本刊編譯整理

　　激光熔覆，也稱為激光金屬沉積，是將一種材料添加到另一種材料表面的技術(shù)。激光熔覆技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)材料的精確、選擇性沉積，并且對基體的熱輸入極小。該工藝能夠改善零件表面的性能，包括更好的耐磨性，并可以修復(fù)損壞或磨損的表面。

　　激光熔覆技術(shù)原理和特點(diǎn)

　　激光熔覆采用金屬絲材（包括熱絲和冷絲）或金屬粉末作為熔覆材料。工作時，激光束在工件表面形成熔池，同時將金屬絲或粉末送入熔池。雖然激光作為熱源功率很高，但由于作用時間極短，因此熔覆層的凝固和冷卻速度非常快。

　　這種工藝形成的冶金結(jié)合層特點(diǎn)包括，結(jié)合強(qiáng)度高于熱噴涂工藝，相比硬鉻電鍍工藝更安全環(huán)保。該技術(shù)的優(yōu)勢在于：可混合兩種或多種粉末，并能獨(dú)立控制每種粉末的送粉速率；能夠制造異種材料組件或功能梯度材料；由于熔池中的局部熔融和混合作用，可在微觀結(jié)構(gòu)層面設(shè)計材料梯度分布；可根據(jù)具體應(yīng)用的功能需求定制熔覆材料性能。

　　激光熔覆通過制備抗磨損、耐腐蝕的防護(hù)層，顯著提升工業(yè)產(chǎn)品的性能表現(xiàn)。該技術(shù)可助力節(jié)約自然資源——工程師可采用普通合金作為基體材料，僅在需要部位熔覆高合金材料，即可獲得所需的性能特征。此外，激光熔覆還是修復(fù)和再制造高價值零部件的關(guān)鍵技術(shù)，不僅能精確復(fù)原零件幾何形狀，更能通過選用比原件更具耐磨特性的熔覆材料，延長使用壽命并提升性能指標(biāo)。

　　激光熔覆技術(shù)最顯著的特性是超高精度和極低熱影響，這使得工件熔覆區(qū)域的幾何特征幾乎不受影響。相較于其他熔覆工藝，該技術(shù)所需的二次精加工更少。通常僅需單層熔覆即可達(dá)到目標(biāo)性能，而其他高稀釋率工藝往往需要兩層以上。

　　近年來，激光熔覆技術(shù)的創(chuàng)新主要聚焦在保持核心工藝特性的同時，提升生產(chǎn)效率：

　　● 熱絲激光熔覆通過向加工區(qū)域送入預(yù)熱金屬絲，釋放更多激光能量用于基體材料熔合，從而實(shí)現(xiàn)更高送絲速率。

　　● 高速激光熔覆使添加劑粉末在抵達(dá)基材前于激光束中充分熔化，熔融粉末通過熱傳導(dǎo)與固態(tài)基體實(shí)現(xiàn)冶金結(jié)合。

　　● 大光斑激光熔覆通過擴(kuò)大工件表面激光光斑尺寸，在避免基材過度熔化和稀釋率增加的前提下實(shí)現(xiàn)更高激光功率的運(yùn)用。

　　● 同軸激光熔覆采用與工件垂直的送料方式（通常為金屬絲），激光束以同軸方式環(huán)繞送料絲投射。這種工藝能確保不同行進(jìn)方向下的加工條件一致性，該技術(shù)當(dāng)前主要面向三維激光金屬沉積領(lǐng)域進(jìn)行重點(diǎn)開發(fā)。

　　在地鐵車輪性能提升中的應(yīng)用

　　鐵路運(yùn)輸因其高效性與大運(yùn)量優(yōu)勢，已成為緩解城市交通擁堵的重要解決方案。盡管尚未發(fā)生重大安全事故，但隨著工業(yè)發(fā)展和科技進(jìn)步，列車運(yùn)行安全的重要性日益凸顯。作為地鐵車輛關(guān)鍵部件，車輪的工況環(huán)境比高鐵更為復(fù)雜。頻繁啟停制動易導(dǎo)致車輪損傷，而激光熔覆技術(shù)能有效提升其耐磨性與使用壽命。

　　地鐵車輪常見損傷類型包括輪緣磨損、踏面劃傷、踏面磨損、踏面剝離及輪緣剝離等。此外，在車輪維護(hù)過程中，輪軌間的相對運(yùn)動也可能導(dǎo)致輪輞表面磨損。研究車輪滑動摩擦性能對保障列車運(yùn)行安全至關(guān)重要。

　　在車輪滑動摩擦性能研究中的應(yīng)用

　　激光熔覆技術(shù)通過在基體表面熔覆金屬合金層，在汽車工業(yè)、高附加值零部件修復(fù)等領(lǐng)域具有廣泛應(yīng)用前景，其熔覆層展現(xiàn)出優(yōu)異的抗磨損與抗?jié)L動接觸疲勞裂紋性能。

　　該技術(shù)能顯著強(qiáng)化基材性能，使工件表面獲得卓越品質(zhì)。學(xué)界普遍認(rèn)為，激光熔覆與激光焊接技術(shù)可通過選用不同合金粉末，制備出兼具耐磨、減摩、耐蝕、抗疲勞及抗氧化特性的復(fù)合涂層。

　　合金粉末的選型對激光熔覆工藝至關(guān)重要。軌道與車輪結(jié)構(gòu)常采用鐵基與鎳基粉末，這兩種粉末在成分、功能及特性上存在顯著差異：

　　地鐵輪轂修復(fù)中鎳/鐵合金干滑動摩擦磨損性能分析

　　據(jù)悉，華東交通大學(xué)研究人員針對地鐵車輪修復(fù)，對比研究了鎳基與鐵基合金涂層的性能差異。采用激光熔覆技術(shù)在鐵路車輪ER9 材料表面制備鎳基/ 鐵基合金涂層，所得涂層結(jié)構(gòu)致密，無缺陷、裂紋或氣孔。

　　研究團(tuán)隊(duì)通過能譜儀、掃描電鏡、三維光學(xué)形貌儀及X射線衍射儀系統(tǒng)分析了涂層的微觀組織、界面元素及物相類型。利用MFT-EC4000 往復(fù)式電化學(xué)磨損摩擦試驗(yàn)機(jī)與維氏顯微硬度計，測試涂層力學(xué)性能。實(shí)驗(yàn)選用含（Ni、Fe）、Cr23C6 及Cr7C3 相的γ 鎳基涂層，以及由Fe、（Fe-Cr-Ni）和（Fe、Ni）固溶體相組成的γ 鐵基涂層。

　　研究發(fā)現(xiàn)，鎳基合金中鉻元素的沉積增強(qiáng)了原子間結(jié)合力，產(chǎn)生固溶強(qiáng)化效應(yīng)；同時，熔覆層組織中硬質(zhì)碳化物相與固溶體的存在，顯著提升了材料的抗壓強(qiáng)度與抗拉強(qiáng)度。當(dāng)粘著磨損為主要磨損機(jī)制時，鎳基涂層在摩擦磨損試驗(yàn)后期會出現(xiàn)更嚴(yán)重的氧化現(xiàn)象。鐵基涂層硬度達(dá)715 HV0.7，是基材硬度的2.86 倍；而鎳基涂層的最大硬度為268.4HV0.7。

　　此外，鎳基涂層的摩擦系數(shù)低于鐵基涂層。在耐磨性能方面，鎳基涂層的耐久度約為鐵基涂層的4 倍。鐵基涂層因固溶體相的存在呈現(xiàn)固溶強(qiáng)化效應(yīng)。由于熔覆涂層的預(yù)熱作用導(dǎo)致局部淬火，進(jìn)一步提升了組織的硬度和耐磨性。

　　研究表明，鎳基涂層在高溫環(huán)境下表現(xiàn)優(yōu)異，其硬度和摩擦系數(shù)相對較低，但鎳基合金的經(jīng)濟(jì)性較差。實(shí)驗(yàn)證實(shí)，激光熔覆技術(shù)可顯著提升車輪的硬度和耐磨性。同時研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)合金涂層與基體材料相同時，合金粉末能帶來更顯著的性能提升。鑒于輪軌系統(tǒng)的最佳磨損匹配關(guān)系，以及涂層本身的高耐磨性和高硬度特性，鐵基涂層并不適用于車輪熔覆修復(fù)。

　　在電機(jī)軸修復(fù)上的應(yīng)用

　　在電機(jī)的維護(hù)保養(yǎng)和修理過程中，不時會出現(xiàn)零部件局部尺寸不符合的情況，如電機(jī)軸的軸承位變小，軸承窒尺寸變大等事實(shí)，特別是對于維保和修理單位，又不具備零部件加工更換的客觀條件，因而局部的修補(bǔ)技術(shù)就顯得特別重要。

　　刷鍍、堆焊和冷焊接工藝，在電機(jī)零部件修補(bǔ)中比較常見，而激光熔覆作為近年來關(guān)注度較高的金屬材料修復(fù)技術(shù)，是通過同步或預(yù)置材料的方式，將外部材料添加至基體并經(jīng)激光輻照，外部材料與基體材料共同快速凝固，在基體表面形成包覆層的一種工藝方法。

　　采用激光熔覆技術(shù)修復(fù)電機(jī)軸，已成為中國電機(jī)維修設(shè)備廠商的普遍共識。相較于傳統(tǒng)修復(fù)工藝，激光熔覆具有不可替代的三大核心優(yōu)勢：熱影響區(qū)小，修復(fù)過程零變形；熔覆層結(jié)合強(qiáng)度高，實(shí)現(xiàn)冶金結(jié)合；單邊熔覆厚度可達(dá)3mm，無脫落風(fēng)險。

　　該方法能使添加材料與基體呈冶金結(jié)合方式，兩者結(jié)合牢固的同時，具有較強(qiáng)的防腐蝕、抗氧化性能，耐熱性、耐磨性都很好，因而被廣泛應(yīng)用到零部件的修復(fù)及表面改性領(lǐng)域，而且特別適宜于薄層組織的修復(fù)，諸如電機(jī)軸承系統(tǒng)配合面的修復(fù)，目前在一些好的電機(jī)維修單位得到較好的應(yīng)用。

　　目前，市面上有普通速率和超高速率的激光熔覆系統(tǒng)，相比較，超高速激光熔覆在的高速下進(jìn)行激光熔覆，粉末大多在空間被激光熔化，激光在基體材料上形成的熔池尺寸更淺、更小，具有超快的冷卻速率。隨著熔覆速率的增加，熔覆道之間的搭接率逐漸提高，可以建立多薄層搭接結(jié)構(gòu)，涂層會更均勻，對基體的殘余應(yīng)力會更小，有效防止了基體變形。

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