激光熔覆技术：先进表面改性技术的研究与发展

激光熔覆技术：先进表面改性技术的研究与发展

激光熔覆技术作为一种集激光、计算机、数控、材料加工等多学科于一体的先进表面改性技术，自诞生以来便凭借其优异的性能和灵活的应用方式，成为制造业表面强化与增材制造领域的核心技术之一。它能在基体材料表面形成与基体冶金结合的高性能涂层，显著提升材料的耐磨、耐蚀、耐热等关键性能，在航空航天、石化、冶金、机械制造等领域展现出广阔的应用前景。

一、激光熔覆技术的核心工艺与突出特点

激光熔覆的本质是以激光为热源，使涂层材料与基体表面薄层同时熔化并快速凝固，形成低稀释度、冶金结合涂层的工艺。根据涂层材料添加方式的不同，其核心工艺主要分为预置法和同步送粉法两类：

预置法：先将涂层材料通过喷涂、粘结等方式预置于基体表面，再经激光重熔。该工艺操作灵活、流程简单，但基体熔深不易控制，熔覆层易产生气泡，结合强度相对较低。

同步送粉法：将粉末直接喷涂在激光形成的移动熔池上，涂层一次性成型。此方法能充分利用激光能量，工艺参数易控，熔覆层质量更佳且生产效率高，是未来激光熔覆工艺的主流发展方向，仅需配套高精度送粉装备以满足粉末粒度、流动性等特殊要求。

激光功率、扫描速度、光斑尺寸等工艺参数直接决定熔覆层的宏微观质量。其中，激光功率是核心影响因素，功率过低易导致熔覆层出现空洞，功率适中则能减少气孔与裂纹；扫描速度过快会产生气孔，过慢则影响生产效率。而激光熔覆技术的独特优势也使其区别于传统表面处理技术：

激光能量密度高，加热速度快，对基材热影响小，工件变形量低；

可精准控制基体对熔覆材料的稀释度，保证熔覆层与基体的冶金结合，同时保留熔覆材料的优异性能；

能通过合金粉末成分设计，制备致密的定制化涂层，且可实现选区熔覆，材料消耗少；

无接触式处理便于自动化操作，激光参数的精确控制还能实现微区熔覆，适配精细化加工需求。

二、多元熔覆材料与优异涂层性能

激光熔覆材料以粉末形式为主，种类丰富，涵盖镍基、钴基、铁基合金，陶瓷材料、复合材料及纯金属等，不同材料适配不同的应用场景与性能需求：

镍基合金：兼具高性价比与优异的耐蚀、耐磨、抗氧化性能，是应用最广泛的熔覆材料，适用于碳钢、铸铁等构件的局部耐磨、耐热腐蚀处理。例如，在奥氏体不锈钢基材上熔覆 70Ni-21Ti-9Si 合金粉末，可制备出高温耐磨性优异的涂层。

钴基合金：耐高温、耐磨蚀性能突出，润湿性好，常用于石化、冶金等高温工况，但因价格较高，仅在特殊高温场景下优先选用。

铁基合金：适合要求局部耐磨且易变形的零件，基材多为铸铁和低碳钢，通过调整 Ni、Cr、Mo 等合金元素含量，可精准调控熔覆层硬度与性能。

陶瓷材料：耐磨性、耐蚀性极强，与低熔点金属粉末复合后，能制备出兼具陶瓷高强度与金属韧性的复合涂层，生物陶瓷材料更是当前研究热点。

熔覆层的性能直接决定其工业应用价值，经激光熔覆处理后的涂层在关键性能上表现显著：

耐磨性：在 En3b 钢表面熔覆 Stellite6 合金涂层，耐磨性能较基底材料提升 5 倍，添加 10% SiC 后耐磨性能再提升 2 倍；铝合金表面注入 TiC 粒子，耐磨性能可提升 7~38 倍。

耐蚀性：Mg-SiC 复合材料表面激光熔覆铜合金后，试样腐蚀电位提升 3.7 倍，腐蚀电流密度降低约 22 倍，抗腐蚀能力大幅增强。

耐高温性：TiAl 合金表面经激光重熔的 MCrAlY 涂层，能显著提升合金在 850℃下的抗高温氧化性能，适用于火箭发动机、汽轮机等高温部件。

此外，激光熔覆还可制备热障涂层、电接触涂层、生物陶瓷涂层等功能涂层，例如钙磷生物陶瓷涂层具备诱导骨生长的生物活性，为医疗领域提供了新材料解决方案。

三、激光熔覆技术的国内外研究现状

（一）国外研究：起步早，产业化应用快

激光熔覆技术于 20 世纪 60 年代被提出，1976 年诞生首项高能激光熔覆专利，国外研究聚焦于技术产业化与高端装备研发：

美国 Sandia 国家实验室开发的激光近形制造技术（LENS），可制备镍基超合金、钛合金等高性能零件，成形件强度与塑性优于锻造件；

Los Alamos 国家实验室的直接光制造系统（DLF），在氩气保护下实现高精度熔覆，氧气和水含量控制在极低水平；

AeroMet 公司的 LasformSM 工艺成功应用于航空钛合金零件制造与修复，为波音公司生产的 F/A-18 E/F 机翼零件，使成本降低 20%~40%，生产周期缩短 80%。

（二）国内研究：后发赶超，聚焦工艺与应用

国内对激光熔覆技术的研究虽起步较晚，但本世纪以来发展迅速，西北工业大学、清华大学、北京航空航天大学等科研机构率先开展研究，在同轴送粉系统、快速成形组织理论、工艺闭环控制等方面取得阶段性成果。近年来，国内研究更贴合工业实际需求，针对不锈钢、碳钢、铝合金等基材，采用镍基、钴基、铁基合金及陶瓷粉末开展激光熔覆研究，重点提升材料的耐磨、耐蚀性能，逐步推动技术从实验室走向企业规模化应用。

激光熔覆技术作为先进制造领域的重要技术，不仅能实现复杂金属零件的快速制造，还可通过梯度功能设计满足不同部位的性能要求，在航空航天、高端装备制造、零件修复等领域的应用潜力持续释放。未来，随着理论、材料与设备的不断突破，激光熔覆技术将进一步推动制造业向高精度、高性能、绿色化方向转型升级。