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0 前言
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表面涂层技术通过大幅提升零部件的耐腐蚀、耐磨损、抗氧化等性能而延长其服役寿命，是机械设备及其关键表面防护的最重要和最基本手段[1]。现阶段，电镀硬铬是航空航天、汽车、造纸等领域的液压支架、活塞杆、气缸、转子类零件最主要的腐蚀磨损防护技术。该方法通过在基材表面电镀铬涂层获得高的硬度（可达 800～1 000 HV）及优异的耐磨性耐蚀性[2]。然而，电镀硬铬过程消耗大量电能镀铬层与基材结合差、易脱落，且面临严重的环境污染问题。电镀硬铬使用的六价铬离子具有高毒性、致癌性，世界各国已纷纷出台相关法律法规严格限制电镀硬铬的使用。因此，亟须寻求可替代电镀硬铬的绿色先进腐蚀磨损防护涂层技术。
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目前，普遍认为最具替代电镀硬铬潜力的表面涂层技术主要有热喷涂[3-4]和激光熔覆[5-6]。然而，虽然采用如超音速火焰喷涂（HVOF，High-velocity oxygen-fuel）、等离子喷涂（APS，Atmospheric plasma spray）等热喷涂技术制备的涂层具有较高的硬度及良好的耐磨性，然而热喷涂涂层与基体间仅存在弱的机械结合而导致涂层易脱落失效。同时，热喷涂涂层呈现典型的层状结构特征，涂层中存在大量孔隙（孔隙率达 1%～10%）、裂纹及粒子层间未结合界面，显著削弱了涂层的腐蚀磨损防护效果[7]。激光熔覆技术是以高能激光束为热源将基材表面与送入熔池的粉末同时熔化、随后凝固而形成与基材冶金结合涂层的方法[8]。与热喷涂涂层相比，激光熔覆涂层组织结构致密、孔隙裂纹等缺陷显著减少，且涂层与基体间呈现强的冶金结合，大幅度提升了涂层抵抗外力剥落的能力。然而，传统激光熔覆技术也具有诸多缺点，如涂层稀释率高、基体热影响区较大、制备效率低下（10～50 cm2 / min）、涂层表面粗糙度大、厚度较厚（大于 500 μm）、粉末利用率低、经济效益差等，制约了传统激光熔覆技术的大规模工业化应用。
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2017 年，德国弗劳恩霍夫激光技术研究所 （Fraunhofer ILT）与亚琛工业大学（RWTH Aachen University）联合开发了超高速激光熔覆技术，在获得高质量涂层的同时，使涂层制备效率大幅提升 10 倍以上[2，9-10]。该技术打破了传统激光熔覆制备效率低的瓶颈，为替代电镀硬铬的绿色先进涂层制备技术的大规模应用提供了可能。本文从超高速激光熔覆的技术特点及优势、研究现状、应用现状三个方面对超高速激光熔覆技术进行了综述，并对其未来发展趋势作出了展望。
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1 超高速激光熔覆技术特点及优势
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超高速激光熔覆与传统激光熔覆相比，两者的本质区别在于光粉耦合位置不同。对于传统激光熔覆（图1），高能激光束照射在基材表面形成熔池，粉末被送入该熔池内进行加热、熔化、凝固，与基材间形成冶金结合。激光束焦点与粉末束流汇聚于基体表面，粉末与基体表面同时熔化。由于粉末直接在熔池内加热，粉末束流与激光束相互作用时间短，大部分激光辐射能量均被基材吸收而导致基材表面产生大的熔化深度（几十到几百微米）及热影响区（500～1 000 μm），涂层稀释率可达 10%～20%甚至更高[11-13]。对于超高速激光熔覆（图1），一般采用激光焦点正离焦方式，即激光束焦点汇聚于基体表面上方位置（0.2～3 mm）[14-15]，通过优化激光头参数设计、调整粉末与激光耦合位置，使粉末与激光束在稍高于基材上方位置进行相互作用。激光束正离焦可使粉末在到达基体前已融化充分并以液滴形式进入熔池。由于超高速激光熔覆与传统激光熔覆技术特点的差异，使得超高速激光熔覆具有以下优势。
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（1）低的涂层稀释率及小的基体热影响区
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超高速激光熔覆制备涂层过程中，大部分激光热量作用于粉末上，而仅剩少量能量作用于基材表面形成微小熔池，在保证涂层与基体冶金结合的同时，使得基材表面熔化深度（几微米）和热影响区 （5～10 μm）较传统激光熔覆大幅下降，稀释率降低至 1%以下，涂层质量得以显著提升[2，16]。
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图1 传统激光熔覆与超高速激光熔覆工艺过程及技术特点对比
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Fig.1 Comparison of cladding process and characteristics between conventional laser cladding and ultra-high speed laser cladding
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（2）高的涂层制备效率
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由于传统激光熔覆粉末在熔池内熔化，为确保熔池保留时间长、粉末熔化充分，通常需要在较低的熔覆速率（＜ 2 m / min）下进行涂层制备，制备效率较低（10～50 cm2 / min）。而对于超高速激光熔覆，由于粉末在到达基体前已充分熔化，因此可在较高熔覆速率下沉积涂层，其熔覆速率可高达 50～500 m / min，制备效率可达 500 cm2 / min，超过传统激光熔覆十倍以上。虽然有学者试图通过提高激光功率或送粉速率来提升传统激光熔覆的制备效率[10]，然而这些方法同时带来热输入量的增加，使得基体热影响区及涂层稀释率进一步增大，导致涂层质量劣化。超高速激光熔覆高的熔覆速率在显著降低涂层厚度（10～250 μm）及基体热影响区的同时，带来了巨大的经济效益，是热敏感材料或薄壁件表面制备薄涂层的有效手段[9，17]。
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（3）低的涂层表面粗糙度及高的粉末利用率
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超高速激光熔覆涂层表面光滑平整，表面粗糙度仅为传统激光熔覆涂层的 1 / 10，后续仅需经过简单的磨削及抛光即可满足精度要求[10]。如图2 所示为 SHEN 等[18]采用传统激光熔覆和超高速激光熔覆制备的不锈钢涂层的表面宏观形貌，由图可以看出，超高速激光熔覆涂层表面粗糙度显著小于传统激光熔覆涂层。低的表面粗糙度不仅大大简化了后续加工工艺，也使得粉末利用率显著提升。超高速激光熔覆的粉末利用率可高达 90 %，进一步提升了经济效益。
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图2 传统激光熔覆与超高速激光熔覆制备 AISI 431 不锈钢涂层表面形貌对比[18]
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Fig.2 Surface morphologies of AISI 431 stainless steel coatings prepared by conventional laser cladding and ultra-high speed laser cladding[18]
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综上，超高速激光熔覆高的制备效率、较小的涂层厚度、低的稀释率、高的表面精度、高的粉末利用率、涂层与基体间强的冶金结合、高的涂层质量等优点，使得超高速激光熔覆成为目前最具潜力替代电镀硬铬的大规模绿色先进防护涂层制备技术。
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2 超高速激光熔覆研究现状
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2.1 超高速激光熔覆工艺参数
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超高速激光熔覆是由激光发生器、激光熔覆头、送粉装置、高精度机械移动装置、气体供应系统、冷却系统等各个系统精密配合进行涂层制备的过程，因此，影响该过程的工艺参数众多。激光熔覆工艺参数直接影响涂层最终的组织结构及性能。相关学者们开展了大量研究工作，对影响超高速激光熔覆涂层质量的关键工艺参数进行了探索[15，19-26]。
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Fraunhofer 激光技术研究所的 SCHOPPHOVEN 等[2]率先开展了超高速激光熔覆工艺参数的研究，系统揭示了激光功率、熔覆速率、送粉速率、搭接率、保护气体流量、载气流量、熔覆距离等参量对涂层厚度及基体熔化区的影响规律。结果表明：
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（1）随着熔覆速率的增加，涂层厚度逐渐减小。在 25～200 m / min 的熔覆速率条件下制备的涂层厚度范围为 10～247 μm，显著低于传统激光熔覆涂层厚度。
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（2）随着激光功率的升高，热输入量随之增大，基体熔化区域增加。
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（3）涂层厚度随送粉量的增大而增大，保护气流量、载气流量及熔覆距离对涂层厚度影响较小。
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大量研究结果均表明，熔覆速率（激光扫描速率）是影响超高速激光熔覆工艺过程及涂层组织结构及质量的最关键参量之一，也是学者们重点研究的工艺参数之一。白兵[15]、XIAO[23]、YANG[24]等系统研究了熔覆速率对超高速激光熔覆涂层厚度及稀释率的影响，得出了一致结论：随着熔覆速率的增加，涂层厚度降低，涂层稀释率及基体热影响区减小。这主要是由于高的熔覆速率使基体热累积量减小，从而使得基体表面熔化深度、热影响区及稀释率随之降低，涂层质量得以提升。例如，YANG 等[24]对比了不同扫描速率的传统激光熔覆与超高速激光熔覆 Fe 基合金涂层的厚度与稀释率。如图3 所示，当扫描速率分别为 0.4、40 及 70 m / min 时，涂层厚度分别为 480、110 及 70 μm，涂层与基体间的元素扩散区（过渡区）厚度及对应的稀释率分别为 40 μm、5%，5 μm、1.6%及 2 μm、0.9 %。YUAN 等[27]对比了不同激光熔覆速率条件下制备的 Ni45合金涂层的热影响区。如图4 所示，由涂层截面硬度沿涂层与基体界面分布结果可以看出，随着熔覆速率从传统激光熔覆的 0.6 m / min 增加到超高速激光熔覆的 76.86 m / min，熔覆层的热影响区厚度从近 400 μm 降低至 50 μm 左右，减少了一个数量级。
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图3 不同激光熔覆速率下 FeCrMoMn 涂层与基体界面处 Fe 及 Cr 元素分布[24]
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Fig.3 Distribution of Cr and Fe elements in the coating prepared at different scanning speeds
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图4 传统与超高速激光熔覆 Ni45 涂层截面硬度分布[27]
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Fig.4 Cross-sectional hardness values of conventional and ultra-high speed laser cladding Ni45 coatings[27]
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除熔覆速率外，激光功率、搭接率、粉末粒度、光粉耦合位置等工艺参数对超高速激光熔覆涂层组织结构及质量也具有显著影响。郑红彬等[20]研究了激光功率及熔覆道间距对超高速激光熔覆 M2 高速钢涂层的组织结构及力学性能的影响。结果表明，随着激光功率减小、熔覆道间距增大，冷却速度增大，涂层晶粒逐渐细化。为了衡量上述参数的综合作用，进一步研究了激光辐照能量密度 E（E= P / VH，其中，E 为激光辐照能量密度，P 为激光功率，V 为熔覆速率，H 为熔覆道间距）对熔覆层晶粒尺寸的影响。结果表明，受热输入量的影响，涂层晶粒尺寸随能量密度的提升而增大。刘德来等[21] 研究了激光功率对超高速激光熔覆涂层组织结构的影响，也得出了相似结论。娄丽艳等[19]以 FeCr 合金涂层为对象，研究了粉末粒度、基体形貌、搭接率对超高速激光熔覆涂层微观结构及表面形貌的影响。结果表明，受快速加热凝固的影响，超高速激光熔覆涂层表面保留了未熔粉末的颗粒状特征，且基体表面形貌具有一定的遗传性，即涂层表面粗糙度随基体表面粗糙度的增大而增大。同时，搭接率的提升可降低涂层表面粗糙度，当搭接率增加到 70%以后，表面粗糙度趋于平稳。WU 等[25]以超高速激光熔覆 Co 基合金涂层为对象，研究了光粉耦合位置及能量密度对涂层厚度的影响。主要结论为：当粉末与激光耦合位置从基体表面以上 0.2 mm 上升至 0.8 mm 时，由于有更多的粉末在到达基体前达到熔化状态，涂层厚度从 194 μm 增加到 252 μm。同时，随着激光能量密度的提升，涂层厚度先增加后降低。
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上述研究结果表明，超高速激光熔覆技术过程的复杂性，使得影响该过程的工艺参数众多，且各工艺参数之间具有相互耦合作用，从而对涂层的厚度、表面形貌、组织结构、质量及性能产生显著影响。通过优化各工艺参数可制备涂层厚度可调控、涂层与基体冶金结合、稀释率低、热影响区较小的高质量涂层。
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2.2 超高速激光熔覆涂层组织结构及性能
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超高速激光熔覆的激光与粉末相互作用位置与传统激光熔覆存在本质区别，由此造成两个熔覆过程中粉末熔化状态及后续涂层的凝固组织存在显著差异。国内外学者做了大量研究，对比了传统激光熔覆涂层与超高速激光熔覆涂层组织结构的差异，结果均表明，超高速激光熔覆快速熔覆的技术特点，使得超高速激光熔覆涂层较传统激光熔覆涂层拥有更加细小的晶粒组织[17-18，23，26-35]。
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SHEN 等[26]对比了传统激光熔覆与超高速激光熔覆 431 不锈钢涂层的组织结构。如图5 和图6 所示，采用超高速激光熔覆可得到比传统激光熔覆更加细小的晶粒组织，这主要是由较高的冷却速度导致晶粒来不及长大造成的。YUAN[27]、李朝辉[30]、 LAMPA[17]等对超高速激光熔覆涂层的组织结构进行了进一步的研究，详细表征了涂层内部不同区域组织结构的演变规律，并系统分析了其演变机理。结果表明，超高速激光熔覆 Ni45 涂层主要由树枝晶组成。一方面，随着扫描速率的增加，涂层组织结构中出现更多更加细小的等轴晶。研究表明，涂层组织结构的演变主要由涂层凝固参数 G / R 决定，其中 G 为温度梯度，R 为熔体凝固速率。随着熔覆速率的增加，激光与粉末相互作用时间减小，热量传递及累积量减少，温度梯度随之降低。同时，凝固速率 R 随着熔覆速率的增加而升高，由此造成 G / R 随熔覆速率的增加而减小，因此产生更多细小的等轴晶。另一方面，对于固定的功率及扫描速率，从涂层底部至涂层顶部，涂层组织结构由柱状晶逐渐转变为细小的等轴晶。这是由于对于一定熔覆速率的涂层，其凝固参数 G / R 数值从涂层底部至顶部逐渐减小造成的[17，27，31]。
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图5 不同激光熔覆速度下 431 不锈钢涂层组织结构[26]
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Fig.5 Microstructure of the431 stainless steel coating with different cladding speeds[26]
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(a) Microstructure under 1.5 m / min (b) Corresponding coarsened area (c) Corresponding refined area (d) Microstructure under 15 m / min (e) Corresponding coarsened area (f) Corresponding refined area (g) Microstructure under 100 m / min (h) Corresponding coarsened area (i) Corresponding refined area
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涂层组织结构直接决定涂层性能。目前，国内外对于超高速激光熔覆涂层的性能研究主要集中在力学性能、磨损性能及腐蚀性能方面。李朝晖等[30] 研究了超高速激光熔覆 Ni45 涂层的耐磨性能，结果表明，超高速激光熔覆涂层的平均晶粒尺寸由传统激光熔覆层的 22 nm 减小至 3.75 nm，使得涂层硬度由 460 HV 提升至 600 HV，相当于前者的 1.3 倍，而磨损率下降了 1.7 倍。力学性能及耐磨性能的提升主要是由超高速激光熔覆涂层的细晶强化作用产生的。王强[29]、周远东[36]等在对比传统及超高速激光熔覆 TY-2 及 X-M6V 等 Fe 基合金涂层力学性能变化时也得出了类似的结论。
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图6 涂层晶粒尺寸随激光熔覆速率变化关系[26]
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Fig.6 Distribution of dendrites size as a function of cladding speed[26]
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学者们对超高速激光熔覆涂层组织结构对其耐腐蚀性能的影响也进行了系统研究。研究结果均表明，超高速激光熔覆涂层表现出比传统激光熔覆涂层更加优异的耐腐蚀性能[26-27，34]。LI 等[26]采用 TEM 表征对超高速激光熔覆涂层耐蚀性的提升机理做了深入研究。结果表明，超高速激光熔覆涂层较传统激光熔覆涂层晶粒组织更加细小，且涂层内含有更多的位错缺陷。这些高能缺陷处作为钝化膜形核位点，促进致密连续钝化膜的形成，由此显著提升涂层耐腐蚀性能。XU 等[34]研究了超高速激光熔覆 CuAlNiCrFe 涂层的抗高温氧化性。结果表明，超高速激光熔覆CuAlNiCrFe涂层在1 150℃下的抗高温氧化性能较传统 HVOF 喷涂制备的 MCrAlY 涂层显著提升，可用于热障涂层粘结层。这主要由于超高速激光熔覆涂层致密的组织结构保证了 Al 元素的充足供应，由此生成致密连续的 Al2O3 氧化层阻碍进一步氧化。
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上述研究结果表明，超高速激光熔覆超快的冷却速度，使得制备的涂层具有细小的晶粒组织结构，从而显著提升了涂层的力学性能、耐磨性及耐腐蚀性能。优异的综合性能为进一步推进超高速激光熔覆技术替代电镀硬铬、从而在腐蚀防护工业领域得以广泛应用奠定了坚实的基础。
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2.3 超高速激光熔覆材料
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目前已报道的超高速激光熔覆涂层材料主要集中在自熔合金（以 Ni 基自熔合金为主）[27，37-40]、Fe 基合金[18，23，32，41]、高熵合金[34，42-43]、金属-陶瓷复合材料[33，44-45]。
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Ni 基自熔合金具有良好的韧性、耐腐蚀性、抗氧化性、耐冲击性、耐磨性且价格适中，在激光熔覆腐蚀磨损防护涂层领域得到广泛研究。 ASGHAR 等[37]采用超高速激光熔覆在镁合金基体上制备了 Ni60 涂层，并对其力学性能进行了系统研究。结果表明，涂层致密无缺陷，主要由 γ-Ni 过饱和固溶体及一些硬质析出相（如 Cr 及 B 的碳化物）组成，涂层平均硬度达到 948 HV，较基体提升了近 8 倍，磨损量减少了 6.5 倍。YUAN 等[27]采用超高速激光熔覆在钢基体表面制备了 Ni45 自熔合金涂层，其耐磨性及耐腐蚀性较传统激光熔覆涂层显著提升。
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Fe 基合金粉末由于价格低廉且具有良好的耐磨性及耐蚀性，在超高速激光熔覆防护涂层领域显示出明显优势。LI 等[31]采用超高速激光熔覆制备了 AISI 431 不锈钢涂层，结果表明涂层主要由α-Fe 组成，且均匀细小的晶粒组织促进致密 Cr2O3 钝化膜的形成，有利于其获得优异的耐腐蚀性能。XU 等[41] 采用超高速激光熔覆制备了 Fe 基不锈钢涂层，发现涂层主要由分布在树枝晶内的α-Fe、γ-Fe 基相以及分布在枝晶间的 M7C3 碳化物相组成，涂层耐腐蚀性能优异。王强等[29]对比研究了传统与超高速激光熔覆 Fe 基自熔合金涂层的显微组织与力学性能，发现后者的硬度较前者增加了 9.4%，这主要得益于细化的晶粒组织及碳化物等硬质相的弥散强化作用，从而有利于其耐磨性能的提升。Fe 基非晶合金具有优异的力学性能、腐蚀及磨损性能。然而，由于大的冷却速率的限制，Fe 基非晶合金涂层的大面积制备仍然是其大范围工业应用的瓶颈。XIAO 等[23]通过超高速激光熔覆制备了 Fe 基非晶合金涂层。如图7 所示，当激光熔覆速率达到 25 m / min 时，涂层中的非晶相含量可高达 96 %，硬度超 1 100 HV，涂层稀释区厚度小于 5 μm，涂层中裂纹消失。因此，超高速激光熔覆技术高的冷却速率及小的稀释率为非晶合金涂层的大面积制备提供了有效方法。
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高熵合金是由 5 种及 5 种以上金属主元以等原子比配置而成的合金。高熵合金由于具有高熵效应、迟滞扩散效应、晶格畸变效应及鸡尾酒效应而呈现出高硬度、高强度、优异的耐腐蚀性及抗氧化性等综合性能，在超高速激光熔覆领域引起了广泛关注和研究。DU 等[43]采用超高速激光熔覆在不锈钢基体上制备了组织结构致密无裂纹的 FeCoNiCrAl 高熵合金涂层，涂层的相结构主要为单相的 bcc 体心立方相。 CUI 等 [42] 研究了超高速激光熔覆 FeCoNiCrMn 高熵合金涂层的组织结构与耐蚀性。结果表明，该涂层呈现出单一的 fcc 面心立方相结构，组织结构致密且与基体冶金结合，其耐蚀性显著优于 45 钢。
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图7 不同激光熔覆速率下 Fe 基非晶合金涂层的相结构、非晶含量及硬度变化[23]
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Fig.7 XRD pattern, amorphous content, and microhardness of Fe-based amorphous coatings fabricated at different scanning speed[23]
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超高速激光熔覆是制备高质量复合涂层的有效方法。张煜等[45]对比研究了超高速激光熔覆与传统激光熔覆制备 Ni-WC金属陶瓷复合涂层的组织结构与耐磨性能。结果显示，超高速激光熔覆由于更小的热输入及更高的冷却速率，涂层中 WC 颗粒的热损伤及热分解较传统激光熔覆显著降低，碳化物的析出及孔隙的生成得到有效抑制，从而使得涂层组织结构更加致密，耐磨性能更为优良。 WANG 等 [33] 采用超高速激光熔覆制备了 FeCoCrNiMo-金刚石复合涂层。研究表明，在优化的工艺参数下，金刚石的石墨化趋势可得到大幅抑制，从而显著提升涂层的硬度及耐磨性。超高速激光熔覆高的冷却速率使其成为制备热敏感材料的潜在有效方法。
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2.4 超高速激光熔覆过程数值模拟
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超高速激光熔覆是一个快速加热快速冷却的过程，其中涉及物理、化学、冶金等各种复杂的反应及变化，而现阶段通过常规的监测手段难以获得超高速激光熔覆过程精确的温度场、速度场、应力场及粉末与激光耦合过程。因此，通过数值模拟方法对上述物理参量进行准确计算，可为超高速激光熔覆工艺参数与涂层组织结构及性能之间构效关系的建立提供理论指导，从而减少实验过程所消耗的人力、物力和时间。
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由于超高速激光熔覆过程的激光能量分布及光粉耦合形式与传统激光熔覆存在本质区别[46]，因此传统激光熔覆的温度场、速度场及应力场规律对超高速激光熔覆过程并不适用。如图8 所示为白兵[15] 采用有限元模拟方法计算的超高速与传统激光熔覆过程中的瞬态温度场分布。模拟结果显示，超高速激光熔覆的热影响区显著小于传统激光熔覆。贾云杰[47]基于 Comsol Multiphysics 数值模拟软件，对超高速激光熔覆铁基合金涂层的熔覆过程进行了研究。如图9 所示，熔池大小、深度及熔池内最高温度均随激光功率的增大而增加，且涂层高度随扫描速率的增加明显降低，与试验结果一致。
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图8 超高速激光熔覆与传统激光熔覆涂层截面模型温度场分布对比[15]
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Fig.8 Temperature field distribution at cross section of coating fabricated by ultra-high speed and conventional laser cladding[15]
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然而，由于超高速激光熔覆研究起步较晚，现阶段关于该工艺过程的数值模拟研究较少。一方面，缺乏直接将粉末颗粒作用在基体上形成熔覆层的气 / 固 / 液三相耦合的数值分析模型，且缺少数值模拟与试验数据系统的对比分析；另一方面，目前尚无关于超高速激光熔覆过程应力场分布的数值模拟过程。熔覆层中应力累积往往导致涂层中产生裂纹缺陷，研究熔覆过程中涂层内的应力场分布可为预防涂层开裂提供科学指导。
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图9 不同熔覆速率下超高速激光熔覆温度场[47]
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Fig.9 Temperature field distribution of ultra-high speed laser cladding at different scanning speed[47]
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3 超高速激光熔覆应用现状
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超高速激光熔覆属于绿色先进的再制造技术，解决了传统激光熔覆制备效率低的瓶颈问题，将表面修复和增材制造技术发展向前推进了一大步。目前，国内外许多企业及研究所已将其应用于工业生产中，以替代电镀硬铬[10，30，48-50]。德国、荷兰及中国是最早将超高速激光熔覆应用于工业生产中的国家。荷兰的 IHC Vremac Cylinders 公司率先采用超高速激光熔覆技术替代电镀硬铬在世界范围内生产海上液压活塞杆表面腐蚀磨损防护涂层[10]。Fraunhofer 技术研究所与其他公司合作，采用超高速激光熔覆在汽车刹车盘表面涂覆防护涂层。该方法在灰铸铁刹车盘基材与涂层间产生强的冶金结合，涂层质量好、致密无缺陷，整个过程节约材料、经济效益突出。目前，Fraunhofer 技术研究所已准备将该技术投入刹车盘表面涂层的大批量生产线中。
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国内方面，陕西天元智能再制造公司[51]采用超高速激光熔覆实现了油气开采行业废旧柱塞杆表面再制造，产品使用寿命得到显著提升，运营成本大幅下降。宁波镭速激光科技有限公司[52]将超高速激光熔覆技术应用于煤炭工业的液压支柱表面涂层制备（图10），有效提高了液压支柱表面的耐磨、耐蚀性能，延长了其使用寿命。西安煤矿机械有限公司[53]将超高速激光熔覆应用于采煤机齿轮的修复上，解决了以往齿轮无法修复或难以修复的问题，有效降低成本、节约资源。山东能源重装集团大族再制造有限公司[49]自主设计开发了适用于大批量生产的高功率高速激光熔覆设备，并在液压支架立柱防护涂层的制备上进行了验证。结果表明涂层满足使用要求，明显提高了金属粉末的利用率与经济性，证实该技术是替代电镀硬铬最为有效的技术手段之一。
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图10 超高速激光熔覆在液压支柱上的应用[52]
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Fig.10 Application of ultra-high speed laser cladding on hydraulic prop[52]
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4 结论与展望
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本文综述所得主要结论如下：
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（1）超高速激光熔覆高的涂层制备效率、小的涂层厚度、低的稀释率、高的粉末利用率、高的涂层质量等优点，使得超高速激光熔覆成为比传统激光熔覆更具潜力替代电镀硬铬的大规模绿色先进防护涂层制备技术。
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（2）超高速激光熔覆各工艺参数，如熔覆速率、激光功率、搭接率等对熔覆涂层组织结构及质量具有显著影响。与传统激光熔覆相比，超高速激光熔覆超高的冷却速度使得其涂层组织结构更加细小，力学性能、耐磨性及耐蚀性能更加优异。
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（3）超高速激光熔覆高的激光能量密度使其可制备的涂层材料体系广泛，其快速加热、快速冷却的特点使其特别适合于制备热敏感涂层。
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超高速激光熔覆由于高的熔覆效率、优异的涂层质量，使其一经问世便引起了国内外的广泛关注和研究。绿色环保的环境优势及良好的经济效益使其在汽车、航天、造纸等各工业领域具有巨大的应用潜力，是替代电镀硬铬最有效的表面技术之一。虽然目前关于超高速激光熔覆的研究已取得一定的进展，但由于发展时间短，目前该技术仍处于推广应用阶段，存在诸多问题等待解决：
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（1）工艺参数方面。目前对超高速激光熔覆工艺参数的研究大多采用“单一变量法”，即研究单一参数对涂层质量的影响。各参数对性能的综合影响仍需要进一步深入研究，并需要研发合适的数学模型及精确的方法来调控各工艺参数，以制备无缺陷的高质量涂层。随着行业对熔覆效率要求越来越高及激光器价格逐渐下降，除了超高速激光熔覆，具有高熔覆效率的宽光斑激光熔覆也将成为未来发展趋势。
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（2）组织结构及性能方面。超高速激光熔覆高的冷却速度导致涂层中应力升高，开裂倾向增加。因此，未来需要研究适合于解决超高速激光熔覆涂层开裂问题的方法，例如通过涂层预热处理或后热处理减缓温度梯度、降低涂层开裂倾向。
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（3）熔覆材料方面。现阶段采用的粉末多是沿用传统激光熔覆或热喷涂用粉末，仍缺少针对超高速激光熔覆技术特点的专用系列化精细化粉末体系，且目前的材料体系较为单一。研究开发与超高速激光熔覆技术特点相匹配的新型超高速激光熔覆专用粉末体系对于超高速激光熔覆技术的大力推广应用具有重要意义。
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（4）数值模拟计算方面。目前关于超高速激光熔覆过程的数值模拟主要集中在单纯的气 / 固或固 / 液耦合方面，后续数值模拟计算应关注熔覆层的气 / 固 / 液三相耦合的数值分析模型及涂层应力场模拟。应力场分布模拟可进一步预测涂层裂纹形成及开裂机制，为预防涂层开裂提供理论指导。
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（5）超高速激光熔覆涂层应用方面。目前超高速激光熔覆的应用主要集中于轴类零件，后续应开发适用于平面或曲面涂层制备的超高速激光熔覆设备，以拓宽超高速激光熔覆的应用场合。
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参考文献
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摘要
超高速激光熔覆技术作为一项新兴表面技术，具有熔覆效率高、粉末利用率高、涂层与基体间冶金结合、涂层稀释率低、基体热影响区小、表面粗糙度小、可轻易制备薄涂层，且整个过程绿色无污染等优点，成为替代电镀硬铬最具潜力的表面技术手段之一。系统概述超高速激光熔覆技术当前技术水平、研究进展及应用现状，对于其大规模推广具有重要意义。首先介绍超高速激光熔覆的技术特点及优势。其次，重点从超高速激光熔覆关键工艺参数、涂层组织结构及性能、熔覆材料、工艺过程数值模拟四个方面对超高速激光熔覆技术的国内外研究现状进行综述。随后，总结超高速激光熔覆技术在工业领域的应用现状。最后，对超高速激光熔覆技术的未来发展方向及趋势进行展望。主要总结超高速激光熔覆各工艺参数及熔覆层组织结构、性能之间的构效关系，为超高速激光熔覆技术的广泛应用提供借鉴和指导。
Abstract
Ultra-high speed laser cladding, as an emerging surface technology, possesses a series of advantages including high cladding efficiency, high powder utilization, strong metallurgical bonding between cladding coating and substrate, low coating dilution ratio, small heat-affected zone, small coating surface roughness, facile fabrication of thin coating, and environment-friendly characteristic. Thus, ultra-high speed laser cladding turns into one of the most promising surface coating technologies as alternative for hard chrome plating. Summarizing the current technical level, research and application status of ultra-high speed laser cladding technology is of great significance for its large-scale application. Firstly, the characteristics and superiority of ultra-high speed laser cladding are introduced. Then, the research status of ultra-high speed laser cladding technology domestic and abroad is reviewed from four aspects: key processing parameters, microstructure and performances of cladding coating, cladding materials, and numerical simulation of cladding process. The application status of ultra-high speed laser cladding in industry is summarized. Finally, the future development trend of ultra-high speed laser cladding technology is prospected. This paper summarizes the relationship between various process parameters, coating microstructure, and coating properties of ultra-high speed laser cladding, providing reference and guidance for its wide application.
