一、绪论
20世纪70年代末，美国公司就对激光熔覆进行了研究，而因大功率激光器还未发展起来，所以此项技术未能被推广起来。直到20世纪80年代末期，随着大功率激光器逐步商业化，才使激光熔覆技术快速发展起来。此技术通过改变材料表面组织结构，提高材料表面的硬度，抗腐蚀、耐疲劳等特性，做到降低成本的效果。由于它加工速度快、效率高，因此，备受各个国家的关注。
1 激光熔覆技术的概述
激光熔覆技术是指在基材表面上添加需要的熔覆材料，在高能激光束的辐射下，使熔覆材料和基材表面熔化后相融合，凝固后在基材表面形成冶金结合的表面熔覆层，从而达到基材表面改性的作用。相比于堆焊，电镀和气相沉淀等技术，激光熔覆技术冷却速度快，可以获得细晶组织，材料性能得到提高，其次具有稀释度小、组织致密、涂层与基体相容性良好、可以用多种材料进行激光熔覆等特点[1-3]。
1.1同轴送粉激光熔覆技术
同轴送粉方式作为激光熔覆技术之一，它克服了旁轴送粉的许多缺陷[4-5]。同轴送粉激光熔覆技术一般采用半导体光纤输出激光器和盘式气载送粉器，熔覆头采用中心出光的圆形光斑，光束周围环状送粉或者多束送粉，并设置由专门的保护气通道，粉束、光束与保护气流交于一点。同轴送粉激光熔覆时会在这一焦点处形成一个熔池，相对基材熔覆头做相对运动，会在基材表面形成熔覆层，从而达到改性的目的。在同轴送粉喷嘴的辅助下激光头进行熔覆时，同时供给激光束，粉末和保护气体，熔覆层质量得到大大提高，并且粉末利用率也得到提高[6]。
同轴送粉激光熔覆技术特点：
（1）灵活性高，易于自动化
在熔覆过程中可以通过向任何方向移动从而获得质量和形状相同的熔覆层。使用工业机器人或多轴运动机床，可以对任何路径或形状的零件进行表面包覆。激光同轴熔覆还可以用来做打印头进行3D打印[7]。
（2）熔池保护
同轴送粉的激光熔覆技术采用惰性保护气体将粉末送至基材表面，熔覆头部设有专用惰性气体通道。在熔覆过程中，熔池始终处于良好的惰性气体气氛中，这大大减小了熔池的温度。同轴送粉激光熔覆在基材表面形成的熔覆层，具有氧化夹杂物少，熔池小，粉末热量均匀，抗裂性好等特点。
（3）熔覆层抗裂性好
同轴送粉激光熔覆技术所产生的光斑尺寸较小，一般直径在1~5mm范围内。激光束与粉末均匀融合，在熔覆过程中传导热量更加均匀，因此，所产生的熔覆层内热应力较小，从而使得熔覆层具有良好的抗裂性能。例如对含有碳化钨等陶瓷颗粒增强的复合材料，进行同轴送粉激光熔覆，适用于制备无裂纹且碳化钨均匀分布的覆层。
（4）适用范围广
同轴送粉激光熔覆技术通常用于高精度零件和复杂形状零件如主轴、齿轮和箱体的表面改性和再制造。同时，激光熔覆成形技术也应用于航空领域的零件制造。
1.2旁轴送粉激光熔覆技术
旁轴送粉激光熔覆技术就是在激光熔覆工作过程中，送粉喷嘴在激光头的侧向，激光头工作时，送粉喷嘴进行侧向送粉，激光头大多数应用于CO2激光器和半导体直接输出激光器。送粉喷嘴是利用重力进行送粉，熔覆层头部利用矩形点加上侧轴宽带送粉方案。激光头在进行熔覆的过程中，侧向送粉喷嘴提前在工件表面输送合金粉末。随着熔覆头和工件之间的相对运动，矩形激光束扫描预置的合金粉末，并将其熔化，形成熔池，冷却后形成熔覆层。
旁轴送粉激光熔覆技术特点：
（1）高材料利用率
相比于同轴送粉激光熔覆技术，采用侧向送粉喷嘴送粉的激光熔覆技术，粉末拥有更高的利用率，可以达到95%左右。而同轴送粉激光熔覆技术利用惰性气体将粉末吹到激光熔池中，在这一过程中，由于粉末之间的碰撞、熔池的飞溅和送粉通道的准确性的影响，相当一部分金属粉末无法形成熔覆层，导致材料利用率仅为50%-80%左右（光斑越小，材料利用率越低）。旁轴送粉激光熔覆通过在工件表面预置粉末，扫描并照射激光束使其熔化，可以实现极高的材料利用率，节省更多的材料成本。
（2）熔覆效率高
旁轴送粉激光熔覆技术由于采用矩形光斑方案，在保证熔覆方向光斑的能量密度不变的情况下，可以采用加大激光功率和光斑宽度的方式，使得熔覆效率大幅度提升。目前实际生产中单道熔覆宽度可达30mm，熔覆效率可达到1m/h或12Kg/h。
（3）无惰性气体消耗，成本低
一方面，旁轴一般采用重力送粉，不需要消耗惰性气体。另一方面，由于预置送粉，气流会影响粉末的预设和积累，因此熔覆头没有特殊的惰性气体保护功能。只需要进行压缩空气，降低成本，适合应用于性能要求不高的工件。
（4）应用范围有一定限制
旁轴送粉激光熔覆技术对粉末材料的抗氧化性有一定的要求，限制了其应用领域，但是由于效率高、成本低等优点，一般应用于液压油缸、轧辊等面积较大、形状简单的零件表面熔覆与增材再制造。
二、 激光熔覆技术适用范围
激光熔覆加工技术的应用领域比较广泛，几乎可以应用到整个机械制造业，主要包括有矿山机械、石油化工、电力、铁路、船舶、冶金、医疗器械、航空、机床等行业。
2.1矿山设备
矿山煤机设备用量大、磨损快，由于其工作环境恶劣，零部件损坏速度较快。其中包含以下几种：采煤机、刮板运输机、液压支架、齿轮、轴类零部件等。机械的失效严重缩短了设备的使用寿命，而激光熔覆技术的应用使这些设备的硬度变强、磨损性变好，减少了零件的修复次数，降低了资源浪费[8]。
2.2电力设备
电力设备配电量大、连续运行，其零部件损坏概率高。汽轮机是火力发电的核心设备，由于高温高热特殊的工况，每年都需要定期对主轴轴径、动叶片等损坏的单元部件进行维修。燃气轮机由于在高达1300℃的高温条件下工作，经常会受到损伤。采用激光再制造技术修复其所有缺陷，恢复其性能，成本大大降低。
2.3石油化工设备
现代的石化工业基本上采用都是连续大量生产模式，由于生产过程中，机器长时间处在恶劣的环境下运转，导致设备内元件出现损坏，腐蚀、磨损，且这些元件价格十分昂贵，涉及到的零部件种类也有很多，形状大部分都很复杂，修复起来有一定的难度，但是因为激光熔覆技术的出现，这些问题就能被很好的解决了。
三、 展望
随着科学技术的不断进步，未来对激光熔覆技术的要求会越来越高。如在激光熔覆喷头上，精进送粉方式与角度，使粉末得以更均匀的喷洒在基材表面。在激光熔覆层上，开裂敏感性可以得到很好的控制[9-10]。在功能上，制备同时兼备多种功能的涂层；可以做到在超高温条件下，耐蚀耐磨性能依旧保持良好；能够容易的在小直径内孔中熔覆。在价格上，激光熔覆的加工成本可以更低廉，使大部分加工企业可以接受对单件产品的加工。
在未来，激光熔覆技术的应用可以实现大面积的工业化、自动化，更加绿色环保。在不远的将来，激光熔覆技术的应用领域及强度将不断的扩大。
参考文献：
[1]王凯;石永军;周小雨;翟昌民;李道垒;姜建丰.熔覆技术的发展与展望[J].材料科学与工艺,2021,(01):81-86.
[2]张津超;石世宏;龚燕琪;余司琪;石拓;傅戈雁.激光熔覆技术研究进展[J].表面技术,2020,(10):1-8.
[3]张坚;吴文妮;赵龙志.激光熔覆研究现状及发展趋势[J].热加工工艺,2013,42(06):131.
[4]靳晓曙.激光直接制造和再制造技术CAM研究[C].天津工业大学,2007.
[5]张振江.激光熔覆同轴送粉喷嘴优化设计及试验研究[C].大连海事大学,2017:3-5
[6]李继涛.激光熔覆同轴送粉机理研究及装置设计[C].中国石油大学,2011:2-9
[7]孙莹.激光熔覆技术在金属3D打印中的应用[J].机电产品开发与创新,2015,28(06):26-28.
[8]杨杰;胡凌云.激光熔覆技术在煤矿机械中的应用[J].煤矿机械,2019,40(06):136-137.
[9]毛怀东;张大卫.激光熔覆过程中裂纹在线研究[J].应用激光,2007,(03):186-191.
[10]沈宇;关义青;白松;李刚.激光熔覆技术的发展现状及展望[J].制造技术与机床,2011,(10):23-24.
作者简介：
卞思雨 (2000-），女，满族，辽宁抚顺人，本科在读。
顾新阳 (1999-)，男，汉族，辽宁朝阳人，本科在读。
黄城善 (1998-)，男，壮族，广西崇左人，本科在读。
