作为一种新兴的表面处理技术，激光熔覆技术在熔覆过程中不可避免地会产生一些缺陷。这些缺陷的出现和扩展限制了激光熔覆技术的进一步发展。本文介绍了激光熔覆过程中裂纹和孔隙形成的核心机制。 激光熔覆并总结了各种抑制缺陷的措施，包括优化工艺参数、基材预热和后处理、添加元素以及应用辅助工艺等，为未来激光熔覆技术的进一步发展和应用提供了理论参考。

激光熔覆技术是一种表面改性加工技术[1-3]。它利用高能激光束在金属基体上形成熔池，并通过不同的添加方式将熔覆粉末沉积在基体上进行熔化。熔覆材料快速凝固后，与基体形成冶金结合[4]。与其他表面改性技术（如电镀、热喷涂、电火花加工和激光切割）相比，激光熔覆具有基体热变形小、热影响区窄、熔池冷却速度快等优点[5]，应用场景非常广泛。在航空航天领域，由于工作环境恶劣，飞机发动机叶片经常受到各种冲击。为了获得高质量的涂层并修复飞机发动机叶片的铸造缺陷，孔凡利等人[6]通过改变Y₂O₃的含量，对飞机发动机叶片进行了激光熔覆修复。研究发现，当Y₂O₃含量为1.5wt%时，修复效果最佳。在隧道掘进中，盾构机刀盘与岩石直接接触，导致巨大的磨损。为了提高刀盘的耐磨性，并通过表面强化处理延长其使用寿命，Hu等人[7]对热处理后的5Cr5MoSiV1隧道掘进机刀盘进行了激光熔覆。研究发现，熔覆后涂层的耐磨性是5Cr5MoSiV1的7倍，极大地提高了刀盘的耐磨性。在轧机行业，Li Yun等人[8]利用激光熔覆技术制备了铁基涂层，发现该技术在修复轧机的同时，还能延长其使用寿命。在机床再制造方面，关键在于修复受损的主轴。Han Yuyong等人[9]利用激光熔覆技术制备了Fe基涂层，并发现该涂层在修复轧机的同时，还能延长其使用寿命。 [9] 对一台在役的45号钢制车床主轴进行了激光熔覆实验（图1）。通过比较等离子喷涂和氧乙炔火焰喷涂修复层的表面质量，他们发现激光熔覆是车床主轴再制造最合适的方法。此外，激光熔覆技术还广泛应用于汽车工业和模具工业，例如汽车发动机气门制造、轧机导板制造等。

相应地，激光熔覆技术的基本理论、设备开发、工艺优化和工业应用等方面的研究已相当广泛。在众多研究中，熔覆层质量一直是研究人员关注的重要问题。宏观质量评价是判断熔覆层质量的标准之一。宏观质量是指熔覆层表面应光滑，无裂纹、气孔等缺陷[10]。因此，熔覆缺陷的研究一直备受国内外研究人员的关注。影响整个熔覆过程的因素有很多。激光熔覆独特的快速加热和凝固特性往往不可避免地会产生一些缺陷。研究缺陷的形成机理和抑制措施对于优化激光熔覆技术具有重要意义。常见的熔覆缺陷包括裂纹、气孔、未熔合、固相夹杂物等。本文重点分析裂纹、气孔等常见熔覆缺陷的形成机理，并从不同角度总结了抑制缺陷的措施。为激光熔覆技术的未来研究和应用提供一定的理论参考。

1. 激光熔覆裂纹形成机理及抑制措施

1.1 裂纹形成机制

激光熔覆是一个快速加热和快速冷却的过程。加热和冷却都可能导致裂纹的产生[11]。此外，基材和熔覆材料的性能差异很大，这直接导致熔覆层内部以及熔覆层与基材之间产生残余应力。当残余应力大于熔覆层的抗拉强度时，容易发生应力集中，导致熔覆层开裂[12]（见图2）。残余应力可分为热应力、结构应力和约束应力[13]。热应力是裂纹形成的主要因素[14]。其计算公式为：见图中的公式（1）。

其中，∆ 为热应力；E1 为包层弹性模量；E2 为基板弹性模量；ΔT 为加工温度与室温之差；μ 为泊松比；α1 和 α2 分别为包层和基板层的热膨胀系数；h2 为基板厚度。

从公式可以看出，当α1≥α2时，当α1<α2时，覆层将受到拉应力，导致裂纹敏感性增加；当α1<α2时，裂纹敏感性降低。

黄哲等[18]采用变参数激光熔覆法制备GH3536涂层，结果发现存在裂纹。分析发现，激光熔覆层奥氏体晶界上存在大量微孔。间距较小的微孔容易形成裂纹，同一区域、同一方向的微裂纹会相互连接扩展，形成微裂纹，如图3(a)所示。此外，由于激光熔覆独特的快速凝固特性，不同枝晶结构在凝固过程中会在交汇处产生应力集中，从而产生裂纹源，如图3(b)所示。当裂纹沿枝晶生长方向扩展时，会形成枝晶间裂纹，如图3(c)所示；部分裂纹会绕枝晶扩展，形成环晶裂纹，如图3(d)所示。冯等[19]采用激光熔覆法制备了四种高硬度、高裂纹敏感性的铁合金。对Ni60涂层进行了抗裂性测试。结果表明，在激光扫描下，Y形槽两侧的金属会发生热膨胀。当温度下降时，覆层金属相应收缩。然而，由于基体的收缩受到限制，产生了约束应力，导致涂层出现裂纹。余婷等[20]采用NiCrBSi自熔合金粉末在中碳钢板上进行覆层，发现即使降低基体和涂层的热膨胀系数，也无法避免Ni60涂层的开裂。进一步研究发现，Ni60镍基涂层含有大量初生硬相，这些初生硬相承受微观压应力，而基体承受微观拉应力；此外，熔池在凝固收缩过程中也承受宏观拉应力。在这两种应力的共同作用下，涂层容易产生裂纹。因此，裂纹产生的主要原因是激光熔覆后材料内部的残余应力。当这种残余应力大于熔覆层的抗拉强度时，应力集中容易在孔隙、夹杂物、尖端等处产生，从而导致熔覆层开裂[21]。

根据裂纹位置，裂纹可分为界面裂纹、覆层裂纹和搭接区裂纹[22]（见图4）。最常见的界面裂纹主要形成于覆层与基体之间的界面[23]；覆层裂纹是指覆层过程中凝固引起的裂纹；搭接区裂纹主要发生在搭接区附近。其中，界面裂纹和覆层裂纹的产生可归因于基体材料与覆层材料热膨胀系数差异较大以及温度和应力分布不均；搭接区裂纹的产生则是由于工艺参数中搭接率不合理，导致裂纹源产生，并受到多种应力的影响。

1.2 裂纹抑制措施

1.2.1 工艺参数优化

激光熔覆工艺参数直接影响熔覆层的质量。通过优化激光熔覆工艺参数，可以控制熔覆过程中的温度梯度，从而抑制裂纹的产生。常见的可优化工艺参数包括激光功率、扫描速度、送粉速率等。赵树国等人研究了TC11表面CBN薄膜的激光熔覆，发现裂纹率随激光功率或扫描速度的增加先降低后升高。当激光功率达到1.8 kW或扫描速度为4 mm/s时，裂纹率最低；而随着送粉速率的增加，裂纹率先升高后降低。当扫描速度为3 mm/s、送粉速率为1 r/s时，裂纹率最低。姚方平等人也进行了类似的研究。 [26] 利用仿真软件对不同激光功率下的温度场和应力场进行数值模拟，以寻找在H13钢表面制备镍基涂层的最佳激光功率。结果表明，当激光功率为1.4 kW时，熔覆层质量良好，横截面上无明显裂纹或其他缺陷。Khorram等人[27]采用激光熔覆CBN薄膜技术在Inconel钢上制备镍基涂层。他们使用Amdry 997粉末对713高温合金进行激光熔覆，在140 mm/min的扫描速度下获得了无裂纹涂层。

一般来说，通过精确控制激光熔覆工艺参数，可以有效控制裂纹，从而提高激光熔覆工艺的稳定性和可靠性，并为各种应用领域提供高质量的熔覆层。然而，不同的材料和应用场景可能需要不同的参数优化策略，因此需要进行多次试验以找到最佳工艺参数，并根据具体情况设计和调整工艺。

1.2.2 辅助工艺处理

辅助工艺处理通常包括基体预热和激光重熔。基体预热是指对基体进行预热，以降低基体与熔覆层之间的温差，从而降低热应力；激光重熔是指对熔池进行二次熔化和凝固，以修复裂纹并减少缺陷。王冉等人采用Al₂O₃-ZrO₂混合粉末对钛合金（Ti-6Al-4V）进行激光熔覆，并采用不同的基体预热温度（见图5）。对比分析表明，当预热温度达到200-300℃时，熔覆层的残余应力降低最为显著，从而显著提高了裂纹敏感性，抑制了裂纹的产生。王冉等人[29]采用不同的基体预热温度，在H13钢表面制备了铁基非晶涂层。结果表明，预热温度过高或过低均不能抑制熔覆层裂纹的产生。当预热温度达到250℃时，熔覆层裂纹消失，此时熔覆层质量最佳。王慧钊等[30]采用Al₂O₃-ZrO₂（8% Y₂O₃）混合粉末对TC4合金进行熔覆，然后对熔覆层表面进行激光重熔后处理。研究发现，重熔后涂层的残余应力显著降低，断裂韧性得到提高，从而降低了裂纹敏感性。综上所述，基体预热的本质是降低温度梯度，激光重熔后处理的目的是降低甚至消除组织内部的残余应力。作为辅助工艺处理方法，两者对抑制激光熔覆技术中的裂纹具有显著效果。这强调了在实际应用中适当控制温度和进行后处理步骤对于降低裂纹敏感性和提高熔覆层质量的重要性。

1.2.3 掺杂元素法

铈（Ce）和钇（Y）等稀土元素具有相对活跃的化学性质。在包壳粉末中添加适量的稀土元素及其氧化物，可以细化晶粒，提高熔体的流动性，降低熔池的表面张力，改善包壳层的表面粗糙度，优化组织结构，从而提高性能。

张新建等[32]研究了不同Y₂O₃含量对Ni60涂层结构和性能的影响，实验发现活性钇离子作为净化剂可以去除熔覆过程中产生的硫、磷等有害杂质，从而获得无裂纹涂层。当Y₂O₃含量达到1.0wt%时，熔覆层质量最佳。陈顺高等[33]采用激光熔覆多道重叠工艺在45钢上制备了不同CeO₂含量的Ni60涂层，研究了CeO₂对熔覆层性能的影响。研究发现，添加适量的稀土氧化物可以抑制涂层裂纹的产生。当CeO₂质量分数为0.4%时，涂层质量最佳，裂纹最少。牛立元等[34]研究了不同CeO₂含量的Ni60涂层对Ni60涂层结构和性能的影响。 [34] 在钴基合金粉末中添加不同含量的稀土氧化物CeO2，并采用激光熔覆技术在316L不锈钢基体表面制备钴基合金涂层。通过研究对比发现，添加CeO2后，熔覆层表面的宏观裂纹大量消失。随着稀土氧化物含量的增加，熔覆层表面的平整度得到改善；但当CeO2含量低于WC含量2.5%时，熔覆层表面出现少量缩孔。因此，添加适量的稀土元素和稀土氧化物可以净化熔池，提高熔覆层质量，并抑制裂纹的产生。

1.2.4 其他过程

吴成猛等[35]采用Ni60+35%WC粉末作为涂层材料，并在45钢表面铺设316不锈钢网作为高温弛豫软化区进行包覆（见图6）。通过对比观察316不锈钢网的裂纹产生情况，发现高温弛豫软化区能够吸收涂层表面的残余应力，有效抑制涂层裂纹的产生和扩展。齐等[36]在42CrMo基体上制备了钴基包覆层，并在包覆过程中施加磁场。研究发现，在磁辅助包覆工艺中，较小的磁场即可产生较大的磁致伸缩效应。当磁感应强度达到20 mT时，磁致伸缩效应会被有效抑制。施加磁致伸缩效应时，磁致伸缩效应最大。它可以减小基材与覆层材料之间热膨胀系数和弹性模量的差异，从而降低热应力。刘洪喜等[37]采用机械振动辅助工艺在45钢表面制备了Fe-Cr-Si-BC合金涂层。通过对比有无机械振动的覆层，发现当振幅A=0.28 mm、频率f=200 Hz时，机械振动辅助工艺下单位长度裂纹数仅为0.06线/mm，而无机械振动时裂纹数达到0.32线/mm；此外，还发现机械振动降低了枝晶间的残余应力，显著降低了裂纹敏感性。因此，机械振动辅助工艺能够显著抑制裂纹的产生。

总之，裂纹的产生是覆层过程中涂层受到多种应力共同作用的结果。通过不断探索，研究人员发现，优化工艺参数、预热重熔基体、添加稀土元素和氧化物以及辅助工艺处理等措施，均能在一定程度上抑制裂纹的产生和扩展。此外，高频微锻造辅助、超声振动技术、数值模拟、有限元模拟等方法也能有效抑制裂纹的产生。

2. 激光熔覆层中气孔形成的原因及抑制措施

2.1 孔隙形成的原因

气孔是激光熔覆工艺中另一种常见的缺陷。气孔的形成会影响熔覆层的质量及其耐腐蚀性和耐磨性[38]。气孔的形成原因非常复杂。经过多年的研究，国内外研究人员通常将气孔分为三种类型：孔隙、匙孔和未熔合孔[39]，如图7和图8所示。孔隙较为常见。如果金属粉末受潮或在高温下发生化学反应，则在熔覆过程中容易产生气体。如果气体不能及时逸出，就会形成气孔；此外，当气流过大时，熔池周围会产生湍流，将空气吸入。由于冷却速度极快，气体在逸出之前就会凝固结晶，从而形成气孔[40]。影响孔隙形成的主要因素是熔池的长宽比，其次是熔池的对流强度和对流时间[41]。Yan等人[42]分别采用NiCuFeBSi合金粉末对HT250和45钢进行激光熔覆，发现45钢产生的孔隙较少。分析表明，HT250钢含有石墨，且碳含量高于45钢。碳与空气中的氧结合生成CO。此外，当温度高于1673 K时，铸铁中的SiO2与碳发生氧化还原反应，在熔池中产生更多的CO气体，阻碍气体逸出熔池，从而形成孔隙。Shen Zehui等人[43]的研究也支持了这一观点。 [43]在钛合金表面制备了不同WS2含量的镍基涂层（见图9），发现随着WS2含量的增加，包覆层的孔隙率也随之增加。这是因为WS2在高温下会分解，硫原子与氧结合生成SO2气体。熔池中的气体来不及排出，就会产生孔隙缺陷。

小孔是由激光冲击导致熔池坍塌形成的孔隙，阻碍了熔池中的空气或保护气体逸出。它们通常出现在铝合金的激光熔覆过程中[46]。Park等人[47]采用不同的能量输入，在Ti-6Al-4V板上激光沉积纯钒粉，发现单层扫描时，氧化钒的蒸发温度低于纯钒，导致氧化钒内部形成大量孔隙。这些孔隙呈球形，表明其类型为小孔。未熔合孔（见图7）是指在激光熔覆过程中金属粉末未完全熔化时形成的孔隙。李德英等人[48]在Q235钢表面制备了Fe-Al-Si复合涂层，并将其与Fe-Al涂层进行了比较。研究发现，Fe-Al涂层存在孔隙缺陷，这是由于铁粉和铝粉未完全熔合以及产生一些气体所致。

2.2 孔隙率抑制措施

2.2.1 流程优化

杨兴等[49]采用不同的激光功率制备了FeCoNiCrMo高熵合金熔覆层，发现当激光功率为1.0~1.6kW时，熔覆层无孔隙等缺陷。李浩等[50]在Q235钢表面制备了Cu-10Pb-10Sn熔覆层，研究了激光功率对熔覆层孔隙率的影响。研究发现，随着激光功率的增加，熔覆层孔隙率先降低后升高。选择合适的激光功率参数可以有效抑制孔隙的产生。当激光功率为1000W时，孔隙率最低。沈浩等[41]研究了激光功率和扫描速度对NiCoCrAlYSi熔覆层的影响，发现当激光功率恒定时，孔隙率随扫描速度的增加而降低。综合考虑激光功率和扫描速度，当激光能量输入比达到36 J/mm²时，孔隙率降低。熔覆层表面孔隙率最低时，熔覆层质量最佳。因此，优化激光熔覆工艺参数是抑制孔隙缺陷最简单、最直观的方法。

在许多通过优化工艺参数抑制孔隙形成的研究中，激光功率的优化对于降低孔隙率至关重要。通过精确控制激光功率，可以有效减少孔隙的产生，并提高熔覆层的质量。

2.2.2 添加元素方法

李强等[51]在镍基碳化钨复合合金粉末中添加适量的In₂O₃，采用激光熔覆技术在A3钢表面制备了无孔缺陷的熔覆层。分析发现，适量的In₂O₃可以抑制WC的分解，从而减少C与O结合生成的CO或CO₂气体的产生，进而抑制孔隙的生成。当In₂O₃含量为2.0%时，可以获得无孔缺陷的熔覆层。王慧萍等[52]添加0.6%的Y₂O₃制备的TiC复合涂层具有最低的孔隙率和最佳的熔覆质量。因此，添加一些稀土元素及其氧化物可以使涂层结构更加均匀，并净化晶界处的杂质。此外，添加一些易发生氧化反应的金属元素也可以抑制孔隙的生成。例如，山口等[53]在A3钢表面添加Y₂O₃可以提高熔覆层的孔隙率。 [53]研究了添加铝对WC-Co熔覆微球孔隙率的影响。采用激光熔覆技术将WC-Co合金粉末熔覆在AISI 304不锈钢表面。熔覆前，利用激光合金化技术在基体表面局部添加铝。结果表明，铝及其氧化物能够抑制孔隙的产生。这是因为铝对氧具有很强的亲和力。与碳氧化相比，铝氧化先于碳氧化发生，也就是说，铝氧化可以消除熔体中的游离氧原子，防止CO气体的生成，从而避免脱碳。

2.2.3 激光重熔

Wu等人[54]研究了不同重熔功率对Stellite 6/WC复合涂层成形质量的影响，发现激光重熔工艺可以减少孔隙等缺陷，当重熔功率为1.4~1.5 kW时，熔覆层质量最佳。随着激光重熔功率的增加，熔覆层底部会出现孔隙。这是因为过高的激光能量会溶解WC颗粒粉末，游离的碳原子会发生氧化反应生成CO或CO₂。当气体来不及逸出时，就会形成孔隙。张强等人[55]采用添加SiC颗粒的316L不锈钢粉末作为熔覆材料，对汽车变速器轴材料进行了熔覆重熔修复。如图10所示，实验结果表明，重熔可以降低熔覆层表面的孔隙率。即使每次重熔都会产生新的孔隙，但前一层包覆层的孔隙率也会降低。因此，包覆层的孔隙率从底部到顶部逐渐降低，从而起到抑制孔隙产生的作用。

2.2.4 辅助过程

胡勇等[56]采用电磁辅助加工技术，在熔覆过程中于基材两侧施加稳态磁场，并在两端施加稳定的直流电流。利用该电磁复合场产生的定向洛伦兹力抑制孔隙的生成。研究发现，当洛伦兹力向下时，随着磁场强度的增加，孔隙的流动性更好，当磁场强度为0.6 T时可获得无孔熔覆层。于本海等[57]利用自制的电磁搅拌装置辅助激光熔覆制备WC-Co合金涂层。当磁场旋转时，产生的洛伦兹力使熔池中的气体向上运动直至逸出，从而抑制孔隙的生成。除利用电磁复合场降低熔覆层孔隙率外，徐立峰等[58]还利用电磁搅拌装置辅助激光熔覆制备WC-Co合金涂层。 [58] 还采用了脉冲电流增强激光熔覆技术来降低孔隙率，如图 11 所示。

总之，孔隙是孔隙形成机制中最容易产生的缺陷。抑制孔隙形成的措施有很多，最常见的包括工艺优化、添加元素以及辅助施加电磁复合场。此外，与传统激光熔覆不同，激光感应混合快速熔覆（LIHRC）、脉冲电流增强激光熔覆等技术也能制备出无孔隙缺陷的涂层。

3 总结与展望

作为一种新型表面改性技术，激光熔覆具有广泛的工程应用前景，但其成形过程的复杂性以及快速加热和凝固的特性，不可避免地会在熔覆层中产生各种缺陷。裂纹形成的主要机制涉及基体与熔覆材料各种性能的差异以及凝固过程中产生的应力集中等因素；气孔形成的主要原因是熔池快速凝固过程中空气中的气体或熔覆过程中产生的气体来不及逸出。为了抑制激光熔覆过程中产生的裂纹和气孔缺陷，可以通过优化激光熔覆工艺参数、在熔覆材料中添加元素、对基体进行预热和后处理以及采用辅助工艺等方法，在一定程度上抑制常见缺陷的形成和扩展。

激光熔覆技术是一种优异的表面改性技术，但熔池控制和缺陷控制等问题尚未完全解决。未来，可利用先进的传感技术和人工智能算法实现激光熔覆过程的实时监测和自动控制；通过建立多尺度数值模型，可以更精确地预测激光熔覆过程中的温度和热应力；还可以开发更大尺寸的激光熔覆设备，提高生产效率，以满足大规模工业应用的需求。总之，激光熔覆技术在表面处理领域具有巨大的潜力，但仍需不断克服应用难题。未来的研究将聚焦于工艺、控制和生产效率等多个方面。通过对基础理论和工程应用的深入研究，有望获得更高质量的熔覆层。