超音速激光沉积有望成为一种新的增材制造技术

超音速激光沉积（SLD）技术是近几年发展一起的一种新型的激光填充生产技术，在表面改性领域引发了国内外学者的普遍注目，该技术已被列入中国大百科全书（第三版）机械工程分卷高能束方向的词条之一。它在冻喷涂（CS）过程中利用高功率激光实时冷却喷涂颗粒和基体，使两者获得有效地软化，以强化颗粒的变形能力，大大降低颗粒所需的临界沉积速度。由于临界沉积速度以求减少，因此能用价格廉价的氮气或压缩空气替代便宜的氦气来加快喷涂颗粒，构建硬质材料的沉积，在降低成本的同时不断扩大了冻喷涂技术可沉积材料的范围。

1.SLD技术原理和特征SLD技术是基于冻喷涂发展一起的一种新型的激光填充生产技术。英国剑桥大学的WilliamO‘Neill课题组明确提出将激光冷却与冻喷涂实时耦合的SLD技术，其原理示意图如图1右图。在该技术中，高压气流（压缩空气或者氮气）分成两路：一路通过送来粉器装载喷涂颗粒转入混合腔，另一路通过气体加热器展开加压，然后在混合腔内与装载喷涂颗粒的气流充份混合，构成气固两相流。

混合后的气固两相流转入拉瓦尔燃烧室加快，喷涂颗粒以超音速碰撞激光实时冷却的基体表面构成沉积层。激光头与基体表面的法线呈圆形一定的角度，拉瓦尔燃烧室与基体表面横向，激光束与喷涂粉末不会有部分重合，因此激光不仅能对基体表面区域冷却，还能对喷涂粉末展开加压，可以对二者起着软化的起到。喷涂区域的沉积温度可以通过红外高温仪动态监控，并可以通过闭环反馈系统动态调节激光的输出功率，确保沉积层制取过程中的沉积温度恒定。

图1SLD原理示意图SLD技术与单一冻喷涂或单一激光熔覆（LC）、热喷涂等技术比起，具备如下的技术特征：1）SLD技术是基于冻喷涂技术发展一起的材料沉积技术，不不存在熔融凝结引发的冶金热力学，可维持完整粉末成分恒定；同时，沉积效率大幅度提高，未来将会超过现有单一激光沉积生产的4~10倍。2）由于沉积过程中依然维持了冻喷涂低热量输出的沉积特性，材料的沉积温度近高于LC、热喷涂等技术，因此可有效地防止高温输出中不存在的热力学、变形、裂开等热致不良影响，特别是在是在沉积一些热脆弱材料时，优势更加显著。

同时，在SLD过程中，由于激光的冷却起到，沉积粉末和基体材料获得有效地软化，减少了粉末和基体材料的塑性变形能力，因此所制取的沉积层较单一冻喷涂沉积层更加颗粒，融合强度更高，未来将会取得高性能的沉积层。3）SLD技术由于激光的引进，沉积粉末的临界沉积速率较单一冻喷涂大大降低，可以在较低的碰撞速率下构成沉积层。因此，能用压缩空气或氮气替代价格昂贵的氦气作为载气，从而大大降低生产成本。

此外，临界沉积速率的减少可以提升沉积粉末的沉积效率和利用率，从而减少材料成本。2.SLD沉积层材料的范围SLD技术由于融合了冻喷涂与激光技术的优势，可在有所不同的基材上制取单一材料沉积层或复合材料沉积层。表格1是目前文献报导的利用SLD技术所制取的沉积层的概况。

作者课题组利用SLD技术顺利制取了无石墨化、无裂开、低金刚石含量的Diamond/Ni60填充沉积层，这是单一LC或单一冻喷涂技术无法构建的。金刚石在高温、水解气氛中易再次发生石墨化热力学和水解激光，Ni60在LC过程中具备较高的裂纹敏感性，因此，使用基于材料高温熔融过程的LC技术难以获得高质量的Diamond/Ni60填充沉积层。

而冷喷涂技术是倚赖材料塑性变形构建沉积的，无法制取高硬度、较低塑性的材料沉积层。虽然有数人使用冻喷涂技术顺利制取了金属恩金刚石填充沉积层，但这些填充沉积层都以软质金属作为黏结互为，仍未有人顺利制取以高硬度金属（如Ni60）作为黏结相的金刚石填充沉积层。此外，SLD技术可以有效地沉积铜、铝及其复合材料，这是单一LC技术难以实现的。由此可见，SLD技术可以突破一些传统沉积技术在沉积材料范围方面的局限性，在沉积材料和基体材料的自由选择上具备较小的灵活性度，工艺适应性好，可符合长领域范围内表面改性与再行生产的市场需求。

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