激光熔覆技術(shù)已經(jīng)成功實(shí)現(xiàn)再制造產(chǎn)業(yè)化并取得了巨大成效，本文以激光熔覆再制造技術(shù)應(yīng)用所涉及的裝備、材料、工藝、產(chǎn)品為主線，首先，對(duì)激光熔覆再制造技術(shù)研究現(xiàn)狀進(jìn)行了綜合研究，指出目前激光熔覆再制造所用激光功率多為4000～10 000W，并持續(xù)向高功率、高效率、高穩(wěn)定性的方向不斷提升；其次，激光熔覆再制造成品質(zhì)量控制涉及熔覆表面宏觀質(zhì)量、成形厚度、表面硬度分布等，進(jìn)而分別詳細(xì)闡述了關(guān)鍵工藝參數(shù)的影響及其相關(guān)研究，同時(shí)提及了數(shù)值仿真技術(shù)和復(fù)合技術(shù)的應(yīng)用研究；并對(duì)合金粉末、傳統(tǒng)大功率激光熔覆和高速激光熔覆進(jìn)行了應(yīng)用現(xiàn)狀闡述；最后，簡(jiǎn)要探討歸納了激光熔覆再制造技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)。

1 序言

再制造作為循環(huán)經(jīng)濟(jì)的一種高級(jí)形式，與廢品回收和維修有著嚴(yán)格意義上的區(qū)分，中國(guó)特色的再制造是基于維修和表面工程技術(shù)，采用等離子、激光、電鍍等各種技術(shù)工藝讓廢舊產(chǎn)品重新獲得不低于新品使用性能的過(guò)程。其中激光熔覆也稱(chēng)激光包覆或激光熔敷，該技術(shù)主要通過(guò)預(yù)置送粉、同步送粉的填料方式在再制造零部件基體表面放置各種功能材料，經(jīng)高能量密度的激光束輻照，使合金粉末和基體表面一薄層同時(shí)熔化并快速凝固，形成稀釋率極低且與基體表面呈冶金結(jié)合的激光熔覆層，從而賦予零部件基體以預(yù)期的耐磨、耐蝕、耐高溫、抗氧化性能以及電器特性等。

近年來(lái)，激光熔覆再制造技術(shù)被廣泛應(yīng)用于幾個(gè)典型行業(yè)領(lǐng)域并獲得了較為廣闊的市場(chǎng)規(guī)模，以大型礦山機(jī)電、工程機(jī)械關(guān)鍵零部件為代表。由于再制造對(duì)產(chǎn)品性能的高要求，各種先進(jìn)的技術(shù)都被應(yīng)用到研發(fā)高質(zhì)量再制造成形中，多技術(shù)種類(lèi)的再制造零部件的質(zhì)量穩(wěn)定是產(chǎn)業(yè)化推廣的關(guān)鍵。徐濱士等在評(píng)述再制造產(chǎn)品質(zhì)量?jī)?nèi)涵的時(shí)候闡明：再制造零件質(zhì)量是從其幾何尺寸、材料組織及服役性能和壽命等多方面對(duì)再制造零件的綜合評(píng)價(jià)，主要考慮再制造零件是否存在氣孔和裂紋等缺陷、性能是否達(dá)到服役條件要求、壽命能否經(jīng)歷下一個(gè)服役周期等。

而將激光熔覆技術(shù)應(yīng)用于再制造產(chǎn)業(yè)至今已經(jīng)衍生出全面涵蓋“裝備、材料、工藝、產(chǎn)品、服務(wù)”五位一體產(chǎn)業(yè)構(gòu)架。本文從激光熔覆再制造產(chǎn)業(yè)出發(fā)，對(duì)激光熔覆技術(shù)涉及的裝備、材料、工藝及性能的研究現(xiàn)狀做了梳理，從再制造角度對(duì)激光熔覆技術(shù)應(yīng)用現(xiàn)狀及發(fā)展需求進(jìn)行了闡述，從裝備、材料、工藝及產(chǎn)品應(yīng)用四個(gè)方面闡述了激光熔覆再制造技術(shù)未來(lái)的發(fā)展趨勢(shì)。

2 激光熔覆再制造研究現(xiàn)狀

2.1 激光熔覆裝備研究進(jìn)展

激光熔覆裝備以激光器為核心，集成了電控水冷系統(tǒng)、送粉系統(tǒng)、機(jī)床及控制系統(tǒng)等關(guān)鍵功能單元，每一單元都在激光熔覆過(guò)程中發(fā)揮著關(guān)鍵作用：激光器為熔覆提供高能量束的激光熱源，決定著激光加工系統(tǒng)的加工能力，是熔覆效率提升的根本；電控水冷系統(tǒng)保障激光器運(yùn)轉(zhuǎn)環(huán)境；使用送粉系統(tǒng)為激光熔覆提供連續(xù)不斷的原材料；借助機(jī)床固定待加工的零部件，控制著加工精度。配套輔助裝備的設(shè)計(jì)與應(yīng)用也逐漸讓激光加工系統(tǒng)功能越來(lái)越強(qiáng)大和完善。

再制造應(yīng)用的激光加工系統(tǒng)經(jīng)歷了橫流CO2激光加工系統(tǒng)、3000W半導(dǎo)體加工系統(tǒng)、4000W光纖耦合激光加工系統(tǒng)、6000W和8000W大功率半導(dǎo)體激光加工系統(tǒng)、10000W大功率半導(dǎo)體光纖耦合激光加工系統(tǒng)（見(jiàn)圖1），目前大規(guī)模應(yīng)用于再制造產(chǎn)業(yè)化的是4000~10000W激光器。

也有很多學(xué)者對(duì)工業(yè)級(jí)激光器的研究與應(yīng)用進(jìn)行了綜述性歸納探討，王立軍等對(duì)大功率半導(dǎo)體激光器的發(fā)展歷史和發(fā)展現(xiàn)狀進(jìn)行了綜述，指出了半導(dǎo)體激光器研究的重大技術(shù)問(wèn)題：如何同時(shí)獲得高功率、高可靠性和高能量轉(zhuǎn)換效率，同時(shí)提高光束質(zhì)量并擁有良好的光譜特性。

在另一篇文獻(xiàn)里，王立軍等指出大功率半導(dǎo)體激光器正向著高光束質(zhì)量、高亮度的方向快速發(fā)展，美國(guó)立項(xiàng)研究的100kW級(jí)直接半導(dǎo)體激光光源并應(yīng)用于國(guó)防，德國(guó)研發(fā)了千瓦及萬(wàn)瓦級(jí)半導(dǎo)體激光光源，應(yīng)用在激光熔覆及激光焊接等加工領(lǐng)域，使得高功率半導(dǎo)體激光光源光束質(zhì)量得到巨大改善，早在2014年美國(guó)IPG公司報(bào)道了100kW光纖激光器。馬驍宇等針對(duì)國(guó)內(nèi)大功率半導(dǎo)體激光器主要研究?jī)?nèi)容和關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了總結(jié)，指出由于大功率半導(dǎo)體激光器具有體積小、質(zhì)量輕、壽命長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于民用生產(chǎn)和軍事等領(lǐng)域。

2.2 激光熔覆再制造技術(shù)工藝研究現(xiàn)狀

（1）工藝參數(shù)的影響研究

熔覆工藝過(guò)程直接決定再制造成形質(zhì)量，是激光熔覆技術(shù)應(yīng)用于規(guī)模產(chǎn)業(yè)化的核心要素，結(jié)合激光熔覆再制造在礦山液壓支架立柱上的應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)總結(jié)發(fā)現(xiàn)，再制造成品質(zhì)量控制一般涉及熔覆表面宏觀質(zhì)量（無(wú)裂紋、砂眼等缺陷）、成形厚度、表面硬度分布等，而影響激光熔覆成形質(zhì)量的幾個(gè)關(guān)鍵參數(shù)即為激光功率、焦距、掃描線速度、搭接率、送粉率，其中搭接率與步距設(shè)置有關(guān)，送粉速率與熔覆厚度直接相關(guān)，熔覆有效熱量輸入則是這些參數(shù)綜合作用的結(jié)果。

自激光熔覆獲得產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用以來(lái)，研究者圍繞各項(xiàng)參數(shù)對(duì)性能的影響及作用機(jī)理做了大量研究，可以較為全面的覆蓋激光熔覆技術(shù)應(yīng)用中的關(guān)鍵影響因素及影響機(jī)理。江吉彬等通過(guò)分析激光熔覆技術(shù)的國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀，指出熔覆參數(shù)類(lèi)型有工藝參數(shù)、過(guò)程參數(shù)、質(zhì)量參數(shù)，按照該分類(lèi)方法，激光熔覆再制造參數(shù)從激光光源、機(jī)床、待熔覆零部件基體、粉末、送粉系統(tǒng)幾方面可細(xì)分為：①激光功率、焦距（光源）、光斑規(guī)格。②機(jī)床精度、轉(zhuǎn)速、熔覆步進(jìn)控制（機(jī)床）。③零部件形狀、尺寸及材料特性（零部件基體）。④粉末成分、功能、物理性能（粒度分布、流動(dòng)性、松裝密度、氧含量）。⑤送粉速率。⑥保護(hù)氣流大小。這些參數(shù)的協(xié)調(diào)性作用，首先直接關(guān)乎熔覆產(chǎn)品的質(zhì)量，最為直觀的是氣孔、砂眼、裂紋等肉眼可見(jiàn)的熔覆層宏觀表征（見(jiàn)圖2），其次是熔覆尺寸以及機(jī)械加工完成后可測(cè)的表面硬度、粗糙度、耐腐蝕性，再次是取樣檢測(cè)的熔覆層稀釋率、結(jié)合情況、內(nèi)部組織結(jié)構(gòu)及缺陷情況、剖面硬度、熱影響區(qū)大小等。

許明三等以材料種類(lèi)、熔覆功率、熔覆掃描速度為影響因素進(jìn)行正交試驗(yàn)，研究對(duì)結(jié)合強(qiáng)度的影響，發(fā)現(xiàn)合金粉末種類(lèi)對(duì)結(jié)合強(qiáng)度的影響最大，另外是掃描速度，最小是激光輸出功率。45鋼基體表面激光熔覆層與基體的結(jié)合強(qiáng)度大于基體的抗應(yīng)力強(qiáng)度，鎳基的熔覆層的抗剪強(qiáng)度為母材的2~3倍，鐵基熔覆層達(dá)到母材5倍以上。杜學(xué)蕓等使用能量密度不同大功率激光器進(jìn)行熔覆試驗(yàn)并通過(guò)中性鹽霧試驗(yàn)考察耐腐蝕性能，經(jīng)分析發(fā)現(xiàn)：能量密度越高，熔覆層顯微組織差異越大，且耐蝕性能越差；不同功率密度下，熔覆層中的 Cr 平均含量無(wú)明顯差異，但隨著激光熔覆能量密度增大，Cr分布越發(fā)不均勻，熔覆層平均硬度越高，耐蝕性能越差。

（2）數(shù)值仿真技術(shù)的應(yīng)用

先進(jìn)制造技術(shù)的一個(gè)重要發(fā)展趨勢(shì)是工藝設(shè)計(jì)由經(jīng)驗(yàn)判斷走向定量分析，將數(shù)值仿真和人工智能技術(shù)相結(jié)合，可以通過(guò)科學(xué)的模擬替代大量的基礎(chǔ)驗(yàn)證過(guò)程，不僅省時(shí)省力，還能解決一些實(shí)際操作難于成行的試驗(yàn)內(nèi)容。不容質(zhì)疑，激光熔覆工藝參數(shù)之間的協(xié)同作用過(guò)程極其復(fù)雜，具備復(fù)雜物理變化、化學(xué)變化、動(dòng)態(tài)的熱處理特點(diǎn)，熔池瞬態(tài)溫度場(chǎng)、成形應(yīng)力場(chǎng)都難以定量檢測(cè)和分析，近年來(lái)，有很多研究者將計(jì)算機(jī)仿真應(yīng)用于激光熔覆研究，大大簡(jiǎn)化了工藝驗(yàn)證過(guò)程，提升了創(chuàng)新技術(shù)的開(kāi)發(fā)效率。如郭衛(wèi)等利用ANSYS有限元分析軟件數(shù)值模擬27SiMn表面不同功率下激光熔覆304的過(guò)程，分析了不同激光功率下的溫度場(chǎng)，得到了距離熔覆層表面1mm處的某點(diǎn)溫度-時(shí)間曲線，減少了試驗(yàn)量。

（3）多技術(shù)復(fù)合的研究

為了提升激光熔覆成形質(zhì)量，熔覆前預(yù)熱、后熱處理以及多種加工技術(shù)耦合獲得了較為廣泛的研究與應(yīng)用。激光熔覆后熱處理可以有效地降低涂層的殘余應(yīng)力，同時(shí)改善涂層的力學(xué)性能。激光重熔采用激光為熱源，使金屬材料表面快速熔化，隨后自行快冷從而在基體組織上獲得重格層及淬火層雙層硬化組織，再次熔化的液相有助于成分均勻化滲透和擴(kuò)散。如李俊鵬研究了鋁活塞合金激光重熔后重熔區(qū)結(jié)構(gòu)分布，發(fā)現(xiàn)激光重熔很像是熔化焊、組織比較接近于連續(xù)鑄造，枝晶骨架生長(zhǎng)受限，晶粒尺寸減小到原來(lái)的1/10左右，從基體到頂端樹(shù)枝晶逐漸變?yōu)榈容S晶，指出形核率、溫度梯度、凝固時(shí)間對(duì)晶粒的大小和晶粒生長(zhǎng)的方向起到了決定性的作用。

2.3 激光熔覆再制造用合金材料研究現(xiàn)狀

因具備脫氧、還原、造渣、除氣、濕潤(rùn)金屬表面、良好的固態(tài)流動(dòng)性、適中的粒度及含氧量要低等共性，激光熔覆合金粉末最初多沿用熱噴焊所用合金粉末。但由于工藝的本質(zhì)差別導(dǎo)致了激光熔覆用粉出現(xiàn)了裂紋、夾渣等缺陷，需要針對(duì)激光熔覆特點(diǎn)開(kāi)發(fā)專(zhuān)用合金粉末。目前，激光熔覆再制造用材料種類(lèi)有合金粉末、絲材、膏狀、棒狀等，多見(jiàn)不同粒度的鐵基、鎳基、鈷基、陶瓷粉末、復(fù)合粉末及非晶合金粉末等，其中自熔性合金粉末在Ni、Fe、Co等基體合金中加入合金化（Si、B等）元素的合金粉末，該類(lèi)粉末熔點(diǎn)低，便于熔覆成形；陶瓷粉分為碳化物陶瓷粉末、氧化物陶瓷粉末和硅化物陶瓷粉末，具備較高的熔點(diǎn)和硬度；復(fù)合粉末主要指碳化物、氧化物、硼化物、硅化物等高熔點(diǎn)硬質(zhì)陶瓷材料與金屬材料混合或復(fù)合而形成的合金粉末；而非晶態(tài)合金粉末的非晶形態(tài)、低界面能，對(duì)基體材料具有很好的濕潤(rùn)性，同時(shí)熔覆時(shí)近乎均勻熔化，熔覆成形具有更高屈服強(qiáng)度、大彈性應(yīng)變極限、高耐磨性和優(yōu)良的耐腐蝕性。

而激光熔覆再制造應(yīng)用最廣泛、占比最大的當(dāng)屬鐵基合金粉末，該類(lèi)粉末成本低廉、性能可靠，具備一定的耐磨、耐腐蝕性能，可以滿足多種礦山機(jī)械、工程機(jī)械、鋼鐵等行業(yè)關(guān)鍵大型零部件的激光熔覆再制造需求。例如，激光熔覆礦用中部槽中、底板，激光熔覆不銹鋼立柱，激光熔覆軋輥、活塞桿等都是采用鐵基合金粉末進(jìn)行再制造強(qiáng)化。高球形率、低氧含量、少空心粉、成分和粒度分布均勻是合金粉末的質(zhì)量要求。相比之下，國(guó)內(nèi)合金粉末存在的主要問(wèn)題集中在產(chǎn)品質(zhì)量和批次穩(wěn)定性等方面，細(xì)球形粉末受得率較低，一些新型多工藝復(fù)合、低成本制粉技術(shù)尚未大規(guī)模應(yīng)用。

2.4 激光熔覆再制造技術(shù)應(yīng)用現(xiàn)狀

激光熔覆再制造技術(shù)在應(yīng)用進(jìn)程中一直追求高加工效率，目前已經(jīng)形成了大功率激光熔覆和超高速激光熔覆兩種加工模式，其中大功率激光熔覆又稱(chēng)傳統(tǒng)熔覆，多采用矩形大光斑、大功率激光為熱源，熔覆單道較寬，熔覆層厚度高達(dá)2.5mm，可在平面、弧面、立面高效率制得大厚度、大面積涂層，是目前激光加工的主要技術(shù)手段，筆者公司進(jìn)行了鋼廠軋輥再制造，在其表面通過(guò)激光熔覆鐵基合金粉末實(shí)現(xiàn)再制造，替代了傳統(tǒng)堆焊Ni60，創(chuàng)造了經(jīng)濟(jì)收入；采用激光熔覆替代傳統(tǒng)堆焊技術(shù)進(jìn)行板材表面熔覆，實(shí)現(xiàn)了中部槽中、底板的再制造強(qiáng)化，如圖3所示。

超高速激光熔覆是一種具備更高效率的激光熔覆技術(shù)，與傳統(tǒng)激光熔覆技術(shù)相比：第一，高速激光熔覆具備極高的熔覆線速度；第二，單層熔覆層厚度極薄，由此可以獲得在零部件表面的高精度成形，而且熔覆搭接平整，熔覆區(qū)域表面粗糙度小，極大地減少了后續(xù)機(jī)械加工去除量，簡(jiǎn)化了機(jī)械加工程序，既能降低材料消耗又可提升加工效率；第三，激光光束高度匯聚，光束能量一部分用于熔化合金粉末，一部分作用于零部件表面，合金粉末進(jìn)入熔池之前即被熔化，對(duì)加工工件的影響極小，所以熔覆變形問(wèn)題得到了優(yōu)化；第四，高速熔覆憑借其高能量密度、低稀釋率的優(yōu)勢(shì)實(shí)現(xiàn)了鈦、鋁、銅等傳統(tǒng)激光熔覆難于實(shí)現(xiàn)的表面激光加工。由此可見(jiàn)，高速熔覆技術(shù)是一種可打破傳統(tǒng)常規(guī)熔覆技術(shù)局限的新型優(yōu)勢(shì)技術(shù)。自高速熔覆技術(shù)問(wèn)世以來(lái)，憑借顯著的加工效率、加工精度優(yōu)勢(shì)在國(guó)內(nèi)外掀起了一股研發(fā)熱潮，研究者們持續(xù)投入了大量精力，將激光熔覆技術(shù)推向了更新的高度。

3 激光熔覆再制造發(fā)展前景展望

隨著大功率激光器件的成本下降，越來(lái)越多的國(guó)內(nèi)外高校、企業(yè)、學(xué)者開(kāi)展激光熔覆再制造技術(shù)應(yīng)用研究，“裝備、材料、工藝、產(chǎn)品、服務(wù)”五位一體使得激光熔覆再制造技術(shù)越趨完善。

（1）“自動(dòng)化、智能化、傻瓜式操作”是激光熔覆再制造技術(shù)的裝備發(fā)展方向

隨著自動(dòng)化發(fā)展進(jìn)程，激光加工系統(tǒng)與計(jì)算機(jī)數(shù)控技術(shù)相結(jié)合可構(gòu)成高效自動(dòng)化加工設(shè)備，為優(yōu)質(zhì)、高效和低成本的加工生產(chǎn)開(kāi)辟了廣闊的前景。未來(lái)，解放人工、高效生產(chǎn)將為自動(dòng)化、智能化提供廣闊的施展空間。諸如激光熔覆自動(dòng)化上下料生產(chǎn)線、無(wú)人化操作的激光熔覆生產(chǎn)線等都將大大簡(jiǎn)化激光加工過(guò)程，讓激光熔覆過(guò)程的操作和控制趨向于“傻瓜式”。

（2）功能優(yōu)化、性能穩(wěn)定是激光熔覆再制造用材料的研究方向

再制造領(lǐng)域激光熔覆合金材料粉末發(fā)展方向以產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用為導(dǎo)向，超耐磨、超耐腐蝕的功能化需求，高球形、高穩(wěn)定性的質(zhì)量要求都將是材料持續(xù)優(yōu)化的方向，并最終打破國(guó)外高端合金粉末的技術(shù)壟斷。

（3）效率提升和流程標(biāo)準(zhǔn)化是激光熔覆再制造的工藝發(fā)展方向

作坊式的自由發(fā)展模式讓激光熔覆產(chǎn)業(yè)化規(guī)模迅速壯大，但是與再制造產(chǎn)業(yè)面臨著同樣的問(wèn)題，那就是各類(lèi)規(guī)范體系的缺失，也有諸如激光熔覆相關(guān)行業(yè)、企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)報(bào)道，但難于規(guī)范整個(gè)行業(yè)的標(biāo)準(zhǔn)化。構(gòu)建各個(gè)工序、各個(gè)領(lǐng)域的激光熔覆再制造標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范將是激光熔覆再制造產(chǎn)業(yè)未來(lái)發(fā)展的必要環(huán)節(jié)。另外，源于一線激光熔覆實(shí)踐創(chuàng)造出的各類(lèi)簡(jiǎn)單、便捷、便于標(biāo)準(zhǔn)化作業(yè)的工裝也是再制造效率提升和質(zhì)量保障的有利元素。

（4）嘗試開(kāi)發(fā)激光熔覆適用的新零件、新工況、新服務(wù)模式是激光熔覆再制造技術(shù)的應(yīng)用發(fā)展方向

復(fù)合技術(shù)的成果轉(zhuǎn)化及應(yīng)用將開(kāi)拓更為廣闊的激光再制造應(yīng)用領(lǐng)域，諸如大型構(gòu)件現(xiàn)場(chǎng)激光熔覆再制造、水下激光熔覆技術(shù)應(yīng)用、金屬激光增材制造等都是激光熔覆再制造技術(shù)應(yīng)用的新領(lǐng)域，汽車(chē)、電力、航空、冶金、石油及航海等行業(yè)關(guān)鍵零部件再制造應(yīng)用前景將因此更為廣闊。

本文發(fā)表于《金屬加工（熱加工）》2020年第3期，15-19頁(yè)。作者： 山東能源重裝集團(tuán)大族再制造有限公司杜學(xué)蕓、宋健，山東能源重型裝備制造集團(tuán)有限責(zé)任公司許金寶， 原標(biāo)題：《 激光熔覆再制造技術(shù)研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)》。