激光熔覆技术（Laser Cladding）是一种先进的材料表面改性技术，最早是由Gnanamuthu于1974年提出专利申请，兴起于20世纪80年代。随着激光器技术的发展和资源节约的需求，激光熔覆技术的基础研究和应用推广得到了快速的发展。它是以激光为热源，将填充材料（粉末、丝材或板材）和基材表面一起熔凝，在基材表面形成与其冶金结合的熔覆层，从而显著改善其表面耐磨、耐蚀、耐热及抗氧化等性能的工艺 ，涉及光、机、电、物理、材料、化学、计算机等多门学科。该技术可对局部易破损的零部件进行表面强化及修复，以延长其使用寿命，有利于降低成本，提高效益，节约贵重稀有金属材料，符合国家循环经济和可持续发展战略。因此，激光熔覆技术备受各国的关注和重视，成为当前的研究热点之一。

与其他表面强化技术，如堆焊、喷涂、气相沉积和电镀等相比，激光熔覆技术具有以下特点：激光能量密度高，加热速度快，对基材的热影响区域小，引起的工件热变形小；冷却速度快（102～106 K/s），涂层晶粒细小，组织致密；涂层稀释率低，涂层与基体呈冶金结合，结合强度高；材料选择性广，金属材料、陶瓷材料及复合材料均可作为熔覆材料；易实现自动化，无环境污染 。因此，该技术在航空航天、矿山机械、石油化工、汽车、船舶、电力、铁路等行业具有广阔的应用前景。激光熔覆技术与其他表面工程技术的参数对比见表1。

本文从激光熔覆喷头、激光熔覆工艺、激光熔覆材料、激光熔覆技术的工业应用4个方面综述了激光熔覆技术的研究进展，并对发展趋势做出了展望。

1 激光熔覆喷头

激光熔覆设备主要包括激光器、熔覆喷头、加工平台和送料装置。而激光熔覆喷头是激光熔覆系统的关键核心部件，可实现激光束传输、变换、聚焦和熔覆材料的同步输送，在基材表面实现激光束、熔覆材料、熔池之间的精确耦合并连续形成熔覆层。其中激光束的整形变换聚焦、材料的传输喷射汇聚、光料的耦合方式是熔覆喷头的关键技术。

1.1 激光熔覆光斑及送料方式

激光熔覆喷头内集成有光束镜组，主要用于激光束的传输、变换及聚焦，可根据不同的加工需求对光束进行处理，包括变换光斑形状、光斑尺寸、光斑能量分布等。光学镜组一般包括准直镜、整形镜和聚焦镜。一般首先通过准直镜对输入的发散光束进行准直，然后对准直后的光束进行整形，变换成所需的光束，如圆形实心光斑转换为环状或矩形状，呈高斯分布的光束变换为光能均匀分布的平顶光束，单光束分成多光束等，最后将光束聚焦至加工面，以满足加工所需的尺寸形状和光强分布。

目前，常见的光斑形状有圆形、环形、矩形和线形，其形状和能量分布如图1所示。圆形实心光斑能量呈高斯分布，其特点是中心能量大，边缘能量小，在激光熔覆过程中易造成熔覆层中间过烧而边缘熔化不足。环形光斑能量呈双高斯分布，其特点是两边缘能量高，中间无能量，可通过锥透镜 、锥镜-反射聚焦镜等对光束转换获得，如图2所示。在激光扫描过程中，在热传导和热对流作用下，熔池两侧的温度略高于中心，这有利于边缘有足够的能量熔化粉末颗粒，减少侧壁粉末的粘附。矩形光斑能量分布较均匀，具有激光热加载均匀、加工效率高等特点，通过微透镜阵列、空间光调制器、非球面透镜组 、衍射光学元件、带式积分镜等对光束整形获得。线形光斑扫描宽度大，大大提高了加工效率，且热作用过程均匀，可显著改善加工质量。

按照熔覆材料的添加方式（下文中的材料均以粉末为例），激光熔覆送粉可以分为预置粉末法和同步送粉法。预置粉末法是将粉末以粘结或喷涂的方式预置在基材表面，然后采用激光辐射扫描熔化形成熔覆层。此方法工艺简单，操作灵活，但粉末烧损严重，熔覆层存在气孔和裂纹多、组织不致密、表面粗糙等缺陷。同步送粉法是采用送粉器使粉末连续输送至激光作用区，实现材料的熔覆加工。同步送粉法具有自动化程度高、熔覆速度快、成形性好等特点，在激光熔覆中得到了广泛的应用，但该方法对粉末的颗粒粒度和流动性等方面要求较高。

1.2 光粉耦合模式及熔覆喷头

按照激光束和粉末的耦合形式，可将激光熔覆喷头分为旁轴送粉熔覆喷头和同轴送粉熔覆喷头。对于旁轴送粉熔覆喷头，其送粉喷嘴相对聚焦光束倾斜喷粉，粉束和激光束轴线之间存在夹角。旁轴送粉熔覆喷头结构简单，送粉喷嘴调节灵活，粉末稳定好，可实现异型零件的激光熔覆。随着高功率激光器技术发展以及使用成本的大幅下降，旁轴激光熔覆喷头由传统的“圆形光斑+单束送粉”方式发展为“矩形光斑+宽带送粉”方式。采用大光斑的激光熔覆方式极大提升了熔覆效率，单道熔覆宽度可达30 mm，适用于形状简单的零件表面的大面积激光熔覆。但变化扫描方向时，光粉耦合会出现明显的方向性，影响熔覆层的性能。

对于同轴送粉熔覆喷头，粉束和激光束同轴耦合输出，粉末流各向同性，克服了旁轴送粉方向性的限制，可保证任意路径下熔覆层的一致性。目前激光熔覆多采用同轴送粉熔覆喷头。由于同轴送粉熔覆喷头无方向性问题，也可应用于激光金属增材制造（3D打印），通过逐层沉积可近净成形大型结构件、复杂结构件等。按照激光束和粉束的相对位置，同轴送粉熔覆喷头可分为光外同轴送粉喷头和光内同轴送粉喷头。光外同轴送粉喷头是采用“粉包光”的光粉耦合模式，激光束从中心出射，光束周围为倾斜布置的多个粉嘴送粉或环状送粉，工作时，激光束和粉束汇聚在工作表面并形成熔池，如图3a所示。光内同轴送粉喷头是采用“光包粉”的光粉耦合模式，圆形实心光束转换为圆环锥形光束或多光束，中空无光区域垂直放置送粉管，实现光束中空，粉管居中，光内送粉，如图3b所示。粉末垂直加工面喷射，由于粉末喷射方向与包围粉束的准直气流方向、外围聚焦环锥形光束轴线方向均相同，故三相流互不干涉，粉末发散小，集束性好，因此在一定的长度范围内能够保证光束、保护气都包围粉束，大大提高粉末利用率，减少熔覆层的表面粘粉和熔覆过程中的飞溅。光外同轴送粉和光内同轴送粉效果如图4所示。从图中可以看出，同轴环形喷嘴比同轴多管喷嘴汇聚效果好，可实现更小的汇聚粉斑，适合精密熔覆加工。同轴单束粉管正向送粉，粉末流细小，挺度高，可进行长距离、大倾角熔覆加工。由于光粉真正同轴实现了“光包粉”，一般无需在熔覆前预调光斑粉斑与工作面的对准，扫描过程中还可离焦变焦，熔覆出变宽的熔道。