超高速激光熔覆相比较传统激光熔覆的特性分析

  超高速激光熔覆是一种基于激光热源的表面制造技术，其特殊的熔化形式不同于传统的激光熔覆技术。

  一方面超高速激光熔覆提高了激光能量密度，传统激光熔覆光斑直径约为2—4 mm，而超高速激光熔覆光斑直径小于1 mm，在相同激光能量输入条件下，小光斑区域的激光能量密度更高。传统激光熔覆的激光能量密度约为70—150 W/cm2，而超高速激光熔覆的激光能量密度高达3 kW/cm2。

  另一方面，在传统的激光熔覆工艺中，未熔化的粉末直接送入熔池而超高速激光熔覆调整了激光、粉末和熔池的会聚位置，使粉末的会聚位置高于熔池的上表面，会聚的粉末在进入熔池前被激光照射熔化。通过工艺调整，超高速激光熔覆的沉积速率比常规激光熔覆大大提高。

  在传统的激光熔覆工艺中，为了使固体粉末材料在送入熔池后充分熔化，需要较大的激光能量来保证熔池持续较长的时间。这导致沉积速率只有0.5—2 m/min，无法提高加工效率。另外，传统激光熔覆中激光能量的利用率只有60%—70%，熔化粉末的能量只占总能量的20%—30%。大的热输入容易形成大的热影响区。在超高速激光熔覆过程中，固体粉末材料在熔池上方被激光照射熔化，在重力和载粉气流的作用下进入熔池，使熔池不需要提供热量来熔化，从而缩短了熔池的持续时间，沉积速率提高到20—500 m/min。沉积效率也从传统激光熔覆的50cm2 /min提高到500 cm2 /min。超高速激光熔覆过程中约90%的激光能量用于熔化粉末，剩余能量用于熔化基体材料形成冶金结合界面。这种形式的能量分布对基体的热损伤较小。此外，超高速激光熔覆的激光利用率可以降低熔覆过程中对激光能量的需求，使传统激光熔覆在1~2 kW能量输入下沉积效率可达3— 4 kW。这有利于降低激光熔覆的设备成本。同时，激光-粉末匹配设计使超高速激光熔覆粉末利用率达到90%以上。