摘要
作为一种先进的金属部件表面改性技术，激光熔覆因其精确可控性和高效的强化性能而在航空航天和海洋工程等高端设备领域得到了广泛应用。然而，熔覆过程中不可避免地会形成裂纹缺陷，这已成为限制该技术进一步工业化和大规模应用的核心瓶颈。尽管在有限的研究中已经局部缓解了合金涂层中的裂纹缺陷问题，但迄今为止，针对激光熔覆合金涂层裂纹缺陷的全面系统综述仍然较少。鉴于此，本文系统地回顾了激光熔覆合金涂层的裂纹行为，阐明了涂层裂纹的起始和扩展机制，确定了控制裂纹形成的关键因素，并通过成分设计和工艺优化总结了有效的裂纹抑制策略。研究结果表明，经过调控和优化的涂层不仅可以有效抑制裂纹及其他相关缺陷的生成，还能实现微观结构的细化和机械性能的显著提升。此外，本文还提出了激光熔覆合金涂层未来研究和开发的方向，旨在为无缺陷、高性能合金涂层的可控制备提供理论支持和技术指导。
引言
激光熔覆（LC）是表面工程领域中一种公认的现代表面改性技术。它通过冶金结合将一种或多种金属/非金属粉末与基材表面紧密结合，从而赋予基材原有不具备的优异性能，同时不损害其固有性能。此外，该技术还可以修复和再利用表面受损的材料[1]、[2]、[3]、[4]、[5]。图1展示了激光熔覆系统的示意图[6]。激光熔覆过程中合金涂层的形成源于激光、金属/非金属粉末与基材之间的相互作用。激光扫描后，熔融粉末与基材表面材料共同形成熔池，冷却固化后最终形成涂层。随着激光技术的进步和对资源节约需求的增加，激光熔覆技术的基础研究和应用发展迅速。作为当前工业生产中重要且广泛使用的技术之一，激光熔覆在自动化水平、原材料利用率、冶金结合强度和涂层性能方面具有显著优势。随着现代工业对材料性能要求的不断提高，新材料的研究、开发和应用已成为材料科学领域的重要发展趋势。尽管通过长期研究和改性，传统材料的性能已得到大幅改善，但在航空航天、海洋环境和核工程等特殊领域，其性能仍有所不足[7]、[8]。当前研究中出现的一系列高性能材料，包括镍基超合金、铁基非晶合金和高熵合金，可以有效解决传统材料在特定环境下的性能缺陷。然而，这些新材料的生产成本相对较高，这与低成本和大规模生产的工业理念相悖。将激光熔覆技术与新型合金材料相结合，并将熔覆涂层应用于传统基材上，不仅保留了涂层材料的优异固有性能，还扩展了基材的应用领域。此外，在涂层形成过程中，其微观结构和机械性能可以得到优化和提升，同时生产成本也显著降低。在实际应用中，基材材料与涂层的有效结合在高温、高压和强腐蚀等极端工作条件下表现出优异的稳定性和耐久性。例如，陈等人[9]在Q235钢表面制备了TC4/FeCoCrNiCu高熵合金复合涂层，在室温和600℃下表现出优异的摩擦和耐磨性能；李等人[10]在碳钢基材上制备了Al₂O₃-TiB₂-TiC多相陶瓷复合涂层，当Al₂O₃含量达到30%时，该涂层具有均匀致密的微观结构和优异的表面质量，TiB₂和TiC颗粒显著提高了涂层的硬度和耐磨性。涂层的性能提升归因于TiB₂、TiC和Al₂O₃增强相在熔覆过程中的高温熔池中混合并均匀分布。王等人[11]在航空航天铜合金部件表面制备了Ti₃₅Ni₃₄Cu₁₀Zr₁₀Nb₈Ta₃涂层，与铜合金基材形成了牢固的冶金结合，涂层平均硬度达到527.87 HV，几乎是铜合金基材的7倍；TiNb相在涂层固化过程中形成，使磨损率降至1.13×10⁻³ mm³(Nm)⁻¹。同时，TiCuNi和Zr₁₄Cu₅₁相有效分散了应力集中，一定程度上抑制了裂纹的扩展。韩等人[12]在304不锈钢表面制备了FeCrNiCuAl₃ (x = 0, 0.4, 0.8, 1.2)高熵合金涂层，并研究了其在海洋条件下的耐腐蚀性和抗菌性能，Al₂O₃的生成使涂层具有钝化作用，腐蚀电流密度仅为0.27 μA/cm²；Cu²⁺的释放有效抵抗了海洋细菌环境，抗菌率为93.25%，生物膜厚度为15.34±1.15 μm，显著延长了304不锈钢在复杂海洋环境中的使用寿命。
激光熔覆过程中也出现了一些不可避免的问题。例如，在涂层制备过程中，由于熔覆轨迹和独特形成过程导致过高的重叠比，使得熔覆层中热量和应力积累，导致涂层微观结构和晶粒尺寸极其复杂。此外，快速加热速率、高冷却速率和大的温度梯度在熔池中产生显著应力，增加了合金涂层的裂纹敏感性。涂层材料与基材材料之间的热膨胀系数差异较大，导致冷却和固化速率不一致，同样增加了裂纹形成的概率。由于涂层通常应用于极端环境，涂层中的裂纹存在在实际应用中存在较大的安全隐患[13]、[14]、[15]。例如，谢等人[16]使用LaB6-FeCoNiCrTi复合材料对Ti6Al4V基材表面进行了单道激光熔覆实验，验证了激光热输入对涂层裂纹敏感性的影响；SEM图像分析显示，过高的或不足的热输入都会引发裂纹。高等人[17]使用FeCoCrNi合金粉末在TC4表面制备涂层，并通过实验和模拟分析了裂纹的位置及其起始和扩展机制，结果表明激光熔覆过程中熔池的快速熔化和固化特性导致涂层和基材表面产生严重应力集中，为裂纹形成创造了有利条件。目前，在涂层制备过程中完全避免裂纹形成仍是一个重大挑战。一旦在制备过程中形成裂纹，它们会在应力作用下持续扩展，这种裂纹扩展不仅严重损害涂层的耐磨性、耐腐蚀性、结合强度等性能，还会削弱后续热处理修复微裂纹的效果[18]、[19]、[20]、[21]。为了最小化激光熔覆过程中的裂纹形成和扩展，现有研究广泛探讨了裂纹的起始和扩展机制、影响因素及控制策略。然而，对于不同类型裂纹的起始机制以及与激光熔覆工艺特性相结合的起始和扩展机制仍存在理解上的空白。即使对于同类型的裂纹，由于起始位置的不同，也可能存在显著差异，这一点尚未得到充分关注。因此，本文回顾和讨论了激光熔覆沉积过程中的裂纹起始机制及其影响因素，分析了裂纹起始后的扩展机制，并总结了控制裂纹扩展的关键因素。在此基础上，进一步总结了抑制涂层裂纹起始和扩展的主流策略，旨在为激光熔覆涂层沉积过程中裂纹形成和扩展的有效抑制提供理论指导和参考。
激光熔覆技术
作为20世纪的重大发明，激光改变了多种工业生产模式[22]、[23]。在激光加工中，高能量密度的激光束被工件吸收，实现了精确切割和微米级精确钻孔等多种专用加工工艺[24]、[25]，这不仅减少了加工过程中的材料损耗和生产成本，还延长了工件的使用寿命[26]、[27]。此外，激光还用于表面改性。
激光熔覆涂层中裂纹的形成机制
尽管激光熔覆在提升材料表面性能方面具有诸多优势，但也存在一些固有的缺点[73]。经过快速加热和冷却循环后，涂层内部会积累大量热应力或残余应力。当这些应力超过材料的屈服强度时，涂层内部会形成裂纹，并进一步导致涂层剥落或变形。此类裂纹倾向于沿晶界、表面或内部扩展。
熔覆层中的裂纹缓解
揭示裂纹起始和扩展的机制为抑制裂纹提供了根本指导。因此，研究人员提出了多种策略来减少激光熔覆涂层制备过程中的裂纹形成。例如，适当添加延展性合金元素可以缓解快速固化过程中产生的残余应力；优化工艺参数可以调节温度等。
结论与展望
作为一种新兴的表面工程技术，激光熔覆合金涂层在高端设备使用寿命延长和极端工作条件下的性能提升方面具有不可替代的研究价值和工业应用潜力。然而，在实际工程应用过程中，该技术仍面临核心质量控制方面的瓶颈：如孔隙、裂纹、元素偏析和熔合不良等典型缺陷较为常见。
资助
本研究得到了甘肃省重点研发计划（项目编号26CXGA063）、国家自然科学基金（项目编号52261032）和温州市基础公益科研项目（G2023020）的支持。
作者贡献声明
王新华：验证；杨龙鹏：可视化；李春燕：撰写-审稿与编辑、监督、项目管理、资金获取、概念构思；支宣乐：撰写-初稿；寇胜忠：资源协调；李晓成：资源协调；杜庆东：资源协调；徐鑫：资金获取；王冰：数据管理。
利益冲突声明
作者声明不存在可能影响本文工作的已知财务利益或个人关系。
