激光熔覆是一種新型的涂層技術(shù)，是涉及到光、機(jī)、電、材料、檢測(cè)與控制等多學(xué)科的高新技術(shù)，是激光先進(jìn)制造技術(shù)最重要的支撐技術(shù)，可以解決傳統(tǒng)制造方法不能完成的難題，是國(guó)家重點(diǎn)支持和推動(dòng)的一項(xiàng)高新技術(shù)。目前，激光熔覆技術(shù)已成為新材料制備、金屬零部件快速直接制造、失效金屬零部件綠色再制造的重要手段之一，已廣泛應(yīng)用于航空、石油、汽車、機(jī)械制造、船舶制造、模具制造等行業(yè)。
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激光熔覆的優(yōu)勢(shì)
激光制造網(wǎng)
激光束的聚焦功率密度可達(dá)1010~12W/cm2，作用于材料能獲得高達(dá)1012K/s的冷卻速度，這種綜合特性不僅為材料科學(xué)新學(xué)科的生長(zhǎng)提供了強(qiáng)有力的基礎(chǔ)，同時(shí)也為新型材料或新型功能表面的實(shí)現(xiàn)提供了一種前所未有的工具。激光熔覆所創(chuàng)造的熔體在高溫度梯度下遠(yuǎn)離平衡態(tài)的快速冷卻條件，使凝固組織中形成大量過(guò)飽和固溶體、介穩(wěn)相甚至新相，已經(jīng)被大量研究所證實(shí)。它提供了制造功能梯度原位自生顆粒增強(qiáng)復(fù)合層全新的熱力學(xué)和動(dòng)力學(xué)條件。同時(shí)激光熔覆技術(shù)制備新材料是極端條件下失效零部件的修復(fù)與再制造、金屬零部件的直接制造的重要基礎(chǔ)，受到世界各國(guó)科學(xué)界和企業(yè)的高度重視和多方面的研究。
為推動(dòng)激光熔覆技術(shù)的產(chǎn)業(yè)化，世界各國(guó)的研究人員針對(duì)激光熔覆涉及到的關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了系統(tǒng)的研究，已取得了重大的進(jìn)展。國(guó)內(nèi)外有大量的研究和會(huì)議論文、專利介紹激光熔覆技術(shù)及其最新的應(yīng)用：包括激光熔覆設(shè)備、材料、工藝、監(jiān)測(cè)與控制、質(zhì)量檢測(cè)、過(guò)程的模擬與仿真等研究?jī)?nèi)容。但到目前為止，激光熔覆技術(shù)還不能大面積工業(yè)化應(yīng)用。分析其原因，這里有政府導(dǎo)向的因素、激光熔覆技術(shù)本身成熟程度的限制、社會(huì)各界對(duì)激光熔覆技術(shù)的認(rèn)可程度等因素。因此，激光熔覆技術(shù)欲實(shí)現(xiàn)全面的工業(yè)化應(yīng)用，必須加大宣傳力度，以市場(chǎng)需求為導(dǎo)向，重點(diǎn)突破制約發(fā)展的關(guān)鍵因素，解決工程應(yīng)用中涉及到的關(guān)鍵技術(shù)，相信在不遠(yuǎn)的將來(lái)，激光熔覆技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域及其強(qiáng)度將不斷的擴(kuò)大。
目前，利用激光熔覆技術(shù)可以制備鐵基、鎳基、鈷基、鋁基、鈦基、鎂基等金屬基復(fù)合材料。從功能上分類：可以制備單一或同時(shí)兼?zhèn)涠喾N功能的涂層如：耐磨損、耐腐蝕、耐高溫等以及特殊的功能性涂層。從構(gòu)成涂層的材料體系看，從二元合金體系發(fā)展到多元體系。多元體系的合金成分設(shè)計(jì)以及多功能性是今后激光熔覆制備新材料的重要發(fā)展方向。
最新的研究表明，在我國(guó)工程應(yīng)用中鋼鐵基的金屬材料占主導(dǎo)地位。同時(shí)，金屬材料的失效（諸如腐蝕、磨損、疲勞等）大多發(fā)生零部件的工作表面，需要對(duì)表面進(jìn)行強(qiáng)化。為滿足工件的服役條件而采用大塊的原位自生顆粒增強(qiáng)鋼鐵基復(fù)合材料制造，不僅浪費(fèi)材料，而且成本極高。另一方面，從仿生學(xué)的角度考察天然生物材料，其組成為外密內(nèi)疏，性能為外硬內(nèi)韌，且密—疏、硬—韌從外到內(nèi)是梯度變化的，天然生物材料的特殊結(jié)構(gòu)使其具有優(yōu)良的使用性能。根據(jù)工程上材料特殊的服役條件和性能的要求，迫切需要開(kāi)發(fā)強(qiáng)韌結(jié)合、性能梯度變化的新型表層金屬基復(fù)合材料。因此，利用激光熔覆的方法制備與基材呈冶金結(jié)合的梯度功能原位自生顆粒增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料不僅是工程實(shí)踐的迫切需要，也是激光表面改性技術(shù)發(fā)展的必然趨勢(shì)。激光熔覆技術(shù)制備原位自生顆粒增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料、功能梯度材料已有報(bào)道，但大部分停留在組織、性能分析，工藝參數(shù)的控制階段，增強(qiáng)相的尺寸、間距和所占的體積比還不能達(dá)到可控制的水平，梯度功能是通過(guò)多層涂覆形成的，不可避免地在層與層之間存在界面弱結(jié)合的問(wèn)題，距離實(shí)用還有相當(dāng)長(zhǎng)的路。利用激光熔覆技術(shù)制備顆粒大小、數(shù)量、分布可控，強(qiáng)韌性適當(dāng)匹配，集梯度功能和原位自生顆粒增強(qiáng)為一體的金屬基表層復(fù)合材料是今后重要的發(fā)展方向。
研究?jī)?nèi)容涉及到：
● 熔覆材料成分、組織、性能設(shè)計(jì)的技術(shù)、手段和原理及其工藝實(shí)現(xiàn)的控制技術(shù)。
● 激光熔覆制備功能梯度原位自生顆粒增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料顆粒增強(qiáng)相析出、長(zhǎng)大和強(qiáng)化的熱力學(xué)和動(dòng)力學(xué)模型的建立。
● 顆粒增強(qiáng)相形態(tài)、結(jié)構(gòu)、功能和復(fù)合的仿生設(shè)計(jì)和尺寸、數(shù)量、分布的控制技術(shù)。
● 涂層成分、組織和性能梯度控制的原理、關(guān)鍵因素和工藝方法的研究。
● 宏觀、微觀界面的觀察、分析控制和表征；功能梯度原位自生顆粒增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料常規(guī)性能的分析和檢測(cè)以及不同工況下的磨損行為及失效機(jī)制。
這些研究?jī)?nèi)容的突破，有可能解決涂層與基體相容性不匹配，易于產(chǎn)生裂紋的問(wèn)題，促進(jìn)激光熔覆技術(shù)應(yīng)用領(lǐng)域的拓寬。
激光熔覆是由激光作為熱源，在基底上包覆一層性能極為優(yōu)良的合金層，其性能將依照所處理零件的具體要求而定。激光熔覆方法的優(yōu)點(diǎn)是覆層組織細(xì)密、性能優(yōu)異、熱應(yīng)力小、變形小以及無(wú)污染等。其缺點(diǎn)也是很明顯的：需要很高功率的激光器、單道搭接掃描不適宜大面積處理，難于實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化等。為解決這些難題，采用激光復(fù)合熔覆技術(shù)是有效的途徑之一，也是今后發(fā)展的重要方向。激光復(fù)合熔覆就是采用普通加熱方法，再加上激光復(fù)合加熱來(lái)完成熔覆處理工作。普通加熱方法根據(jù)需要可以是電加熱、各類感應(yīng)加熱等。
歸納起來(lái)，激光復(fù)合熔覆技術(shù)具有如下的特點(diǎn)：
●“常規(guī)（如感應(yīng)）＋激光”二者復(fù)合加熱熔覆是集兩種加熱工藝的優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)克服了各自單一方法的不足，充分體現(xiàn)了優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)的特點(diǎn)。
● 用常規(guī)方法輔佐了激光加熱，從而可以實(shí)現(xiàn)用較小功率的激光器完成由原來(lái)必需很高功率也不易完成的大面積熔覆，是單一方法無(wú)論如何也不易做到的。
● 激光復(fù)合熔覆技術(shù)擴(kuò)大了常規(guī)技術(shù)的新的更廣應(yīng)用，而對(duì)常規(guī)技術(shù)的采納又進(jìn)一步促進(jìn)了激光熔覆技術(shù)的應(yīng)用和產(chǎn)業(yè)化的進(jìn)程。
● 激光復(fù)合熔覆技術(shù)特別適用于細(xì)長(zhǎng)桿類，尺寸在一定范圍內(nèi)的軸類等零件，如抽油泵柱塞、某些類型的軋輥及特殊用途的軸等。
目前，激光熔覆主要采用的是CO2氣體激光器，用于大型零件的激光熔覆，見(jiàn)圖2和圖3，少部分采用YAG激光器。YAG激光熔覆常采用脈沖激光熔覆。最近的工程應(yīng)用表明，采用YAG激光熔覆在小型零部件方面更有優(yōu)勢(shì)。
發(fā)展的另一個(gè)重要的趨勢(shì)是采用高功率半導(dǎo)體激光器，利用波長(zhǎng)范圍808-965μm的紅光或近紅外激光，較CO2 激光器來(lái)看金屬易吸收，可省去前期預(yù)處理，方便易操作。大功率半導(dǎo)體激光熔覆技術(shù)較其他熔覆方法具有顯著的優(yōu)勢(shì)，見(jiàn)表1。同時(shí)，半導(dǎo)體激光可以實(shí)現(xiàn)與同軸送粉一體化控制及應(yīng)用光纖傳輸與擴(kuò)束技術(shù)進(jìn)行導(dǎo)光聚焦，實(shí)現(xiàn)全封閉傳輸或光纖傳輸，實(shí)現(xiàn)光、機(jī)、電、粉、控一體化高度集成控制；與機(jī)器手（人）結(jié)合，小型化，可實(shí)現(xiàn)移動(dòng)在線服務(wù)，滿足不同層次的需求?？梢灶A(yù)見(jiàn)，在傳統(tǒng)CO2 、YAG激光熔覆技術(shù)之外，新型的大功率半導(dǎo)體激光熔覆設(shè)備與工藝，必將逐步發(fā)展起來(lái)并滿足高質(zhì)量表面工程的需要，成為激光表面處理的重要組成部分。
隨著激光熔覆技術(shù)的成熟與發(fā)展，陸續(xù)成功的應(yīng)用于瓦楞輥的激光熔覆見(jiàn)圖4，缸套火焰環(huán)的激光熔覆直接制造見(jiàn)圖5，發(fā)動(dòng)機(jī)部件修復(fù)見(jiàn)圖6等。實(shí)現(xiàn)了以激光為主要加工手段對(duì)各種金屬部件的幾何缺失，按照原制造標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行幾何尺寸的回復(fù)、性能的提升。隨著科學(xué)技術(shù)和工程技術(shù)的發(fā)展與需要，金屬部件工作的條件愈來(lái)愈苛刻，經(jīng)常工作在高交變應(yīng)力、高溫、高速、高腐蝕等極端條件下。因此，制造金屬部件的材料需要同時(shí)具有多種性能才能滿足零件特殊的服役條件。而且這些部件的制造成本、制造周期長(zhǎng)，一旦失效產(chǎn)生巨大的經(jīng)濟(jì)損失和安全事故。如輪機(jī)裝備中，各類重要的部件如：葉片、轉(zhuǎn)子軸頸、閥桿、葉輪、閥門等；飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)、內(nèi)燃機(jī)部件等。這些工程上的技術(shù)難題，為激光熔覆技術(shù)提出了新的挑戰(zhàn)。因此，如何解決極端條件下失效零部件的修復(fù)問(wèn)題是十分迫切和復(fù)雜的，需要對(duì)極端條件下，零部件的失效形式分析，剩余壽命進(jìn)行評(píng)估，選擇合適的材料、工藝方法。因此，以極端條件下關(guān)鍵零部件的強(qiáng)化與修復(fù)為切入點(diǎn)，系統(tǒng)研究激光熔覆強(qiáng)化與再制造技術(shù)，通過(guò)若干關(guān)鍵技術(shù)的聯(lián)合攻關(guān)，獲得適合于極端條件下，各種零部件強(qiáng)化與修復(fù)的總體技術(shù)。
重點(diǎn)需要攻關(guān)的方向：
● 極端條件下，失效零部件修復(fù)（強(qiáng)化）前后，壽命評(píng)估技術(shù)；
● 極端條件下，失效零部件無(wú)損傷修復(fù)技術(shù)的研究；
● 極端條件下，失效零部件激光修復(fù)專用合金材料的研究；
● 實(shí)體測(cè)量、三維實(shí)體堆積造型修復(fù)控制系統(tǒng)、修復(fù)過(guò)程溫度、幾何尺寸和質(zhì)量智能監(jiān)控系統(tǒng)的研究；
● 專用的修復(fù)附屬裝備的研究；
● 修復(fù)層性能測(cè)試技術(shù)及其加工技術(shù)的研究。
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激光熔覆技術(shù)的展望
激光制造網(wǎng)
文章轉(zhuǎn)載自微信公眾號(hào)：熱噴涂與再制造