激光熔覆工艺及EHLA涂层表面形貌研究

在现代制造业中，材料表面的优化和修复技术对于提高产品寿命和性能至关重要。激光熔覆技术，作为一种高效的表面改性和修复手段，因其能够精确控制材料沉积和冶金结合的特性，受到工业界的广泛关注。美能光子湾3D共聚焦显微镜：可应对各种精密器件及材料表面以及多样化的测量场景，超宽视野范围、高精细彩色图像观察和多种分析功能，可为激光熔覆工艺后的表面形貌进行精准测量，为工艺质量监测提供有力支持。

#Part.01

激光熔覆工艺介绍

激光熔覆，也称为激光金属沉积，是一种将材料添加到另一种材料表面的技术。激光熔覆的基本原理是将金属粉末或金属丝送入高能量激光束，使基体材料和添加材料同时熔化，并在快速凝固的过程中形成一种新型的冶金结合层。激光熔覆技术可以精确、有选择性地沉积材料，并且将热量输入到底层基材中。

粉末激光涂覆示意图

应用广泛的激光熔覆材料主要有：镍基、钴基、铁基、钛合金、铜合金、颗粒型金属基复合材料，陶瓷材料等。

与传统涂层工艺相比，激光熔覆具有多项优势。激光熔覆的特点主要有：熔覆层稀释度低但结合力强，与基体呈冶金结合，可显著改善基体材料表面的耐磨、耐蚀、耐热、抗氧化或电气特性，从而达到表面改性或修复的目的，满足材料表面特定性能要求的同时可节约大量的材料成本。

与堆焊、喷涂、电镀和气相沉积相比，激光熔覆具有稀释度小、组织致密、涂层与基体结合好、适合熔覆材料多、粒度及含量变化大等特点，因此激光熔覆技术应用前景十分广阔。

激光熔覆技术分为以下多种：

#Part.02

激光熔覆的应用

激光熔覆技术广泛应用于多个领域，包括：

• 航空航天：用于修复和强化飞机发动机叶片、涡轮盘等关键部件。

• 汽车制造：用于提高汽车发动机零部件的耐磨性和耐腐蚀性，延长使用寿命。

• 冶金行业：用于修复和强化轧机牌坊、轧辊等设备，提高其耐磨性和使用寿命。

• 煤机行业：用于修复和强化液压立柱等设备，提高其耐磨性和耐腐蚀性。

船舶制造：用于修复和强化推进器芯轴等部件，提高其耐磨性和耐腐蚀性。

#工艺参数对表面形貌影响分析.01

激光功率

下图为不同激光功率下制备的EHLA涂层的宏观形貌。

不同激光功率下EHLA涂层的宏观形貌

当激光功率为3000W时，由于能量密度较低，导致基体表面局部区域附着有半熔融的粉末。随着激光功率增加至3500W，沉积在基体表面的材料体积增加，但熔覆层仍然不完整。但随着激光功率的增加，EHLA涂层的完整性得到明显改善，成形质量不断提高。其原因可能是激光功率的增加可以升高熔池温度，同时降低熔池的冷却速度，导致熔池内形成较大的温度梯度。随后，较大的温度梯度有利于形成较强的Marangoni流，最终形成平整、光滑的熔覆层。

#工艺参数对表面形貌影响分析.02

沉积速度

下图为不同沉积速度下EHLA涂层的宏观形貌。

不同沉积速度下EHLA涂层的宏观形貌

可以观察到，当沉积速度≤11m/min时，表面形貌随着沉积速度的增加变化不明显。但当速度≥13m/min时，随着沉积速度的进一步增加，熔覆层成型不稳定性愈加严重，表面凹坑数量逐渐增多，最终在沉积速度为25m/min时，EHLA涂层表面呈随机分布且凹坑较多。

#工艺参数对表面形貌影响分析.03

送粉速度

送粉速度会影响基体对激光能量的吸收，影响粉末颗粒在沉积到基体之前熔化的程度，最终影响加工过程中熔池的形状和稳定性。

不同送粉速度下 EHLA 涂层的宏观形貌

如上图所示，随着送粉速度从20g/min增加到40g/min，表面宏观形貌变化不大，但随着送粉速度继续增加到45g/min、50g/min、55g/min，涂层表面逐渐形成凹坑，且高低差越来越大。众所周知，当送粉速度较低时，粉末仅吸收少量的激光能量，而大量的激光能量直接照射在基体表面，增加了熔池宽度，降低了涂层厚度。

#工艺参数对表面形貌影响分析.04

重叠率

在EHLA过程中，粉末熔融产生的液态熔体受到表面张力和重力的作用。表面张力倾向于将液态熔体收缩成球体以获得最小的表面积，阻碍液态铺展。重力降低了液态熔体的重心高度，倾向于将熔体铺展。最后，两种力的共同作用使单道涂层的表面形貌呈现出中心高、边缘低的特点。因此，当重叠率较低时，下一层熔覆层无法填充上一层熔覆层边缘的凹陷区域，最终在重叠区域形成凹槽，如下图a~d所示。

不同重叠率下EHLA涂层的宏观形貌

随着重叠率的增加，两相邻熔覆层之间的距离逐渐减小，下一层熔覆层可以填充上一层熔覆层边缘的凹陷区域，明显改善了熔覆层的平整度（图e~g）。但当搭接率增加到90%时，涂层表面平整度严重降低，部分区域分布着深坑（图h）。其原因是搭接率过大导致单位面积热输入急剧增加，导致粉末过烧，熔池内液态金属运动剧烈，熔覆层严重氧化，甚至剥落，最终导致熔覆层成形质量急剧下降。另外，还可以观察到熔覆尾部发蓝，进一步证明熔池温度急剧上升。

#Part.03

激光熔覆工艺检测

基于上述内容可以得出结论，涂层的表面形貌变化可以有效反应激光熔覆工艺质量。准确监测涂层质量，严格控制工艺参数，有助于提升部件的耐磨性和耐腐蚀性。

美能光子湾3D显微镜激光加工材料（左）、激光熔覆（右）形貌

#ME-PT3000

美能光子湾3D共聚焦显微镜

美能光子湾3D共聚焦显微镜是一款用于对各种精密器件及材料表面，可应对多样化测量场景，能够快速高效完成亚微米级形貌和表面粗糙度的精准测量任务，提供值得信赖的高质量数据。

• 超宽视野范围，高精细彩色图像观察

• 提供粗糙度、几何轮廓、结构、频率、功能等五大分析功能

• 采用针孔共聚焦光学系统，高稳定性结构设计

提供调整位置、纠正、滤波、提取四大模块的数据处理功能

综上所述，激光熔覆技术凭借其低稀释度、高结合力、组织致密等优势，在材料表面改性和修复方面展现出了巨大的潜力。通过对激光功率、沉积速度、送粉速度和重叠率等工艺参数的精确控制，可以有效优化熔覆层的表面形貌，从而提升部件的耐磨性和耐腐蚀性。美能光子湾3D共聚焦显微镜作为一种先进的检测工具，其超宽视野范围、高精细彩色图像观察和多种分析功能，为激光熔覆工艺的质量监测提供了有力支持。未来，随着技术的不断进步和创新，激光熔覆技术结合先进的检测手段，必将在更广泛的领域发挥重要作用，推动相关产业的持续发展。

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