將激光用于添加制造技術（如熔覆和燒結），還是一項相對新的技術，它首次于1970年代被引入工業(yè)應用中，用于熔覆閥門和閥座。而最早的生產應用之一是在日本的汽車工業(yè)，激光用于熔覆鋁合金引擎的閥座，以提高其耐磨損性能，同時節(jié)省制造成本。美國的重型設備工業(yè)也隨之開發(fā)了一些應用。在1980年代末期，普惠發(fā)動機公司（Pratt & Whitney）和通用電氣公司（GE）開始采用激光熔覆技術，用于碟形葉片的維修。設備和粉末材料的迅速發(fā)展推動了新技術不斷向前，使此類技術成為許多應用中的一項標準，應用范圍從汽車切割及成形刀具，到鉆井設備的耐磨表面等等。被添加的材料范圍很廣，比如用Stellite合金進行模具修復，用含鎢鋼的粉末實現防磨損，以及永基底金屬粉末維修和生成零件。 當談到熔覆，每個人頭腦中的標準流程是粉末熔焊工藝。根據應用中所需的材料，熔覆可能也要使用到焊絲而非粉末，或者說釬焊而非熔焊。在德國德累斯頓的Fraunhofer IWS研究中心，一項用于在鋼制泵套筒表面上直接沉積銅制耐磨材料的技術已經被開發(fā)出來，并被用于工業(yè)應用（見圖1）。即使熔覆效率達到9.2千克/小時，該工藝仍然能夠保持熔覆厚度的一致性以及出色的金相特征，這都得益于相同的矩形光束和優(yōu)化后的噴嘴設置。然而，大多數的應用都使用粉末熔焊工藝，大大超越傳統的工藝，如等離子轉移弧（PTA），主要是因為其具有的低熱量輸入和對熔融池的更佳控制，從而帶來更少的零件變形并提升金相結果。 圖1、使用銅錫合金完成對液壓鋼泵套筒的熔覆。（圖片來源：Fraunhofer IWS）熔覆應用通常在工作中一步完成。激光束聚焦后在工件上方移動，而此時供粉器將粉末通過一個特殊的噴嘴運輸到熔融區(qū)。該噴嘴將粉末沉積在工件表面，隨后其立即被激光束的熱量熔化。許多不同形狀的噴嘴通常根據應用要求的不同而得到使用。離軸噴嘴是一種更經濟的選擇，通常用于單向流程中。新開發(fā)的離軸噴嘴具有更小口徑的粉末噴頭，提升了粉末利用率，且體積更小，便于進入難以達到的區(qū)域。如果熔覆軌跡能實現2D或3D的軌跡，那么同軸噴嘴將是最佳選擇。它們確保了被加入熔融池的粉末能得到均勻分布，不受流程方向以及加工頭位置的影響。特殊的噴嘴和加工頭已經被開發(fā)出來，用于如ID熔覆和寬道熔覆的應用中。 應用簡介 定向井下鉆探工具與周圍土壤接觸，長期暴露于磨損的環(huán)境中。因為鉆探利用了地球磁場進行導引，所以鉆柱必須采用非磁性材料和工藝。鎢鋼合金是用于該熔覆應用的最佳材料。涂層之于鎢鋼的作用就像瀝青之于路面一樣。許多用于油井的不同零件都采用激光熔覆完成：圖2顯示了Lasercarb涂層正被應用于一個磨損帶，這將保護鉆柱的連接處。穩(wěn)定器用于保持鉆柱相對于鉆孔的位置，它通常是3D翅形結構，這樣土壤和冷卻液能從中通過。鉆柱的智能組件包括昂貴的傳感裝置，如天線、束套和流體分離器等，都進行了激光表面硬化。激光技術很適合用于修復工具并延長其使用壽命，相對使用其他技術高達6倍。 圖2、Lasercarb™被應用于磨損帶。 （照片來源：Technogenia）造紙廠是另一個在不同的階段利用鎢鋼合金涂層抗磨損性能的行業(yè)。在工藝最開始的粉碎階段，木材被粉碎為小碎塊。木漿同水相混合，隨后通過高壓，被推入一系列精細度遞增的濾網以純化紙漿。到了最后的步驟，紙漿在龐大的脫水螺柱上被烘干。紙漿被外部濾網壓縮，將其中的水分擠出來。巨大的壓力和顆粒的形狀使得在這一操作中零件磨損很大。激光技術能非常精確地為過濾器和濾網增加涂層，這使它成為該應用中最有吸引力和最具成本效率的工藝。圖3展示的是一個用于造紙行業(yè)的鎢鋼合金涂層過濾器。 圖3、造紙行業(yè)的過濾器采用Lasercarb WC涂層。 （照片來源：Technogenia）用于冶金爐的出鐵口在耐熱和耐磨損傷上有著特殊的要求。在制煉流程中，出鐵口被塞滿回爐的黏土。當冶煉完成后，出鐵口被塞子鉆開，釋放出其中的液態(tài)鐵。一個出孔通常需要兩到三個鉆頭完成，主要因為黏土摩擦力大且在靠近內部液態(tài)鐵時非常熱。通過采用一種配備4 kW半導體激光器的定制的激光熔覆工藝，只需一個鉆頭即可完成每個出孔的加工，此時FeCrV15Ni7被用于作為熔覆粉末。得到的涂層是精細的釩合金沉淀物，使涂層具備出色的耐磨特性，足以抵御黏土的摩擦力，并具備相當的耐熱特性（見圖4）。 圖4、出鐵口的表面硬化。該涂層采用了釩合金沉淀工藝，以提升耐磨性能。 （照片來源：Fraunhofer IWS）用于熔覆的激光器 一般，用于熔覆工藝的激光器是CO2激光器，因為它是在研發(fā)熔覆應用時最早采用的最高功率激光器。然而，由于其波長和光斑尺寸，它們的吸引力相比近紅外區(qū)域的新一代激光器有所減弱，如Nd:YAG激光器、碟片激光器、光纖激光器以及直接二極管激光器。對比研究顯示，CO2激光器的流程效率只和近紅外區(qū)域1 m波長附近的激光器效率的一半相近。簡單說，就意味著一臺5kW的CO2激光器可以被一臺3kW的半導體激光器代替。 選擇激光器時，在不同聚焦光斑大小情況下，能得到相同的光束外形是另一個重要的考慮因素。高光束質量激光器的高斯分布以及熱點，有時會存在偏離，從而對熔覆工藝產生不利的影響。激光器應該以正確的方式聚焦，光斑大小適中，并且平頂光束。例如，碟片激光器和光纖激光器用于加工非常精細的結構，在醫(yī)療設備應用之中，其光斑特征尺寸有時能小到數十個微米。 對于許多熔覆應用而言，半導體激光器已經成為替代CO2激光器的全新行業(yè)推動力。它們平頂光束外形允許其能實現定制工藝以獲得高質量的一致涂層。最高功率可達10kW，使得其相對傳統工藝實現更高的沉積速率，光纖直徑小至300微米，使ID熔覆和汽輪機葉片維修區(qū)域可達次毫米級。通過使用光纖耦合半導體激光器，根據應用要求，可采用機械臂或基于CNC的運動系統。有跡象顯示，熔覆噴嘴的重要制造商們（包括ID噴嘴在內）已經采納半導體激光器。 盡管激光熔覆才興起不久，但是它已經是一項成熟的技術，通過在世界各地許多不同行業(yè)的使用，新激光器和材料擴展了新涂層的應用邊界，并不斷替代傳統技術。