摘要

在航空航天、石化和汽车等行业中，不同机器的许多零件都处于高温高压环境中，并且容易磨损和腐蚀。因此，高温下的耐磨性和稳定性需要进一步提高。激光熔覆技术具有稀释率低、热影响区小、涂层与基体冶金结合好等优点，目前广泛应用于机械零件的修复和功能涂层。本文从过程模拟、监测和参数优化等方面详细介绍了液相色谱法。同时，随着高熵合金、非晶合金和单晶合金在液晶材料中逐渐显示出相对于传统金属材料的优势，本文对液晶材料系统进行了全面的综述。此外，还概述了液晶在功能涂层和机械零件维修中的应用。讨论了液晶显示技术存在的问题和发展趋势。

1介绍

钛合金、镁合金和其他合金具有优异的性能，例如比强度高、韧性好和密度低。同时，由于其在地球上的丰富储量，被广泛应用于航空航天、汽车工业等领域。然而，随着工业的发展，这些材料将越来越多地用于高温、高压和磨损环境。耐磨性差和高温稳定性差的缺点限制了其应用。为了解决这些问题，人们采用了许多表面强化技术来提高这些合金表面的耐磨性和耐腐蚀性，例如等离子喷涂、物理气相沉积（PVD）、化学气相沉积（CVD）、堆焊、渗碳、氮化等。

由于其高能量密度、良好的相干性和良好的方向性，激光已广泛用于材料的表面处理。激光表面处理技术包括激光表面合金、激光喷丸、激光熔覆（LC）、激光重熔等。值得一提的是，LC是一种新型的表面强化和修复技术。在激光照射下，熔覆粉末在基板表面快速熔化和固化。由于温度梯度较大，它将在基材表面形成细粒度和韧性涂层。与其他表面强化技术相比，它具有以下优点：（1）涂层能与基体形成良好的冶金结合，稀释率和热影响区小；（2）由于温度梯度较大，可以形成精细的微观结构；（3） LC具有环保、简单、灵活和节省材料的优点。本文从液晶、覆层材料体系和液晶应用三个方面综述了液晶的发展现状、存在的问题和未来的发展趋势。

 由LIHRC在A3钢上制备的Ni60A+20 wt%WC复合涂层的结构（a）E=20 J/mm²，ψ=55.1 g/dm²，（b）E=18.4 J/mm²，ψ=55.1 g/dm²，（c）E=20 J/mm²，ψ=61.7 g/dm²。

2 激光熔覆工艺

LC是一种多学科技术，集成了激光技术、计算机辅助制造技术和控制技术。LC是一个复杂的物理、化学和冶金过程。本节从原理、模拟、监测和参数优化等方面介绍了LC过程的发展现状。

2.1. 工艺原理

LC使用高功率激光器作为热源，在处理基板上形成熔覆层。根据送粉方式，可分为四种类型：同轴送粉系统、预放置送粉系统、离轴送粉系统和送丝系统。最常用的液相色谱方法是同轴粉末系统和预放置粉末系统。图1是同轴粉末系统和预放置粉末系统的示意图。当粉末被载气从送粉喷嘴喷出时，激光束照射基板以形成液态熔池。在与激光相互作用后，粉末进入液态熔池，并在送粉喷嘴与激光束同步移动时形成熔覆层。与同轴粉末系统不同的是，在预放置粉末系统中，覆层材料预放置在基板上。然后，通过激光束扫描熔化预先放置的粉末，并快速冷却熔池以形成熔覆层。LC样品通常可分为四部分：包层区（CZ）、界面区（IZ）、热影响区（HAZ）和基板（SUB）。一般来说，预置换粉末系统操作简单，熔覆质量较好，但熔深不易控制，稀释度大。同轴粉末系统具有较高的激光利用率，但对熔覆设备的质量要求较高。

图1 同轴粉末系统和预放置粉末系统的示意图。

2.2. 过程模拟分析

LC是激光、熔覆材料和基板之间相互作用的过程，因此通过建立LC过程模拟，可以更好地分析不同工艺条件下熔池的温度、应力和流场。在实践中，LC过程的模拟分析在改善熔覆层的宏观形貌、微观结构和性能方面发挥着重要作用。许多学者基于流体力学和物理相场过程模拟了粉末沉积过程、温度场、应力场和熔覆层的微观结构。

在液晶中，粉末与激光、基板和喷嘴的相互作用会影响粉末的分布。粉末的流动特性影响其利用效率和熔覆层的宏观形貌。粉末的流体动力学特性不仅与其粒径、形状和外部空气压力有关，还与粉末喷嘴的类型有关，如图2所示。在粉末和激光的相互作用中，激光的能量被粉末吸收、反射和散射，从而增加了流动粉末的温度分布。粉末的温度分布与激光功率和喷嘴与激光焦点之间的距离有很大关系。因此，应选择合适的激光功率和喷嘴与激光焦点之间的距离。因此，粉末分布的能量全部包含在激光辐射区域，并获得均匀的温度分布。熔池附近的粉末分布与基体有很大关系。在保护气体的作用下，粉末冲击基材并反弹或分散，从而影响上部粉末流的分布。因此，在对粉末沉积过程进行模拟分析时，应充分考虑基体的作用。

图2 喷嘴和粉末射流参数的计算。

温度场和流场的分布直接影响熔覆层的宏观形貌、微观结构和其他物理化学性能。温度场和流场的数值模拟对于LC过程中工艺参数的设计至关重要。Khamidullin等人建立了二维LC模型，并模拟了熔覆层的宏观形貌、结晶过程、温度场和速度场。图3（c）是二维熔覆层宏观形貌、速度和温度场的模拟结果。可以发现，模拟更好地反映了熔覆层的实际宏观和微观形貌（图3（a））。三种流动类型（图3（b））可以清楚地反映出来。然而，通过比较仅在低速送粉情况下二维和三维熔覆层的宏观形貌、温度场和应力场，该模型具有良好的可预测性。因此，应进一步优化该模型。LC过程的有限元模型综合考虑了流体流动、传热、表面张力和自由表面运动，对热输入具有良好的预测能力。

图3 激光开启0.8秒后，在0.5 kW高斯激光束的影响下，模拟的微珠形状以及微珠内部的金属流动结构。

在LC过程中，会产生热应力和残余应力。因此，应力场的模拟分析为有效减少熔覆层中的裂纹等缺陷提供了理论基础。Ghorashi等人考虑了多轨迹中的非线性运动硬化特性，并将循环塑性理论引入到LC Inconel 718模拟模型中，这不仅将残余应力预测误差降低了约50%，还分析了熔覆过程中的表面松弛。Zhang等人通过建立单轨和多轨钴基涂层的温度场和应力场，分析了感应热应力对熔覆层残余应力的影响。然而，感应预热对单轨的影响仅进行了分析，因此应进一步分析多轨。实际上，液晶是一个多场相互作用的过程。因此，应建立一个全面的模拟模型，以获得未来在完全耦合的热-冶金-机械有限元模型下的微观结构和残余应力分布。

2.3. 过程监控

LC作为一种有效的表面强化和修复技术，得到了越来越广泛的应用，有时会出现熔覆层质量差和重复性差的问题。然而，计算机和传感技术的发展可以帮助我们更好地监测温度场、熔池的形态以及粉末和激光之间的相互作用过程，所有这些都与熔覆层的内部微观结构、缺陷和几何精度密切相关。LC是一个复杂的物理-化学冶金过程，可以通过温度信号、图像信号和光谱信号更好地理解。

图像信号或光谱信号可用于监测粉末的流动和分布，然后通过优化喷嘴参数来提高粉末利用效率。Gulyaev等人使用光学诊断系统Yuna（主要由CMOS数码相机和光谱仪组成）研究了不同气体流速下激光对粉末流动外观、速度和温度的影响。监测结果如图4所示。可以看出，在激光的作用下，粉末流从原来的气流输送方向扩展到35°-40°的扇形。当气体流速G_tr从5 slpm增加到15 slpm时，粉末流的平均温度和激光束方向的平均速度都会增加。当气体流量G_tr继续增加到20 slpm时，激光束方向上粉末流动的平均速度和平均温度降低，因此存在一个合适的气体流量，以最大限度地发挥激光对粉末的影响。同时，分析了不同工艺参数下熔池的流速。然而，在某些过程参数下，由于感兴趣区域的亮度差异很大，很难获得足够质量的视频。因此，未来可能会考虑使用带通滤波器的照明激光器。

图4 粉末颗粒流的轨迹、温度和速度分布。

温度传感器可以监测固定点温度、熔池的温度分布和熔池周围的温度分布。热历史与熔覆层中微观结构的生长有直接关系。Gopinath等人使用红外高温计监测熔池的热历史，并研究熔池寿命、冷却速率、熔覆层的微观结构和润湿性。从红外高温计获得的原位合成inconel718/TiC复合涂层上熔池的热历史曲线，可以识别固化架的位置，从而可以在线识别过度稀释率。熔池中TiC颗粒凝固框架斜率的变化是在线评估不同工艺参数下TiC颗粒状态的有效指标。图5是在1200 W激光功率和200 mm/min扫描速度下记录的典型热循环。该热循环决定了不同相的形成和涂层/部件的机械性能。同时，熔池的寿命和WC与金属基体之间良好润湿性的冷却速率可由热历史确定。

图5 在1200 W激光功率和200 mm/min扫描速度下，Inconel 718+TiC的LC期间记录的典型热循环。

液晶的物理和化学变化极其复杂，因此仅靠上述三种监测信号进行自适应控制是不够的。需要使用更先进的传感器和监测设备直接监测间隙、热应力、稀释率和其他指标。

2.4. 工艺参数优化

在LC过程中，熔覆层的稀释度、纵横比、微观结构和力学性能与激光功率、扫描速率、送粉速率、扫描方法、散焦量和其他工艺参数密切相关。为了获得组织精细、成分均匀、力学性能良好的熔覆层，许多学者从不同角度对工艺参数进行了分析。

熔覆速度v和透镜喷嘴与表面熔覆距离L对熔覆轨道尺寸的影响。

上图可以观察到高度H和宽度B值与包层条件的关系。将喷嘴与沉积表面之间的距离增加1.4倍，轨迹宽度减小1.1倍/1.2倍，其高度减小1.7倍/2.6倍。这是因为当喷嘴/工件距离减小时，激光束会发生一些散焦，表面加热增加；然而，它的温度较低。这解释了单轨尺寸的减少。另一方面，激光光斑的速度增加了3倍，轨道的宽度减小了1.15倍/1.3倍，轨道的高度减小了2倍/2.9倍。这种变化可以通过沉积材料体积在较长长度上的分布来解释。

适当的激光功率将减少裂纹、空洞，并产生质量和性能良好的熔覆层。高激光功率导致熔覆层开裂和变形，当激光功率太小时，粉末不会完全熔化，并导致局部起球和空洞。Song等人分析了激光功率对涂层宏观形貌和微观结构的影响，结果如图6所示。可以发现，随着激光功率的增加，熔覆层的高度、宽度和穿透力都会增加。大多数裂纹从热影响区开始，沿垂直于接头表面的方向一直延伸到覆层表面。随着激光功率的增加，熔覆层底部分别出现柱状枝晶、少量等轴晶、均匀柱状枝晶和晶粒生长。这是因为随着功率的增加，冷却速率逐渐降低，晶粒尺寸与其呈负相关。随着激光功率的降低，微结构也变得更细。除了激光功率外，扫描速度对熔覆层的形成也起着重要作用。

图6 不同激光功率的K403高温合金涂层的横截面。

影响熔覆层表面形貌和内部微观结构的工艺参数通常不是单一的，它们往往相互作用并相互影响。所以，通过各种优化算法和经验公式来获得最佳工艺参数的组合非常重要。选择激光功率、扫描速度和送粉速度作为要优化的工艺参数，熔覆高度和稀释率是优化的响应目标。找到了能够实现最大熔化宽度、最小熔化高度和适当稀释率的最佳工艺参数组合。通过实验验证了优化后的参数组合，灰色关联值提高了0.1533282。Wu等人研究了LC-NiCrBSi合金涂层的孔隙率和裂纹，结果表明，线性能量密度可用于确定消除大孔隙率的阈值。

采用响应面法获得了孔隙率最小的激光功率、扫描速度和送粉速率等工艺参数。通过在基板下方放置预热至300°C的绝缘层，可以有效消除裂纹。然而，在最佳工艺参数下，熔覆层中仍然存在少量气孔。因此，通过优化LC设备有望进一步减少气孔缺陷。建立工艺参数与熔覆层熔化高度、熔透深度和稀释率之间的经验公式，可以大大减少优化实验的次数，显著提高熔覆质量和效率。Bax等人提出了一种基于Inconel 718单包层的LC工艺参数图的系统评估方法。不仅得到了激光功率、扫描速度、送粉速率与熔覆层宽度、高度、面积之间的半经验关系，而且建立了工艺参数与粉末利用率之间的工艺参数图。但是，它仅适用于单轨，因此应进一步加强对多轨的研究。Reddy等人通过LC非晶态Fe-Cr-B合金的单轨优化实验，建立了粉末沉积效率、稀释度、孔隙率和工艺参数之间的模型，并通过实验进行了验证。

总之，有许多工艺参数影响熔覆层的宏观形貌、微观结构和性能，每个工艺参数也相互影响。因此，在实际应用中，应根据熔覆层的要求综合考虑各工艺参数。

2.5. 外场辅助激光熔覆

通过优化工艺参数，可以在一定程度上减少覆层的内部结构缺陷，但有时仍会存在孔洞、元素偏析和结构不均匀。为了显著减少这些缺陷对微观结构的影响，并生产出性能良好的涂层。近年来，许多学者将LC与其他技术相结合，形成了感应加热激光熔覆（LIHC）、超声波辅助激光熔覆、电磁辅助激光熔覆等技术。器件结构示意图如图7（a）（d）（h）所示。

图7 外场辅助LC的原理图及其有益影响。

由于液晶的温度梯度较大，涂层容易出现裂纹等缺陷。研究表明，感应预热可以降低温度梯度。Bidron等人研究了高温感应预热（温度范围为）对热影响区裂纹的敏感性。如图7（c）所示，2 mm厚基板上的热影响区中没有裂纹，这可以归因于感应预热温度影响热影响区的微观结构，从而改变裂纹的迹象。此外，感应预热温度对最大沉积速率和激光能量效率也有重要影响。在激光功率和扫描速度不变的情况下，随着感应预热温度的升高，最大沉积速率和激光能量效率增加，但增长速率逐渐降低。因此，感应预热温度应控制在适当的范围内。

超声振动作为一种外部物理场，对熔池中微观结构的生长和凝固以及元素分布具有重要影响。Li等人分析了超声振动辅助下LC-MMC涂层的微观结构、元素组成和性能。随着超声功率的增加，熔覆层中的WC颗粒似乎均匀地聚集在底部，然后到达底部，如图7（e）所示。因此，在适当的超声功率下，超声空化效应和超声声流效应可以克服重力作用下WC颗粒分布不均匀的缺点。超声振动对熔池的影响导致枝晶断裂和晶粒细化，并促进WC颗粒的分解。分别如图7（f）（g）所示。在超声振动辅助激光熔覆中，超声作用于微观结构、气孔和其他缺陷生长的机理需要进一步研究。

电磁场主要与材料中的电子相互作用，影响化学反应过程，进而影响微观结构和元素分布。如图7（j）所示，Zhai等分析了不同电磁场下的熔覆层稀释，发现稳定的磁场可以显著降低涂层稀释率，但电磁场对其影响不大。对涂层组成相的分析发现，不同层中的相几乎没有变化。这是因为电磁场对熔体池中的热条件几乎没有影响。如图7（i）E-H所示，当施加与重力方向相同的安培力时，等效重力加速度增加。因此，作用在孔隙上的合成浮力相应增加，熔体池中孔隙的流速增加。最终，孔隙度和孔径都会降低。如图7（i）A-C所示，当施加向上的安培力时，熔体池中的孔隙溢出将更加困难。然而，它只改变电场的大小和方向，因此应研究磁场方向变化下熔覆层的微观结构。

来源：Recent research and development status of laser cladding: A review, Optics & Laser Technology, doi.org/10.1016/j.optlastec.2021.106915

参考文献：Composition optimization of low modulus and high-strength TiNb-based alloys for biomedical applications