2.5　激光熔覆成型（LCF）

激光熔覆成型（laser cladding forming，LCF），又称为激光熔覆沉积（laser cladding deposition，LCD）、激光熔化沉积（laser metal deposition，LMD）、激光近净成型（laser engineered net shaping，LENS）技术，它于20世纪90年代由美国Sandia国家实验室首次提出。激光熔覆技术成型机采用的工艺称为选区激光熔覆，属于定向凝固沉积式增材制造工艺，利用激光束将合金粉末迅速加热并熔化，快速凝固后形成稀释率低、呈冶金结合的层体。

2.5.1　激光熔覆成型工作原理

激光熔覆成型技术是定向凝固沉积成型工艺的一种。其工作原理是：首先，大功率激光器产生的激光束聚焦于基板上，在基板表面产生熔池；同时，由送粉系统进入喷头的气-粉粒流中的金属粉末注入熔池并熔化；然后，工作台在计算机控制下实现坐标轴X-Y方向的移动，按照成型件截面层的图形轮廓要求做相对喷头运动，Z向的运动是由激光束及送粉机构的共同运动实现；熔池中熔化的金属不断凝固，逐步形成金属截面层。激光熔覆成型系统主要由计算机、粉末输送系统、激光器和数控工作台组成，如图2-51所示。

激光熔覆成型工艺采用聚焦激光束作为热源熔化金属粉末。金属粉末在运载气体的作用下构成气-粉粒流，并按控制流速从喷头射出到达激光束的焦点处，金属粉末在此焦点熔化，然后随着激光束的移动，熔化金属液沉积在工作台基板的预定位置。按照气-粉粒流的喷嘴相对激光束的位置，可将粉粒流型气动喷头分为同轴送粉式与侧向送粉式两种。在这两种喷头中，气-粉粒流与激光束的照射同时存在，因此这两种喷头统称为同步送粉式喷头。采用同步送粉式激光熔覆技术，具有热影响区小、可获得具有良好性能的枝晶微观结构、熔覆件变形比较小、过程易于实现自动化等优点，已广泛应用于新材料制备和耐磨涂层。若同种金属材料多层熔覆，熔覆层间仍属于良好的冶金结合，这就为制造和修复高性能致密金属零部件提供了可能，如图2-52所示。

同轴送粉激光熔覆式气动喷头原理如图2-53所示。由图可见，聚焦的大功率激光束从喷头的中央通过后投射至基板上，来自送粉系统的气-粉粒流通过送粉管将金属粉末输至喷头的周围，并经喷嘴实时同步喷射沉积至基板，聚焦的激光束使基板上形成熔池，并使注入的金属粉末熔化；当喷头和其中的激光束移开后，已熔化的粉末又迅速重新凝固成为固态，并且和基板（或已成型的前一层材料）牢固地结合在一起。图2-54为同轴送粉激光熔覆式气动喷头。图2-55为多送粉管路同轴送粉激光熔覆式气动喷头。

侧向送粉激光熔覆式气动喷头如图2-56所示。激光束通过反射镜和聚焦镜后，使基板上形成小熔池，并使由侧面送粉管同步射入熔池的气-粉粒流中的金属粉粒熔化，然后随着喷头的离开，熔化的金属迅速冷却，逐步构成金属构件的截面轮廓。通入保护性气体（氩气）的作用是遮蔽熔池，避免金属粉末熔化时发生氧化，并使粉末表面有更好的润湿性，以便层与层之间能更牢固地相互黏结。

为了保证送粉管路的几何中心与光束同轴，研究人员研制了一种光内同轴送粉喷嘴，送粉管位于光束内部，如图2-57所示。粉末垂直下落，激光光斑包围粉斑。气套环绕出粉针头，吹气方向与粉末方向完全一致。保护气形成气帘，将粉末流束缚成很细的一束，从而可以提高加工精度及粉末利用率。

激光熔覆成型技术可广泛应用于金属及合金的直接成型，成型效率高，特别适合于大型钛合金件的成型。钛合金具有密度低、比强度高、屈强比高、耐蚀性及高温力学性能好等突出特点，在工业装备中用量越来越大，广泛用来制作各种机身加强框、梁和接头等大型关键主承力复杂构件。采用锻造后机械加工等传统技术制造这些大型构件需要大型钛合金铸锭的熔铸与制坯装备，以及万吨级以上重型锻压设备，制造工序繁多，工艺复杂，周期长，材料利用率低（一般为5%～10%），成本高。因此，国内外许多大学和研究机构正大力进行钛合金构件激光熔覆成型方面的应用研究。

2.5.2　激光熔覆成型技术特点

激光熔覆成型技术与传统的切削加工技术相比，其优势如下。

①加工成本低，没有前后的加工处理工序。

②所选熔覆材料广泛，而且可以使模具有更长的使用寿命。

③几乎是一次成型，材料利用率高。

④准确定位且面积较小的激光热加工区以及熔池能够得以快速冷却，它是激光熔覆成型系统最大的特点：一方面可以减少对工作底层的影响；另一方面可以保证所成型的部分有精细的微观组织结构，成型件致密，保证有足够好的强度和韧性。

⑤该工艺和激光焊接及激光表面喷涂相似，成型要在由氩气保护的密闭仓中进行，保护气氛系统是为了防止金属粉末在激光成型中发生氧化，降低沉积层的表面张力，提高层与层之间的浸润性；同时，有利于提高工作环境的安全。

激光熔覆成型工艺与粉末选区激光熔化工艺的比较如下。LCF工艺与SLM工艺都是采用大功率激光对金属粉末进行熔化后冷却成型。两者的基本原理是一致的，所不同的是前者采用同步送粉激光熔覆，而后者采用预制送粉的激光熔覆。由于建造过程中设备系统可实现的精度控制以及建造方式上的差异，两者制造出来的金属构件的精度质量与性能等指标也存在许多差异，具体对比如下。

①成型精度 LCF激光成型采用开环控制，属于自由成型，实际成型高度误差与Z轴增量有很大关系。因为Z轴增量决定了聚焦透镜与制造工件之间的垂直距离，其大小直接影响激光光斑的大小，进而影响激光能量密度的大小。SLM采用预制粉末铺层，其层厚比较均匀且层厚尺寸可以精确控制，在涂层过程中可以补偿粉层高度，而且激光聚焦一直保持在固定的高度平面上。相比较而言，LCF适于粗加工且尺寸较大的零件，而SLM适于加工尺寸相对较小且尺寸精度要求相对较高的零件。

②成型效率 在大致相同的工艺条件及精度质量等要求下，由于SLM激光跳转速度与扫描速度较LCF高出一个数量级以上，因此，SLM的加工效率较LCF要高。以20mm×20mm×10mm长方体成型为例，两种工艺的加工参数见表2-2，其加工时间对比见表2-3。此长方体的加工时间SLM方法为LCF方法的60%。

③微观结构与性能 两种工艺方法制作的结构件微观低倍形貌都清晰可见扫描路径，高倍形貌都可见层间的叠层痕迹。两者的金相组织均显示为枝状晶组织，而且定向凝固特征明显，晶粒增长方向为温度梯度较大的方向。LCF结构件的拉伸强度优于SLM结构件，但SLM结构件显微硬度要高于LCF结构件。