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　　眾所周知，熔覆可以改善金屬零件的抗磨損和抗腐蝕性。雖然傳統的電弧焊和基于激光的方法是經濟上可行的工藝，并能帶來不錯的性能，但在熔覆過程中仍然有可能形成碳化物晶粒，從而會影響熔覆層的機械強度和壽命。本文介紹了一種新的自動化的激光工藝，能避免碳化物晶粒的形成，并探討了新一代光纖激光器如何讓該工藝不受背反射的影響。

　　傳統激光熔覆的特點

　　簡單地說，熔覆材料以粉末或絲狀的形式被引入到零部件的表面，隨后用激光器來選擇性地將這種材料和基材溶化到非常小的深度，以融合這兩種材料。

　　相比電弧焊和熱噴涂方法，激光熔覆具有幾個優勢。具體來說，對熱量進行精準而有限的應用，可以將零部件的熱變形控制在最小比例甚至不會產生熱變形，從而免去了后續處理中再加工的需要。同時，激光熔覆也會讓沉積材料和基體材料產生很少的混合（稀釋），在熔覆層和基材之間產生真正牢固的冶金結合。

　　然而，幾位研究人員注意到，有時候在激光熔覆過程中發生的材料快速冷卻，會產生結合缺陷，并在熔覆層中產生一些孔隙，從而導致晶粒或其他異質顯微結構的形成。這些結構的特殊性質高度依賴于精確的激光工藝參數與采用的熔覆材料，他們還觀察到裂縫、孔隙和各種柱狀和帶狀晶粒結構的存在。每一個這樣的結構都會影響熔覆層的壽命和有效性。例如，熔覆層裂紋會為腐蝕提供溫床，甚至可能會貫通熔覆層直至基體。晶粒或其他微觀結構會影響熔覆層的機械性能，并且已經被證明在某些情況下會降低熔覆層的抗拉強度。

　　優化熔覆工藝

　　對各種工藝參數的影響進行了研究，如激光功率、激光光束掃描速度、送料速度和熔覆材料的精確配方。通過適當地控制這些因素，可以將不良的熔覆微觀結構的形成降至最低甚至避免這些瑕疵。具體地說，可以通過以下方法來創建高性能的熔覆系統，包括精確地模擬熔覆過程、優化熔覆材料，并在之后仔細控制熔覆工藝流程以重現計算結果。

　　K？thener Spezialdichtungen GmbH（KSD，德國Kleinwülknitz）開發了一種“激光材料快速制造系統（Rapid Laser Materials Manufacturing，R：LM2）”。該系統由三個主要功能元件組成，即混料系統、迷你熔化爐和沉積控制系統（圖1）。

圖1：KSD的“激光材料快速制造系統”的主要功能元件示意圖

　　混料系統包含幾種不同的熔覆粉末以及配備了材料模擬軟件的計算機。迷你熔化爐包括光纖激光器和密封處理室，而后者包含光學聚焦元件、送粉噴嘴、運動系統、高溫測量儀及過程監控攝像機。沉積控制系統配置了運行著CAD/CAM軟件和有限元方法（FEM）模擬軟件的計算機。

　　R：LM2 通過對一組有限的金屬粉末進行各種組合后來創建不同的熔覆層。為了根據給定的應用來選出合適的配方，需要將客戶的要求輸入到該系統中，包括熔覆層所需的機械性能和化學性能（如耐腐蝕性）。然后，材料模擬程序使用相圖來計算出能滿足性能要求的熔覆材料的最佳組合。

　　然后，沉積控制系統中的FEM模擬軟件接收到這個配方，并確定好熔覆工藝參數，包括送粉速度、激光功率、氣體成分、需要的工藝溫度，以獲得最佳效果。在密封處理室中，金屬粉末通過噴嘴被噴涂到工件上，然后用激光熔化。熔覆區域的具體形狀由噴嘴和激光光束的運動軌跡來確定，主要是通過沉積控制系統中的CAD/CAM軟件來控制。沉積控制系統通過過程攝像機來監控熔覆區域的尺寸和位置，并用高溫測量儀來監控溫度，必要的時候調整參數以獲得預期的效果。R：LM2系統還能嚴密控制密封處理室中的氣體。這對于實現均勻、重現性好的熔覆是至關重要的。

　　相比傳統的激光熔覆，用R：LM2 系統打造的熔覆展現出非常精細的碳化物晶粒結構。這些涂層都不含孔隙或裂縫，并且可以達到 68 HRC的硬度級別。此外，該系統還有望顯著降低熔覆成本，因為最常見的傳統熔覆材料都很昂貴，例如鎳合金、碳化鎢和因科鎳合金（Inconel）。而R：LM2 所具有的復雜模擬和精準沉積能力，使其在使用成本較低的有色合金組合時也能讓熔覆層在抗腐蝕和耐磨性等方面實現同樣的效果。另外，該系統大大減少了復雜零部件的加工周期。