摘要：文章综述了激光熔覆技术的研究进展，内容涉及激光熔覆的基本原理、材料选择、工艺参数控制、设备配置以及工业应用等方面。激光熔覆因其热影响区小、结合强度高等特点，在材料表面性能提升方面展示出巨大应用前景。文章概述了激光熔覆材料的选择准则、金属/陶瓷/复合材料的研发状况，解析了激光/扫描/气体保护参数的优化策略，讨论了激光器/喷嘴/控制系统等设备的发展方向，并列举了航空航天、汽车、冶金等领域中的应用实例。激光熔覆技术与装备的进一步创新，将推动该技术在减少生命周期成本、提升产品可靠性等方面的重要作用。

　　关键词：激光熔覆；工艺参数；设备配置；工业应用

　　激光熔覆技术是利用高功率激光作为热源，使熔覆材料熔化后沉积在被覆材料表面，生成熔覆层的技术。与传统的熔覆技术相比，激光熔覆具有热影响区小、结合强度高、对被覆材料几乎无需预处理等优点，可实现局部精确修复。激光熔覆层与基体间具有梯度结构，有利于减轻热应力和残余应力，提高结合强度。激光熔覆技术自20世纪60年代提出以来，随着激光技术和材料科学的发展，已成为表面工程领域应用广泛的一项关键技术。

　　与气炬熔覆相比，激光熔覆热影响区窄、残余应力小，对基体的热影响很小。与等离子喷涂相比，激光熔覆层与基体之间焊接牢固，结合强度高。与电子束熔覆相比，激光熔覆可以进行非真空操作，并易于实现自动化。总体来说，激光熔覆综合了熔覆过程中激光的高功率密度、准直性强、控制灵活性高等优点，使其在材料表面改性方面优势明显。

　　激光熔覆技术可以在金属或非金属材料表面形成特定成分和性能的覆层，实现赋予材料表面独特的抗磨性、抗腐蚀性、抗氧化性、抗高温性、抗疲劳性等多功能，极大扩展了材料的应用范围。激光熔覆技术已广泛应用于航空航天、汽车、模具、冶金、机械、化工、光伏、生物医疗等众多工业领域，对提高产品性能和寿命意义重大。

　　1激光熔覆材料研究

　　1.1激光熔覆材料的选取与特点

　　选择合适的熔覆材料对获得优质熔覆层至关重要。一般需要优良的激光吸收性能，并考虑材料的熔点、密度、扩散性、残余应力等参数。常用材料包括金属粉末（钴基、镍基等）、陶瓷粉末（氧化铝、碳化硅等）以及由上述材料制成的预合金化合物或混合物。也可使用不同材料设计出功能梯度材料。

　　熔覆材料除了激光吸收性能好外，还需要熔点适中、稳定性高、与基体有良好的润湿性和冶金耦合性。金属熔覆材料可提供良好的延展性和致密性，而陶瓷熔覆材料具备高硬度和化学稳定性。通过合理选择材料可以获得兼具多种性能的复合熔覆层。

　　1.2激光熔覆材料的功能与性能

　　通过选用不同的激光熔覆材料，可获得优异的高硬度抗磨损性能、抗腐蚀性能、抗热疲劳性能、抗氧化性能、耐高温性能、生物相容性等，赋予被覆材料表面综合优异的性能。熔覆层性能与材料组成及成分的量级、激光工艺参数等因素密切相关。如选择WxC-NiCrBSi等金属陶瓷复合材料可以获得既具备金属延展性，又具备陶瓷高硬度的抗磨熔覆层［1］。采用Inconel 718合金熔覆材料可获得高温抗蚀和抗氧化的熔覆层［2］。氮化硼熔覆材料可提供非常高的表面硬度。钛合金熔覆材料可获得优异的生物相容性熔覆层。

　　1.3激光熔覆材料的研究现状与发展趋势

　　激光熔覆的材料成分是影响熔覆涂层性能很重要的一个因素，随着工程零件应用环境越来越复杂、恶劣，要求涂层的功能越来越多样，性能越来越优异，因此单一涂层材料已不能满足应用要求，涂层材料的复合成为人们解决这一问题的非常重要的途径［3-4］。

　　目前激光熔覆材料配方常用的有：自熔性合金材料、碳化物弥散或复合材料、复合陶瓷材料等［5］。这类材料拥有优秀的耐磨、耐蚀、耐高温等性能，在冶金、海洋装备、航空航天、核电等领域得到广泛应用，因此激光熔覆材料配方的研究得到国内外学者的密切关注。

　　国际上，传统金属熔覆材料如镍基、钴基、钛基合金的研究较为成熟，当前正致力于开发高温合金和功能梯度材料［6］。传统陶瓷类熔覆材料如氧化铝、氮化硅性能较为稳定，现有研究探索高温抗氧化的陶瓷复合物。金属-陶瓷复合熔覆材料的研究较多［7］，其拥有金属韧性与陶瓷硬度的优势，也有将生物活性材料用于医疗领域的尝试［8］。欧美日韩等技术先进国家对激光熔覆技术研究较早。其中，德国弗劳恩霍夫激光技术研究所开展了各类金属材料如钛合金、铝合金、铬合金等的激光熔覆基础研究；美国奥克里奇国家实验室致力于开发高效低成本的激光熔覆系统；日本的众多企业，如住友重机械、三菱重工等也从事激光增材制造设备的研发与生产。

　　国内传统金属熔覆材料应用较广，自2010年后，研究机构和高校如北京航空航天大学、西北工业大学和中国科学院沈阳自动化研究所等在激光熔覆技术上取得较大进展。目前重点关注工业应用，开展了航空发动机叶片翻新、金属功能梯度材料、金属间化合物涂层等方面的研究，部分技术已达到国际先进水平。各地企业如深圳光韵激光等也在稳步发展。目前，陶瓷熔覆材料国产化取得一定进展，但距高性能材料还有差距；复合熔覆材料研究起步较晚，正在由模拟向自主设计发展。

　　展望未来，国内外激光熔覆材料正从传统向创新方向发展。研究重点正在从单一材料向复合材料，特别是金属陶瓷复合材料方向发展，以获得更优异的综合性能。同时也在开发适用于特殊环境下的新型熔覆材料，如高温抗氧化合金、生物相容材料等。

　　2激光熔覆工艺研究

　　2.1激光熔覆工艺的基本原理

　　激光照射熔覆材料形成熔池，熔融的熔覆材料通过毛细作用渗入被覆材料表面，然后进行快速凝固，实现材料之间的熔融黏结。熔覆过程可以分为预处理、熔覆、后处理三个阶段，预处理包括清洗基体，提高表面粗糙度等，熔覆阶段是形成覆层的关键步骤，后处理包括热处理消除残余应力等。

　　2.2激光熔覆工艺的影响因素与优化方法

　　激光熔覆工艺主要影响因素有激光参数、扫描速度、喷嘴参数、气体保护等。激光熔覆过程参数的调控与优化策略是获得优质熔覆层的关键。针对主要的过程参数，研究者提出许多有效的调节与控制策略［9-10］。例如，在激光器参数方面，通过优化激光功率获得了更稳定的熔池形态。研究发现，匹配激光波长可以提高对特定熔覆材料的激光吸收效率。在扫描轨迹方面，比较了不同扫描模式对熔池形成的影响，结果表明正交扫描可以兼顾扫描效率和熔池稳定性。关于喷吹气体保护，通过优化气体流量和压力实现了效果明显的气氛控制。总体来看，目前已建立了比较系统的激光熔覆过程参数优化策略，通过对激光系统、扫描模式、气体保护等关键参数的协同控制，可以实现对熔覆过程的精确调节，显著提高熔覆质量和稳定性。

　　3激光熔覆设备研究

　　激光熔覆设备指用于执行激光熔覆技术的专用设备。它包括激光源、光学系统、喷吹系统、工件定位和移动系统、粉末喷粒装置、工作台和控制系统等组成部分。激光熔覆设备作为实现激光熔覆过程的关键设备，其技术发展直接影响着熔覆质量和工艺能力。

　　常见的激光器有CO2激光器、光纤激光器、半导体激光器等。激光器作为激光熔覆的核心光源，其输出功率、波长范围、光束品质和运行稳定性是确保熔覆质量的关键技术指标。未来激光器的研发将关注输出功率的提升、光束质量的精细化、工作稳定性的增强以及波长范围的扩大等方面，以满足更高效、更精细的激光熔覆加工需求。

　　喷吹系统直接影响着熔覆材料的输送效率。喷嘴优化设计、过程在线监控、温度场控制是设备的关键技术。新型扫描头、多激光耦合等新设备层出不穷。这些技术的进步推动了激光精密熔覆的发展。未来喷吹系统的研究将着眼于内部结构的优化设计、高温抗腐蚀材料的采用、快速多喷嘴切换机构的开发等方面，以提高喷嘴的寿命和适应性，从而有效提高熔覆原料的利用效率。

　　控制系统的智能化水平关系着熔覆的稳定性和表面质量。未来控制系统的发展方向在于构建智能的闭环控制机制、集成人工智能算法进行参数优化、加强人机交互接口设计、实现远程监控与状态预判等数字化、智能化功能，以便实现对熔覆过程的精确控制和质量优化。

　　综上所述，激光熔覆设备的发展方向是提高激光输出功率和稳定性，实现精密喷嘴控制，开发智能化控制系统，以便进行复杂形状的高质量激光熔覆。激光器技术、喷吹系统以及控制系统的协同创新发展，将推动激光熔覆设备向高效、稳定、智能的方向演进，以满足未来综合性能要求更高的激光熔覆应用需求。

　　4激光熔覆技术在各领域的应用及发展前景

　　激光熔覆技术因精确、高效的特点，在航空航天、汽车、冶金等领域展示了巨大的应用优势和发展潜力。

　　在航空航天领域，激光熔覆技术可应用于燃气轮机叶片、喷管、涡轮盘等重要部件的表面强化，生成优质的抗磨和抗高温腐蚀覆层，显著提高了部件的使用寿命。与传统工艺相比，激光熔覆具有加工热影响区小、结合强度高的特点，非常适合航空器件的精密表面增材制造与修复［11］。这一技术的进一步发展将大幅减少航空航天领域的维修成本。

　　在汽车制造领域，激光熔覆可用于强化发动机气门、连杆、凸轮轴等重要零部件的表面性能，增强抗磨性和抗腐蚀性。此类关键部件的使用寿命和可靠性将显著提高，有助于减少维修频率，降低汽车的整体生命周期成本［12］。

　　在冶金工业领域，激光熔覆技术可实现表面修复和保护、部件修复和再制造、表面合金化处理、制造复合材料、局部改性处理以及传统材料的改造。在表面修复和保护方面，激光熔覆技术通过在受损表面熔覆特殊合金，增加了材料的耐磨、耐腐蚀性能，延长了设备的使用寿命。对于关键部件修复和再制造，激光熔覆技术能够通过选择性地加热和熔覆合适的合金材料，恢复其原有结构和功能，实现部件的再利用。表面合金化处理利用激光熔覆技术，将特定合金材料熔覆在金属材料表面，提高了材料的硬度、耐磨性和耐腐蚀性，满足特定工艺要求。利用激光熔覆技术制造复合材料可以通过熔覆不同的粉末材料，实现不同特性的综合应用，拓宽了冶金材料的应用领域。同时，激光熔覆技术可以实现局部改性处理，如硬化、退火和淬火，为冶金材料提供定制性能。此外，传统材料的修复和改造也可以通过激光熔覆技术实现，通过在材料表面形成新的合金层，显著提高材料的性能和寿命。

　　随着激光熔覆技术与装备的不断成熟，其应用领域还将扩大至石油、化工、电力、轨道交通等其他工业领域，市场前景广阔。该技术的持续创新将大幅降低各行业的设备维护成本，提高生产效率。

　　5结论

　　激光熔覆技术作为一种精确、高效的表面改性方法，展示了巨大的应用潜力和发展前景。其独特的优势在于热影响区小、结合强度高、工艺控制灵活等特点，可实现材料表面的精密功能化改造。经过数十年的发展，激光熔覆技术已经在航空航天、汽车、冶金等重要领域得到成功应用，大幅提高了核心部件的使用寿命和可靠性。

　　随着激光技术和装备制造的进一步发展，激光熔覆技术仍然面临进一步降低设备成本、实现多层复杂结构熔覆、扩大应用材料范围等方面的挑战。材料系统匹配性的问题以及稳定、可重复的熔覆质量控制也需要持续优化。但是，这一技术的应用前景非常广阔，包括航空发动机热段部件的修复、汽车发动机的表面增强、水力发电设备的翻新等。激光熔覆技术必将通过设备和工艺的持续创新，在提高产品可靠性和降低生命周期成本方面发挥重要作用。

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