超音速激光沉積（SLD）技術(shù)是近幾年發(fā)展起來(lái)的一種新型的激光復(fù)合制造技術(shù)，在表面改性領(lǐng)域引起了國(guó)內(nèi)外學(xué)者的廣泛關(guān)注。今天為大家?guī)��?lái)的就是相關(guān)技術(shù)的內(nèi)容。

它在冷噴涂（CS）過(guò)程中利用高功率激光同步加熱噴涂顆粒和基體，使兩者得到有效軟化，以增強(qiáng)顆粒的變形能力，大大降低顆粒所需的臨界沉積速度。由于臨界沉積速度得以降低，因此可用價(jià)格廉價(jià)的氮?dú)饣驂嚎s空氣替代昂貴的氦氣來(lái)加速噴涂顆粒，實(shí)現(xiàn)硬質(zhì)材料的沉積，在降低成本的同時(shí)擴(kuò)大了冷噴涂技術(shù)可沉積材料的范圍。

SLD技術(shù)是基于冷噴涂發(fā)展起來(lái)的一種新型的激光復(fù)合制造技術(shù)。英國(guó)劍橋大學(xué)的William O‘Neill課題組提出將激光加熱與冷噴涂同步耦合的SLD技術(shù)，其原理示意圖如下圖所示。

在該技術(shù)中，高壓氣流（壓縮空氣或者氮?dú)猓┓譃閮陕罚阂宦吠ㄟ^(guò)送粉器攜帶噴涂顆粒進(jìn)入混合腔，另一路通過(guò)氣體加熱器進(jìn)行預(yù)熱，然后在混合腔內(nèi)與攜帶噴涂顆粒的氣流充分混合，形成氣固兩相流。混合后的氣固兩相流進(jìn)入拉瓦爾噴嘴加速，噴涂顆粒以超音速撞擊激光同步加熱的基體表面形成沉積層。

激光頭與基體表面的法線呈一定的角度，拉瓦爾噴嘴與基體表面垂直，激光束與噴涂粉末會(huì)有部分重疊，因此激光不僅能對(duì)基體表面區(qū)域加熱，還能對(duì)噴涂粉末進(jìn)行預(yù)熱，可以對(duì)二者起到軟化的作用。噴涂區(qū)域的沉積溫度可以通過(guò)紅外高溫儀實(shí)時(shí)監(jiān)控，并可以通過(guò)閉環(huán)反饋系統(tǒng)實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)激光的輸出功率，保證沉積層制備過(guò)程中的沉積溫度恒定。

SLD技術(shù)與單一冷噴涂或單一激光熔覆（LC）、熱噴涂等技術(shù)相比，具有如下的技術(shù)特征：

1） SLD技術(shù)是基于冷噴涂技術(shù)發(fā)展起來(lái)的材料沉積技術(shù)，不存在熔化凝固引起的冶金相變，可保持原始粉末成分不變； 同時(shí)，沉積效率大幅提升，有望達(dá)到現(xiàn)有單一激光沉積制造的4~10倍。

2） 由于沉積過(guò)程中仍然保持了冷噴涂低熱量輸入的沉積特性，材料的沉積溫度遠(yuǎn)低于LC、熱噴涂等技術(shù)，因此可有效避免高熱輸入中存在的相變、變形、開裂等熱致不良影響，尤其是在沉積一些熱敏感材料時(shí)，優(yōu)勢(shì)更為明顯。同時(shí)，在SLD過(guò)程中，由于激光的加熱作用，沉積粉末和基體材料得到有效軟化，增加了粉末和基體材料的塑性變形能力，因此所制備的沉積層較單一冷噴涂沉積層更致密，結(jié)合強(qiáng)度更高，有望獲得高性能的沉積層。

3） SLD技術(shù)由于激光的引入，沉積粉末的臨界沉積速率較單一冷噴涂大大降低，可以在較低的撞擊速率下形成沉積層。因此，可用壓縮空氣或氮?dú)馓娲鷥r(jià)格昂貴的氦氣作為載氣，從而大大降低制造成本。此外，臨界沉積速率的降低可以提高沉積粉末的沉積效率和利用率，從而降低材料成本。

LC技術(shù)利用高能密度的激光束產(chǎn)生的快速熔凝，在基材表面形成與基體相互熔合且成分與性能完全不同的合金熔覆層，其微觀組織為典型的枝晶結(jié)構(gòu)。冷噴涂技術(shù)是一種基于材料塑性變形在工件表面實(shí)現(xiàn)固態(tài)沉積的過(guò)程，可以保持原始粉末材料的物相和微觀組織結(jié)構(gòu)。而SLD技術(shù)則結(jié)合了LC和冷噴涂這兩種技術(shù)的優(yōu)勢(shì)，其沉積層的物相以及微觀組織結(jié)構(gòu)的演變規(guī)律引起了國(guó)內(nèi)外許多學(xué)者的關(guān)注。

SLD沉積層的性能往往與其成分、微觀組織等相關(guān)，因此SLD沉積層的性能也引起了國(guó)內(nèi)外研究者的廣泛關(guān)注。

對(duì)于沉積層的致密性來(lái)說(shuō)，有相關(guān)研究結(jié)果表明激光輔助能夠顯著提高冷噴涂沉積層的致密性，激光輻照溫度的提高有利于改善復(fù)合沉積層的致密性。單一冷噴涂沉積層致密性較差的主要原因是噴涂粉末的塑性變形不充分。SLD由于引入了激光對(duì)沉積粉末和基體進(jìn)行加熱，粉末得到有效軟化，在沉積過(guò)程中的塑性變形更充分，粉末之間的結(jié)合更好，因此沉積層的致密性更高。此外，SLD技術(shù)在制備致密的金屬-陶瓷復(fù)合沉積層方面具有極大的優(yōu)勢(shì)，激光輻照能有效軟化金屬黏結(jié)相，脆硬的陶瓷顆粒高速撞擊并嵌入黏結(jié)相中形成致密結(jié)合的復(fù)合沉積層。

SLD沉積層的結(jié)合性能（包括沉積層與基體之間的結(jié)合以及沉積層內(nèi)部顆粒之間的結(jié)合）也是國(guó)內(nèi)外學(xué)者目前關(guān)注的一個(gè)焦點(diǎn)。

除了可以提高沉積層/基體界面的結(jié)合強(qiáng)度以外，沉積層內(nèi)部的結(jié)合強(qiáng)度也是非常重要的。在單一的冷噴涂技術(shù)中，噴涂材料發(fā)生絕熱剪切失穩(wěn)并在壓力作用下產(chǎn)生塑性流，導(dǎo)致顆粒間、顆粒與基體材料間的混合和機(jī)械咬合，沉積層/基體間呈現(xiàn)機(jī)械結(jié)合，結(jié)合強(qiáng)度不高，當(dāng)厚度達(dá)到一定程度時(shí)將導(dǎo)致剝落。SLD在冷噴涂的基礎(chǔ)上引入激光同步輻照，在激光加熱和絕熱升溫的作用下，沉積層內(nèi)部和界面處的元素發(fā)生擴(kuò)散，形成冶金結(jié)合。SLD沉積層內(nèi)部、沉積層/基體的結(jié)合機(jī)制為機(jī)械咬合和冶金結(jié)合共存，沉積層結(jié)合性能遠(yuǎn)優(yōu)于冷噴涂沉積層的結(jié)合性能，因此可以實(shí)現(xiàn)任意厚度的有效沉積。

材料的耐磨損性能往往與其硬度有一定的聯(lián)系，因此國(guó)內(nèi)外許多學(xué)者對(duì)SLD沉積層的顯微硬度進(jìn)行了表征。 相關(guān)研究結(jié)果表明SLD沉積層的顯微硬度高于LC沉積層，從而表現(xiàn)出較優(yōu)異的耐磨損性能。

除了從顯微硬度的角度來(lái)間接反映SLD沉積層的耐磨損性能以外，國(guó)內(nèi)外學(xué)者也通過(guò)摩擦磨損實(shí)驗(yàn)來(lái)直接表征SLD沉積層的耐磨損性能。沉積層的耐磨損性能與沉積層的硬度、附著力、柔韌性等物理性能密切相關(guān)。在SLD過(guò)程中，噴涂顆粒與沉積區(qū)域連續(xù)高速撞擊，使得兩者產(chǎn)生劇烈的塑性變形。在材料塑性變形過(guò)程中，晶粒發(fā)生滑移，位錯(cuò)密度不斷增加，產(chǎn)生固定割階和位錯(cuò)纏結(jié)等，阻礙位錯(cuò)的進(jìn)一步運(yùn)動(dòng)，沉積層產(chǎn)生加工硬化現(xiàn)象，使得沉積層的硬度增大。同時(shí)，SLD技術(shù)保持了原始材料的成分和精細(xì)結(jié)構(gòu)，確保了沉積層的韌性。此外，由于激光加熱，沉積層內(nèi)的部分沉積顆粒之間發(fā)生元素互滲，增大了沉積層內(nèi)部的結(jié)合強(qiáng)度。因此，SLD特征對(duì)沉積層的硬度、附著力、柔韌性等方面的貢獻(xiàn)導(dǎo)致制備的沉積層的耐磨性能優(yōu)于LC和冷噴涂沉積層。

耐腐蝕性能是材料的一種非常重要的性能，因此SLD沉積層的耐腐蝕性能也是國(guó)內(nèi)外研究者關(guān)注的焦點(diǎn)。SLD過(guò)程中，在激光輻照軟化以及粒子高速?zèng)_擊的夯實(shí)作用下，沉積層的孔隙率較低，沉積層表面較為致密，能有效抵擋腐蝕介質(zhì)的滲入，為基體提供有效的保護(hù)作用。另外，SLD是一個(gè)固態(tài)沉積過(guò)程，能避免基體對(duì)沉積層的稀釋，保留原始噴涂材料的成分和相結(jié)構(gòu)，繼承噴涂材料優(yōu)異的耐腐蝕性能。

SLD技術(shù)還需要在以下幾個(gè)方面繼續(xù)突破：

1） SLD是一種復(fù)合技術(shù)，涉及的工藝參數(shù)眾多，若單純依靠實(shí)驗(yàn)手段去優(yōu)化工藝參數(shù)，將會(huì)費(fèi)時(shí)費(fèi)力。因此，非常有必要采用數(shù)值模擬與實(shí)驗(yàn)相結(jié)合的方法去探索各參數(shù)之間的相互影響規(guī)律，建立激光與超音速粒子能量場(chǎng)之間的耦合機(jī)制，闡明激光與沉積粒子的相互作用關(guān)系以及沉積機(jī)理，從而為工藝參數(shù)的優(yōu)化和選擇提供理論指導(dǎo)。

2） SLD系統(tǒng)涉及多個(gè)關(guān)鍵單元，絕非是它們之間簡(jiǎn)單的疊加，如何實(shí)現(xiàn)多能場(chǎng)之間的協(xié)同耦合與智能化控制將是難點(diǎn)，尤其是如何采用該技術(shù)實(shí)現(xiàn)增材制造，如何有效實(shí)施路徑規(guī)劃與分層。因此，研制專用工藝軟件及成套裝備迫在眉睫。