激光熔覆技術在船舶修造中的應用研究進展

王浩，簡思捷，李潔，耿韶寧，劉坤

1.江蘇科技大學材料科學與工程學院 江蘇鎮江 212100

2.華中科技大學機械科學與工程學院 湖北武漢 430074

1 序言

在船舶工業中，腐蝕和磨損是零件失效的常見形式。對于失效零件的維修，經歷了最初的事后修理到計劃性修理、再到針對性維修體制的變革[1，2]，維修制度的發展仍難以解決大量零件失效后無法恢復原設計工況甚至不得不報廢而更換新件的問題，但更換新件又大大增加了船舶管理成本和時間成本，無法及時滿足船舶修理的要求。長期以來，船上許多失效的零部件多通過傳統技術進行修復，如電鍍、噴涂和堆焊等。對于非關鍵零部件，利用傳統修復技術進行修復可達到使用性能要求。但對于關鍵船舶部件的修復，傳統工藝存在不同程度的局限性，應用范圍有限。如堆焊產生的變形量較大，影響零件的裝配精度；噴涂和電鍍雖可以避免材料變形，但修復厚度有限，這使得其難以應用于高頻和重載的服役工況。因此，船舶修理再制造更需要一種高效率、高可靠、低變形及低成本的新技術[3]。

近年來，作為零件修復技術之一，激光熔覆得到迅速發展，相比傳統工藝，熔覆層能夠實現與零件基體的冶金結合，因此具有出色的結合強度。此外，熔覆過程中的材料選擇非常靈活，可以根據零件修復的具體需求進行調整。而且，激光熔覆過程具有高度集中的能量，零件熱變形極小[4-7]，激光熔覆修復技術可用于船舶上的各類鋼以及有色金屬零部件的修復，且修復后的整體性能可達到使用性能要求。

本文從激光熔覆設備及材料、工藝參數、技術應用等方面，對激光熔覆技術用于船舶修復再制造的研究進展進行了歸納，總結了激光熔覆技術在船舶修造領域面臨的挑戰，并對未來發展方向進行了展望，為船舶修造技術提供參考，對船舶高端裝備的高質量修復具有重要意義。

2 激光熔覆設備及材料

2.1 激光熔覆設備研究進展

激光熔覆系統由激光源、光學系統、送粉系統、冷卻系統和控制系統組成。其中，激光源作為系統的核心，其產生高能量密度的激光束；光學系統用于聚焦和引導激光束；控制系統用于實現精確的位置和方向控制；送粉系統供應粉末材料，保證粉末均勻分布；冷卻系統用于保證系統和工件的溫度在可控范圍內[8]。激光器是激光熔覆再制造系統中至關重要的組件，其性能不僅對設備的效率和精度有直接影響，同時也可保證激光再制造過程的順利進行。因此，激光再制造的要求之一是確保激光器具備高能量密度和可調的精度控制，以滿足不同應用需求[9]。應用于船舶修理再制造行業的激光加工系統已逐漸向大功率半導體激光器方向發展[10]。激光加工系統如圖1所示[8]。

部分激光熔覆設備會選擇加入機器人系統機構[9]（見圖2），以實現更加便利、高精度的激光熔覆加工。機器人可搭載專用熔覆設備，如熔覆頭和掃描振鏡，因此其額定載荷范圍通常在30～60kg（1kg＝9.8N）。機器人在精確度方面表現出色，可達到0.005mm以上，足以滿足大部分船舶構件激光熔覆再制造的精度要求。此外，機器人的最大運動半徑通常在2～3m，可有效滿足小尺寸工件的激光熔覆加工需求。

圖2 機器人系統及工作臺[9]

2.2 激光熔覆材料研究進展

預置粉末法和同步送粉法是兩種激光熔覆常采用的提供原料的方法[11]。

預置粉末法操作簡便且成本較低，但所得到的涂層通常與基體結合強度相對較低，容易出現氣孔和其他缺陷。因此，在實際應用中，必須對粉末的用量以及相關工藝參數進行嚴格控制，以確保最終的涂層質量和性能。

相對而言，同步送粉法提供了更高的控制和精度。此外，同步送粉法還有助于減少稀釋率，即減少涂層中來自基體材料的摻雜物含量，從而更好地保持所需的化學成分。最重要的是，這種方法相對容易實現自動控制，有利于在大規模應用和高精度要求的領域中推廣應用[12]。對于同步送粉法，送粉裝置是影響熔覆成形質量的關鍵因素。根據激光器和粉末噴嘴的相對位置，熔覆設備可以分為兩種主要類型：旁軸送粉和同軸送粉。旁軸送粉的噴嘴位置通常不容易阻塞，但若噴嘴移動需與激光頭協調，則靈活性較差；同軸送粉可以起到預熱和預熔化的作用，涂層與基體界面結合較好，能夠靈活適應不同位置的激光熔覆修復[13]。同軸送粉方式通常能夠提供更高的熔覆質量，這意味著熔覆后的零部件表面更平滑，質量更均勻，這有助于降低后期處理和精加工的難度，因為所需的粗加工可能較少。此外，同軸送粉適用于復雜形狀的工件以及軸類工件[14]（見圖3），因為它提供了更多的精確控制，可以適應不同幾何形狀的熔覆需求，對于船舶失效零件能得到相對理想的修復效果。

圖3 激光熔覆裝置置于曲軸的內部圓角上方[14]

然而，同軸送粉的設備通常更昂貴，需要更高的技術和維護要求。因此，在選擇送粉方式時，需要綜合考慮工件的具體要求、設備成本和維護因素。

由于熱噴焊和激光熔覆兩種工藝之間存在本質差別，早期使用熱噴焊所用的合金粉末作為激光熔覆粉末存在一定局限性。兩種工藝對材料的要求不同，熱噴焊合金粉末的特性在激光熔覆中可能導致涂層出現裂紋、夾雜等缺陷。為了克服這些問題，需要專門為激光熔覆開發熔覆材料，專用激光熔覆材料具有特定的特性，包括良好的潤濕性、流動性、粒度和低氧含量等，能夠更好地適應激光熔覆的工藝要求，從而減少缺陷的產生，提高涂層質量。因此，為激光熔覆開發的專用材料在生產中非常重要[15]。

熔覆材料的選擇對于涂層的最終性能起著至關重要的作用。在眾多激光熔覆材料中，粉末是主要的選擇，常見的粉末材料包括金屬基自熔性合金粉末、陶瓷粉末及復合材料粉末。金屬基自熔性合金粉末是最常見和廣泛應用的熔覆材料之一，通常具有較低的熔點，能夠在激光束的高溫下快速熔化和凝固，實現涂層的均勻覆蓋，它們通常具有良好的潤濕性，能夠牢固地附著在工件表面，并提供出色的耐腐蝕性能。除了金屬基自熔性合金粉末外，陶瓷顆粒粉末和復合材料粉末也在特定應用中發揮著關鍵作用。陶瓷粉末常用于需要特殊耐磨性或導熱性的情況。復合材料粉末則可能結合多種性能特點，以滿足復雜的工程需求。因此，熔覆材料的選擇取決于具體的應用需求、所需性能特點，以及所需的涂層特性，正確選擇合適的熔覆材料是實現最佳涂層性能的關鍵一步[16]。常用熔覆粉末及其應用基體見表1。

表1 船舶常用熔覆粉末及其應用基體[17-20]

Fe基粉末成本低，綜合性能優異，黃光燦[21]等在45鋼基材表面熔覆了Fe基涂層，有效提升了鋼材表面硬度（約為基材2.5倍）。在船舶相關應用領域內，零件表面磨損和腐蝕是常見的失效形式，因此應用較多的是高耐磨耐蝕的Ni基和Co基合金粉末[22]。劉峰等[23]在鑄鐵軋輥表面熔覆了Ni基涂層，將軋輥表面耐磨性提高了8倍以上，顯著提升了軋輥表面耐磨性。李二盼等[24]在42CrMo鋼表面制備了Co基涂層，致密的涂層顯著提高鋼的表面耐磨性，磨損量僅為基體的13.5%。

3 激光熔覆工藝參數

激光熔覆工藝過程是再制造成形質量（如是否存在裂紋、氣孔和砂眼等缺陷）的決定性因素之一。與此同時，影響激光熔覆過程的主要參數包括掃描速度、送粉率、激光功率、搭接率和焦距等。這些參數之間相互關聯，如：通過調整步距，可以控制搭接率，從而影響涂層的密實度和性能；送粉速率決定了每個單位面積上所添加的材料量，從而影響熔覆層的厚度，更高的送粉速率通常會導致更厚的涂層；有效熱輸入是各個參數綜合作用的結果，它決定了熔池的溫度分布和材料熔化情況，對涂層的質量和性能具有重要影響。因此，在激光熔覆過程中，需精確控制工藝參數，以確保涂層具有所需的宏觀質量和性能特性。精確的參數設置和監控是實現高質量再制造成品的關鍵[8]。

相關研究學者針對激光熔覆參數的影響及作用機理開展了大量研究工作。根據江吉彬等[25]的分類方法，激光熔覆參數可以細分為不同類型，包括工藝參數、過程參數和質量參數。其中工藝參數包括激光功率、焦距和光斑規格；過程參數包括激光精度和步進控制；質量參數包括粉末成分、保護氣流量和零部件基本屬性等。這些參數的共同作用直接影響了激光熔覆成形的質量。其中，一些最直觀的影響包括涂層的表面質量、成形厚度，以及涂層的硬度分布。因此，對這些參數進行精確的控制和調整是實現高質量激光熔覆成品的關鍵。杜學蕓等[26]在27SiMn不銹鋼表面制備了Fe基涂層，并比較了不同能量密度對熔覆層耐蝕性的影響。結果表明，能量密度的增大會導致Cr分布不均勻性增加，進而影響組織均勻性，降低了熔覆層硬度（見圖4）和耐蝕性。

圖4 不同激光功率下的熔覆試樣硬度分布[26]

何煒等[27]在27SiMn鋼表面制備了316L不銹鋼涂層，摩擦磨損測試結果（見圖5）表明，掃描速度的提高細化了涂層組織，顯著提高了涂層的耐磨性。朱志凱等[28]探究了WC比例對Fe60涂層表面硬度的影響，研究表明，WC的加入促進了硬質相的生成，將涂層硬度提升至基體的8倍。

圖5 不同掃描速度下涂層的耐磨性[27]

4 船舶構件的激光熔覆

船舶構件在高磨損、高腐蝕環境下極易出現失效（見圖6），嚴重危害船體質量和人員安全。作為典型的船舶構件，發動機曲軸和螺旋槳軸等位置是磨損和腐蝕失效的高發區。對于出現損傷的零件，維修人員會根據磨損和腐蝕程度的不同進行修復或更換，相比價格昂貴且采購周期長的更換，修復是延長船舶構件全壽命周期最經濟、最有效的手段[30]。船舶構件的修復方式有很多，激光熔覆技術因其效率高、熔覆層與基體之間結合強度高等優勢被廣泛應用于船舶構件的修復[31]。在船舶部件多個部位已通過激光熔覆技術成功實現修復，見表2。

表2 激光熔覆技術在船舶行業中的成功應用

圖6 船舶構件在服役環境下易產生的缺陷

軸類構件在服役過程中，其受力大小和方向都是不斷變化的，不均勻磨損尤為嚴重[32，33]。采用激光熔覆修復軸類構件時，如何降低熔覆產生的殘余應力是保證修復效果的難點[34]。孫玉強等[35]在船用曲軸上熔覆Fe基形狀記憶合金涂層，通過應力誘導γ奧氏體向ε馬氏體轉變，在釋放應力的同時降低了涂層裂紋敏感性，增強了基材的耐磨性。修復前后零件表面磨損形貌如圖7所示，激光熔覆修復前后構件的耐磨性如圖8所示[35]。從圖7a可看出，淬火前基材的磨痕中存在明顯的犁溝劃痕和大塑性變形導致的剪切和剝落，磨損機制為黏著磨損。熔覆Fe基形狀記憶涂層后，涂層有效提升基材耐磨性，磨損表面犁溝淺而平，磨損機制為磨粒磨損。此外，涂層的相變自適應特性松弛了部分殘余應力，顯著提高了基材的耐磨性[36]。

圖7 修復前后零件表面磨損形貌

圖8 激光熔覆修復前后構件的耐磨性[35]

腐蝕是船舶構件損壞的常見形式，通過在零件表面熔覆耐蝕性涂層可有效防止海水和空氣腐蝕，實現對零件的保護和修復。激光熔覆材料的選擇范圍廣，往往需要根據所修復零件的特殊要求進行調整。張瑜芳等[37]對腐蝕后的舵叉進行了激光熔覆，通過激光熔覆Ni基涂層實現了零件的修復。舵叉的常用材料是鑄鋼，由于鑄鋼基體組織較為粗大，熔覆后界面結合力弱，因此涂層和基體的結合性較差。通過采用梯度材料，底層實現了韌性材料和鑄鋼基體的高強度冶金結合，工作層保證了良好的耐蝕性和耐磨性。梯度材料的應用可以在提高涂層和基體界面結合強度的同時保證涂層的性能，是提高激光熔覆修復產品質量的有效方法。李曉磊等[38]研究了Ti6Al4V粉末對鈦合金耐蝕性的影響（見圖9），結果表明，涂層組織比基體更為致密，可有效提升鈦合金表面的耐蝕性。QI等[39]在Q235鋼表面制備了Cu-Mn涂層，研究發現可以抑制海洋生物生長，有效防止海水腐蝕，延長構件使用壽命。

圖9 涂層提高合金耐蝕性[38，39]

船舶動力主要由柴油機提供，氣缸是柴油機燃燒室的重要組成部分。氣缸蓋因長期處于不均勻熱應力作用下而極易產生裂紋損傷，因此如何防止氣缸蓋產生裂紋是保證船舶安全運行的重要方面。朱順敏等[40]從熱力學角度分析了船用柴油機缸蓋裂紋的產生原因，在缸蓋底激光熔覆了鎂鈣系耐熱材料，熔覆后在缸蓋底形成的致密保護層，極大地緩解了缸蓋觸火面的熱應力集中和燃氣腐蝕現象，有效抑制了缸蓋裂紋的產生。

激光熔覆工藝參數眾多，包括送粉速率、掃描速度和激光功率在內的多種參數都會對熔池溫度場產生影響，進而影響熱輸入和應力分布，最終決定涂層的性能。因此，選擇適當的熔覆工藝參數可有效提高船舶構件的修復效率，并增強涂層的性能。在實際生產中，時間成本對于船舶運輸行業尤為重要。隨著先進計算技術的發展，采用數值模擬來模擬實際激光熔覆工況、選擇恰當的熔覆工藝參數成為船舶構件激光熔覆修復的發展趨勢。閆燦斌等[41]采用ANSYS軟件模擬了工藝參數對熔覆熔池溫度場分布的影響，并通過試驗對模擬結果進行了驗證。結果顯示，采用數值模擬確定的工藝參數能夠很好的滿足船舶構件的修復要求，不僅降低時間成本，而且提高了實際生產效率。

在船舶構件的激光熔覆修復中，殘余應力的存在極易導致涂層失效。于信偉等[42]利用ANSYS軟件中“生死單元”模塊分析了涂層深度方向上殘余應力的分布。結果表明，涂層殘余應力隨激光功率的提高而增加。劉立君等[43]利用數值模擬技術對激光熔覆工藝參數進行優化，探究了工藝參數變化對溫度場和應力場的影響，如圖10所示。試驗驗證結果表明，模擬結果與試驗結果誤差微小，充分驗證了模型的準確性，極大地節約了材料和降低了時間成本。

圖10 不同工藝參數對溫度場分布的影響[43]

5 激光熔覆技術面臨挑戰及發展趨勢

激光熔覆技術在船舶構件修造中面臨的挑戰主要有以下幾個方面。

（1）質量層面 由于激光熔覆快速加熱和冷卻的特點，船舶構件在進行激光熔覆修復時，搭接處應力集中較為嚴重，極易產生裂紋，因此如何防止裂紋的產生是推廣激光熔覆在船舶構件修復領域應用的關鍵。另外，部分船舶關鍵部件制造為世界少數企業壟斷，產品的成分、尺寸等參量難以獲得。因此，保證修復時涂層和基體的結合強度及修復后產品的精度是推廣激光熔覆技術在船舶構件修造領域應用的另一難點。

（2）技術層面 目前激光熔覆技術僅限于對表面發生磨損、腐蝕和開裂的中小型零部件進行修復，而船舶構件尺寸較大，對于大型且無法移動的構件修復較為困難。同時，受限于激光束直徑，激光熔覆修復大尺寸構件時效率較低，難以滿足實際修復應用的需求。激光熔覆設備便攜性較差，一般需要船舶?？亢蠡驅⑹軗p零件拆卸送至指定地點后才可進行修復。

（3）管理運營層面 由于產業形成時間較短，相比國外的運營模式，國內船舶構件的激光熔覆修復還不夠成熟，激光熔覆修復后構件的安全性仍難以得到保證和檢驗，且缺乏相應的技術規范。因此，如何提高用戶對激光熔覆修復產品的認可度是廠商和國家迫切需要解決的問題。若能結合國內船舶行業的發展現狀，制定相關的系列政策文件及行業標準，將有助于提升用戶對激光熔覆修復后產品質量的信任度，促進激光熔覆修復產品在船舶行業健康快速發展。

6 結束語

隨著激光熔覆技術的發展，船舶構件的制造和修復也得到了更快速的發展，船舶工程邁向了新的階段。激光熔覆修復節省了材料消耗，在損壞零件表面熔覆的高強涂層與零件基體結合力強，對零件的表面強化效果顯著。目前，我國船舶工程領域的激光熔覆修復技術正處于快速發展階段，不僅得到了國家相關部門的重視，而且在基礎研究和實踐中均取得了顯著的階段性成果。在未來，激光熔覆修復船舶構件勢必將成為船舶零件維修的主流趨勢，并取得巨大的經濟效益和社會效益。