随着激光增材制造金属件的质量和性能的提高,金属粉体材料已成为金属激光增材制造技术应用的制约因素,激光增材制造专用金属粉体材料成为了近年来的研究热点之一。针对激光增材制造钢粉体材料,从材料设计、粉体制备、表征评价、样件实例等方面综述了激光增材制造钢粉体材料的国内研究现状,提出了激光3D粉体材料研究和应用中存在的主要问题及发展方向。

以Fe60合金粉末为原材料, 通过添加1%～5%的SiC形成复合合金粉末, 利用激光直接沉积技术在Q235钢表面制备SiC增强Fe60合金高耐磨涂层, 主要应用OM、SEM、EDS、XRD、显微硬度测试和摩擦磨损等分析手段对样品的组织结构及性能进行了研究。结果表明, 在优化的激光工艺参数: 功率1 700 W、扫描速度6 mm/s、送粉量8.8 g/min、搭接率30％、光斑直径4 mm×4 mm和300 ℃预热等条件下, 成功制备出了无裂纹缺陷厚度达到6 mm的Fe基合金涂层; 沉积层组织由等轴晶、枝晶、柱状晶组成, 主要由α-Fe、γ-Fe及Cr23C6、Fe2B、Cr3Si原位增强相组成; 发现在300 ℃温度下预热能够有效消除制备高C高Cr含量Fe基涂层易出现裂纹的难题; 当SiC添加量为3％时, 制备涂层具有最高的硬度达到1 072 HV, 比未添加SiC的合金涂层提高了284 HV, 具有良好的耐磨性能。

通过激光直接沉积成形技术制备不同Mo元素含量的Cr-Ni不锈钢, 对工艺参数进行优化, 并对Cr-Ni不锈钢合金进行成分设计与组织性能评价。采用半导体激光器直接沉积成形15Cr21Ni7双相不锈钢合金粉添加xMo(x＝0%、1%、2%、3%、4%), 在激光功率1 800 W, 激光扫描速度5 mm/s, 搭接率30%, 送粉率8.9 g/min的优化工艺参数下获得了长宽高分别为10 mm×10 mm×4 mm的不锈钢块体样品。利用光学显微镜、电子探针、X射线衍射仪、显微硬度计及电化学测试系统进行了沉积层的显微组织、成分、物相及显微硬度、耐蚀性分析。实验结果表明, 沉积层无气孔和裂纹等缺陷, 成形性良好; 沉积层的中部稳定, 显微组织主要由岛状枝晶、奥氏体枝晶和枝晶间区域为铁素体、奥氏体、合金碳化物的混合组织组成; 随Mo含量的增加, 沉积层的耐蚀性随Mo含量的增加先升高后降低, 当Mo含量达到3%时, 耐蚀性获得最高值: 自腐蚀电流密度为167.21 nA/cm2, 自腐蚀电位为－142.26 mV。沉积层的显微硬度随Mo含量的增加变化不大, 其平均显微硬度在340～390 HV。

利用YAG脉冲固体激光器, 在高纯氩气的保护下, 选取优化了的激光工艺参数在45#钢表面制备FeAlCrNiSiC六元高熵合金涂层。主要采用OM、SEM、EDS、XRD和显微硬度等分析手段, 对实验制备的合金涂层的形貌、组织结构、成分、相结构、硬度及相关机理进行了研究。实验结果表明: 优化的激光熔覆工艺参数为功率85 W, 激光扫描速度为5 mm/s, 能量密度47 J/mm2, 搭接率50%。采用此优化工艺参数成功制备了与基体形成良好冶金结合的FeAlCrNiSiC高熵合金涂层。制备涂层的硬度达到了800 HV, 涂层的内部结构由条状等轴晶及网状枝晶组成, 组分偏析得到了有效缓解。合金涂层具有FCC结构的γ-Fe和BCC结构的FeAlCrNiSiC固溶体的简单物相, 合金元素Al、Cr、Si、Ni、C固溶在两种多组元固溶体中, 增加了晶格畸变, 使涂层具有高的硬度。

利用激光熔覆制备技术,通过涂层成分设计与梯度制备方法,在Ti-6Al-4V钛合金基体上制备界面冶金结合的生物陶瓷梯度涂层。主要利用金相显微、扫描电镜、硬度计和X-射线衍射等分析手段,对制备梯度涂层的熔覆工艺、组织结构、相组成及其形成机理进行了研究。实验结果表明: 梯度涂层的成分组成分别为第一层Ti粉80%、CaCO3和CaHPO4为19%、Y2O3为1%;第二层Ti粉40%、CaCO3和CaHPO4为59%、Y2O3为1%;第三层Ti粉为0%、CaCO3和CaHPO4为99%、Y2O3为1%。在优化激光制备工艺参数条件下,成功在钛合金表面制备出了界面冶金结合、无裂纹缺陷的类生物骨组织结构的梯度涂层。涂层中的主要生物陶瓷相是CaTiO3、CaP及Ca3(PO4)2相。由于采用了钛成分含量的梯度变换设计,避免了基体和涂层及层与层之间材料因热膨胀系数、弹性模量差异过大而造成结合界面的孔洞、裂纹现象,同时保证了钛合金基体与生物骨涂层之间形成了牢固的冶金结合。

在Co基熔覆涂层材料成分与结构设计的基础上，利用脉冲激光诱导原位反应技术，在结晶器Cu合金基体材料上制备陶瓷相增强Co基梯度涂层。利用分析技术对制备涂层的组织结构、成分、性能和涂层形成机理进行了系统研究。结果表明,设计成分的梯度变化成功制备出具有3层梯度的Co基合金涂层，实现了涂层组织与性能的梯度变化。梯度涂层里没有裂纹和气孔缺陷，涂层与Cu合金基体形成冶金界面结合。激光诱导原位生成了纳米级Cr-Ni-Fe-C,MoNi4,Cr7C2,WC1-x等颗粒,起到了增强Co基合金梯度涂层的作用。梯度涂层各层的陶瓷颗粒数量呈现由第1层到第3层逐渐增多的趋势，硬度由铜合金基体的94 HV逐渐增加到最外层涂层的523 HV。涂层中石墨具有改善梯度涂层摩擦性能的作用。

采用在Ti-6Al-4V基体表面预置Ti-6Al-4V和硼、碳粉末按比例的混合粉,通过激光束扫描原位制备以钛的硼化物及碳化物为陶瓷相增强颗粒的钛基复合涂层。研究了单道及多道搭接激光工艺参数,包括脉冲频率、脉冲宽度、激光功率、激光扫描速率、预涂层厚度等对复合涂层显微组织及性能的影响。对熔覆样品横截面采用光学显微镜(OM),扫描电镜(SEM),X射线衍射仪(XRD)及显微硬度计等进行分析。优化的单道扫描工艺参数为:脉宽3.0 ms,脉冲频率15 Hz,激光线能量约11 J/mm。在此参数下进行多道激光搭接扫描,在Ti-6Al-4V基材上原位生成含有硼化钛及碳化钛硬质增强相及粘接相Ti-6Al-4V的钛基复合涂层,其复合增强相尺寸细小,在涂层中总体上分布均匀;形成的钛基复合涂层没有裂纹与气孔,与基体结合良好,多道扫描样品的显微硬度最高达800 HV,是基材硬度的2倍。优化参数下多道搭接样品的磨损量不到基体磨损量的21%。

以钴为主体的涂层原材料粉末中添加Ni, Cr, Fe, C, Si, W, MgO, Y2O3和纳米Al粉等形成新型合金粉末体系, 在结晶器用Cu-Cr合金表面利用脉冲激光原位制备颗粒增强Co基合金涂层。应用金相显微镜、扫描和透射电镜等分析技术, 对实验制备样品涂层的组织结构进行研究。结果表明, 在优化了粉末成分及激光扫描工艺参数(50 W, 15 Hz, 3 ms, 4.0 mm/s)条件下, 制备出了与Cu合金基体界面冶金结合的钴基合金涂层; 在涂层内部以Co-Cr-W-C为主体元素形成了细晶、高硬度的合金组织, 涂层中原位生成了细小的陶瓷颗粒相, 起到了复合强化作用, 而W, Cr等强碳化物在基体中析出, 起到了弥散强化的作用。涂层中过渡层富Co区的出现导致了富Cu区的产生。

用Co基新合金粉为梯度涂层原材料, 在结晶器用Cu-Cr合金表面利用激光诱导原位制备陶瓷相增强Co基合金梯度涂层。对实验制备样品涂层的组织结构与性能进行了研究。结果表明, 激光制备Co基梯度涂层的工艺参数为：激光平均功率50 W, 频率15 Hz, 脉宽3 ms, 扫描速度4.0 mm/s, 搭接率20%～25%。实验制备出了3层具有不同成分和结构的梯度涂层, 梯度涂层的主要组织是α-CoCr2(Ni, O)4合金相, 而Fe-Ni, Cu-Ni以固溶相的形式存在其中, 梯度涂层的各个分层中原位生成的碳化物陶瓷颗粒的数量、密度都呈现由内层到外层逐渐增大的趋势。梯度涂层的平均显微硬度由铜合金基体的94 HV呈梯度递增加到了最外层的432 HV, 摩擦实验表明梯度涂层的最少磨耗量为0.008 g, 表明激光原位制备的梯度涂层具有良好的耐磨性能。

采用含有一定量纳米铝粉的钴基合金粉末作为涂层原材料,在结晶器用Cu-Cr合金表面利用激光搭接原位反应制备陶瓷相颗粒增强钴基合金涂层。通过金相显微镜、X射线衍射(XRD)仪、扫描电镜和显微硬度实验等分析手段对实验制备样品涂层的结构和形成机制进行了研究。结果表明,在优化了的激光制备工艺参数(电流175 A,频率15 Hz,脉宽3 ms,速度4.0 mm/s)及搭接率在20%～25%时,在Cu-Cr合金表面制备出了陶瓷相颗粒增强钴基合金涂层。Co基合金涂层和基体间形成了界面的冶金结合。涂层中原位生成了陶瓷相颗粒,最大颗粒的粒径在3 μm左右,多数为细小且呈弥散分布的近似球形颗粒,起到了增强基体的作用。Co基合金的主要结晶方式是以原位生成的陶瓷相为中心,带动周围Co基合金液体结晶,反过来结晶后的合金对陶瓷相进行包裹,控制了陶瓷相的聚合,并使其弥散分布、颗粒细小化。Cu-Cr合金表面涂层的平均显微硬度由基体表面的94HV增到了300HV。