摘要：激光熔覆工艺是一种典型的表面强化工艺，既能在金属基体表面层制备耐磨、耐蚀等优越的表面涂层，又能确保基体具有良好的耐热、硬度及韧性等。Ni基合金具有较高的高温强度和耐腐蚀、抗氧化性能等特点，因此采用激光熔覆工艺制备Ni基合金涂层具有非常广阔的应用前景。本研究利用激光熔覆工艺在钢表面熔敷Ni基合金涂层，对激光熔覆工艺参数的选取对涂层性能的影响进行全面研究。试验结果表明，激光功率、扫描速度、送粉量是影响激光熔覆工艺熔敷涂层组织结构和涂层性能的关键工艺参数。

　　关键词：激光熔覆；镍基合金；微观组织

　　随着科技不断发展，现代工业对材料性能提出了更高要求。当前，传统的表面处理工艺无法满足特殊工况下对材料表面性能的要求，而激光熔覆技术凭借自身的特点和优势，在表面技术研究领域崭露头角。激光熔覆是利用高能激光在基体表面熔化合金粉末并在基体表面形成冶金结合的涂层工艺。而镍合金具有抗高温、化学活性好等特性，应用于激光熔覆技术中具有更广阔的发展空间。

　　1镍基合金材料特性

　　1.1镍基合金的分类与成分

　　镍基合金根据强化机理可分为固溶强化型、沉淀强化型、弥散强化型，其中沉淀强化型应用范围最大[1]。典型使用的镍基合金粉末成分为Ni-Cr-B-Si系、Ni-Cr-Mo-W系等。Cr在合金中能显著改善抗蠕变性能和耐腐蚀性能，含量为15%~25%。B和Si的添加能降低合金熔点，有利于合金在激光熔覆过程中的熔化与流动，形成的硬质相会增加合金表面的硬度。Mo、W等难熔金属采用固溶强化和析出强化来提高镍合金强度。镍基合金的性能与材料组成关系密切，不同组分的镍基合金具有不同性能，为激光熔覆材料的选择提供广阔空间。

　　1.2性能优势分析

　　镍基合金在激光熔覆技术中具备显著的应用优势[2]，具体体现在高温力学性能、耐蚀抗氧化能力及工艺适配性等关键维度。其一，高温强度优异，在800℃以上环境中能保持稳定的屈服强度，这得益于其高温环境下γ9相（金属间化合物相）的优异稳定性，可有效抵御高温形变；其二，耐蚀性能突出，通过添加Cr、Mo等合金元素进行成分调控，使其在酸、碱及中性介质中展现出优异的化学稳定性，能适配复杂腐蚀工况；其三，抗氧化能力强劲，在热氧化环境中，合金表面可快速生成致密的Cr2O3氧化膜，能有效阻隔氧原子扩散，提升涂层在高温氧化环境下的服役寿命；其四，工艺适配性良好，镍基合金粉末具有适配激光熔覆工艺的熔化温度与流动性，在熔覆成形过程中可形成平整致密的优质涂层，且与碳钢、不锈钢、钛合金等多种基材均具备优异的冶金相容性，能保障涂层与基材的结合强度。

　　2实验材料与方法

　　2.1实验材料

　　2.1.1基体材料选择与预处理

　　熔覆材料为45#碳钢，基体尺寸为100mm×50mm×10mm。采用240#~800#的砂纸进行机械打磨后经化学溶剂清洗，超声清洗去油15min后，用丙酮清洗，随后用无水乙醇清洗掉表面的丙酮并烘干。预处理的表面质量对激光熔覆涂层与基体材料的结合力有较大影响[3]。

　　2.1.2镍基合金粉末特性

　　本实验所用镍基合金粉末为Ni-16Cr-4B-3.5Si-15Fe（wt%）的Ni60A合金粉末，粉末粒径53~105μm，松装密度4.2g/cm3，振实密度5.1g/cm3。Ni60A合金粉末流动性良好，球形度高，成粉率较高。检测结果表明粉末中C含量在0.8%以下，P、S等有害杂质含量很低。粉末以球形为主，表面光洁，能均匀吸收激光能量[4]。

　　2.1.3保护气体选择

　　激光熔覆过程采用氩气作为保护气体，纯度≥99.99%。保护气体系统包括侧吹保护和同轴保护，侧吹气体流量20L/min，同轴保护气体流量10L/min。良好的保护气体环境能防止合金元素烧损，减少熔池中的氧化夹杂物[5]。

　　2.2激光熔覆工艺

　　2.2.1激光器参数设置

　　采用IPGYLS-4000光纤激光器（最大输出功率4kW），1070nm波长，最大输出功率的稳定性≤±2%；工作模式设置为连续模式，光路系统采用100μm的光纤进行传输，聚焦光斑直径约为3mm，聚焦镜的焦距为200mm。

　　2.2.2工艺参数优化

　　为寻找激光熔覆工艺参数的最优组合，利用正交试验设计激光熔覆的工艺参数，选择激光功率、激光扫描速度和送粉量为影响因素；激光功率从1.5~3.0kW，激光扫描速度从5~15mm/s，送粉量从8~20g/min选择进行试验。单因素实验与正交试验相结合的方法确定最佳工艺组合：激光功率2.2kW，激光扫描速度8mm/s，送粉量12g/min。

　　2.2.3熔覆路径规划

　　采用激光熔覆一层一层熔覆的方式，搭接率为30%~40%，激光熔覆走向为沿试样的长度方向，每层之间间隔时间为60s。使用路径规划的软件自动编程生成NC程序，控制激光头和工作台的相对运动。

　　3结果与分析

　　3.1工艺参数对涂层宏观质量的影响

　　3.1.1涂层表面形貌分析

　　涂层表面形貌受激光功率影响较大，当功率为1.5kW时，涂层表面存在较大且未融化的粉末颗粒，说明能量密度过低；当功率为2.2kW时，涂层表面比较平整，具有典型的鱼鳞状的微观形貌；当功率达到3.0kW后，表面存在过烧现象，且飞溅较多、气孔较多。扫描速度影响表现在熔池形态和凝固形貌方面，当扫描速度过低时，熔池温度不够，涂层表面粗糙度较大。送粉量的变化直接影响涂层的致密度和厚度均匀性。

　　3.1.2熔覆层几何特征

　　在优化工艺条件下，单道涂层高度为1.2~1.5mm，宽度为4.5~5.0mm，润湿角为45°~55°。激光功率增加使熔覆高度略有降低而宽度增加，扫描速度增加导致熔覆高度增加而宽度减小，送粉量增加明显影响熔覆高度。

　　3.1.3稀释率与熔合状态

　　经金相检验和成分分析测得在优化工艺条件下，稀释率为8%~12%，属于合适值。在影响稀释率的因素中，激光功率影响最大，增大激光功率，熔深增大，则稀释率增大。经熔合界面观察可知在优化工艺参数下，涂层与基体冶金结合良好，界面处不存在较大裂纹、夹杂等缺陷。

　　3.2涂层微观组织特征

　　3.2.1相组成分析

　　Ni基合金涂层的基体组织为γ-Ni固溶组织、Ni3B组织以及少量的Cr7C3碳化物和CrB硼化物。γ-Ni为面心立方固溶体，是涂层的基体组织，固溶Cr、Fe、Si元素进行强化。Ni3B组织由于激光熔覆过程的快冷速率比铸造态大导致在激光熔覆中富集析出，呈现出细小颗粒状析出于晶界处和树枝晶之间的相。Cr7C3碳化物是原始粉末中C和Cr元素在激光熔覆过程中析出形成的一种碳化物，硬度较高。相对于铸造态组织，激光熔覆组织中第二相颗粒更为细微。

　　3.2.2晶粒结构特征

　　涂层微观组织属于典型的快凝组织，包括柱状晶和等轴晶组织。涂层靠基体的一侧，温度梯度大，形成沿热流方向生长的柱状晶，晶粒长50~100μm，宽10~20μm，涂层的中上部形成等轴晶组织，晶粒大小为15~30μm，柱状晶内存在树枝晶长大的形态，一次枝晶臂间距为5～8μm，二次枝晶臂间距为2~3μm。晶粒细化主要来自激光熔覆时的高冷却速度。

　　3.2.3析出相的分布与形态

　　激光熔覆镍基合金涂层析出相包括硼化物、碳化物和金属间化合物。硼化物包括Ni3B、CrB，其中Ni3B尺寸为1~3μm，形态为块状、针状，分布于枝晶间与晶界处。碳化物包括Cr7C3，形态多样，有块状、棒状、网状，尺寸为0.5~2μm，分布较均匀。金属间化合物包括Ni3Si以及一些Fe-Ni化合物，尺寸<1μm，弥散分布在基体中。析出相与基体界面结合良好，能够保证涂层完整性。

　　3.2.4界面结合特性

　　涂层与基体的冶金结合界面结构特征良好，界面厚度为20~50μm，界面存在成分的梯度变化，涂层中Ni、Cr等元素向基体方向依次降低，基体中Fe元素则向涂层方向依次降低；在界面处产生Fe-Ni固溶体过渡层，过渡层的存在能够解决不同材料之间性能不匹配问题；界面处微观组织为细晶等轴晶，晶粒尺寸为5~10μm。

　　3.3涂层性能评价

　　3.3.1显微硬度分布

　　镍基合金涂层呈现明显的硬度梯度分布现象，涂层表面硬度最高，平均达到650~720HV，沿着涂层向基体逐渐降低，界面处硬度为450~520HV，基体处硬度为180~220HV。硬度分布不均匀是由于微观组织的改变，析出相相对集中的区域硬度较高。相对基体而言，涂层硬度增加2.5~3倍，是由固溶强化、析出强化和细晶强化共同作用。

　　3.3.2耐磨性能测试

　　镍基合金涂覆层具有比母材更优良的耐磨性能。

　　在相同的试验环境中，涂覆层磨损质量损失为1.2mg，母材磨损质量损失为8.7mg，涂覆层与母材之间的磨损量差距达6倍以上。从磨损形貌上看，涂层磨粒磨损表现为轻微磨损，磨损痕迹较浅；母材表现为犁沟和剥落，磨粒磨损现象严重。涂层的优异耐磨性源于涂层的高硬度和致密的微观组织，硼化物和碳化物等硬质相起到关键的抗磨作用。

　　3.3.3耐腐蚀性能评价

　　镍基合金涂层具有良好的耐蚀性，主要原因是Cr的固溶强化、表面钝化膜的保护。在电化学腐蚀试验中用极化曲线法测定涂层腐蚀电位为-0.35V（vsSCE），远大于基体材料的腐蚀电位-0.68V，腐蚀电流密度为2.1×10-6A/cm2，比基体材料低1个数量级；在浸泡液中浸入60天后涂层平均腐蚀率0.003mm/a，远小于基体材料0.025mm/a。

　　3.4工艺参数-组织-性能关系

　　3.4.1激光功率对组织性能的影响规律

　　激光熔覆过程的热量主要由激光提供，功率越高熔池温度越高，相应的冷却速度也较大，对涂层微观组织有较大影响。功率较低情况下，由于能量密度过低，熔化不足，加工得到的涂层中有未熔化颗粒及孔洞的产生；当功率适中时，熔化处于适中状况，相应的冷却速度也处于适中状态，而形成的涂层晶粒大小也比较细小均匀；在高功率下，相应的熔化程度较大，产生热量也较大，造成晶粒过大问题，同时较低的冷却速度会造成析出相过大问题。其硬度随着功率的增加，呈现先增大后减小的状态，最大硬度出现在功率2.2kW处，硬度值最高为720HV，如表1所示。

　　3.4.2扫描速度的作用机制

　　扫描速度过低时，由于热输入时间过长，熔池温度过高，冷却速度相对较缓，更容易得到粗大柱状晶组织。扫描速度适中时，由于热输入时间和冷却速度配合最恰当，可获得细小等轴晶和柱状晶的混合组织。扫描速度过高时，虽然冷却速度快，晶粒较为细化，但由于热输入量不够而导致熔化不足。扫描速度对涂层的几何特性的影响表现为扫描速度越快，熔覆高度越高，但宽度较低，如表2所示。

　　3.4.3送粉量与涂层质量的关系

　　送粉量影响涂层厚度、成分和组织等，决定涂层综合性能。送粉量过小，粉末供给量少于激光熔化量而容易产生涂层断面、涂层厚度不均等问题。送粉量适中，粉末供给量与激光熔化量相当，生成连续均匀的涂层。送粉量过大，粉末供给量大于激光熔化量而未熔颗粒增多，并减少激光能量的有效使用量。送粉量对微观组织的影响是成分不均匀和析出相分布等，如表3所示。

　　4结语

　　综上所述，合适的工艺参数控制能够制得组织致密、性能优良的镍基合金激光熔覆涂层，涂层微观组织属于典型的快速凝固组织，主要由γ-Ni基体固溶体和细小弥散分布的硬质相组成，构成了有益的多相组织强化体，镍基合金激光熔覆涂层经性能检测，硬度、耐磨性、耐蚀性性能均优于基体，能适应苛刻工况，而且工艺参数、组织结构和性能存在确定关系。

参考文献

　　［1］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.

　　［2］尚凡敏，陈建志，马明志，等.激光熔覆耐磨铁基合金涂层研究现状［J］.金属加工（热加工），2025（2）：12-19.

　　［3］杨杰，张哲，魏鑫，等.激光熔覆Ni基合金复合涂层组织性能的研究进展［J］.材料导报，2025，39（S1）：517-521.

　　［4］李垭焓，谭诚香，李梦瑶，等.激光熔覆铁基合金涂层的研究进展［J］.表面技术，2024，53（6）：11-27+66.

　　［5］李春蕾，米国发，李雷.合金成分对激光熔覆镍基合金熔覆层的影响［J］.特种铸造及有色合金，2024，44（12）：1678-1686.