實(shí)現(xiàn)高平整度激光熔覆涂層，選擇圓光斑or矩形光斑？

激光熔覆是利用高能激光將金屬粉末和金屬基體表面同時(shí)熔化并快速冷卻凝固，從而在金屬基體表面形成一種合金涂層。該涂層與基體表面為冶金結(jié)合，具有很好的防腐、耐磨、耐高溫特性。

絕大多數(shù)工業(yè)用戶在激光熔覆時(shí)，都希望熔覆涂層的表面有較高的平整度。表面越平整，后續(xù)磨拋加工量越少，越節(jié)省金屬粉末，生產(chǎn)成本就越低。實(shí)際工作中，激光熔覆涂層是由多道熔覆疊加而成的，激光熔覆涂層平整度主要受單道熔覆的平整度、單道熔覆的厚度以及相鄰兩道熔覆之間的搭接率三個(gè)因素影響。

由于液態(tài)金屬的表面張力和潤(rùn)濕性的共同作用，當(dāng)單道熔覆寬度較小時(shí)（使用3mm-5mm的圓光斑 ），熔道表面是凸面而不是平面；當(dāng)單道熔覆寬度較大時(shí)（使用10mm-30mm的矩形光斑），由于送粉均勻性和光斑強(qiáng)度均勻性等因素的影響，單道熔覆層也不是一個(gè)理想的平面。

激光熔覆時(shí)，相鄰熔道必須有一定的重疊量，也就是說(shuō)相鄰熔道存在搭接，如圖1所示。圖中，W為單道熔覆寬度，D為搭接寬度。D與W的比值

R=D/W×100%

稱為搭接率，R表示相鄰熔覆道間的搭接程度。圖1 中d被稱為步進(jìn)，也就是每熔覆一道前進(jìn)的距離。如果使用步進(jìn)d，搭接率可表示

R=（W-d）/W×100%

從上式可以看出，步距越小，搭接率越大，也就是相鄰熔道的重疊量越大。

圖1 熔道搭接示意圖

若使用矩形光斑，搭接率一般小于50%，搭接率太大會(huì)影響熔覆效率。如果搭接率為50%，理論上可以避免涂層的搭接起伏。如果搭接率小于50%，相鄰熔道之間搭接肯定會(huì)引起涂層厚度的波動(dòng)。假設(shè)激光熔覆單道熔覆層厚度為1mm，那么涂層最薄處厚度為1mm，最厚處理論上約為2mm（實(shí)際會(huì)小一些），因此長(zhǎng)矩形光斑理論上無(wú)法實(shí)現(xiàn)熔覆涂層較高的平整度。

要實(shí)現(xiàn)較高的平整度，必須采用3-5mm的圓光斑。使用3-5mm圓光斑制備熔覆涂層，其過(guò)程與矩形光斑的工作原理截然不同。矩形光斑是通過(guò)單層（最多2層）達(dá)到需要的熔覆厚度，而3-5mm圓光斑的熔覆厚度是通過(guò)多層疊加實(shí)現(xiàn)的。假設(shè)熔覆光斑為5mm，步進(jìn)為1mm（搭接率為80%），假設(shè)最終涂層的厚度為1mm，這個(gè)1mm的涂層實(shí)際上是由5層厚度為0.2毫米熔道疊加而成的。這是小圓光斑激光熔覆與矩形光斑激光熔覆的重大差別。通過(guò)3-5mm圓光斑激光熔覆可以實(shí)現(xiàn)較高的平整度（10微米以下）。圖2為中科中美3-5mm圓光斑高速激光熔覆涂層平整度的檢測(cè)結(jié)果，平整度達(dá)到Ra5-6um。

圖2 高速激光熔覆層平整度檢測(cè)

通過(guò)以上分析可以得出如下結(jié)論：熔覆光斑形狀尺寸決定著熔覆涂層的制備過(guò)程。3-5mm圓光斑的熔覆過(guò)程搭接率較高，通過(guò)多層熔覆層疊加達(dá)到需要的熔覆厚度，這是實(shí)現(xiàn)較高平整度涂層的最佳方式。

審核編輯 ：李倩