能场辅助激光熔覆技术研究进展

《Optics & Laser Technology》：Advances in research on the energy field assisted laser cladding technology

　　

## 摘要

激光熔覆作为一种重要的表面增材制造技术，能够实现高性能涂层的制备。然而，传统激光熔覆工艺通常伴随熔池快速凝固、剧烈热循环以及较大温度梯度，容易诱发气孔、裂纹、微观组织粗化和残余应力累积等缺陷，从而限制了涂层性能的进一步提升。近年来，能场辅助激光熔覆技术通过引入外部能场——包括超声振动、电磁场、磁场、电场、热场以及多能场耦合——实现了对熔池流动、凝固行为和应力演化的主动调控。本文系统地总结了不同辅助能场在激光熔覆中的机理及最新进展，重点阐述了其对缺陷抑制、凝固控制、性能提升和残余应力调控的影响。现有研究表明，超声振动和电磁场在晶粒细化和微观组织均匀化方面表现出更为显著的优势。超声辅助通过空化效应和声流作用促进异质形核，显著减小晶粒尺寸。电磁场通过洛伦兹力增强熔池对流，在改善元素分布、降低残余应力和抑制裂纹形成方面展现出卓越的综合调控能力。磁场辅助激光熔覆可有效改善熔池流动和微观组织均匀性；然而，其调控能力受限于材料的磁响应特性和磁场作用的有效范围。虽然电场辅助激光熔覆在基于电塑性的调控方面具有一定优势，但由于相互作用机理和参数匹配关系尚不明确，目前仍处于探索阶段。热场辅助可降低温度梯度、缓解热应力，但伴随的晶粒粗化效应限制了其整体强化效果。与单一能场相比，超声-电磁混合能场凭借机械扰动与电磁驱动的协同效应，在硬度提升、耐磨性改善和缺陷抑制方面展现出更大的应用潜力。总体而言，能场辅助激光熔覆技术正逐步从单一性能增强向多物理场协同调控演进。然而，不同能场之间作用机理不明确、参数-响应关系尚待厘清以及设备集成方面的挑战，仍制约着其工程化应用。未来研究应着重于建立多能场参数、熔池行为与涂层性能之间的定量关联，同时开发智能化工艺优化策略和模块化设备，推动该技术向精确调控和产业化应用转型。

## 引言

激光熔覆（LC）是一种先进的材料表面改性技术[1]。该技术以高能量密度激光束作为热源，快速熔化并铺展预置或同步送进的熔覆材料，从而在基体表面形成冶金结合的熔覆层。凭借其高能量密度和快速冷却特性，激光熔覆已被广泛应用于各种材料加工和零部件修复领域[2], [3], [4]。过去十年间，随着高功率激光系统的突破性发展，激光熔覆技术在工艺参数精确控制和能量传递效率方面取得了显著进展[5], [6]。

熔覆层质量一直是研究者关注的核心问题，通常要求熔覆层表面平整，且无裂纹和气孔等缺陷[7]。然而，传统激光熔覆技术仍存在若干固有局限性，主要体现在以下几个方面：（i）裂纹和气孔是激光熔覆中常见的缺陷。这些缺陷主要归因于过大的热应力[4], [8]和残余应力[2]、微观组织凝固不均匀以及界面结合不良[6]。（ii）传统激光熔覆的微观组织均匀性往往较差[9], [10]。这主要是因为熔覆过程直接暴露于大气环境中，熔覆层表面区域的快速凝固促进了非平衡微观组织、非晶相以及相关金属氧化物的形成。（iii）熔覆层力学性能的增强有限，且分布往往不均匀。激光熔覆参数不匹配可能导致热量输入过多，延长晶粒生长时间，从而对熔覆层的显微硬度和耐磨性产生不利影响[11], [12]。此外，熔池倾向于表现出明显的定向凝固特征，导致显微硬度从表层向基体方向逐渐降低，而熔池内随机分布的硬质颗粒进一步加剧了显微硬度分布的不均匀性[3]。（iv）传统激光熔覆制备的熔覆层中普遍存在较高水平的残余应力。由于激光熔覆固有的快速加热和冷却特性，过大的热应力会在制备的零部件中产生显著的残余应力。这不仅严重影响尺寸精度和表面质量，还会降低整体性能并缩短使用寿命[13]。由于微观组织不均匀性、硬度分布不均、硬质颗粒分散以及裂纹和气孔等缺陷的存在，熔覆层通常表现出明显的非均质性[10]。此外，激光熔覆在某些特殊材料涂层的制备方面也面临相当大的挑战。例如，虽然通过优化熔覆参数和改性材料体系可以在一定程度上减轻陶瓷涂层的内部缺陷，但在陶瓷涂层制备过程中，气孔率、元素偏析和增强相分布不均等问题仍然难以避免[14]。对于非晶合金熔覆层，由于熔池内存在对流、质量传递、热传递和界面扩散反应，难以实现完全非晶化的熔覆层。因此，所得涂层通常表现为由非晶相、纳米晶相和金属间化合物组成的复合微观组织[15]。

为解决上述问题，研究者在激光熔覆过程中设计了各种处理策略和材料体系，以期探索新型熔覆方法[16], [17]。例如，在制备原位粒子增强高温合金复合熔覆层时，添加增强颗粒可导致熔覆层内等轴晶粒细化，并伴随显微硬度和耐磨性的显著提升[18]。在此前的研究中，控制熔覆质量的努力主要集中于材料选择和工艺参数优化；然而，熔覆质量的改进仍较为有限。因此，研究者尝试将辅助能场引入增材制造工艺中，以提升涂层质量和整体性能[19]。

能场辅助激光熔覆是将外部能场与传统激光熔覆工艺相结合的一种熔覆技术，旨在克服激光熔覆的固有局限性，并通过辅助能场的作用提高熔覆质量。如图1所示，常用的辅助能场包括超声辅助激光熔覆（UALC）、电场辅助激光熔覆（EALC）、磁场辅助激光熔覆（MALC）、电磁场辅助激光熔覆（EMALC）、超声-电磁混合场辅助激光熔覆（UEM-LC）和热场辅助激光熔覆（TFALC）。

辅助能场对熔池对流、流体动力学、温度梯度（G）以及微观组织凝固行为产生显著影响。能场辅助的引入为激光熔覆技术带来了多方面的改进。具体而言：（i）超声振动通过声流、空化效应和声塑性等机制调控熔池，从而显著减少熔覆层中裂纹和气孔的形成。（ii）电场通过焦耳加热、凝固界面扰动和电塑性效应影响熔池中的微观组织演化，同时改善熔覆层残余应力的大小和分布。（iii）磁场主要通过磁流体动力学（MHD）效应和磁化效应影响熔池凝固过程，在增强熔池稳定性和促进微观组织细化方面表现出显著的有效性。（iv）电磁场耦合了电场和磁场的机制，在气孔率降低、晶粒细化和残余应力缓解方面展现出优异的调控能力，因此已成为近年来研究最为广泛的辅助能场之一。（v）超声-电磁混合场将超声振动引起的微观尺度扰动与电磁场的宏观控制能力相结合，在提高熔覆层致密度和力学性能方面具有独特优势；热场可实现熔池温度演化的精确控制，降低熔覆层内的温度梯度，并促进更均匀的温度分布。

能场通常以非接触方式施加，以调控熔池行为，从而避免对熔覆工艺和沉积层的机械干扰，确保工艺稳定性和熔覆质量。场强、频率和作用时间等参数可进行精确调节，从而实现对激光熔覆工艺及所得熔覆层性能的准确控制。

然而，现有关于能场辅助激光熔覆的综述仍存在若干显著的研究空白。一些研究仅聚焦于单一能场，如超声振动或磁场，缺乏不同能场技术之间的全面比较。其他综述涉及更广泛的金属增材制造工艺，包括激光粉末床熔融、电弧增材制造和3D打印，但仅简要提及激光熔覆，未对其独特的冶金特性进行深入分析，例如薄层缺陷和应力调控机制。此外，一些综述局限于特定的材料体系，导致跨材料比较和普适性理解的不足。为弥补这些研究空白，本综述专门针对激光熔覆工艺，系统涵盖了六种辅助能场，包括超声振动、电磁场、磁场、电场、超声-电磁混合场和热场。从缺陷抑制、凝固控制、性能提升和残余应力调控四个角度，全面分析了不同能场在各材料体系中的影响。与以往的综述相比，本工作的主要贡献总结如下：首先，建立了一个统一的评价框架，以定量比较不同能场的优势、局限性和适用条件。其次，将实验研究与多物理场模拟相结合，建立了对底层机理的全面理解。第三，阐明了混合能场中的协同与竞争相互作用，并提出了基于材料特性的工艺选择指南。此外，为确保所综述文献的可追溯性，本文末尾综合描述了数据库、检索关键词、时间范围、纳入与排除标准以及筛选流程，从而弥补了以往综述中常见的文献收集策略缺乏透明度的问题。

如图2所示，本综述主要聚焦于常用研究的超声振动、电磁场、磁场、电场和超声-电磁混合场辅助激光熔覆。同时，考虑到热场辅助激光熔覆具有相对较高的产业成熟度和完善的研究体系，本文将该技术单独列出进行讨论，以提供简要概述。首先，详细阐述了不同能场辅助激光熔覆技术的工作原理及其与熔池的相互作用机理。随后，系统总结了各种能场辅助方法对熔覆层成形质量和力学性能的影响。在此基础上，讨论了能场辅助激光熔覆领域现有的挑战和未来发展展望。本工作旨在为研究者提供能场辅助激光熔覆的最新见解，促进对不同辅助能场优势和局限性的全面理解，提高研究成熟度和准备就绪程度，从而推动能场辅助激光熔覆技术的进一步发展和更广泛应用。最终，这些努力有望加速激光熔覆从实验室规模研究向工业应用的转变[26], [27], [28], [29], [30], [31]。

图3展示了本综述的框架和整体组织逻辑。本文系统总结了能场辅助激光熔覆技术的当前发展状况和调控机制。首先，将六种能场——包括超声振动、电磁场、磁场、电场、超声-电磁混合场和热场辅助——确定为研究对象，以界定本综述的范围。随后，分析了不同能场的原理和机理。从辅助设备配置及其对熔池的影响出发，系统地讨论了各种能场对熔覆过程的影晌机制。

此外，本文从缺陷抑制、凝固控制、性能提升和残余应力调控四个方面总结了不同能量场的作用效果。最后，考虑不同能量场的调控能力、技术成熟度和工程应用成本，总结当前的发展挑战，并提出涉及多场耦合与智能调控的未来方向，为能量场辅助激光熔覆技术的进一步发展提供理论指导。

## 文献检索

本综述采用中英文数据库组合检索文献，以确保所收集参考文献的全面性与代表性。英文文献主要检索自Web of Science核心合集、ScienceDirect、Scopus和SpringerLink，中文文献则来自中国知网（CNKI）、万方数据知识服务平台和维普中文科技期刊数据库。文献检索时间范围设定为2016年1月至2026年7月，重点关注能量场辅助激光熔覆领域的最新研究进展，特别是近六年内发表的研究成果。同时，为追溯该研究领域的理论发展脉络，额外纳入了若干具有代表性的早期基础研究文献，涵盖磁流体力学（MHD）理论、能量场辅助凝固理论及相关经典研究成果。检索关键词主要包括激光熔覆、辅助能量场、超声振动、电场、磁场、电磁场、复合能量场、热场、熔池行为、裂纹与气孔、微观组织、力学性能、残余应力以及数值模拟等相关术语的组合。

本综述的范围限定为能量场辅助激光熔覆技术，以实验研究为主要参考文献来源。此外，在后续章节中还纳入了近两年来发表的若干有价值的数值模拟研究，以进一步阐明能量场与熔池之间的相互作用机制。除用于解释基本机理的基础理论研究外，其他增材制造工艺均排除在本综述范围之外。所选参考文献均为中英文数据库中正式发表的学术研究成果。综述研究主要聚焦于外加能量场对熔池缺陷、微观组织、力学/耐腐蚀性能及残余应力的作用机理或实验研究。纳入的文献主要为SCI/EI收录的期刊论文及中文核心期刊论文，硕士学位论文、博士学位论文及会议摘要则予以排除。所选研究需提供完整的实验方案、工艺参数范围以及微观组织/性能表征方法等信息，缺少实验数据或机理分析的出版物予以排除。

经上述检索与筛选程序，本综述最终纳入161篇有效参考文献，其中英文文献147篇，中文文献14篇。

## 各能量场辅助激光熔覆技术概述

### 超声辅助激光熔覆

近年来，超声辅助技术在激光熔覆领域受到越来越多的关注。作为一种最早引入熔池调控系统的外部物理场，超声振动通过空化效应和声流效应显著改变熔池的内部流动行为与凝固行为。因此，它在晶粒细化和缺陷抑制方面表现出显著优势。

### 电磁场辅助激光熔覆

电磁场辅助激光熔覆通过洛伦兹力驱动熔池流动，是当前研究中最具代表性的流体动力学外部能量场之一。多物理场耦合是控制金属增材制造中凝固微观组织的可行途径。已有大量研究探讨了此类耦合场的影响。电磁场耦合辅助激光熔覆的应用可提供增强效果。

### 磁场辅助激光熔覆

磁场辅助激光熔覆（MALC）因其通过电磁力调控熔池流动、凝固微观组织和应力分布的能力而受到广泛关注。本节系统介绍了MALC的工作原理，并深入讨论了磁场对熔覆层裂纹与气孔、微观组织演化及力学性能的影响。在高熵合金和陶瓷颗粒增强等材料体系中亦开展了相关研究。

### 电场辅助激光熔覆

电场辅助激光熔覆工艺通过控制熔池内电流密度分布来调节溶质迁移行为。然而，与磁场不同，单独的电场缺乏独立诱发熔体搅拌的能力，导致其调控效果相对较弱。在所有单一主动能量场辅助技术中，电场辅助的相关发表文献数量最少，主要作为辅助手段进行探讨。

### 超声-电磁复合场辅助激光熔覆

前述章节讨论了两种主要核心调控场，即超声振动与电磁场。本节聚焦于两者的组合，即超声-电磁复合场。超声空化消除气孔与电磁力驱动强化搅拌细化晶粒的协同效应近年来已成为新的研究热点，代表了多物理场耦合的前沿方向。尽管复合场的应用仍处于探索阶段，但其潜力值得期待。

### 热场辅助激光熔覆

上述讨论的超声场、电磁场、磁场、电场以及超声-电磁复合场均为动态外部能量场，能够直接对熔池施加流体驱动力。通过声流、空化效应和洛伦兹力等机制，这些场主动调控熔池对流、凝固成核和匙孔动力学。相比之下，热场调控从根本上改变熔池的热状态与凝固条件。

## 综合分析

综上所述，不同能量场辅助激光熔覆技术对熔覆层质量和力学性能表现出不同的调控效果。超声振动主要通过声流和空化效应增强熔池搅拌，促进气孔消除、组织均匀化和晶粒细化，在调控凝固结构方面具有显著优势；然而，其对宏观力学性能的贡献相对有限。

## 结论

本综述系统总结了超声振动、电磁场、电场、磁场、超声-电磁复合场及热场辅助激光熔覆的研究进展。不同能量场在熔池动力学、缺陷抑制、凝固控制、性能增强和应力调控方面各有优势。在晶粒细化和组织均匀化方面，超声振动与电磁场表现突出。

## CRediT作者贡献声明

杜天源：撰写—原稿、调研、形式分析、数据管理。李国合：撰写—审阅与编辑、可视化、资源、资金获取。刘猛：撰写—审阅与编辑、指导、方法论。李凌峰：资源、调研。丁佳辉：调研、数据管理。史哲河：验证、软件。

## 利益冲突声明

作者声明不存在可能影响本文所报告工作的已知竞争性经济利益或个人关系。

## 致谢

本研究受国家自然科学基金（批准号：51875409、52275366）、天津市教委项目（2020ZD08）及天津市创新团队项目（XC202051）资助。本工作还得到国家-地方联合汽车模具智能工程实验室及天津市高性能精密成形技术与装备重点实验室的支持。

## 伦理审批

作者确认本工作不包含涉及人类的任何研究。

杜天源 | 李国合 | 刘猛 | 李凌峰 | 丁佳辉 | 史哲河