随着现代工业的飞速发展，对材料的要求越来越高，材料表面改性技术是兼容材料基体性能与材料表面性能的重要手段，已被科学工作者广泛地研究和应用。激光熔覆技术起源于20 世纪70 年代，Gnanamuthu 提出采用激光在金属基体表面熔覆一层金属的方法专利之后， 激光熔覆技术成为表面工程领域的前沿性课题。

　　激光熔覆技术以高能激光束为热源照射基体合金表面，使待熔粉末熔化、扩展并快速凝固，在基体合金表面形成一种冶金结合的表面涂层， 可用于提高材料表面的强度、硬度，改善表面耐磨性能、抗氧化性能和耐腐蚀性能等。与热喷涂等技术相比，激光熔覆技术冷速高达106℃/s， 熔覆过程热输入小、基体热变形小，熔覆层稀释率低(一般小于8%)、性能可靠，并且熔覆层材料种类多，熔覆过程可实现自动化。影响激光熔覆层性能的因素复杂，而激光熔覆材料是主要因素之一， 直接决定了熔覆层的使用性能，因此一直受到研究人员的重视。本文对激光熔覆常用材料体系的研究进展进行了介绍和综述， 并讨论了激光熔覆材料的设计原则， 为激光熔覆技术的深入研究和应用提供了参考。

　　1、激光熔覆材料研究现状

　　熔覆材料的性能直接决定熔覆层的性能， 自熔覆技术诞生以来， 熔覆材料的开发一直受到研究人员的重视。熔覆材料按照其添加时存在状态可分为粉末材料、膏状材料、丝状材料和棒状材料等。粉末材料通常配合同步送粉法使用， 是应用最广泛的熔覆材料。目前常见的粉末材料包括自熔性合金粉末、高熵合金粉末、复合材料粉末和陶瓷粉末等。

　　1.1 自熔性合金粉末

　　自熔性合金粉末是指在Ni、Fe、Co 等基体合金中加入合金化(Si、B 等)元素形成具有低熔点共晶体的一系列合金粉末。Si、B 能降低合金粉末熔点，使其自动脱氧造渣，减少熔覆层中含氧量，提高熔覆层的成型性能。Ti、Al 能形成金属间化合物产生沉淀强化，B、Co 等可实现晶界强化。自熔合金对于基体有很好的适用性， 可以通过添加不同的合金化元素得到系列产品。

　　1.1.1 Ni 基自熔合金粉末

　　Ni 基自熔性合金粉末价格适中，具有良好的韧性、润湿性、耐磨性、耐蚀性、耐冲击性和耐热性等优点，并且在高温具有自润滑作用，是激光熔覆材料中研究使用最广泛的材料，主要应用于要求局部耐磨、耐腐蚀的构件。王子雷在45 钢表面制备了NiCrBSi 合金涂层。组织分析表明，B、Cr、Ni、C 形成弥散分布的Ni3B、CrB、Cr23C6等强化相， 熔覆层显微硬度为500～650HV0.2。张兴虎等在纯钛表面制备了NiCr涂层。研究发现，涂层与基体为冶金结合，具有细小状树枝晶结构， 主要组成相有NiTi、Ni3Ti、Ni4Ti3、Cr2Ni3、Cr2Ti 相，涂层的平均硬度为780HV0.2，且耐磨性能优异。张伟等采用Ni-Cr-B-Si 粉末在H13压铸模具钢表面制备了激光熔覆层。结果表明，熔覆层由固溶了Fe、Cr、Si、C 等元素的Ni 基固溶体和细小弥散分布的Cr、Fe 等元素的硬质碳化物组成，固溶强化与弥散强化效果显着， 熔覆层平均硬度达到731.9HV0.2。

　　1.1.2 Fe 基自熔粉末合金

　　Fe 基自熔粉末合金成本低廉、耐磨性好，其熔覆层成分与铸铁、低碳钢等基体合金接近，相容性好，界面结合牢固，常用于钢铁与低碳钢要求局部耐磨的零件。目前Fe 基合金常用的合金元素有C、Si、B、Cr 等。Fe、Cr 等元素可与C、B 等元素反应生成细小的硬质碳化物或硼化物，弥散分布于熔覆层内，提高熔覆层硬度，进而提高其耐磨性能。Nagarathnnam等设计了Fe-Cr-W-C 粉末，成功制备了铁基合金激光熔覆层。研究发现，涂层由细小的初生奥氏体枝晶和奥氏体与M7C3型(M 代表金属元素，下同)的共晶组织组成，维氏显微硬度达到8GPa。张娈等使用晶态与非晶态Fe-B-Si 系合金粉末，在45 钢表面制得激光熔覆层。结果表明，晶态粉末制得的熔覆层由固溶了B 与Si 的α-Fe 组成。非晶粉末制得的熔覆层由α-Fe 和硬质Fe2B 两相构成， 熔覆层组织细小且与基体结合良好。王晓荣等使用钛铁、钒铁、铬铁、石墨和纯铁粉在Q235 表面制备了Fe-Ti-V-Cr-C激光熔覆层。研究发现，石墨与Ti、Cr、V 原位反应生成TiC-VC 和Cr7C3等网状或弥散分布的陶瓷相，提高了熔覆层的硬度及耐磨性，并且适量石墨的添加可以抑制有害相Fe2Ti 生成。

　　1.1.3 Co 基合金自熔粉末合金

　　Co 基合金具有良好的耐蚀性、耐热性以及抗粘着磨损等性能，常用于石化、电力、冶金等工业领域。常用的合金元素主要有Cr、W、Ni、C、Mo、Si 等，Co、Cr、Mo 等元素可与其他元素形成硬质相，硬质相均匀分布产生强化效果。秦承鹏等采用激光熔覆在沉淀硬化不锈钢0Cr17Ni4Cu4Nb(17-4PH)上制备了Co 基合金涂层，涂层均匀致密，与基体形成冶金结合。研究表明，涂层由初生γ-Co 树枝晶和片层状共晶组织组成，共晶组织中Cr、W 含量较高，起到强化的效果。冯树强等在304L 不锈钢表面制备了Co基熔覆层。结果表明，熔覆层由γ-Co 固溶体、Fe2Mo相及Co7Mo6相组成，Co、W 等难熔元素富集于枝晶干，Cr、Ni 在枝晶间共晶组织中含量较高。张松等在2Cr13 不锈钢表面进行Co 基合金激光熔覆处理。研究发现，熔覆层与基体形成元素扩散带，为细小枝晶与多元共晶组织， 主要由α-Co 过饱和固溶体、CrB、Co3B、M23 (CB)6、M6C 等相组成， 硬度达到1000HV，具有优异的耐高温腐蚀性能。

 　　1．1．4 其他合金

　　Cu 基合金兼具良好的耐腐蚀性能和抗粘着磨损性能，Cu 基激光熔覆材料包括Cu-Ni、Cu-Ni-B-Si、Cu-Ni-Fe-Co-Cr-Si-B、Cu-Zr-Al、Cu-Mn 和Cu-Cr-Si等，其中Cu-Ni 系合金应用普遍。Cu 元素可与Zr、Mo、Si 等元素发生反应形成强化相， 提高涂层耐磨性能。Cu-Co、Co-Fe 系合金在一定成分范围发生熔体分离，冷却时先析出高熔点硬质相，后发生包晶反应生成原位颗粒增强复合材料。崔泽琴等在AZ31B变形镁合金表面制备Cu-Ni 熔覆层，研究发现，熔覆层硬度为75～110HV0.05，耐腐蚀性良好。刘红宾等在镁合金表面制备了Cu-Zr-Al 合金涂层。物相分析表明，涂层是由α-Mg 与ZrCu、Cu8Zr3等金属间化合物构成，其中ZrCu 相呈连续网状分布。涂层耐磨性和耐蚀性良好。尹延西等在1Cr18Ni9Ti 不锈钢表面预置Cu-Cr-Si 合金粉末，采用激光熔覆技术制备了Cuss/Cr5Si3耐磨复合涂层， 硬度可高达1000HV 以上，表现出优异的耐磨性能。Ti 基熔覆材料可用于改善基体金属表面生物相容性、耐磨性与耐蚀性等。钛合金在航空、航天、船舶、医疗等领域应用较多，但常见的SiC、Cr-Ni-Si、NiCrBSi、NiCrBSi+TiC 等涂层与钛合金的性能相差较大，而钛基涂层在提高硬度和耐磨性的同时，与基体适配良好。郭纯等在钛表面预置Si 粉采用激光熔覆技术原位制备了Ti5Si3涂层。研究表明，涂层由块状或近球状Ti5Si3相组成，并出现纳米级颗粒，对涂层与基体进行摩擦磨损实验，Ti5Si3涂层耐磨性良好。王晶等在TiAl 合金表面预置TiC-Ti-Al 粉末层， 通过激光熔覆处理制得了以TiC 为增强相，以TiAl 及少量Ti3Al 金属间化合物为基体的复合材料涂层。研究表明，激光扫描速度增加，增强相TiC由树枝状向短棒状和颗粒状转变， 且弥散分布于涂层内，起到细晶强化和弥散强化的作用。许恒栋等采用激光熔覆技术通过控制线能量，在低碳钢表面制备了均匀、无裂纹的Ti 层，组织与物相分析表明，熔覆层与基体界面由(TiFe+β-Ti) 共晶组织、少量TiFe 和少量α-Ti 组成。

　　1.2 高熵合金粉末

　　高熵合金是近年来发展的新型高强合金之一。Yeh 等在2004 年首度提出组元由5 种或5 种以上元素按照等摩尔比或近摩尔比配置而成的合金为高熵合金。高熵合金由于混合熵较高在凝固过程中可抑制传统多元合金中脆性相(如金属间化合物)的析出，凝固后多形成具有bcc 或fcc 结构的固溶体，显着降低多元合金的脆性。高熵合金可具有高硬度、高耐腐蚀性和极高的热稳定性等。激光熔覆过程的凝固速度高(104～106℃/s)，能够抑制第二相化合物的生成， 促使高熵合金形成单一的固溶体。目前， 高熵合金是激光熔覆材料领域最新的研究方向之一。张晖等利用激光熔覆技术在Q235 钢材表面制备了具有bcc 结构的FeCoNiAl2Si 涂层， 并进行600～1000℃的退火处理。结果表明， 高熵合金FeCoNiAl2Si 具有典型的树枝晶结形态， 退火后，Fe、Cr、Si 在枝晶间聚集，Ni、Co 和Al 在枝晶内富集，退火温度升高，Al、Si 的偏聚现象加剧。高熵合金熔覆层具有良好的热稳定性。黄祖凤等在Q235钢板表面制备FeCoCrNiB 高熵涂层。研究发现，涂层均匀致密， 由fcc 相基体与颗粒状或棒状M3B 组成， 经900～1150℃退火后，fcc 相相对含量降低，M3B 相对含量增加，涂层热稳定性良好。张爱荣等制备了AlCrCoFeNiMoTi0.75Si0.25 高熵合金涂层激光熔覆层，结果表明，熔覆层具有bcc 结构，硬度553HV0.2，经1000℃退火处理后表面硬度降至408HV0.2，热稳定性良好。

　　1.3 陶瓷粉末

　　陶瓷材料与金属材料相比具有硬度高、熔点高等优点，可适用于对耐磨性、耐氧化性有特殊要求的场合。陶瓷粉末可直接熔覆于基体表面，也可与金属粉末混合制备复合涂层。陶瓷粉末按照成分不同可分为碳化物陶瓷粉末、氧化物陶瓷粉末和硅化物陶瓷粉末。其中碳化物陶瓷又以Al2O3和ZrO2为主。但陶瓷材料与基体金属在热膨胀系数、弹性模量等性能上差别较大， 相容性较差， 熔覆层容易产生变形、开裂、剥落等问题。为提高陶瓷涂层与基体的结合力， 可加入CaO、SiO2、TiO2等氧化物提高涂层的膨胀系数，或制备NiCrAl、CoCrAlY 等过渡层，降低内应力，减少开裂概率。陈传忠以等离子喷涂NiCrAlY 为打底层，成功制备了Al2O3+13%TiO2激光熔覆陶瓷层。花国然等在45 钢先离子喷涂NiCrAl/Al2O3+13%TiO2涂层，后激光熔覆纳米Al2O3，成功制得纳米Al2O3改性Al2O3+13%TiO2(wt%)陶瓷涂层。吴东江等在Ti6Al4V 合金表面同轴送粉激光熔覆了Al2O3-13%TiO2陶瓷粉末。分析表明，熔覆区边缘主要为陶瓷对基体稀释，中部以重熔基体对陶瓷层稀释为主。控制熔覆工艺可减少互稀释效果， 制得无明显裂纹的Al2O3-13%TiO2陶瓷熔覆试样。陈莹莹等使用Al粉、WO3粉末、石墨粉末在表面预置Ni60 的45 钢表面制备了激光熔覆层。物相分析表明，熔覆层物相由W3C、WC、W2C、WCx和FeNi3等组成。熔覆层的网络结构及细小的WC 颗粒显着提高涂覆层硬度。

　　1.4 复合粉末

　　复合粉末主要指碳化物、氧化物、硼化物、硅化物等高熔点硬质陶瓷材料与金属材料混合或复合而形成的粉末体系， 可以制备陶瓷颗粒增强型金属基复合涂层，结合了金属的强韧性与陶瓷优异的耐磨、耐高温性能，是目前研究最多的激光熔覆材料。复合粉末按其结构可以分为包覆型与混合型， 其中包覆型芯核粉末受到包覆粉末的保护， 可在高温时避免氧化、烧损、失碳、挥发等现象，混合型是将陶瓷粉末与金属粉末直接进行机械混合， 缺少对陶瓷粉末的保护。杨森等利用镍基合金粉末，Ti 粉和镍包石墨粉为涂覆材料，在碳钢表面制备了原位自生TiC 颗粒增强镍基合金复合涂层。分析显示， 涂层组织由γ-Ni 枝晶、Ni3B、TiB2、M23C6和TiC 组成， 硬度高达1200HV0.2。崔泽琴等[36]采用预置法在Q235 钢激光熔覆铁基B4C 陶瓷复合涂层。研究表明，涂层与基体达到良好的冶金结合，显微硬度显着提高，耐磨性能良好。王传琦等以TiC 粉末与Ni60 合金粉末为涂覆材料，采用预置激光熔覆法在45 钢表面制备了NiCrBSi-TiC 复合涂层。物相分析表明，涂层由(Fe，Ni) 固溶体、M23C6型化合物、TiC、CrB 和B(Fe，Si)3组成。TiC 在熔覆过程中先后发生了溶解与析出，并以M23C6型碳化物为异质核心以共晶方式析出。研究指出，振动可细化熔覆层组织，促进TiC 颗粒均匀分布。姜鹤明等采用Co/WC/ 金属氧化物不同配比的钴基合金粉末在40Cr 钢表面制备了激光熔覆涂层。分析表明，涂层中含有网状与弥散分布的颗粒状WC、W2C 强化相，未熔的WC 及金属氧化物聚集在晶界处或分散在基体内部， 熔覆层摩擦系数与耐磨性能协同提高。Guo 等在纯Ti 基体表面制备NiCoCrAlY/ZrB2复合涂层。研究表明，复合涂层具有优异的耐高温磨损性能。相珺等以ZrO2粉和Ni60 粉末为涂覆材料在45 钢表面制备复合涂层，涂层显微硬度高达1930HV，耐磨性能良好。原位自生陶瓷增强相是近年发展较快的金属基复合涂层的制备方法。采用原位法自生的陶瓷颗粒较细小，与基体的界面结合较好，裂纹倾向减少，可使复合材料得以强韧化。张松等以Ti、Cr3C2混合粉末作为预置合金涂层，在Ti6Al4V 合金表面制备出原位自生TiC 颗粒增强钛基复合材料涂层。结果显示，涂层结晶致密， 且与基体润湿性良好。在适当条件下， 增强相TiC 可弥散分布于涂层的钛基体中，起到显着强化效果。马海波等采用CoB19.8Ti10Si0.5CoB27.4Ti10Si0.5 (wt%)Co 基自熔合金在钛合金表面原位生成TiB 系陶瓷颗粒增强的Co 基涂层。分析表明， 涂层由树枝状γ-Co 固溶体及颗粒状TiB、TiB2相组成，且耐磨性良好。张晓伟等在Ti6Al4V 表面预置Al 粉和TiO2粉， 使用激光铝热还原法制备了Al2O3/Ti-Al 复合涂层。研究发现，增强相Al2O3呈枝晶状、颗粒状和纤维状均匀分布于α-Ti 和Ti3Al 涂层基体中。随激光扫描速度增加，Al2O3逐渐由枝晶状向纤维状转变。

　　2 、激光熔覆材料的设计与展望

　　激光熔覆技术目前已在工业生产中获得的大量应用， 但激光熔覆材料一直是制约其进一步发展的重要因素。目前激光熔覆材料大多沿用热喷涂材料，缺乏专用的系列化粉末材料， 但两种工艺在凝固温度区间和熔池寿命等方面存在差异， 激光熔覆时直接使用热喷涂粉末容易产生气孔、夹杂和涂层开裂等问题。为解决以上问题，可对基体材料及熔覆层分别进行预处理和后热处理，减少温度梯度，降低涂层内热应力；设计熔覆层粉末时添加稀土元素，提高材料的强韧性；结合激光熔覆过程特点，按照具体使用要求设计专用粉末。针对不同的应用环境， 合理设计熔覆材料/ 基体金属体系， 是获得性能理想熔覆层的根本。在设计和选配熔覆材料时， 应注意以下几点。

　　熔覆材料应满足环境使用性能要求，如耐磨、耐蚀、耐高温等，针对不同的使用要求合理设计熔覆材料体系。熔覆材料应具有良好的固态流动性。熔覆粉末的形状、表面状态、粒度分布和粉末湿度是影响熔覆粉末流动性的相关因素，其中，球状粉末流动性最好，且粒度一般控制在40～200μm。熔覆材料应具有良好的脱氧、造渣能力，熔化后可与氧生成低熔点化合物覆盖在熔池表面，防止液态金属过度氧化，减少熔覆层的含氧量和夹杂等。粉末材料应与基体材料具有良好

　　的相容性，包括熔点、热膨胀系数、润湿性等。熔覆材料与基体金属熔点相近， 则易形成与基体结合良好且稀释率小的熔覆层， 热膨胀系数相近则可降低裂纹与剥落问题的产生。