超音速激光沉積（Supersonic Laser Deposition）技術是近幾年發展起來的一種新型的激光複合製造技術，在表面改性領域引起了國內外學者的廣泛關注。今天為大家帶來的就是相關技術的內容。

    它在冷噴塗（CS）過程中利用高功率激光同步加熱噴塗顆粒和基體，使兩者得到有效軟化，以增強顆粒的變形能力，大大降低顆粒所需的臨界沉積速度。由於臨界沉積速度得以降低，因此可用價格廉價的氮氣或壓縮空氣替代昂貴的氦氣來加速噴塗顆粒，實現硬質材料的沉積，在降低成本的同時擴大了冷噴塗技術可沉積材料的範圍。

SLD技術是基於冷噴塗發展起來的一種新型的激光複合製造技術。英國劍橋大學的William O‘Neill課題組提出將激光加熱與冷噴塗同步耦合的SLD技術，其原理示意圖如下圖所示。

在該技術中，高壓氣流（壓縮空氣或者氮氣）分為兩路：一路通過送粉器攜帶噴塗顆粒進入混合腔，另一路通過氣體加熱器進行預熱，然後在混合腔內與攜帶噴塗顆粒的氣流充分混合，形成氣固兩相流。混合後的氣固兩相流進入拉瓦爾噴嘴加速，噴塗顆粒以超音速撞擊激光同步加熱的基體表面形成沉積層。

激光頭與基體表面的法線呈一定的角度，拉瓦爾噴嘴與基體表面垂直，激光束與噴塗粉末會有部分重疊，因此激光不僅能對基體表面區域加熱，還能對噴塗粉末進行預熱，可以對二者起到軟化的作用。噴塗區域的沉積溫度可以通過紅外高溫儀實時監控，並可以通過閉環反饋系統實時調節激光的輸出功率，保證沉積層製備過程中的沉積溫度恒定。

SLD技術與單一冷噴塗或單一激光熔覆（LC）、熱噴塗等技術相比，具有如下的技術特征：

1） SLD技術是基於冷噴塗技術發展起來的材料沉積技術，不存在熔化凝固引起的冶金相變，可保持原始粉末成分不變； 同時，沉積效率大幅提升，有望達到現有單一激光沉積製造的4~10倍。

2） 由於沉積過程中仍然保持了冷噴塗低熱量輸入的沉積特性，材料的沉積溫度遠低於LC、熱噴塗等技術，因此可有效避免高熱輸入中存在的相變、變形、開裂等熱緻不良影響，尤其是在沉積一些熱敏感材料時，優勢更為明顯。同時，在SLD過程中，由於激光的加熱作用，沉積粉末和基體材料得到有效軟化，增加了粉末和基體材料的塑性變形能力，因此所製備的沉積層較單一冷噴塗沉積層更緻密，結合強度更高，有望獲得高性能的沉積層。

3） SLD技術由於激光的引入，沉積粉末的臨界沉積速率較單一冷噴塗大大降低，可以在較低的撞擊速率下形成沉積層。因此，可用壓縮空氣或氮氣替代價格昂貴的氦氣作為載氣，從而大大降低製造成本。此外，臨界沉積速率的降低可以提高沉積粉末的沉積效率和利用率，從而降低材料成本。

LC技術利用高能密度的激光束產生的快速熔凝，在基材表面形成與基體相互熔合且成分與性能完全不同的合金熔覆層，其微觀組織為典型的枝晶結構。冷噴塗技術是一種基於材料塑性變形在工件表面實現固態沉積的過程，可以保持原始粉末材料的物相和微觀組織結構。而SLD技術則結合了LC和冷噴塗這兩種技術的優勢，其沉積層的物相以及微觀組織結構的演變規律引起了國內外許多學者的關注。

SLD沉積層的性能往往與其成分、微觀組織等相關，因此SLD沉積層的性能也引起了國內外研究者的廣泛關注。

對於沉積層的緻密性來說，有相關研究結果表明激光輔助能夠顯著提高冷噴塗沉積層的緻密性，激光輻照溫度的提高有利於改善複合沉積層的緻密性。單一冷噴塗沉積層緻密性較差的主要原因是噴塗粉末的塑性變形不充分。SLD由於引入了激光對沉積粉末和基體進行加熱，粉末得到有效軟化，在沉積過程中的塑性變形更充分，粉末之間的結合更好，因此沉積層的緻密性更高。此外，SLD技術在製備緻密的金屬-陶瓷複合沉積層方面具有極大的優勢，激光輻照能有效軟化金屬黏結相，脆硬的陶瓷顆粒高速撞擊並嵌入黏結相中形成緻密結合的複合沉積層。

SLD沉積層的結合性能（包括沉積層與基體之間的結合以及沉積層內部顆粒之間的結合）也是國內外學者目前關注的一個焦點。

除了可以提高沉積層/基體界面的結合強度以外，沉積層內部的結合強度也是非常重要的。在單一的冷噴塗技術中，噴塗材料發生絕熱剪切失穩並在壓力作用下產生塑性流，導緻顆粒間、顆粒與基體材料間的混合和機械咬合，沉積層/基體間呈現機械結合，結合強度不高，當厚度達到一定程度時將導緻剝落。SLD在冷噴塗的基礎上引入激光同步輻照，在激光加熱和絕熱升溫的作用下，沉積層內部和界面處的元素發生擴散，形成冶金結合。SLD沉積層內部、沉積層/基體的結合機製為機械咬合和冶金結合共存，沉積層結合性能遠優於冷噴塗沉積層的結合性能，因此可以實現任意厚度的有效沉積。

材料的耐磨損性能往往與其硬度有一定的聯系，因此國內外許多學者對SLD沉積層的顯微硬度進行了表征。 相關研究結果表明SLD沉積層的顯微硬度高於LC沉積層，從而表現出較優異的耐磨損性能。

除了從顯微硬度的角度來間接反映SLD沉積層的耐磨損性能以外，國內外學者也通過摩擦磨損實驗來直接表征SLD沉積層的耐磨損性能。沉積層的耐磨損性能與沉積層的硬度、附著力、柔韌性等物理性能密切相關。在SLD過程中，噴塗顆粒與沉積區域連續高速撞擊，使得兩者產生劇烈的塑性變形。在材料塑性變形過程中，晶粒發生滑移，位錯密度不斷增加，產生固定割階和位錯纏結等，阻礙位錯的進一步運動，沉積層產生加工硬化現象，使得沉積層的硬度增大。同時，SLD技術保持了原始材料的成分和精細結構，確保了沉積層的韌性。此外，由於激光加熱，沉積層內的部分沉積顆粒之間發生元素互滲，增大了沉積層內部的結合強度。因此，SLD特征對沉積層的硬度、附著力、柔韌性等方面的貢獻導緻製備的沉積層的耐磨性能優於LC和冷噴塗沉積層。

耐腐蝕性能是材料的一種非常重要的性能，因此SLD沉積層的耐腐蝕性能也是國內外研究者關注的焦點。SLD過程中，在激光輻照軟化以及粒子高速衝擊的夯實作用下，沉積層的孔隙率較低，沉積層表面較為緻密，能有效抵擋腐蝕介質的滲入，為基體提供有效的保護作用。另外，SLD是一個固態沉積過程，能避免基體對沉積層的稀釋，保留原始噴塗材料的成分和相結構，繼承噴塗材料優異的耐腐蝕性能。

SLD技術還需要在以下幾個方面繼續突破：

1） SLD是一種複合技術，涉及的工藝參數眾多，若單純依靠實驗手段去優化工藝參數，將會費時費力。因此，非常有必要采用數值模擬與實驗相結合的方法去探索各參數之間的相互影響規律，建立激光與超音速粒子能量場之間的耦合機製，闡明激光與沉積粒子的相互作用關系以及沉積機理，從而為工藝參數的優化和選擇提供理論指導。

2） SLD系統涉及多個關鍵單元，絕非是它們之間簡單的疊加，如何實現多能場之間的協同耦合與智能化控製將是難點，尤其是如何采用該技術實現增材製造，如何有效實施路徑規劃與分層。因此，研製專用工藝軟件及成套裝備迫在眉睫。