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激光熔覆技術（Laser Cladding）是一種先進的材料表面改性技術，最早是由Gnanamuthu于1974年提出專利申請，興起于20世紀80年代。隨著激光器技術的發展和資源節約的需求，激光熔覆技術的基礎研究和應用推廣得到了快速的發展。它是以激光為熱源，將填充材料（粉末、絲材或板材）和基材表面一起熔凝，在基材表面形成與其冶金結合的熔覆層，從而顯著改善其表面耐磨、耐蝕、耐熱及抗氧化等性能的工藝 ，涉及光、機、電、物理、材料、化學、計算機等多門學科。該技術可對局部易破損的零部件進行表面強化及修復，以延長其使用壽命，有利于降低成本，提高效益，節約貴重稀有金屬材料，符合國家循環經濟和可持續發展戰略。因此，激光熔覆技術備受各國的關注和重視，成為當前的研究熱點之一。

與其他表面強化技術，如堆焊、噴涂、氣相沉積和電鍍等相比，激光熔覆技術具有以下特點：激光能量密度高，加熱速度快，對基材的熱影響區域小，引起的工件熱變形小；冷卻速度快（102～106 K/s），涂層晶粒細小，組織致密；涂層稀釋率低，涂層與基體呈冶金結合，結合強度高；材料選擇性廣，金屬材料、陶瓷材料及復合材料均可作為熔覆材料；易實現自動化，無環境污染 。因此，該技術在航空航天、礦山機械、石油化工、汽車、船舶、電力、鐵路等行業具有廣闊的應用前景。激光熔覆技術與其他表面工程技術的參數對比見表1。

本文從激光熔覆噴頭、激光熔覆工藝、激光熔覆材料、激光熔覆技術的工業應用4個方面綜述了激光熔覆技術的研究進展，并對發展趨勢做出了展望。

1 激光熔覆噴頭

激光熔覆設備主要包括激光器、熔覆噴頭、加工平臺和送料裝置。而激光熔覆噴頭是激光熔覆系統的關鍵核心部件，可實現激光束傳輸、變換、聚焦和熔覆材料的同步輸送，在基材表面實現激光束、熔覆材料、熔池之間的精確耦合并連續形成熔覆層。其中激光束的整形變換聚焦、材料的傳輸噴射匯聚、光料的耦合方式是熔覆噴頭的關鍵技術。

1.1 激光熔覆光斑及送料方式

激光熔覆噴頭內集成有光束鏡組，主要用于激光束的傳輸、變換及聚焦，可根據不同的加工需求對光束進行處理，包括變換光斑形狀、光斑尺寸、光斑能量分布等。光學鏡組一般包括準直鏡、整形鏡和聚焦鏡。一般首先通過準直鏡對輸入的發散光束進行準直，然后對準直后的光束進行整形，變換成所需的光束，如圓形實心光斑轉換為環狀或矩形狀，呈高斯分布的光束變換為光能均勻分布的平頂光束，單光束分成多光束等，最后將光束聚焦至加工面，以滿足加工所需的尺寸形狀和光強分布。

目前，常見的光斑形狀有圓形、環形、矩形和線形，其形狀和能量分布如圖1所示。圓形實心光斑能量呈高斯分布，其特點是中心能量大，邊緣能量小，在激光熔覆過程中易造成熔覆層中間過燒而邊緣熔化不足。環形光斑能量呈雙高斯分布，其特點是兩邊緣能量高，中間無能量，可通過錐透鏡 、錐鏡-反射聚焦鏡等對光束轉換獲得，如圖2所示。在激光掃描過程中，在熱傳導和熱對流作用下，熔池兩側的溫度略高于中心，這有利于邊緣有足夠的能量熔化粉末顆粒，減少側壁粉末的粘附。矩形光斑能量分布較均勻，具有激光熱加載均勻、加工效率高等特點，通過微透鏡陣列、空間光調制器、非球面透鏡組 、衍射光學元件、帶式積分鏡等對光束整形獲得。線形光斑掃描寬度大，大大提高了加工效率，且熱作用過程均勻，可顯著改善加工質量。

按照熔覆材料的添加方式（下文中的材料均以粉末為例），激光熔覆送粉可以分為預置粉末法和同步送粉法。預置粉末法是將粉末以粘結或噴涂的方式預置在基材表面，然后采用激光輻射掃描熔化形成熔覆層。此方法工藝簡單，操作靈活，但粉末燒損嚴重，熔覆層存在氣孔和裂紋多、組織不致密、表面粗糙等缺陷。同步送粉法是采用送粉器使粉末連續輸送至激光作用區，實現材料的熔覆加工。同步送粉法具有自動化程度高、熔覆速度快、成形性好等特點，在激光熔覆中得到了廣泛的應用，但該方法對粉末的顆粒粒度和流動性等方面要求較高。

1.2 光粉耦合模式及熔覆噴頭

按照激光束和粉末的耦合形式，可將激光熔覆噴頭分為旁軸送粉熔覆噴頭和同軸送粉熔覆噴頭。對于旁軸送粉熔覆噴頭，其送粉噴嘴相對聚焦光束傾斜噴粉，粉束和激光束軸線之間存在夾角。旁軸送粉熔覆噴頭結構簡單，送粉噴嘴調節靈活，粉末穩定好，可實現異型零件的激光熔覆。隨著高功率激光器技術發展以及使用成本的大幅下降，旁軸激光熔覆噴頭由傳統的“圓形光斑+單束送粉”方式發展為“矩形光斑+寬帶送粉”方式。采用大光斑的激光熔覆方式極大提升了熔覆效率，單道熔覆寬度可達30 mm，適用于形狀簡單的零件表面的大面積激光熔覆。但變化掃描方向時，光粉耦合會出現明顯的方向性，影響熔覆層的性能。

對于同軸送粉熔覆噴頭，粉束和激光束同軸耦合輸出，粉末流各向同性，克服了旁軸送粉方向性的限制，可保證任意路徑下熔覆層的一致性。目前激光熔覆多采用同軸送粉熔覆噴頭。由于同軸送粉熔覆噴頭無方向性問題，也可應用于激光金屬增材制造（3D打印），通過逐層沉積可近凈成形大型結構件、復雜結構件等。按照激光束和粉束的相對位置，同軸送粉熔覆噴頭可分為光外同軸送粉噴頭和光內同軸送粉噴頭。光外同軸送粉噴頭是采用“粉包光”的光粉耦合模式，激光束從中心出射，光束周圍為傾斜布置的多個粉嘴送粉或環狀送粉，工作時，激光束和粉束匯聚在工作表面并形成熔池，如圖3a所示。光內同軸送粉噴頭是采用“光包粉”的光粉耦合模式，圓形實心光束轉換為圓環錐形光束或多光束，中空無光區域垂直放置送粉管，實現光束中空，粉管居中，光內送粉，如圖3b所示。粉末垂直加工面噴射，由于粉末噴射方向與包圍粉束的準直氣流方向、外圍聚焦環錐形光束軸線方向均相同，故三相流互不干涉，粉末發散小，集束性好，因此在一定的長度范圍內能夠保證光束、保護氣都包圍粉束，大大提高粉末利用率，減少熔覆層的表面粘粉和熔覆過程中的飛濺。光外同軸送粉和光內同軸送粉效果如圖4所示。從圖中可以看出，同軸環形噴嘴比同軸多管噴嘴匯聚效果好，可實現更小的匯聚粉斑，適合精密熔覆加工。同軸單束粉管正向送粉，粉末流細小，挺度高，可進行長距離、大傾角熔覆加工。由于光粉真正同軸實現了“光包粉”，一般無需在熔覆前預調光斑粉斑與工作面的對準，掃描過程中還可離焦變焦，熔覆出變寬的熔道。