qū)域)，然后發(fā)生沿基質相(或粘結相)的多韌帶斷裂和沿碳化物-基體界面的斷裂。裂紋產生的主要原因是應力集中，目前的研究主要是通過減小應力來減少裂紋。裂紋的產生還與熔覆層的微觀結構有關。裂紋會分布于枝晶間并沿著結晶方向擴展。另外，晶體的位錯對裂紋的產生也會有影響。

2.2 裂紋形成的影響因素

影響激光熔覆層裂紋的主要因素是工藝參數和粉末材料。

激光熔覆的工藝參數會對熔覆層質量產生直接的影響。工藝參數主要包括激光功率、掃描速度、光斑直徑、送粉率、基體預熱溫度等。欒景飛等[47]首次系統地在不預熱情況下研究了各激光熔覆工藝參數對灰鑄鐵表面熔覆層裂紋率的影響，當激光功率為1.5kW，激光掃描速度為400 mm/min時熔覆層裂紋率達到2.4%的最低值。Fu等[48]通過實驗將Ni60粉末包覆在基材40Cr表面，通過光學顯微鏡觀察裂紋的分布并分析了裂紋的特征。實驗結果表明激光熔覆層的裂紋率受激光功率、光斑直徑和掃描速度的影響。裂紋率與激光功率成正比，與掃描速度和光斑直徑成反比。Hua等[49]采用三維有限元模型模擬了不同激光功率、掃描速度和光斑直徑參數下16MnR鋼表面Ni-Cr-B-Si涂層的熔覆過程。得到了溫度和殘余應力的分布情況、熱影響區(qū)的深度以及激光熔覆的優(yōu)化參數。得出激光功率1.8kW、掃描速度5mm/s、激光直徑3 mm為最佳參數。Weng等[50]使用四種不同的功率(1.3, 1.5, 1.7, 1.9 kW)對球墨鑄鐵進行激光熔覆，如圖10所示，發(fā)現激光功率在1.7和1.9kW時會導致界面裂紋，并且激光功率越高界面開裂越嚴重。熔覆層的開裂敏感性也與V型槽斜面密切相關，斜角較大的V型槽可以減少裂紋和孔隙。對于不同的材料應使用不同的工藝參數，一般工藝參數的值會呈正態(tài)分布，高于或低于最佳值裂紋率都會增加。

圖10 不同激光功率的粘合界面的形態(tài)[50]Fig 10 Morphology of the bonding interface by different laser power[50]

對于工藝參數的改變不止可以改變激光熔覆設備的激光功率、掃描速度、光斑直徑等條件，還可以改變基體的溫度。改變激光熔覆設備的參數會直接影響粉末的融化效率和熔覆層的形狀，但對基體的預熱也會間接地影響熔覆層的質量。閆世興等[51]采用CO2激光器在HT250基體上分別以不同預熱溫度制備NiCuFeBSi合金熔覆層，發(fā)現基體溫度30℃時熔覆層白口組織沿界面呈連續(xù)帶狀分布。而基體預熱溫度達到500℃時熔覆層白口組織則呈現斷續(xù)狀分布?？梢娞岣呋w預熱溫度可以避免連續(xù)白口組織的出現，有利于降低界面裂紋率。然而預熱溫度對熔覆層的影響還需從其他方面進行綜合評估。基體預熱溫度越高，熔覆層的稀釋率越大，進入熔池內部的基體元素越多，對熔覆層的性能越會產生影響。另一方面基體預熱溫度低基體熱影響區(qū)更小，可以避免出現較寬的基體組織淬硬區(qū)。

對工藝參數的改變并不能完全解決熔覆層中裂紋的問題，粉末的類型對熔覆層的質量也會產生重要的影響。Ren等[52]通過模擬的方法研究了三種不同的粉末(Co50，Fe55，Ni60)對熔覆層裂紋的影響。利用ANSYS分析軟件對三種熔覆層的溫度場、應力場和殘余應力進行了模擬分析，確定了鐵基合金粉末Fe55是45號鋼基體材料的最佳熔覆材料。Lestan等[53]使用激光工程凈成型技術研究了3種不同粉末(Metco 15E，Colmony88和VIM CRU 20)在鑄鐵和低碳鋼上的熔覆層質量。Metco 15E在低碳鋼和鑄鐵樣品上制成了高質量熔覆層，如圖11所示，其微觀結構顯示涂層和基材之間僅存在微裂紋。

圖11 Metco 15E粉末在低碳鋼上形成的熔覆層[53]和Metco 15 E粉末在鑄鐵上形成的熔覆層[53]Fig 11 Metco 15 E powder cladding on low carbon steel to form a cladding layer[53]and cast iron to form a cladding layer[53]

合適的激光功率和掃描速度是減少裂紋的先決條件，其次基體預熱溫度、開槽的形狀和傾斜角度對裂紋的形成也會產生影響。粉末類型的選擇對熔覆層的質量也有重要影響。粉末選擇和基體材料的熱膨脹系數、導熱性能相接近的材料可以減少熔覆層中的殘余應力，使熔覆層和基體之間結合更緊密減少熔覆層中的裂紋的產生。

2.3 裂紋的抑制方法

在焊接時一般在焊接前加熱基體或者對成品焊接部件進行焊后熱處理以避免形成裂紋[54]，在激光熔覆中也可以通過預熱來減少裂紋[55]。除了對基體進行直接加熱還要很多種方法可以到達預熱的效果。Huang等[56]通過激光感應復合熔覆防止Ni基熔覆層開裂。隨著感應能量密度的增加拉應力和裂紋率明顯降低，如圖12所示，激光感應復合熔覆可以在熱影響區(qū)消除馬氏體。在熔池凝固時首先熔池的頂部和底部固化，然后熔池的中間固化，因此最大的拉伸應力位于復合熔覆層的中間。這種殘余應力分布狀態(tài)有利于限制激光感應復合熔覆中鎳基熔覆層的裂紋。

圖12 感應能量密度對激光感應復合熔覆裂紋速率的影響[56]Fig 12 Effect of induction energy density on crack rate in laser-induction hybrid cladding[56]

Yi等[57]設計了動態(tài)局部自預熱方法，即用低功率的激光先對基體的局部進行預熱處理之后再進行激光熔覆。通過對基體進行動態(tài)局部自預熱有助于降低瞬態(tài)熱應力和殘余應力使熔覆層的微觀結構更精細和均勻。自預熱樣品在熔合區(qū)域顯示出更強的結合能力，并且在熔覆過程中產生更少的裂紋。與基體預熱相比動態(tài)局部自預熱更方便、靈活。由于局部預熱減少了熱量作用的面積，因此可對大型零件進行預熱處理。

對基體進行預熱是通過降低溫度梯度來減少裂紋，但是預熱基體并不能完全消除裂紋。在熔覆時添加一些輔助方法可以更好的改善熔覆層的質量。林英華等[58]在激光熔覆時協同電磁復合場利用電磁復合場在熔池區(qū)域產生感應洛倫茲力和定向洛倫茲力，通過影響熔池內部的流體流動和增強顆粒在熔池中所受到的等效浮力減少了熔覆層中裂紋的產生。Qiu[9]和Zhou等[60]通過微鍛造在激光熔覆層表面產生微塑性變形將激光熔覆層表面的殘余拉應力轉化為壓應力，減少了熔覆層中的裂紋。Ghaini等[61]發(fā)現基體熔融區(qū)的液化裂紋與焊縫中的凝固裂紋有很高的相關性，作者認為液化裂紋是凝固裂紋的強引發(fā)點。通過回填使液化的晶界愈合可以顯著減少部分熔融區(qū)中的液化裂紋，并且液化裂紋的減少可以影響焊接金屬中凝固裂紋的增長趨勢。只有當誘導應變的速率大于回填速率時才會產生裂紋。Xie等[62]提出了一種新型激光熔覆技術——通過摩擦攪拌處理(friction stir processing FSP)輔助激光熔覆。這種熔覆技術減少了熔覆層中的裂紋，并將熔覆層中的晶粒由粗網絡轉化為均勻分布的納米粒子，如圖13所示。添加輔助方法減少裂紋主要是在熔覆時改變熔池的流動和應力的變化，使熔覆層在凝固的過程中更難形成裂紋。

圖13 從FSP之前和之后的激光熔覆Ni-Cr-Fe涂層的橫截面獲得的SEM圖像Fig 13 SEM images taken from a cross-section of the laser cladding Ni- Cr-Fe coating before and after FSP

減少熔覆層中裂紋的方法除了減少應力外還可以改變熔覆層中的微觀結構。由于激光熔覆冷卻速度快，易在粘合界面附近形成馬氏體和脆性層，將導致粘合界面附近粘合強度降低和開裂。Liu等[63]使用往復沉積的策略(即多層激光熔覆)使元素通過多層熔覆逐漸分布，有助于降低界面內應力和開裂敏感性。Zeisig等[64]在高性能工具鋼上成功應用了新型Fe85Cr4Mo8V2C1(%質量分數)激光熔覆材料形成了由馬氏體、奧氏體以及VC-和Mo2C-型碳化物組成的精細均勻的微觀結構，這種相的組合以及它們的特殊形態(tài)和分布導致無裂紋的致密熔覆層。熔覆層中的裂紋是由于應力集中產生的，因此熔覆層中的微觀結構越精細越難產生裂紋。此外，在熔覆層中產生的馬氏體、滲碳體等組織具有硬脆性，容易在熔覆層中產生冷裂紋。對于冷裂紋應在熔覆前進行預熱處理，熔覆后進行緩冷和回火處理。

3 結 語

在激光熔覆中產生的氣孔、鎖孔和未熔合孔隙都是氣體殘留在熔覆層中的結果。減少孔隙的方法本質上是減少氣體的產生或加快氣體的逸出。目前的研究主要集中在加工工藝和粉末顆粒粒徑上。通過增加激光功率、降低送粉量和熔覆速度、選擇合適的粉末粒度等方法可以減少孔隙的產生。裂紋的產生是由于熔覆層中的應力超過了材料的屈服極限，減少裂紋的產生主要是減少應力的產生。裂紋的抑制方法除了選擇合適的加工工藝，還可以通過一些如電磁復合場、微鍛造和感應加熱等輔助性措施來減少裂紋。通過改變熔覆層的微觀結構也可以減少裂紋的產生。

激光熔覆技術是一種優(yōu)異的增材制造方法，在3D打印和再制造方面有很大的應用價值，但目前熔覆層穩(wěn)定性差、精度低、缺陷多的問題還未解決，大部分研究成果還停留在實驗室階段未能應用于實際。為實現激光熔覆的廣泛應用，應進一步分析以下幾個問題：(1)鐵碳合金材料碳含量較高，激光熔覆時會產生一氧化碳氣體。應通過減少粉末和空氣中的氧元素來減少一氧化碳氣體或通過增加輔助措施加速氣體的逸出提高熔覆層的質量。(2)鋁、鈦等導熱速度快的金屬在激光熔覆時會產生較大的熔融區(qū)域降低熔覆層的質量。應加快熔覆速度減少熱影響區(qū)或研制新型粉末，例如陶瓷粉末或陶瓷金屬復合粉末。粉末的熱膨脹系數、導熱性應盡可能與基體材料相接近以制備性能優(yōu)異的熔覆層。(3)激光熔覆技術主要應用于結構簡單的大型零部件，對于結構復雜和薄壁的零部件的修復問題還沒有解決。結構復雜的零部件拘束度大易變性，薄壁零部件易被熔穿。應探索熔覆工藝，減少熱應力的集中和減小熱影響區(qū)。