激光熔覆技术是一种发展前景广阔的新型表面改性技术，既满足了材料表面特定性能的要求，又节约了大量的贵重元素。裂纹问题是制约激光熔覆技术广泛工业化应用与进一步发展的主要阻碍之一。介绍了激光熔覆层裂纹产生的原因，综述了裂纹的控制措施，包括熔覆层材料成分设计、设置过渡层、工艺参数优化、基体预热、外场(力)辅助等，最后对当前激光熔覆层裂纹控制措施中仍存在的问题进行了总结，并展望了未来的研究方向。
1、 激光熔覆层裂纹产生原因
激光熔覆层在成形过程中的熔化、凝固和冷却均在极短的时间内完成，急热急冷的特性导致熔覆层在外部的拘束下极易产生内应力。内应力主要包括热应力、组织应力和约束应力，其中：热应力是由于熔覆温度与室温相差较大导致较大的温度梯度，以及基体与熔覆材料的导热系数和热膨胀系数等热物性参数不同而产生的；组织应力是由于熔覆层与基体材料的比热容不同，在相变过程中结构转变不均匀而产生的；约束应力是指材料在受热膨胀、遇冷收缩过程中因周边的束缚而产生的压/拉应力。如果内应力无法及时释放，不断累积超过了材料强度，就会导致裂纹的萌生与扩展；此外，激光熔覆过程中的除气、造渣、除氧反应速率很快，熔池存在时间短暂，会出现诸如气孔、夹杂物等缺陷，应力易集中在这些缺陷周围，进而导致裂纹的萌生。
裂纹的形成与熔覆层结构缺陷和内应力密切相关，是冶金和力学2种因素共同作用的产物。通过降低熔覆层形成过程中的内应力，可以有效减小熔覆层开裂概率。
2 激光熔覆层裂纹控制措施
1、熔覆层材料成分设计
通常，选择热膨胀系数较小的熔覆材料能够提高熔覆层的结构稳定性，进而减少由热膨胀引起的层间剥离、开裂等问题。张坚等在45钢表面激光熔覆具有较小的热膨胀系数的Fe-36Ni因瓦合金熔覆层，发现相较于基体，熔覆层的热膨胀系数降低了1个数量级，且单道熔覆层表面平滑，组织均匀致密，没有裂纹缺陷。但是因瓦合金熔覆层的硬度、耐磨性及耐腐蚀性较差，一般通过添加陶瓷材料等增强相来改进。喻世豪研究发现：添加2%(质量分数，下同)硼和2%SiO2后，因瓦合金熔覆层的硬度提高了50%左右，在25~600℃温度段的平均线性热膨胀系数为6.27×10-6℃-1，保持了较好的因瓦效应；并且熔覆层表面平整，没有孔洞和裂纹等缺陷，显微硬度最高可以达到650HV，远高于45钢基体。
在保证材料性能的前提下，在熔覆层中加入一种或多种合金元素可促进韧性相的生成，使熔覆层组织具有更好的延展性，进而达到抑制裂纹的目的。以因瓦合金为例，镍元素的加入在保证合金涂层硬度的同时，提升了合金的韧性，有效减少了裂纹的产生。此外，钛和铌元素均能起到细晶强化的作用，可有效提高熔覆层的硬度并减小晶间腐蚀倾向；钼元素的加入有利于细小等轴枝晶的生成，从而提高熔覆层的塑韧性，降低熔覆层的开裂敏感性；铬元素可以促使合金的组织从共晶态变为亚共晶态，此过程通常会发生晶体尺寸的减小和组织的细化，从而减少裂纹的产生。张鸿羽等研究了钼元素对EA4T钢表面激光熔覆Fe-Cr合金熔覆层的影响，结果表明，钼元素的加入可有效提升熔覆层韧性，除添加70%钼元素的熔覆层有少量裂纹外，添加10%~50%钼元素的熔覆层均未出现裂纹。MA等研究了铬对激光熔覆镍基复合熔覆层组织和性能的影响，发现铬的添加可以改变原位增强相的组成和含量，细化组织结构，添加2%，4%铬时，熔覆层表面连续且光滑，没有裂纹和孔洞等缺陷，但当铬质量分数增加至6%和8%时，过多碳化物的形成降低了熔覆层的韧性，导致熔覆层在快速冷却过程中发生开裂。
稀土元素通常具有较强的活性，在熔覆时加入稀土元素或其氧化物能够在晶粒细化的同时改善熔池的流动性和表面张力，减少裂纹的产生。GONG等指出，适当比例的氧化铈粉末可以有效降低Ni60A合金熔覆层在TC4合金基体上的开裂敏感性。LI等在碳钢表面激光熔覆制备镍基复合陶瓷熔覆层时，通过添加0.6%的La2O3得到了无裂纹的熔覆层。徐欢欢在42CrMo钢表面激光熔覆制备镍包碳化钨复合涂层时发现：添加1.0%CeO2的熔覆层表面平整光滑，没有任何裂纹；添加0.5%CeO2时，熔覆层的表面不够平滑且出现了贯通裂纹；当添加1.5%~2.0%CeO2时，熔覆层表面粗糙，裂纹也明显增多。张光耀等指出：在熔覆材料中分别添加La2O3、Y3O2 和CeO2，所制备的熔覆层在气孔和裂纹减少的同时硬度和耐磨性得到了提高；稀土氧化物添加质量分数控制在0.4%~1.0%为宜，过少对涂层开裂的缓解效果不明显，过多则会减弱固溶强化作用，使得组织中生成大量脆性相而导致熔覆层开裂。
综上所述，选择热膨胀系数较小的熔覆材料，在合金中添加增韧、增塑元素,稀土元素或其氧化物均能够在一定程度上减少熔覆层裂纹，提高熔覆层质量。
2、设置过渡层
研究表明，熔覆层和基体具有不同的热物性参数，存在较大的温度梯度，因此容易积累热应力，导致界面裂纹的形成。在熔覆目标合金前预置与两者均具有良好热物性匹配的过渡层，可以改善熔覆层和基体的结合性能，进而抑制界面裂纹的萌生及向熔覆层内部的扩展。
THAWARI等以Inconel625合金层为过渡层在SS316不锈钢基体上激光熔覆钴基耐磨合金层，与未加过渡层相比，加入过渡层后的熔覆层晶粒更加细小，无明显裂纹并表现出更小的孔隙率。陆巍巍在 Ni47Ti44Nb9合金表面预置纯镍、纯钛和纯铌层后，通过激光熔覆制备了TC4合金熔覆层，结果表明，3种过渡层均能有效减少裂纹的产生，并提高熔覆层和基体的结合质量。纯镍层的热膨胀系数分别接近于 Ni47Ti44Nb9合金基体和TC4合金熔覆层，有利于减小熔覆层中的内应力，从而降低开裂概率；纯钛层中的钛原子可通过冶金反应，避免熔覆层中脆性金属间化合物的产生，使得熔覆层组织中脆性相减少，韧性相增加，有利于缓解残余应力，减少裂纹的产生；纯铌的热膨胀系数和弹性模量与Ni47Ti44Nb9合金基体接近，并且当铌元素质量分数在40%以上时可与钛形成无限固溶体，消除了由脆性第二相析出导致的开裂。苏轩在碳纤维增强热塑性复合材料表面激光熔覆TC4合金时，先以含10%AlSi10Mg合金粉的TC4合金粉为原料在复合材料表面制备了一层过渡层，这使得结合界面处的晶粒发生细化，应力集中现象得到缓解，抑制了裂纹的产生，提高了熔覆层和基体的结合强度。张弛一克在镁锂合金基体表面激光熔覆NiTi合金时，先制备了一层过渡层，结果表明，与纯铝过渡层相比，添加1.5%Y2O3的Al-Si-Y合金过渡层的晶粒获得进一步细化，裂纹和孔洞等缺陷更少，在此过渡层上制备的熔覆层呈现出较好的界面形貌和结合效果，无明显裂纹产生。
3、工艺参数优化
激光能量密度是指激光束在单位面积上的能量分布。在激光熔覆过程中，激光功率、扫描速度、光斑尺寸等作为关键工艺参数直接影响熔池摄入的激光能量密度。激光能量密度过大会导致熔池温度过高和热应力增大，增加裂纹形成风险；激光能量密度过小，会造成熔池熔化不充分、与基体间结合不强，导致组织缺陷和裂纹的产生。因此，通过优化工艺参数调节激光能量输入，可以减少裂纹的产生，提高熔覆层成形质量和性能。
衡钊等在1500~2000W激光功率下对27SiMn钢表面进行激光熔覆，保持扫描速度20mm·s-1、送粉量18g·min-1和光斑直径2mm不变，熔覆层的塑性随功率增大先增高后降低，在1800W时与基体呈良好冶金结合，显微组织主要为胞状晶，抗拉强度和断后伸长率等拉伸性能达到最优，避免了因残余应力超过材料极限强度而产生裂纹。XIAO等利用超高速激光熔覆工艺制备了铁基非晶合金熔覆层，发现扫描速度增大使得熔覆层厚度减小，降低了应力集中，减少了裂纹的产生。另外，众多研究也表明，扫描速度的减小会导致温度梯度增大，热应力也随之增大，开裂敏感性增大。因此，在能量密度达到要求的情况下，可以适当地增大扫描速度。LI等在45钢上制备了Fe-Cr-Mo-B-C合金熔覆层，当激光功率为1400W、搭接率为30%、扫描速度为10mm·s-1时，熔覆层中几乎没有出现孔隙和裂纹等缺陷，随着激光功率和搭接率的增大，熔覆层开始产生孔隙和裂纹。郭士锐等在HT250灰铸铁表面激光熔覆多道铁基合金涂层，保持激光功率1400W、扫描速度6mm·s-1不变，当搭接率为35%时，熔覆层显微组织由下而上依次为粗大的树枝晶与胞状晶、交叉生长的柱状晶、等轴晶，无裂纹产生；当搭接率超过35%时，熔覆层中产生明显的宏观裂纹。张蕾涛通过正交试验，得出影响熔覆层开裂的因素由大到小排序为扫描速度、搭接率、激光功率、熔覆道数、送粉速率，其中：扫描速度过快，能量密度降低，裂纹发生率增加；激光功率增加，开裂倾向下降；熔覆道数增加，裂纹数量和开裂概率增加；搭接率和送粉速率过大或过小都会对熔覆层造成不利影响，其数值大小应该根据熔覆材料的不同进行具体分析，通常情况下，搭接率选择为30%~50%，送粉速率选择在15g·min-1左右。
4、基体预热
在激光熔覆前对基体进行预热，可以有效减小熔覆层与基体间的温度梯度，减缓冷却速率，进而降低热应力，减少裂纹的产生。在一定范围内，温度梯度随基体预热温度升高而降低，但预热温度过高会造成晶粒粗大，对熔覆层性能产生不利影响。因此，在选择基体预热温度时需要综合考虑熔覆材料的性质、工艺参数等因素。适当的预热温度可以减少激光熔覆过程中裂纹的形成，改善熔覆层与基体之间的结合，提高熔覆层的质量和性能。
李洪玉等在铸钢基体上激光熔覆铁基合金粉末，研究了100~300℃预热温度下熔覆层的应力分布，结果表明，随温度升高，熔覆层中平行和垂直于扫描方向的残余应力先减小后增大。需要注意的是，对基体预热后，如果没有良好的保温措施，预热温度与室温相差较大,将导致基体温度骤降，无法起到减少裂纹产生的作用。LIU 等提出了一种动态预热方法，即利用附加热源来加热熔池前的局部区域，预热热源和熔覆热源以相同的扫描速度和恒定的距离同步移动，此方法有效解决了预热后基体温度骤降的问题；通过动态预热，熔覆层的冷却速率和温度梯度减小，热应力和开裂概率降低。吴祖鹏在激光熔覆Ni60A 合金时，通过预热保温复合工艺将基体预热到300℃，成功消除了裂纹。李聪玮研究了在不同预热温度下熔覆层裂纹断口形貌，结果表明：随着预热温度的升高，熔覆层断裂方式由脆性断裂转变为韧性断裂；与未预热相比，预热100℃后断后伸长率增加6.2%，说明其塑韧性提高，这有利于缓解释放应力，减少裂纹。
5、外场(力)辅助
在激光熔覆过程中或熔覆后引入外场(力)作用，对降低熔覆层温度梯度和残余应力有着显著成效。常见的外场(力)辅助有超声振动、电磁场辅助、激光冲击和高频微锻，其中激光冲击与高频微锻属于后处理方法。未处理的沉积态熔覆层在放置较长时间内，能听到清脆的金属断裂声，这来源于残余应力逐渐释放导致的材料开裂；此现象可通过后处理缓解残余应力而消除。
超声振动通过对熔池凝固过程进行干预使应力场趋于均匀化，避免应力集中，减少裂纹的产生。刘大宇在H13钢表面激光熔覆制备镍基合金熔覆层时，从基体底部引入超声振动，通过有限元数值模拟发现：经超声振动辅助后，熔覆层的残余内应力降低了537MPa；随着振幅的增大，熔池峰值温度升高，残余应力先降低后升高。残余应力是引起裂纹的主要原因，开裂敏感性随残余应力的减小而降低。ZHUANG等研究了超声振动对激光熔覆316L不锈钢熔覆层组织和性能的影响，结果表明，不同振幅的超声振动均能起到均匀组织、细化晶粒、减少裂纹和孔洞的作用。申井义等将振动装置施加角度设置为45°，将Q235低碳钢基体与声源间距设置为30cm，在恒定功率、20kHz下利用空气为载体对熔覆区进行超声振动，结果表明施加超声振动后熔覆层的晶粒和组织更加细密，裂纹和气孔等缺陷明显减少。在实际操作中，需要综合考虑超声振动的引入形式，比如：在基体底部引入时，需要注意超声振动的强度大小，以实现对整个熔覆区域的有效干预；以空气为载体对熔覆区进行超声振动时要防止超声波的衰减,同时要考虑振动角度对熔覆质量的影响。
在激光熔覆中还可以通过施加稳态磁场、旋转磁场和交变磁场等方式来减缓熔池对流，抑制晶粒生长，减小应力集中与温度梯度，从而达到减少裂纹的目的。QI等在42CrMo合金基体上，在附加磁场作用下制备了Co-Fe-Cr-B-C合金熔覆层，受熔覆过程中磁致伸缩效应的影响，熔覆层和基体间的热膨胀系数和弹性模量差值变小，熔覆层开裂敏感性降低。ZHAI等研究了交流电(AC)对激光熔覆Ni-Cr-B-Si合金的影响，发现施加交流电场可以提高晶体成核速率并细化晶粒尺寸，促使熔覆层底部的组织由枝晶转变为等轴晶，最终使熔覆层中的裂纹数量减少了约60%。ZHAI等还在电磁复合场的辅助下，在纯铁上制备了激光熔覆镍基合金熔覆层，结果表明，施加电磁场后γ-(Fe，Ni)硬质相呈现出等轴晶形貌，提高了熔覆层的塑性，同时链状Cr7C3转变为棒状分布，增加了基体的连续性，降低了开裂敏感性。李金东通过有限元数值模拟分析认为，电磁场的加入会降低熔池的最高温度，使得温度场分布更加均匀，减小了温度梯度，从而有效缓解应力集中现象。陈发强在纯铁基体表面激光熔覆制备高硬镍基合金熔覆层，研究了稳态磁场和交变电流对熔覆层的协同影响，结果表明电磁场的施加可以加快枝晶间液体流动，避免低熔点杂质的汇聚，从而降低熔覆层的开裂敏感性。
激光冲击强化技术利用强激光束在极短时间内发出的冲击波对熔覆试样表面进行辐照，通过改变材料表面组织，使应力场分布趋于均匀化，降低熔覆层中的残余内应力，从而减少开裂。曹宇鹏等将铝箔用作吸收层，去离子水用作约束层，研究了激光冲击对熔覆 E690高强钢的影响，结果表明，经激光冲击后，熔覆层组织为等轴晶，减小了应力集中，降低了开裂敏感性。万天一利用激光熔凝-激光冲击-石墨化退火复合强化技术对HT200灰铸铁进行表面改性，结果显示，激光冲击后的熔覆层晶粒更加细小且均匀分布，应力集中现象得到缓解，韧性提高，从而有效抑制了裂纹的扩展。但激光冲击技术的局限性在于，试验前需要在熔覆试样表面添加能量吸收涂层，这使得工艺变得繁琐，强化效率较低。
利用高频锻造头对刚扫描结束的熔覆层进行快速锻打，一方面使熔覆层发生微小的塑性变形，另一方面锻打时产生的应力可与熔覆层内部的残余应力相抵消，从而抑制裂纹的产生。余金水在激光熔覆304不锈钢的过程中同步进行机械式高频微锻处理，熔覆完成后进行超声频微锻处理，有效降低了熔覆层中的裂纹数量，并且在一定程度上提高了熔覆层的拉伸强度等力学性能。然而在激光熔覆过程中，熔覆层已经在短时间内因应力集中而产生了裂纹，在后续微锻过程中若熔覆层温度太高，则会因锻打而引发裂纹，若熔覆层温度太低，则锻打产生的应力场不能有效抵消熔覆层内的残余应力。因此，为了更好地消除裂纹还应综合考虑其他处理手段。
6、其他方法
在激光熔覆过程中，较高的热输入和快速冷却过程会使熔覆层产生一定的内应力。激光重熔可以通过对熔覆层再次加热并保持在熔化温度范围内，使材料发生再结晶和再结合，释放和减少残余应力，从而降低熔覆层开裂的风险。鲁耀钟等制备了K418/Inconel718合金熔覆层，发现经激光重熔处理后，熔覆层组织更加细密均匀，偏析现象得到缓解，残余应力与应力集中减小，从而有效地抑制了裂纹的产生。LIU等利用激光3D打印技术制备Al2O3/ZrO2复合熔覆层，发现激光打印时熔池中的诱导压力比定向凝固中的诱导压力小，熔池流动性得以提高，熔覆层中的裂纹明显减少。周圣丰等在A3钢表面制备WC增强镍基合金复合熔覆层时发现，与传统的激光熔覆技术相比，激光-感应复合熔覆法的效率提高了近5倍，并且熔覆过程中的温度梯度明显减小，可得到无裂纹的熔覆层。LU等为降低热应力采用了三重激光扫描策略，首先激光扫描加热基体，减小温度梯度，熔覆结束后扫描熔覆层使其产生非晶涂层，然后立即对熔覆层进行第三次激光扫描，使残余应力释放的同时，熔覆层部分熔化，填充和修复裂纹，从而得到无裂纹的铁基非晶态熔覆层。ZHANG 等研究了基体喷丸处理对K447A镍基高温合金在激光熔覆过程中液化裂解的影响，对基体进行喷丸处理后，激光熔覆层纵截面的液化裂纹总长度从1649μm减小到248.8μm，液化开裂的趋势减小。
超高速激光熔覆技术与传统激光熔覆技术相比具有更低的稀释率，更小的基体热影响区和温度梯度。超高速激光熔覆技术通过使用高能量、高频率的激光脉冲，能够在短时间内迅速加热和冷却材料，有利于减少内应力的生成，从而降低了开裂的风险。黄海博等通过优化超高速激光熔覆工艺参数，调控热输入，减少了热应力的积累，在45钢表面制备了无明显气孔和裂纹等缺陷的Fe-Si-B非晶合金熔覆层。张煜等通过超高速激光熔覆技术制备了WC/镍基合金涂层，相较于传统激光熔覆，高速激光熔覆具有更高的冷却速率及更小的熔覆层厚度，所制备的熔覆层组织更加细密，因此抗裂性提高。
3、 结束语
激光熔覆技术是一种经济高效的表面改性技术，但随着熔覆材料硬度的提高，熔覆层裂纹问题更加突出，亟待解决。目前，学者们普遍认为,熔覆开裂主要由残余应力引起。通过合理选择熔覆材料、增设过渡层、优化熔覆工艺参数、基体预热、外场(力)辅助等措施可以有效减小熔覆层内应力，从而降低开裂。但激光熔覆是一个极其复杂的过程，获得一组合理的熔覆材料，合适的工艺参数以及有效的处理方法较困难，并且单纯以熔覆层无裂纹为目的去调节成分及参数，可能会导致熔覆层使用性能的降低。为获得裂纹更少、质量更高的熔覆层，今后的研究工作可在以下几个方面开展。
(1)在熔覆层材料成分合理设计的基础上，研究熔覆工艺参数和添加元素的交互作用，针对不同的成分体系设计合理的熔覆工艺，在提高熔覆质量的同时减少裂纹的产生。
(2)探究磁场和温度场等复合物理场对裂纹的控制机制和效果，研究多个物理场的联合作用效果，以最小的成本实现减少裂纹的目的。
(3)针对激光熔覆快速升温、快速冷却的特性，开发稳定的保温系统，减小温度梯度，降低残余应力。
(4)配合声发射检测、红外热成像检测等裂纹监测手段，准确掌握裂纹产生的时间、位置和熔池的熔凝状态，从而更加有效地解决熔覆层的开裂问题。
引用本文：
王廷宣，章健，刘敬，等.激光熔覆层裂纹控制的研究进展[J].机械工程材料，2023，47（8）：1-7，58.
Wang T X, Zhang J, Liu J, et al. Research Progress on Crack Control of Laser Cladding Layer, 2023, 47（8）: 1-7，58.
DOI:10.11973/jxgccl202308001
