一、什么是激光熔覆

激光熔覆是指以不同的添料方式在被熔覆基體表面上放置被選擇的涂層材料經(jīng)激光輻照使之和基體表面一薄層同時(shí)熔化，并快速凝固后形成稀釋度極低，與基體成冶金結(jié)合的表面涂層，顯著改善基層表面的耐磨、耐蝕、耐熱、抗氧化及電氣特性的工藝方法，從而達(dá)到表面改性或修復(fù)的目的，既滿足了對材料表面特定性能的要求，又節(jié)約了大量的貴重元素。

與堆焊、噴涂、電鍍和氣相沉積相比，激光熔覆具有稀釋度小、組織致密、涂層與基體結(jié)合好、適合熔覆材料多、粒度及含量變化大等特點(diǎn)，因此激光熔覆技術(shù)應(yīng)用前景十分廣闊。

二、激光熔覆工藝特點(diǎn)

1、激光熔覆層與基體為冶金結(jié)合，結(jié)合強(qiáng)度不低于原基體材料的95%;

2、對基材的熱影響較小，引起的變形也小;

3、材料范圍廣泛，如鎳基、鈷基、鐵基合金、碳化物復(fù)合材料等，可滿足工件不同用途要求，兼顧心部性能與表面特性;

4、熔覆層及其界面組織致密，晶粒細(xì)小，無孔洞，無夾雜裂紋等缺陷;

5、可對局部磨損或損傷的大型設(shè)備貴重零部件、模具進(jìn)行修復(fù)，延長使用壽命;

6、熔覆工藝可控性好，易實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化控制;

7、對損壞零部件，可實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量、快速修復(fù)，減少因故障停機(jī)時(shí)間，降低設(shè)備維護(hù)成本。

三、激光熔覆的工藝原理

激光溶覆是利用高能激光束輻照，通過迅速熔化、擴(kuò)展和凝固，在基材表面熔覆一層具有特殊物理、化學(xué)或力學(xué)性能的材料，構(gòu)成一種新的復(fù)合材料，以彌補(bǔ)基體所缺少的高性能。能充分發(fā)揮二者的優(yōu)勢，克服彼此的不足。

激光熔覆按熔覆材料的供給方式大概可分為兩大類，即預(yù)置式激光熔覆和同步式激光熔覆。

預(yù)置式激光熔覆是將熔覆材料事先置于基體材料表面的熔覆部位，然后采用激光束輻照掃描熔化，熔覆材料以粉、絲、板的形式加入，其中粉末的形式最為常用。預(yù)置式激光熔覆的主要工藝流程為：基體材料熔覆表面預(yù)處理-預(yù)置熔覆材料-預(yù)熱-激光熔化-后熱處理。

 預(yù)置式激光熔覆

同步式激光熔覆則是將熔覆材料直接送入激光束中，使供料和熔覆同時(shí)完成。熔覆材料主要也是以粉末的形式送入，有的也采用線材或板材進(jìn)行同步送料。同步式激光熔覆的主要工藝流程為：基體材料熔覆表面預(yù)處理-送料激光熔化-后熱處理。

同步式激光熔覆

四、激光熔覆與航空制造

1 、激光熔覆成形用于零件制造

激光熔覆成形技術(shù)在無需任何硬質(zhì)模具或模型的情況下，能快速制備出不同材料的復(fù)雜形狀的金屬零件，該技術(shù)突破了常規(guī)的機(jī)械制造概念，能夠制造出形狀任意的復(fù)雜金屬實(shí)體零件，對零件形狀復(fù)雜程度的適應(yīng)性非常強(qiáng)，為復(fù)雜零件的制造提供了一條有效途徑。

航空航天工業(yè)正快速地采用較新的合金如Ti-6Al-4V，來制造高強(qiáng)度/重量比率、耐熱、耐疲勞和耐腐蝕的零件。但在這些新型合金的加工上，傳統(tǒng)工藝方法有許多難以克服的缺點(diǎn)，如生產(chǎn)隔板是用數(shù)英寸厚數(shù)千磅重的齒形合金板加工，得到這些合金板的時(shí)間要一年或一年以上。因?yàn)殡y以加工，加工這種零件需要花費(fèi)昂貴的加工中心數(shù)百小時(shí)，磨損大量的刀具。而激光熔覆成形技術(shù)則在這方面具有較大優(yōu)勢，可以降低庫存和減少制造時(shí)間。

2、 激光熔覆成形用于零件修復(fù)

激光熔覆成形技術(shù)對當(dāng)前的修復(fù)工藝產(chǎn)生直接的影響，其優(yōu)點(diǎn)包括工藝自動(dòng)化、低的熱應(yīng)力和變形等等。由于人們期望對飛機(jī)的壽命不斷延長，需要更加復(fù)雜的修復(fù)和檢修工藝。渦輪機(jī)齒片、葉輪和轉(zhuǎn)動(dòng)空氣密封墊等零件正是通過更新可以延長已有結(jié)構(gòu)壽命的零件，其中一些零件可以通過表面硬化得到修復(fù)，然而許多其他零件需要更為復(fù)雜的修復(fù)工藝，并且由難加工的材料制成。激光熔覆修復(fù)工藝能應(yīng)用于大范圍的材料而不降低母材性能，比起零件或工具的置換節(jié)約75%以上的成本。例如用激光熔覆技術(shù)修復(fù)裂紋，由于非穿透性裂紋通常發(fā)生在非薄壁零件，其深度無法直接測量，其他修復(fù)技術(shù)無法發(fā)揮作用。此時(shí)采用激光熔覆技術(shù)，視情況多次打磨和探傷將裂紋逐步清除，打磨后的溝槽用激光粉末多層熔覆工藝填平，即可重建損傷結(jié)構(gòu)，恢復(fù)其性能。

激光熔覆修復(fù)齒輪表面

3、 激光熔覆技術(shù)用于航空材料的表面改性

采用激光法制備陶瓷涂層，可在金屬表面預(yù)先進(jìn)行陶瓷涂敷，然后再進(jìn)行激光處理，使得涂層組織更加細(xì)密。也可以直接進(jìn)行激光涂層：先噴涂過渡層（如NiCr、NiAl、NiCrAl、Mo等）材料，再用脈沖激光涂敷陶瓷材料，使過濾層中Ni、Cr合金與陶瓷中Al2O3、ZrO2附在基體表面，形成多孔特性，使基體中的金屬分子也能擴(kuò)散到陶瓷中，進(jìn)而改善涂層的結(jié)構(gòu)與性能。

隨著航空燃?xì)鉁u輪機(jī)向高流量比、高推重比、高進(jìn)口溫度方向發(fā)展，燃燒室中的燃?xì)鉁囟群蛪毫Σ粩嗵岣?。陶瓷熱障涂層用于燃?xì)廨啓C(jī)的高溫合金表面，起到隔熱作用，可降低金屬表面溫度，提高燃?xì)鉁囟龋瑥亩岣呷細(xì)廨啓C(jī)效率，延長其使用壽命。利用大功率激光器直接輻射陶瓷或金屬粉末，將其熔化后在金屬基體上快速凝固形成涂層，陶瓷與金屬基體為冶金結(jié)合，得到垂直于表面的柱狀組織，形成性能良好的熱障涂層。