， ， ， ，

(西南交通大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院， 四川 成都 610031)

隨著國(guó)家大力促進(jìn)制造業(yè)綠色發(fā)展、推進(jìn)生態(tài)文明建設(shè)，激光熔覆作為一種高效率、低污染的“綠色”涂層制備技術(shù)，在高性能涂層制備、失效零部件再制造等方面有著越來(lái)越廣泛的研究與應(yīng)用。不銹鋼作為現(xiàn)代工業(yè)的支柱材料之一，具有較高的耐腐蝕性和耐熱性、高強(qiáng)度、耐久性、低維護(hù)性、制造靈活性和高硬度[1]等綜合性能。不銹鋼最早誕生于1912年，經(jīng)過(guò)一個(gè)多世紀(jì)的發(fā)展，已成為現(xiàn)代工業(yè)和工程建設(shè)中不可或缺的材料，在汽車(chē)、化工、餐飲、建筑、核電、醫(yī)療等領(lǐng)域發(fā)揮著重要作用[2-4]。不銹鋼按其組織可分為奧氏體不銹鋼、鐵素體不銹鋼、馬氏體不銹鋼和雙相不銹鋼。

不銹鋼雖然是以耐腐蝕為目標(biāo)研究設(shè)計(jì)出的鋼種，但其在實(shí)際工作環(huán)境下仍然會(huì)不可避免地出現(xiàn)點(diǎn)蝕、縫隙腐蝕、應(yīng)力腐蝕、晶間腐蝕等現(xiàn)象[5]。尤其是在深海、高溫、高壓等極端環(huán)境下，不銹鋼部件時(shí)常需要更換與維護(hù)。

激光熔覆技術(shù)作為一種常用的工業(yè)技術(shù)，自20世紀(jì)70年代以來(lái)已經(jīng)歷了40多年的發(fā)展。其主要是利用高能激光束照射，使預(yù)置在基體表面或采用同步送粉方式輸送到基體材料表面的粉末顆粒完全熔化并使基體材料表面微熔，冷卻凝固后二者形成一個(gè)冶金結(jié)合整體的技術(shù)[6]。且激光熔覆技術(shù)具有熱影響區(qū)小、稀釋率低、熔覆層組織致密、工藝過(guò)程易于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化的優(yōu)點(diǎn)，使其在零件修復(fù)與再制造方面具有廣闊的應(yīng)用前景[7]。因此通過(guò)激光熔覆技術(shù)可以在零部件表面熔覆高性能涂層以延長(zhǎng)不銹鋼零部件的使用壽命，或通過(guò)激光熔覆再制造技術(shù)對(duì)其失效零部件進(jìn)行修復(fù)與性能升級(jí)，使廢舊不銹鋼零件性能達(dá)到甚至超越新品的水平[8]。

本文就不銹鋼表面激光熔覆技術(shù)的熔覆材料以及其熔覆過(guò)程中熔覆層質(zhì)量的影響因素兩個(gè)方面的研究進(jìn)展進(jìn)行了綜述。

1 不銹鋼表面激光熔覆材料

1.1 自熔性合金

自熔性合金粉末由于其基材適用性廣的特點(diǎn)而作為不銹鋼激光熔覆的常用粉末。自熔性合金粉末是指具有強(qiáng)烈脫氧和自熔作用的硅、硼等元素的合金粉末[9]。在激光熔覆的過(guò)程中，硅、硼等元素將會(huì)與熔覆粉末中的氧和基體表面的氧化物優(yōu)先反應(yīng)生成熔點(diǎn)低、密度低的硅硼酸鹽等。這些硅硼酸鹽覆蓋在熔池表面，阻止熔池中的液態(tài)金屬過(guò)渡氧化，從而提升熔覆層的性能。按自熔合金主要成分的不同，自熔性合金粉末又分為鎳基自熔合金、鈷基自熔合金和鐵基自熔合金3大類(lèi)[10]。

1.1.1 鎳基自熔合金

鎳基自熔性合金粉末具有良好的韌性、潤(rùn)濕性、耐磨性、耐蝕性、耐沖擊性和耐熱性，并且其價(jià)格適中，所以在激光熔覆材料中研究最多、應(yīng)用最廣[9, 11]。由于鎳基自熔性合金粉末良好的潤(rùn)濕性，其在激光熔覆的過(guò)程中容易與不銹鋼基體產(chǎn)生冶金結(jié)合。目前采用的鎳基合金粉末主要包含Ni-B-Si與Ni-Cr-B-Si兩個(gè)系列。Ni-B-Si合金涂層的組織由Ni-Si固溶體(γ相)和各種彌散分布的硼化物(γ′相)以及γ-γ′共晶相組成，而Ni-Cr-B-Si合金是在Ni-B-Si合金系列的基礎(chǔ)上加入適量的Cr而形成的[12]。

王文權(quán)等[13]使用Ni-Cr-B-Si系合金粉末于304不銹鋼上熔覆立體試樣，通過(guò)對(duì)熔覆試樣進(jìn)行微觀組織觀察、物相分析與摩擦磨損試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)：當(dāng)激光能量密度增大時(shí)，微觀組織將由胞狀樹(shù)枝晶向等軸樹(shù)枝晶轉(zhuǎn)變，熔覆層中的主要強(qiáng)化相為M7C3、M23C6和Cr2B，由于晶粒細(xì)化和強(qiáng)化相的共同作用，試樣具有較高的硬度和良好的耐磨性，顯微硬度平均值達(dá)到848.1 HV0.5。

孟氫鋇等[14]在410馬氏體不銹鋼基體上激光熔覆哈氏合金C276粉末，通過(guò)硬度測(cè)試、形貌觀察、拉伸試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)熔覆層在室溫下硬度為290～320 HV，比410不銹鋼基體高20%，且熔覆后的零件相對(duì)于410不銹鋼基材具有更高的抗拉強(qiáng)度，但塑韌性有所下降。

近年來(lái)對(duì)鎳基粉末的研究多以復(fù)合涂層為導(dǎo)向，如在鎳基粉末中加入碳纖維[15]、石墨烯[16]、WC[17]等。

Zhang等[16]在Ni60粉末的基礎(chǔ)上加入原位合成的石墨烯(Gr)，發(fā)現(xiàn)Ni60+Gr涂層相比于Ni60涂層提高了硬度，并表現(xiàn)出良好的摩擦學(xué)性能。

1.1.2 鈷基自熔合金

鈷基自熔合金具有良好的耐熱性、耐磨性和耐腐蝕性等[18-19]。鈷基自熔合金潤(rùn)濕性好，其熔點(diǎn)比碳化物低，在熔覆過(guò)程中鈷元素最先熔化，而合金凝固時(shí)鈷元素最先與其它元素形成新的物相[9]。這對(duì)熔覆層的強(qiáng)化極為有利，尤其在不銹鋼激光熔覆時(shí)。常用的鈷基自熔合金有瑞典的赫格納斯合金粉末、美國(guó)的司太立合金粉末、日本生產(chǎn)的STL系列以及國(guó)產(chǎn)的CoNiCrAlY等鈷基粉末[20]。

邵延凡等[21]以Stellite 6合金粉末作為熔覆粉末在2205雙相不銹鋼表面熔覆鈷基合金涂層，通過(guò)對(duì)熔覆層進(jìn)行硬度測(cè)試、XRD、SEM、電化學(xué)腐蝕試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)熔覆層由γ-Co相和少量的Cr7C3、Cr2Ni3組成，平均硬度達(dá)477 HV0.1，相比于雙相不銹鋼基體，熔覆層的耐磨損性能提升了3倍左右，熔覆層的電化學(xué)腐蝕電位高于基體，腐蝕電流密度僅為基體的一半。Cheng等[22]使用IPG 5 kW光纖激光器于304不銹鋼表面摻入亞微米級(jí)TiC/B4C的Stellite 12粉末制備復(fù)合鈷基合金涂層，結(jié)果顯示：Stellite 12涂層主要由面心立方γ-Co和Cr7C3組成，添加的TiC/B4C形成亞微米級(jí)的微觀結(jié)構(gòu)TiC/B4C強(qiáng)化相，并且隨著TiC/B4C的增加，涂層的硬度、耐磨性、抗氧化性逐漸提高。

1.1.3 鐵基自熔合金

鐵基自熔合金具有價(jià)格較低、耐磨性能好的優(yōu)點(diǎn)，但是相比于鈷基自熔合金和鎳基自熔合金，其自熔性比較差，且熔覆時(shí)容易產(chǎn)生裂紋和氣孔。

Liu等[23]通過(guò)激光熔覆技術(shù)在304不銹鋼上制備了鐵基SMA/PZT(Shape memory alloy/lead zirconate titanate piezoelectric ceramics)復(fù)合涂層，結(jié)果表明，該復(fù)合涂層由PZT、γ-奧氏體和ε-馬氏體相組成。復(fù)合涂層的顯微硬度是SMA涂層的兩倍以上，并且由于PZT的壓電效應(yīng)和Fe基合金的應(yīng)力自適應(yīng)特性，其殘余壓應(yīng)力比SMA涂層高。涂層的摩擦因數(shù)是SMA涂層的1/2和基體材料的1/3，其體積磨損僅為SMA涂層的1/4和基體材料的1/8，并且與SMA涂層相比，其耐腐蝕性也有所提高。

1.2 陶瓷材料

陶瓷材料具有高硬度、耐高溫、耐腐蝕、抗氧化、低韌性的特點(diǎn)，在激光熔覆的過(guò)程中常作為熔覆層的增強(qiáng)相，被大量應(yīng)用在制備高溫耐磨耐蝕涂層及熱障涂層中。陶瓷材料與金屬材料在熱膨脹系數(shù)、彈性模量及導(dǎo)熱能力等物理性質(zhì)上有較大差別，導(dǎo)致陶瓷材料熔覆層易出現(xiàn)裂紋和孔洞等缺陷，在工作環(huán)境中時(shí)常出現(xiàn)變形開(kāi)裂、剝落損壞等現(xiàn)象。在不銹鋼激光熔覆中應(yīng)用的有TiB2[24]、TiC[25]、WC[26]、TiN[27]和CrC[28]等。

Pang等[27]使用噴涂與激光熔覆技術(shù)在不銹鋼表面混合沉積了具有光學(xué)性能的TiC/TiN-Ni/Mo金屬陶瓷涂層，并研究了涂層的吸收率、熱發(fā)射率、熱穩(wěn)定性和耐候性。結(jié)果表明，當(dāng)TiC/TiN質(zhì)量比為1∶1時(shí)，在300 K下的吸收率(α)為84%，熱發(fā)射率(ε)為5%。此外，在650 ℃下熱處理200 h后，金屬陶瓷涂層具有優(yōu)異的熱穩(wěn)定性和耐候性。

1.3 復(fù)合材料

復(fù)合材料粉末是指由兩種或兩種以上不同性質(zhì)的固相顆粒經(jīng)過(guò)機(jī)械混合形成的粉末。復(fù)合粉末的成分范圍十分廣泛，通過(guò)不同的組分和比例，可以制備出各種不同功能的復(fù)合粉末，從而獲得優(yōu)于單一材料涂層的性能。

1.3.1 金屬陶瓷復(fù)合材料

金屬陶瓷復(fù)合材料一般以純金屬或合金作為主體，向其中加入或原位合成陶瓷硬質(zhì)顆粒。通過(guò)激光熔覆技術(shù)在基體上制備出陶瓷顆粒增強(qiáng)金屬基復(fù)合涂層，這種涂層將金屬良好的韌性、可加工性和陶瓷材料優(yōu)異的耐磨、耐蝕、耐高溫和抗氧化特性有機(jī)地結(jié)合起來(lái)[29]。所以金屬陶瓷復(fù)合粉末常被使用在不銹鋼表面制備耐磨、耐蝕、抗氧化涂層。

Xu等[30]通過(guò)激光熔覆技術(shù)利用4000 W光纖激光器制備了TiC顆粒增強(qiáng)的Inconel 625復(fù)合涂層。研究了激光熔覆復(fù)合材料中單個(gè)熔池的形貌、顆粒分布、微觀組織演變機(jī)理、力學(xué)性能和腐蝕性能。結(jié)果表明，TiC增強(qiáng)的Inconel 625復(fù)合涂層中TiC顆粒分布均勻，組織細(xì)化。在熔覆過(guò)程中，TiC顆粒周?chē)鷰缀鯖](méi)有Fe和Ni的轉(zhuǎn)變，但界面處有Laves相析出。與純Inconel 625涂層相比，TiC增強(qiáng)的Inconel 625涂層的顯微硬度和抗拉強(qiáng)度有顯著提高，并且TiC增強(qiáng)Inconel 625涂層還表現(xiàn)出良好的耐腐蝕性能。

由于不銹鋼等人體植入物在人體內(nèi)會(huì)緩慢腐蝕，產(chǎn)生大量金屬離子，對(duì)細(xì)胞產(chǎn)生毒性作用。所以，在不銹鋼表面制備生物陶瓷涂層也成為近年來(lái)的研究熱點(diǎn)之一。

Mohammadzadeh等[31]使用預(yù)置法在316L不銹鋼表面制備納米羥基磷灰石-聚乳酸(nHA-PLA)復(fù)合涂層，通過(guò)觀察其薄膜的微觀結(jié)構(gòu)和測(cè)試顯微硬度，并進(jìn)行了電化學(xué)腐蝕試驗(yàn)和噻唑藍(lán)(MTT)細(xì)胞毒性試驗(yàn)，研究了復(fù)合膜的體外電化學(xué)和生物學(xué)特性。結(jié)果表明，涂層與基體材料的附著性良好，其平均表面硬度達(dá)到159 HV，由于激光對(duì)HA涂層的處理使得316L不銹鋼基材和人工模擬體液(SBF)之間的電子和離子遷移減少，這導(dǎo)致了電化學(xué)反應(yīng)和腐蝕速率的降低。細(xì)胞毒性試驗(yàn)表明接種在該涂層表面的人成纖維細(xì)胞(HHHF2)仍然能夠生長(zhǎng)并具有活性。

1.3.2 稀土元素改性材料

稀土元素在表面涂層制備技術(shù)中的應(yīng)用十分廣泛，如電子束熔覆[32]、電泳沉積[33]、等離子噴涂[34]、爆炸噴涂[35]、PVD[36]、激光熔覆[37]等。稀土元素在涂層中可以起到增強(qiáng)涂層的力學(xué)性能、耐磨性及耐蝕性的作用。這是由于稀土元素化學(xué)活性高，在涂層凝固過(guò)程中可以細(xì)化晶粒并增大晶界密度，并促進(jìn)金屬間化合物形成，從而強(qiáng)化涂層，并且可以提升熔覆過(guò)程中粉末的流動(dòng)性和潤(rùn)濕性，減少熔覆層的微孔結(jié)構(gòu)，從而使熔覆的宏觀成型更加良好[38]。

Weng等[39]通過(guò)二極管激光熔覆技術(shù)在不銹鋼上制備了含有不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)(0～60%)WC顆粒的Ni/WC 復(fù)合涂層，研究了激光功率、WC顆粒含量和稀土元素(La)對(duì)熔覆層組織及性能的影響，并評(píng)估了熔覆層在室溫以及600 ℃和700 ℃高溫下的摩擦磨損性能。結(jié)果表明，隨著能量密度和WC含量的增加，涂層的氣孔率明顯增加，但添加La可以有效降低復(fù)合涂層的氣孔率。涂層的耐磨性在很大程度上取決于涂層的WC含量，在室溫和600 ℃下，隨著WC含量的增加，涂層的耐磨性大大提高。將測(cè)試溫度提高至700 ℃時(shí)，會(huì)促進(jìn)涂層中形成包含NiWO4和WO3的連續(xù)氧化膜，從而減少摩擦和磨損。

Zhang等[40]采用同軸熔覆Ti6Al4V/NiCr-Cr3C2/CeO2混合粉末，通過(guò)激光熔覆技術(shù)成功制備了TiCx增強(qiáng)CrTi4復(fù)合涂層，研究了其顯微組織和元素分布。結(jié)果表明，原位合成了空位碳化鈦(TiCx)和固溶體(CrTi4)。C在TiCx中的分布發(fā)生了分化。Al和V在基體相中均勻分布，而Ni和Cr產(chǎn)生了偏析。Ce和O重結(jié)晶為CeO2和Ce2O3，并且主要分布在TiCx和CrTi4之間的相界面中。此外，與Ti6Al4V合金基體相比，復(fù)合涂層的顯微硬度和耐磨性分別提高了23%和57%。

1.4 高熵合金

高熵合金是2004年由中國(guó)臺(tái)灣學(xué)者葉均蔚等[41-44]提出的新的合金設(shè)計(jì)理念，高熵合金因具有較高的熵值和原子不易擴(kuò)散的特性，容易獲得熱穩(wěn)定性高的固溶相和納米結(jié)構(gòu)[45]。通常，高熵合金由5種以上原子分?jǐn)?shù)介于5%～35%的主要元素以等摩爾或者近似等摩爾進(jìn)行配比而成；同時(shí)，多組元合金體系根據(jù)混合熵(ΔSconf)值分為3大類(lèi)：低熵合金(ΔSconf≤5.762 J·mol-1·K-1)、中熵合金(5.762 J·mol-1·K-1≤ΔSconf≤13.382 J·mol-1·K-1)、高熵合金(ΔSconf≥ 13.382 J·mol-1·K-1)。與傳統(tǒng)材料不同，成分復(fù)雜的多主元高熵合金，其組成元素的原子在晶格位置隨機(jī)分布。所以，高熵合金在熱力學(xué)上具有高熵效應(yīng)，增進(jìn)了組元間的相溶性，避免了合金中產(chǎn)生復(fù)雜相或者金屬間化合物；其在結(jié)構(gòu)上的晶格畸變效應(yīng)提高了能量，提升了高熵合金的固溶強(qiáng)化效果，從而抑制位錯(cuò)，提高強(qiáng)度；在動(dòng)力學(xué)上具有遲滯擴(kuò)散效應(yīng)，導(dǎo)致合金中容易產(chǎn)生非晶或納米晶；在性能上具有雞尾酒效應(yīng)，合金的整體性能既是多組元的集體效應(yīng)，又可因某一元素的添加展現(xiàn)出不同性質(zhì)[42, 46-47]。

激光熔覆技術(shù)制備高熵合金涂層是近年來(lái)的研究熱點(diǎn)。Chao等[48]使用同軸送粉法在253MA不銹鋼表面上制備AlxCoCrFeNi(x=0.3、0.6和0.85)高熵合金(HEA)熔覆層，研究了關(guān)鍵工藝變量對(duì)高熵合金熔覆層形成以及沉積層與基材之間成分混合的影響。結(jié)果表明，當(dāng)Al摩爾分?jǐn)?shù)從0.3增加到0.6和0.85，高熵合金熔覆層顯示出從FCC到FCC+BCC和BCC的晶體結(jié)構(gòu)演變，并且顯微硬度增加。但是與此同時(shí)，Al含量的增加卻導(dǎo)致涂層的微觀結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性降低，因此提高了涂層在1000 ℃下等溫處理時(shí)的熱軟化水平。Zhang等[49]通過(guò)激光熔覆技術(shù)在301不銹鋼表面制備低成本的AlCoCrFexNi(x=1.5，2.5)高熵合金(HEA)涂層，并研究了它們的微觀組織演變、力學(xué)性能和磨損行為。研究表明，在兩種涂層中都鑒定出富Fe-Cr的無(wú)序BCC(A2)相和富Al-Ni的有序BCC(B2)相。當(dāng)Fe的摩爾分?jǐn)?shù)為1.5時(shí)，A2/B2的形態(tài)為含A2沉淀的B2基體。但當(dāng)Fe的摩爾分?jǐn)?shù)為2.5時(shí)，A2/B2的形態(tài)為含B2沉淀的A2基體。兩種不同比例涂層的磨損機(jī)理都為磨粒磨損和氧化磨損。并且與Fe1.5涂層相比，F(xiàn)e2.5涂層由于沉淀強(qiáng)化效果不同，具有較高的強(qiáng)度和較好的耐磨性。

2 熔覆層質(zhì)量的影響因素

不銹鋼表面激光熔覆涂層的質(zhì)量通常取決于熔覆材料及熔覆工藝的選擇。熔覆工藝主要包括粉末進(jìn)給方式、工藝參數(shù)及其它影響因素。

2.1 粉末進(jìn)給方式

2.1.1 預(yù)置粉末式激光熔覆

預(yù)置粉末式激光熔覆又稱(chēng)兩步法，是將準(zhǔn)備好的熔覆材料預(yù)先置于基體材料表面上的熔覆位置，再用激光光束掃描熔覆材料使其熔化。此種方式最常用的熔覆材料為粉體材料，預(yù)置粉材的主要方法包括熱噴涂法和黏結(jié)法。其中常用的熱噴涂方法有火焰噴涂、等離子噴涂等，熱噴涂法的優(yōu)勢(shì)在于能在極短的時(shí)間內(nèi)獲得大面積的預(yù)置涂層，同時(shí)涂層不受污染、厚度均勻，且與基體材料結(jié)合緊密，在熔覆過(guò)程中不易脫落，但熱噴涂法的材料利用率不高。黏結(jié)法是將粉末與黏結(jié)劑調(diào)和后涂在需要熔覆的基材上。黏結(jié)法雖然比熱噴涂法方便易用，但在激光的照射下黏結(jié)劑的汽化與分解容易使熔覆層產(chǎn)生氣孔等缺陷。除以上兩種方法外，還有直接放置法，就是將熔覆材料直接置于基體上進(jìn)行熔覆，此法一般在實(shí)驗(yàn)室中不使用保護(hù)氣的情況下使用。

Zheng等[50]通過(guò)激光熔覆技術(shù)在434L不銹鋼基體對(duì)預(yù)置的三層鎳包氧化釔穩(wěn)定氧化鋯(YSZ@Ni)納米顆粒進(jìn)行激光燒結(jié)，并通過(guò)理論模擬探討了不同元素之間的鍵合和擴(kuò)散機(jī)理。結(jié)果表明，YSZ@Ni復(fù)合涂層的形貌由包覆層、中間層和基體層3部分組成。在包覆層中，Cr原子的數(shù)量增加，Ni原子在基體層中大量擴(kuò)散，從而使原來(lái)的YSZ@Ni核-殼納米顆粒轉(zhuǎn)變?yōu)镃r晶體包覆的YSZ(Yttria-stabilized zirconia)陶瓷晶體。

2.1.2 同步送粉式激光熔覆

同步送粉式激光熔覆技術(shù)是將熔覆粉末在保護(hù)氣體的載送下直接送入激光光束中，使熔覆粉末的送入與熔覆同時(shí)完成。由于其自身的特殊設(shè)計(jì)，使得同步送粉式激光熔覆技術(shù)具有激光能量利用率高、易于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化控制、靈活性高等優(yōu)點(diǎn)，從而導(dǎo)致現(xiàn)今大部分激光熔覆研究都使用此種粉末進(jìn)給方式。

并且，對(duì)于同步送粉式激光熔覆，保護(hù)氣流量、熔覆粉末的粒徑、粉末進(jìn)給速度等都對(duì)熔覆層的成形有極其重要的影響。Gao等[51]基于ANSYS軟件建立了同軸送粉三維數(shù)值單道熔覆過(guò)程模型，在此模型的基礎(chǔ)上模擬同軸送粉激光熔覆過(guò)程的瞬態(tài)溫度場(chǎng)及熔覆層的幾何形狀，同時(shí)還分析了激光功率與掃描速度對(duì)熔覆層幾何形狀和溫度分布的影響，并且在不銹鋼基體上進(jìn)行了試驗(yàn)驗(yàn)證。還有學(xué)者通過(guò)三維數(shù)值模擬對(duì)同軸送粉的氣體動(dòng)力學(xué)、粉末傳輸、激光加熱及熔融金屬液滴與基體的熱過(guò)程進(jìn)行了分析[52]。所以，對(duì)粉末流場(chǎng)、激光熔覆熔池流動(dòng)等不易觀察到的試驗(yàn)情況還需更多的使用數(shù)值模擬方式進(jìn)行研究。

2.2 加工工藝參數(shù)

在激光熔覆技術(shù)中加工工藝參數(shù)通常是指激光功率、光斑直徑、掃描速度、送粉速度、預(yù)熱溫度、多道搭接率等。工藝參數(shù)對(duì)熔覆層質(zhì)量的影響主要體現(xiàn)在稀釋率與熔池流動(dòng)情況兩個(gè)方面，通常情況下激光功率越大，稀釋率越大。因?yàn)榧す夤β试龃髸r(shí)，合金粉末的熔化時(shí)間會(huì)縮短，提升與基體材料的作用時(shí)間。掃描速度越大，稀釋率越小。送粉速率越大，粉末熔化需要的能量越大，基體材料熔化的越少，稀釋率越小。光斑直徑?jīng)Q定熔池寬度，其尺寸大致相當(dāng)。Gao等[51]的研究表明，當(dāng)激光掃描速度增加時(shí)，熔池的溫度與熔覆層的寬度和高度都相應(yīng)減小。此外，當(dāng)激光功率增加時(shí)，熔池的熔寬和溫度隨之增加，而熔覆層高度趨于穩(wěn)定。蘇杭等[53]在304不銹鋼基板上熔覆Ni60A自熔性合金粉末，并測(cè)量了樣品的變形及殘余應(yīng)力，通過(guò)改變激光功率和掃描速度研究了工藝參數(shù)對(duì)激光熔覆不銹鋼薄板變形及殘余應(yīng)力的影響。結(jié)果表明，激光熔覆過(guò)后，基體板材發(fā)生垂直于熔覆方向的正向彎曲變形。熔覆層中殘余應(yīng)力分布：與掃描方向平行為拉應(yīng)力，與掃描方向垂直為壓應(yīng)力；基板底部殘余應(yīng)力分布：與掃描方向平行為壓應(yīng)力，與掃描方向垂直為拉應(yīng)力。并且增加激光功率，基材的彎曲角度與熔覆層和基板底部的平均殘余應(yīng)力隨之增加。當(dāng)激光功率為1300 W時(shí)，基材彎曲角度與平均殘余應(yīng)力最大。當(dāng)掃描速度提高時(shí)，基材的彎曲角度先減小再增大，熔覆層和基材底部的殘余應(yīng)力先降低后升高，當(dāng)掃描速度為70 mm/min時(shí)，彎曲角度與殘余應(yīng)力皆為最小值。

Zhang等[54]用CO2激光器在AISI316L奧氏體不銹鋼上熔覆Colmonoy 6鎳基合金粉末。發(fā)現(xiàn)，為防止激光熔覆過(guò)程中出現(xiàn)裂紋必須進(jìn)行預(yù)熱，合適的預(yù)熱溫度為450 ℃。還研究了激光功率、掃描速度、離焦量和送粉速度對(duì)熔高、熔寬、熔深和稀釋率的影響。結(jié)果表明，熔覆層高度和寬度隨著離焦量的增加而增加，但熔深和稀釋率會(huì)降低；隨著激光功率的增加，熔高、熔寬、熔深和稀釋率隨之增加；隨著掃描速度的提高，熔高和熔寬逐漸減小，但熔深和稀釋率逐漸增加；隨著粉末進(jìn)給速度的增加，熔高和熔寬增加，但熔深和稀釋率降低。

2.3 其它影響因素

在激光熔覆的過(guò)程中，由于激光的加熱作用，熔覆粉末和基體材料會(huì)經(jīng)歷一個(gè)高溫?zé)徇^(guò)程，在這個(gè)過(guò)程中熔覆材料極易被氧化，使熔覆層形成氣孔等缺陷，降低熔覆層的質(zhì)量。所以在熔覆過(guò)程中采取防止熔池金屬氧化的氣體保護(hù)措施是十分必要的，尤其是熔覆材料為非自熔性合金的情況下。激光熔覆常用保護(hù)氣體有氬氣[55]、氦氣[56]等惰性氣體，其中以氬氣作為保護(hù)氣最為廣泛。

同樣，在激光熔覆的快速加熱與快速冷卻中，熔覆層的大部分散熱是依靠與基體間的熱傳導(dǎo)進(jìn)行的，這使熔覆層與基體間有了較大的溫度梯度，導(dǎo)致熔覆層中產(chǎn)生殘余應(yīng)力，從而使熔覆層產(chǎn)生裂紋等缺陷。而熔覆前對(duì)基體材料進(jìn)行預(yù)熱[57-58]，熔覆后進(jìn)行熱處理[59]，能在很大程度上降低殘余應(yīng)力，減小熔覆層的裂紋傾向。還有學(xué)者[60-61]使用電磁場(chǎng)對(duì)激光熔覆過(guò)程進(jìn)行輔助，如圖1所示，發(fā)現(xiàn)此技術(shù)可以減少涂層中的缺陷。并且在多層次熔覆時(shí)，電磁場(chǎng)會(huì)使涂層的微觀結(jié)構(gòu)由柱狀枝晶轉(zhuǎn)變?yōu)榧?xì)枝晶和等軸晶。

圖1 電磁場(chǎng)輔助激光熔覆過(guò)程示意圖[61]Fig.1 Diagram of electromagnetic field assisted laser cladding process[61]

3 結(jié)語(yǔ)與展望

不銹鋼因其力學(xué)性能優(yōu)異、易加工、價(jià)格低廉等優(yōu)點(diǎn)，在當(dāng)今的經(jīng)濟(jì)建設(shè)與社會(huì)發(fā)展中有著不可替代的地位，但不銹鋼存在硬度較低、耐磨性差的問(wèn)題，且在堿性溶液、海洋、污染性氣體等環(huán)境仍然會(huì)發(fā)生腐蝕。目前，對(duì)不銹鋼表面激光熔覆的研究主要集中于提高硬度、耐磨性、特殊環(huán)境耐蝕性等方面。其具體方向有：通過(guò)開(kāi)發(fā)新型熔覆材料體系提升熔覆層耐蝕、耐磨、耐高溫等性能；通過(guò)調(diào)整熔覆工藝來(lái)減少熔覆層中的氣孔及微裂紋等缺陷的形成，從而提升熔覆層質(zhì)量；通過(guò)數(shù)值模擬軟件模擬激光熔覆過(guò)程并進(jìn)行驗(yàn)證性試驗(yàn)，構(gòu)建粉末流場(chǎng)、瞬態(tài)溫度場(chǎng)、熔池狀態(tài)等新型模型，對(duì)熔覆層的形成機(jī)理、幾何特征、應(yīng)力狀態(tài)進(jìn)行解釋?zhuān)瑥亩鵀榧す馊鄹布夹g(shù)的進(jìn)一步應(yīng)用提供數(shù)據(jù)支持和理論基礎(chǔ)。

目前，通過(guò)激光熔覆在新品零件表面制備高性能涂層的技術(shù)已經(jīng)得到了較為廣泛的產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用，但激光熔覆技術(shù)在失效零件再制造的系統(tǒng)性研究及產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用方面仍有極大的發(fā)展?jié)摿?。并且?dāng)前的不銹鋼表面激光熔覆的主要研究重點(diǎn)集中在熔覆層的冶金機(jī)理及性能提升方面，對(duì)于不銹鋼基體激光熔覆界面行為研究鮮有報(bào)道；此外，不銹鋼表面激光熔覆研究大多使用奧氏體不銹鋼與雙相不銹鋼作為基體材料，對(duì)馬氏體不銹鋼這類(lèi)高強(qiáng)度不銹鋼的研究較少，激光熔覆作為具有極大溫度梯度的涂層制備技術(shù)，基體材料對(duì)涂層成型質(zhì)量影響的研究必不可少；隨著超高速激光熔覆、激光熔覆增材制造等技術(shù)的快速發(fā)展，新型激光熔覆技術(shù)在不銹鋼表面的適配性研究應(yīng)盡快開(kāi)展，以上幾點(diǎn)可作為不銹鋼表面激光熔覆技術(shù)研究的發(fā)展方向。