给基体穿上坚固“外衣”揭秘激光表面熔覆技术

     上世纪70年代，随着大功率激光器的发展成熟，激光表面熔覆技术也登上了工业加工的舞台，成为一种成效卓著的表面涂层方法，为改善基体的物理化学性能起到了立竿见影的效果，即便到几天也不过时。下面，我们就来介绍这种涉及光、机、电、计算机、材料、物理、化学等多门学科的跨学科高新技术。

    什么是激光表面熔覆技术

    激光表面熔敷技术是一种强化基体表面的方法。它利用激光束产生的高温，将合金粉末或陶瓷粉末瞬间加热熔化，并使其冷却后在基体表面上形成一层稀释率极低、与基体材料呈冶金结合的表面涂层，从而显著改善基体表面耐磨、耐蚀、耐热、抗氧化及电气特性等一系列物理化学性质。

    利用这一技术，可在廉价的金属基材上得到高性能的表面，同时又不会破坏基体的原有性质，既节约了贵金属，又能很好的达成强化效果，因此具有极佳的经济效益。

    激光表面熔覆技术所用设备

    激光表面熔覆技术所使用的设备主要包括激光器和送粉装置两种。激光器中常用到的是CO2激光器和固体激光器，而后者又包括碟片激光器、光纤激光器和二极管激光器等。高功率固体激光器更多地应用于有色金属的表面熔覆，因为CO2激光器的输出波长较大，会容易造成这类金属的变形，甚至是塌陷。

    激光表面熔覆的送粉包括粉末预置法和同步送粉法。前者是预先将所需的合金或陶瓷粉末按照剂量放置在基体表面，再用激光器实现熔覆；而后者是采用自动化装置，不断将粉末送到所要加工的基体上。第二种方式除了效率更高外，激光吸收率也更高，不容易产生内部气孔，形成的覆层具有更好的均匀性和抗开裂性能。

    激光表面熔覆技术有何特点

    第一个特点是适用范围更广。激光表面熔覆技术对粉末几乎没有任何限制，尤其擅长在低熔点金属基体表面熔敷高熔点合金，这是其他表面技术很难实现的。这种方法形成的熔覆层厚度范围很大，单道送粉一次涂覆厚度可以取到0.2到2纳米之间的任意值，这样就能够满足不同类型的加工需求。另外激光表面熔覆拥有高达每秒106开的冷却速度，这使其可以快速地凝固，因此更容易得到细晶组织或产生平衡态所无法得到的新相，如非稳相、非晶态等。

    第二个特点是工艺性能好。将出的涂层成分和稀释度是可以控制的，只需要对激光工艺参数进行调整，就可以得到稀释率低于5%的良好涂层，这就使得激光表面熔覆涂层与基体形成了牢固的冶金结合或界面扩散结合。这种技术的热输入和畸变程度较小，尤其是当采用高功率密度的设备进行快速熔覆时，发生的热变形可以有效控制在零件的装配公差以内。

    第三个特点是易于实现。激光表面熔覆技术可以对基体进行选区熔敷，不需要消耗多少粉末材料就能够得到高质量的涂层，因而拥有可观的性价比。用激光熔化粉末进行涂层，能够使很多使用其他方法难以接近的区域也可以实现涂层。整个工艺过程可以实现自动化，很适合常见易损件的磨损修复。

    目前，激光表面熔覆技术现已经应用在不锈钢、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表面涂层加工。而其计算机辅助设计相结合形成的增材制造技术，即3D打印，为激光熔覆技术又注入了新的活力。