在最近几年，激光技术的持续发展使得新的应用成为可能。特别是焊接、钎焊和热处理方面，激光器取代了工业制造中的传统的生产方法。现在熔覆技术方面也出现了这种现象。光纤耦合半导体激光器作为几乎所有熔覆应用的理想工具，已被选定应用在很多安装中。坚固和紧凑的设计与均质光斑高能量密度的组合是其能作为低成本的灵活工具的背景。这些激光器的高转换效率既有高的经济效益又有助于环境的良好发展。

　　激光熔覆基础知识熔覆是材料加工中的通用方法。它允许组件被改变，并根据材料的性质、几何形状或功能性质方面的需要作出相应改造。这方面的例子有抗磨损保护、维修和设计审查、以及磨损保护和非磁性部分表面的行为。激光熔覆相比于现有的表层焊接方法，如热喷涂和TIG焊接，，我们发现它的主要优点是需要较少的热量输入，并随后又迅速凝固结合，因此失真较少。与基材的稀释非常好，因为显微结构为微粒。通过激光产生的涂层只需要一点点在结尾的加工，做出的表面致密、无孔，如果想要甚至可以达到硬化。复杂的三维零件通常使用基于粉末的熔覆应用，原因是易于操作。图片1显示了一个熔覆喷嘴应用，同轴粉末供应(左)和离轴供给作为原理(右)。该粉末通常是通过惰性气体输送的。

　　熔覆喷嘴和原理在大多数情况下，光纤耦合半导体激光器高达50%的光电转换效率均采用圆光斑和平顶能量分配。图片2显示的是Laserline的LDF系列焦平面(最左边)测量到的点和其他为大范围和特殊情况下(左到右)来建立一个熔覆斑点的选择。

　　从Laserline的LDF系的圆形和矩形光斑点 Laserline半导体激光器的光纤耦合使得应对背反射有更灵活的光斑设计。和非光纤耦合激光器相比,该激光器更不易被灰尘，污垢和粉末覆盖。直接半导体激光器需要维修，在一个具有维修的需要的，这些也需要工具中心点的校准。另外使用一根光纤使激光头没有振动，当二极管老化并不会影响到光斑形状。在最近几年已经观察到，来自工件太多背反射会使直接半导体激光器失效。修复焊接大部件的修复工作，数千瓦范围内的高功率半导体激光器被用于大范围粉末焊接，并具有较高的速度。熔覆区域的典型宽度为3至12毫米，一次熔覆厚度范围从0.3至1.5mm。焊接速度范围为1至3米/分钟。该粉末的效率一般在95 %的范围。举例说，6千瓦激光器可以在一小时内焊接4公斤铬镍铁合金625 。图像3显示了一个压缩机单元的传动轴的修复过程。有轴承部分(a)有明显的磨损区域。激光熔覆工艺(b-c)有助于重建材料在磨损区域，在制造加工后部件焕然一新(d)。损坏部件被带回与少量材料和能量作用。

　　修复轴承和压缩机(来源: TM Comas) 使用这种方法，高应力和昂贵的部件可以环保地与经济地进行返工。所以矿山、船舶、石油和天然气、石油化工和交通运输等行业的零件往往在可以在加工车间和设施改造车间看到。外径旁边(OD)熔覆，激光器也可以在内径(ID)进行熔覆。图片4显示了这样的应用。

　　内径熔覆(来源: Nutech GmbH)

　　防腐蚀和磨损保护为了保护金属部件免受磨损和腐蚀，一般都采用不同的技术。热涂层像火焰、等离子喷涂通常用于更大范围的薄层。这是防止过高的能量输入基材。主要消极点是涂层对基材的纯机械粘合。此外，该层是不致密，而是非常多孔的。不在一个面积较大的机械上，这些涂料常常失效，将剥落或成片。其他常规方法用于焊接像MIG /MAG/TIG(弧焊)产生非常高的能量输入。后者常常导致失真。对那些传统的方法存在的缺点还包括自动化或不符合客户需求。表1给出了一些涂层技术的概述。

　　:涂层技术对比(来源: Fraunhofer IPT) 与此传统方法相反，激光相关的应用具有基体材料和涂覆材料之间的真正的冶金结合。热影响区非常小。用激光进行热喷涂，有较少的孔，更高的粉末效率，一种基于激光的更大的腐蚀保护方法。所使用的粉末可以是任何能够被焊接的金属。在试验中，以及在与科研院所专家、或激光公司和系统制造商的讨论中，发现了最适用的材料或合金。最常见的粉末是镍、钴、铁基，可能会包含一些抗磨陶瓷，如碳化钨。接下来的首要目标，是保护部件免受磨损和破裂，特别在石油和天然气、采矿和运土等特定行业，可以很好的实施。钻头可以成形以特定的方式，并确保在钻探和开采中没有火花，零件在深孔钻时往往需要有无磁性表面涂层，不会干扰到钻井装置中的传感器和其它特定部件。举例说明，图5显示的是用钨碳化物系陶瓷的镍基合金建立的最高磨损保护的轴熔覆。

　　镍矩阵碳化钨熔覆工具(来源:Fraunhofer CCL) 增材制造有几种技术用于从粉末或线材产生一个部件。粉末的加工由惰性气体携带通过一个喷嘴，通常被称为直接金属沉积或激光金属沉积(LMD)。另一个基于激光的方法是选择性激光熔化(SLM)，其中一个非常小的激光束在粉末床上创建部件。SLM非常适用于小型和精确的零件，但花费的时间比LMD更长。听了近期的会议或谈话告诉最终用户和激光公司，LMD正在获得越来越多的份额，尤其是在一些非常有趣的商业案例。材料的建造中只有很少的损耗，几乎不需要返工，被认为是近净成形制造。一个非常有趣的方法是激光及其工作头与喷嘴集成到一个加工中心。增材(通过激光)和减材(通过机械加工)的加工组合给制造带来一种新的方法。一个例子是，一个具有2.5千瓦半导体激光器五轴铣床的组合。这是看不见的，因为极其紧凑的光纤耦合半导体激光器，在横截面创建部件。这使得部件的制造中不会产生不应该的固体材料块。激光产生部件，使用所要求的材料特性的粉末，最终加工成符合要求的形状和精度，并且是夹紧生成;没有必要重新测量。有任何切边或背部锥度的新设计是可以想象的。设计师能想到零件在汽车、航空航天、通用制造、机械加工等方面的新方法。空心型部件成为轻量但强大的有前途的组件。材料不是限制因素。任何钢、铁、镍、钴，包括黄铜和钛合金都可以用于增材制造。最近进行的比较另外地表明，LDM零件可以比SLM过程快10倍。图片6显示了激光产生的部件，由不锈钢粉末创建，并在相同的五轴机床的铣削和加工而成。它是一个在同一台机器上使用使用增材和减材的方法。

　　激光增材制造部件(来源: DMG MoriSeiki)

　　总结和展望总的而言，熔覆是生产、修复和性能改造的一种多用途的材料处理方法。高层次的自动化在几乎所有的应用组合中能够提高生产率、节约能源、材料和最终的成本。推出更高效率和更高输出功率的激光器，Laserline公司正在参与这个市场，并在中国的市场提供激光器和配件方面的量身定制的解决方案。使用20KW功率半导体激光器，提供近2 m2/小时的涂层区域效率。粉末用量在弗劳恩霍夫研究中心被证明是接近到15kg/小时。下一步提高纯数字的熔覆应用，更高的集成到生产网络是另一个积极的态度和展望。这将使我们能够制造零件，而在几年前我们完全没想到。

　　激光熔覆( 亦称激光堆焊) 是指以不同的添加方法在被熔覆的基体上放置选择的涂层材料，经高能密度激光束辐照加热，使之和基体表面熔化，并快速凝固，从而在基材表面形成与其为冶金结合的表面涂层的工艺过程。激光熔覆具有如下优点：1) 激光束的能量密度高， 加热速度快，对基材的热影响较小，引起工件的变形小;2) 控制激光的输入能量，可将基材的稀释作用限制在极低的程度(一般为2%-8%)，从而保持了原熔覆材料的优异性能;3) 激光熔覆涂层与基材之间结合牢固(冶金结合)，且熔覆涂层组织细小。这些特点使得激光熔覆技术近十年来在材料表面改性方面受到高度的重视。大面积激光熔覆工艺方法主要有两种：多道搭接和多层叠加，即从横向和纵向两个方向进行的加工处理。多层叠即先在基体上进行第一次熔覆，然后在熔覆后的涂层上进行二次粉末预置，待粉末干燥后进行第二次熔覆，按此方式继而完成多层熔覆，不同层可以预置不同的粉末，从而达到不同的预期效果。

　　1.1 激光熔覆材料体系

　　(1) 自熔性合金粉末：可分为镍基自熔合金、钴基自熔合金和铁基自熔合金，其主要特点是含有硼和硅，具有自脱氧和造渣能力， 即自熔性。自熔合金的硬度与合金含硼量和含碳量有关，随硼、碳含量的增加而提高，这是由于硼和碳与合金中的镍、铬等元素形成硬度极高的硼化物和碳化物的数量增加所致。

　　(2) 碳化物复合粉末体系：由碳化物硬质相与金属或合金粘结相组成，主要有(Co、Ni)/WC和(NiCr、NiCrAl) Cr3C2等系列。这类粉末中的粘结相能在一定程度上使碳化物免受氧化和分解。碳化物复合粉末作为硬质耐磨材料，具有很高的硬度和良好的耐磨性, 其中(Co、Ni)/WC 系适应于低温(<560℃)的工作条件，而(NiCr，NiCrAl)/Cr3C2系适用于高温工作环境。此外，(Co、Ni)/WC复合粉还可与自熔性合金粉末一起使用。

　　(3) 氧化物陶瓷粉末：具有优良的抗高温隔热、耐磨、耐蚀等性能，主要分为氧化铝和氧化锆两个系列， 而后者比前者具有更低的热导率和更好的抗热震性能，因而广泛用作热障涂层材料。

　　1.2 激光熔覆工艺种类

　　激光熔覆的工艺可以分为两种：一种是激光处理前供给添加材料，即粉末预置法;另一种是激光处理过程中同步供给添加材料，即同步送粉法。粉末预置激光熔覆是将材料事先放置于基体材料表面的熔覆部位，然后采用激光束辐射扫描熔化，熔覆材料可以采用粉末、丝材或板材的形式加入，其中，以粉末的形式最为常用。绝大多数研究采用粉末预置方式。预置涂层式激光熔覆的主要工艺流程为：基体熔覆表面预处理、预置涂层材料、预热、激光熔化、后热处理。同步送粉式激光熔覆是将熔覆材料直接送入激光束中，使供料和激光熔覆同时完成。熔覆材料的加入方法主要是以粉末的形式送入，有时也会采用线材和板材的形式进行同步送料。对于熔覆面积比较大的零件可采用同步送粉法。此种方法送粉量可以调节，同步送粉器可以连续工作，因而熔覆效率高，适用于实际生产中大批零件的表面激光熔覆。同步送粉式激光熔覆的主要工艺流程为：基体熔覆表面预处理、送料激光熔化、后热处理。

　　1.3 激光熔覆工艺参数

　　激光熔覆工艺参数主要包括激光功率P、光斑尺寸(直径D或面积S)、激光扫描速度V、多道搭接的搭接率或多层叠加的停光时间、涂层材料的添加方式和保护方式等。上述工艺参数是决定激光熔覆涂层宏观力学性能、微观组织结构的关键因素。目前工艺参数的选择是以试验归纳为主，文献研究了宽带激光熔覆工艺参数对梯度生物陶瓷涂层显微组织与烧结性的影响。结果表明，当D、V 不变时，随着P 增加，涂层的致密度逐渐下降，孔隙率逐渐增大。试验表明，粉末的种类、数量和粒度不同，激光熔覆的工艺参数变化很大。

　　1.4 激光熔覆涂层的性能

　　(1) 耐磨性能

　　激光熔覆涂层的耐磨性能主要取决于熔覆层各组成相的性质、含量及分布状态等。文献[10]的研究结果表明，激光熔覆Ni基WC涂层的耐磨性与WC颗粒的种类和含量有关。由单晶WC组成的涂层的耐磨性能明显低于同样粒度及含量下由铸造WC和烧结WC颗粒组成的涂层的耐磨性能。单晶WC含量在35%时熔覆层具有最佳的耐磨性能，过高的WC含量降低熔覆涂层的耐磨性能。而对铸造WC颗粒，含量增加时涂层的耐磨性能亦增加。文献[11]报道了Ti-6Al-4V合金表面激光熔覆BN+NiCrCoAlY涂层的显微硬度和耐磨性能，熔覆涂层的硬度随BN含量的增加而增大，显微硬度在800-1200 HV之间，与时效硬化和激光表面熔凝的钛合金相比，激光熔覆层的磨损率降低了1-2个数量级。Abbas[12]在En3b钢表面激光熔覆Stellite6和Stellite6+SiC涂层，其磨损试验表明，激光熔覆Stellite6合金涂层的耐磨性能比基底材料提高5倍;在Stellite6合金中加入10%的SiC后，其耐磨性能比Stellite6合金涂层增加2倍。Ayers[13]利用激光熔化铝合金和钛合金表面并注入TiC和WC陶瓷粒子，磨粒磨损试验结果表明，在铝合金表面注入TiC粒子，可使其耐磨性能提高7-38倍;在Ti-6Al-4V合金表面注入TiC和WC粒子可使其耐磨性能提高7-13倍。文献[14]通过向镍基合金涂层中添加SiC颗粒提高了熔覆涂层的耐磨性和硬度，其原因是部分SiC颗粒发生了分解，增加了熔覆涂层中碳和硅的含量，使熔覆层在激光加热后的快速冷凝过程中形成了高硬度的Fe7C3、Fe0.79C0.12Si0.09等化合物，这些高硬度相的弥散强化作用与合金元素的固溶强化作用使熔覆涂层表面具有极高的硬度;另一方面，镍基自熔合金在复合涂层中起着粘结相的作用，使涂层在具有高硬度的同时还具有一定的韧性，这对熔覆涂层的耐磨性能的改善也是大有裨益的。激光熔覆金属-陶瓷复合涂层的硬度和耐磨性能除与陶瓷相种类、粒度和分布有关外，还与激光熔覆工艺参数密切相关。文献[15]对A3钢表面激光熔覆Fe+WC金属陶瓷复合涂层显微硬度的研究表明，由于WC的溶解使粘结金属中W的含量显著增加，对提高粘结金属的硬度有利;同时扫描速度越慢，熔覆涂层的稀释率也就越高，稀释率的提高又使粘结金属的显微硬度降低。因此，存在最佳的扫描速度值而使熔覆层具有最高的硬度。

　　(2) 耐蚀性能

　　WangA H等[16]利用YAG激光器对SiC增强ZK60(Mg-6%Zn-0.5%Zr)镁基复合材料熔覆Al-Si合金，使复合材料极化曲线出现明显的钝化，腐蚀电位有很大的提高，腐蚀电流密度明显降低。胡乾午[17]对Mg-SiC复合材料喷涂铜合金，然后用2 kW- Nd：YAG激光器进行激光熔覆，熔覆后表层Cu60Zn40合金与Mg-SiC基体熔合良好，激光熔覆试样的腐蚀电位Ecorr比未处理的提高3.7倍，其相对腐蚀电流密度Jcorr降低约22倍。

　　2. 激光熔覆技术的应用

　　激光熔覆是新型的局部表面处理方法，是未来工业应用潜力最大的表面改性技术之一，具有很大的技术经济效益，其应用大致体现在以下几个方面：

　　2.1 在汽车工业中的应用

　　早在十几年前，欧洲汽车工业就开始将高功率激光器用于车身的焊接和切割。由于汽车的发动机阀、汽缸内槽、齿轮、排气阀座以及一些精密微细部件需要高的耐磨耐热以及耐蚀性能，因此激光熔覆有了很广泛的应用，例如在汽车发动机铝合金缸盖门座上激光熔覆直接成型铜合金阀门座圈，取代传统的粉末冶金/压配座圈，可以显著改善发动机的性能，降低生产成本，延长发动机阀门座圈的工作寿命[18-20]。

　　1) 在航空航天中的应用[21-23]

　　钛合金虽然已经在航空航天部门广泛使用，但是其摩擦系数大，耐磨性差，在其表面熔覆一层增强材料就能显著的改善表面性能。如NiCrBSi 和NiCoCrAlY 合金粉末均为常用的热喷涂材料，其涂层致密、结合强度大，耐腐蚀、耐高温，抗氧化性也很优良。

　　2.2 模具方面的应用

　　模具的使用寿命在很大程度上决定了一些设备的生产率和生产成本，经过激光熔覆处理过的模具，其表面硬度、耐磨性、抗高温性等都有显著的提高，从而提高了使用寿命。

　　2.3 轧辊行业中的应用

　　轧辊是轧钢工业中耗用量较大的工具，作为轧钢机直接的工作部件，它的质量直接关系到轧板、带材的产量和质量，因此用激光熔覆对其进行处理已成为目前普遍关注的问题。

　　2.4 生物医用方面的应用

　　不锈钢、钛及其合金作为生物医用材料，因其具有良好的力学性能而受到人们的普遍欢迎，但其较差的耐蚀性、生物相容性及金属离子潜在的毒副作用却使它在机体中的应用受到极大限制，在基材TC4 表面进行激光熔覆原位合成与涂覆羟基磷灰石(HA)等生物陶瓷的改性方法因合成HA 效率高、工艺新颖、操作方便而引起广泛关注[24]。

　　英国RollsRoyce公司采用激光熔覆技术代替钨极氩弧焊堆焊技术修复航空涡轮发动机叶片[36]，不仅解决了工件的开裂问题, 而且大大降低了工时。Toyota 公司在铝合金气缸上激光熔覆铜基复合材料，使耐磨粒磨损和粘着磨损的能力显著提高[25-26]。近年来国内也在叶片和阀座修复等方面开展了激光熔覆的应用研究。文献[27]道利用激光熔覆工艺代替等离子喷涂和真空感应熔焊工艺，在内燃发动机排气阀密封面熔覆NiCrBSi和CoCrW合金涂层，不仅避免了涂层中的孔洞和微裂纹，而且涂层的显微硬度明显提高，排气阀密封面耐磨和耐蚀性能提高3～4倍。激光熔覆处理可以改善工模具钢的表面硬度、耐磨性、红硬性、高温硬度、抗热疲劳等性能，从而提高了工模具的使用寿命。如在轧钢导向板上激光熔覆高温耐磨涂层，使其寿命与普通碳钢导向板相比提高4倍以上;与整体4Cr5MoVSi导向板相比轧钢能力提高一倍以上，减少了停机时间，提高了产品的产量和质量，降低了生产成本等[28]。

　　近年来，基于三维激光熔覆工艺的激光金属成型技术( LMF) 已成为激光熔覆技术领域的一个新的研究热点。这一技术是在激光加热下，逐层使添加材料熔化并快速凝固，最终堆积成要求形状的零件。LMF技术成功地范例是用于制造塑料加工机的挤压蜗杆[29]。此外，Kock等人[30]采用激光熔覆快速成型技术制备了几种铝合金零部件。文献[31]介绍了应用激光快速成型技术加工胎体PDC钻头，这种新型加工技术，可以提高钻头加工精度，缩短钻头制造周期，使传统工艺无法生产的复杂钻头得以实现，并使钻头外表更加美观。胡名玺等[32]将反求工程和激光快速成型技术应用在制造先进的呼吸面罩上，大大缩短了产品的开发周期，节约大量成本，生产出高质量的产品。