摘要：文章采用宽带激光技术在12Cr1MoVg耐热钢表面制备316L熔覆层，系统研究了激光功率对涂层宏观成形、显微组织、硬度及磨损性能的影响。研究结果表明，激光功率高于3.0kW时可获得成形良好的涂层。显微组织分析显示，316L熔覆层显微组织主要为树枝晶及晶界δ-铁素体，随功率增大，熔覆层中的树枝晶呈现粗化趋势。硬度测试表明，当激光功率提升至3.5kW时，由于固溶强化作用的增强，熔覆层的维氏硬度显著提高，达到约220HV。磨损试验表明，采用3.5kW功率制备的涂层因组织致密、硬度高，在试验组中表现出稳定的摩擦系数和最低的磨损失重量，综合性能最优。

　　关键词：激光熔覆；316L；显微组织；力学性能

　　生物质锅炉是以生物质能源为燃料的锅炉。相比传统的煤、石油和天然气等化石能源，生物质能作为一种清洁的可再生能源，具有低碳环保、来源广泛、开发潜力巨大等优势。锅炉受热面管是锅炉过热器的主要组成部件，主要完成热交换过程。受热面管外壁直接与燃烧室内的高温燃烧介质和氧气气氛接触，由于生物质燃烧时产生的特殊气氛，受热面管外壁面临严苛的服役环境［1］。目前受热面管道主要采用各类碳钢及合金钢等材料，抗氧化腐蚀性能存在不足。316L是一种具有优异高温性能的奥氏体不锈钢材料，采用激光熔覆再制造技术在常规碳钢或低合金钢表面制备一层防护涂层，可有效提高受热面管道这一部件的抗高温氧化和腐蚀能力，从而延长设备使用寿命，降低管道由于氧化和腐蚀引起壁厚减薄而发生泄漏甚至爆炸的事故风险［2］。在常规激光熔覆工艺中，应用的激光束为不同直径的圆形激光束，当在管道外壁进行大面积激光熔覆时存在一定的工艺限制。传统圆形光斑的熔覆道宽度通常限制在5mm以内，在需要覆盖大面积时，圆形光斑需要多条熔覆道之间进行高比例搭接，这会导致大量区域被重复熔化，整体制造效率低下。圆形光斑的内部的激光能量密度呈现高斯分布，即中心能量高，边缘能量低。这会引起管道基材的显著熔化，导致基材中的Fe等元素过渡进入激光熔覆层，从而对防护涂层的性能产生不利影响。

　　近年来，随着激光技术的发展，采用光学器件将圆形激光束调制为具有均匀能量密度分布的宽带激光，并应用于激光熔覆再制造中，该技术产生了巨大的技术优势。宽带激光熔覆技术将传统激光熔覆从一种侧重于修复和再制造的工艺，提升为一种高效的大面积增材制造和表面改性技术，特别适用于工程机械、能源电力、钢铁冶金等领域大型零部件的表面强化与再制造，是激光加工技术发展的重要方向。宽带激光光束可以轻松实现单道熔覆制备40mm甚至更宽的熔覆层，在进行大面积熔覆时可以显著减少搭接次数，使涂层制造效率提高数倍甚至十倍以上，显著缩短生产周期。宽带激光能量分布通常为均匀分布，这使得熔池温度场更加均匀稳定，能更精确地控制基材的熔化深度，从而将稀释率稳定控制在很低的水平［3］。该工艺制造的防护涂层能保持其设计的化学成分和性能，如优异的耐腐蚀性和耐磨性等，低搭接率还可以减少因过热产生的气孔、裂纹，整个涂层的组织更为均匀一致。

　　文章采用宽带激光熔覆技术在传统碳钢表面熔覆316L不锈钢防护涂层，开展宏观形貌观察、微观组织分析以及硬度和磨损性能等性能检测，研究不同激光功率对316L防护涂层显微组织及力学性能的影响。

　　1试验材料及方法

　　基体材料采用12Cr1MoVg耐热钢，12Cr1MoVg作为一种常见的低合金耐热钢，在高温高压等服役条件下具有优异的力学性能，且造价相比不锈钢显著降低，在能源电力行业中得到了广泛应用。12Cr1MoVg耐热钢的化学成分，如表1所示。熔覆材料采用316L不锈钢，其是一种典型的奥氏体型不锈钢，奥氏体型不锈钢为面心立方点阵，无磁性，且具有优良的耐腐蚀性能，在常温以及低温下均表现出较好的塑性和韧性，易于成形，焊接性良好，被广泛地应用于工业领域。

　　采用iLAM-600光纤耦合半导体激光加工系统开展基于大长宽比线性光束的高效宽带激光熔覆试验。通过宽带激光镜头进行光束整形与调制，输出尺寸为20mm×2mm的宽带激光束应用于熔覆。采用预置粉末法进行激光熔覆，粉末层厚度为1.0mm。

　　激光熔覆工艺参数：激光功率设置为2.5kW、3.0kW、3.5kW、4.0kW，激光扫描速度设置为3mm/s，保护气体为纯度99.9%的Ar气，气体流量为25L/min。激光熔覆完成后将试板自然冷却到室温。采用线切割设备切取金相试验，打磨、抛光后采用王水腐蚀，显微组织分析采用CX40金相显微镜进行。硬度测试采用DHV-1000数显显微维氏硬度计进行，载荷4.9N，加载时间15s。磨损性能测试采用MPX-3销-盘摩擦磨损试验机进行，摩擦副为直径5cm的W18Cr4V钢，摩擦载荷50N，磨损时间60min，对磨速度100r/min。磨损试验完成后采用分析天平测试试样的磨损失重。

　　2试验结果及分析

　　2.1宽带激光熔覆316L涂层宏观成形

　　本试验获得的宽带激光熔覆316L涂层宏观成形形貌，如图1所示，单道熔覆层宽度达到20mm，长度60mm。在激光功率3.0~4.0kW时，316L预置粉末层均完全熔化形成连续致密的熔覆层。当激光功率降低到2.5kW时，粉末层材料无法完全熔融并形成连续的熔覆层，导致熔覆层成形质量一般。

　　2.2显微组织分析

　　金相显微镜下观察到的200倍视场下宽带激光熔覆316L涂层的显微组织，如图2所示。当采用宽带激光熔覆316L合金时，激光功率是影响熔池特性和最终显微组织的最核心参数之一。激光功率直接决定了输入能量的大小，从而通过对熔池形态、温度梯度和凝固速率的控制，最终显著影响晶粒形态、尺寸以及析出相含量。如图2（b）、图2（c）、图2（d）所示，在激光功率3.0~4.0kW内熔覆层显微组织均呈现树枝晶形态，未观察到明显的裂纹和气孔缺陷，熔覆层整体组织较为致密和均匀。激光功率2.5kW的熔覆层凝固组织倾向于形成细长的柱状晶，因为高的G/R比值使晶体沿着与散热方向相反的方向快速定向生长，抑制了其他方向的晶粒形核［4］。晶粒尺寸较细，但呈现强烈的定向生长特征。随着激光功率的增加，显著促进粗大的柱状晶形成。输入热量多，熔池体积大，整体冷却速度相对变慢，给了晶粒足够的时间长大。因此，在图2（c）和（d）中，过高功率反而导致熔覆层晶粒变粗。另外还可以观察到，晶间析出物也变得较为粗大，其中3.5kW功率下的晶间析出物数量和尺寸都较多。

　　2.3熔覆层硬度和磨损性能分析

　　不同激光功率制备的316L熔覆层维氏硬度，如图3（a）所示。当激光功率较低时，输入能量不足以使粉末

　　完全熔化或使熔池具有良好流动性，熔覆层中可能存在微小的气孔或未熔合粉末，由此导致熔覆层硬度处于较低水平。当激光功率低于3.0kW时，熔覆层维氏硬度在180HV附近，当激光功率提高到3.5kW以上时，熔覆层硬度提高到220HV左右。这是由于增大激光功率后熔覆层粉末完全熔化，熔池流动性良好。熔覆粉末中的Cr、Ni元素以及从部分熔化的母材扩散进入熔池的Fe和C元素充分扩散均匀，由于激光熔覆冷却速度较快，使合金元素来不及从奥氏体中扩散和析出，形成过饱和固溶体，增强了固溶强化效果。在显微组织分析中也可以发现，316L在快速凝固下会先析出少量δ-铁素体，主要分布于晶界。适量的第二相(δ-铁素体）也能起到一定的强化作用［5］。

　　为了获得最优的耐磨性，必须将激光功率控制在适中范围内，以获取细晶强化带来的高硬度，这是提升316L耐磨性的关键。在本系列试验中采用销-盘摩擦磨损试验衡量不同熔覆层的耐磨损性能，试验结果如图3（b）、图3（c）所示。摩擦系数分析表明，四组试样在稳定摩擦阶段摩擦系数在1.0~1.3波动，激光功率为2.5kW制备的熔覆层摩擦系数波动较大，表明熔覆层存在组织不均匀或熔合不良时将导致摩擦工况不稳定。由于硬度低，对磨件表面的硬微凸体或磨粒很容易犁入熔覆层表面，产生严重的塑性变形和切削，导致磨损失重量增大。激光功率4.0kW制备的熔覆层，摩擦系数波动相对较低。在稳定磨损60min后，采用分析天平测量试样的磨损失重，结果如图3（c）所示。由图3（c）可发现，激光功率较低的两组试样磨损失重量较大，其中功率3.0kW的熔覆层磨损失重达到12.16×10-3g，而激光功率3.5kW的熔覆层磨损失重在试验组中最低，仅为7.91×10-3g。综合性能分析试验的结果可以发现，在统一设定的3mm/s的熔覆速度下，宽带激光功率为3.5kW的熔覆层在试验组中具有相对较好的硬度和磨损性能。

　　3结论

　　文章采用宽带激光熔覆技术在12Cr1MoVg合金钢表面制备316L防护涂层，开展了宏观成形分析、显微组织分析、维氏硬度分析和磨损性能分析，研究了激光功率对熔覆层组织和性能的影响。结果表明，激光功率在3.0kW以上时熔覆层成型性良好。316L熔覆层显微组织主要为树枝晶和晶界少量δ-铁素体。销-盘摩擦磨损试验结果表明，激光功率较低时熔覆层中微小的未熔合或气孔缺陷将导致摩擦系数和磨损失重的增大。当激光功率升高时，熔覆层摩擦系数稳定性提高，且以磨损失重衡量的熔覆层耐磨性能同步得到提升，激光功率为3.5kW的熔覆层在试验组中综合性能最优。

参考文献

　　［1］孔耀.镍基合金熔覆层的耐高温腐蚀性能及其在生物质锅炉中的应用研究［D］.北京：华北电力大学（北京），2023.

　　［2］夏红伟，张凤安，占刚，等.12Cr1MoVG激光熔覆不锈钢和镍基合金涂层显微组织与性能研究［J］.冶金与材料，2025，45（5）：49-51.

　　［3］石皋莲，丁倩倩，奚朋，等.宽带激光熔覆铁基涂层工艺参数及性能研究［J］.激光与红外，2022，52（2）：202-209.

　　［4］刘德来，王博，周攀虎，等.激光功率对高速激光熔覆Ni/316L层组织与力学性能的影响［J］.金属热处理，2021，46（5）：213-218.

　　［5］崔静，路梦柯，翟巍，等.300M钢激光熔覆316L不锈钢修复层组织及性能研究［J］.激光与红外，2021，51（6）：710-719.