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激光熔覆技術是利用激光的高能量密度熔化添加的金屬合金粉末,并與微熔的基體表面形成界面為冶金結合的涂層,從而顯著提高零件的表面耐磨性、耐蝕性能和使用壽命的增材制造技術。
高速激光熔覆技術是在激光熔覆基礎上發展起來的一項新技術,是增材制造領域革命性的突破,高速激光熔覆在我國剛剛起步,并得到了國家的高度重視,已經被列為我國“中國制造2025”的重大戰略規劃發展方向之一。
高速激光熔覆的由來
高速激光熔覆由德國Fraunhofer激光研究所的Thomas Schopphoven等人在JOURNAL OF LASER APPLICATIONS期刊上發表了題為“Investigations on ultra-high-speed laser material deposition as alternative for hard chrome plating and thermal spraying”的論文,旨在通過高速激光熔覆替代傳統鍍硬鉻和熱噴涂工藝。該技術在德國弗勞恩霍夫應用促進協會年度科學技術獎勵大會中,榮獲Fraunhofer科技創新獎。
高速激光熔覆的優勢
高速激光熔覆通過超高的激光掃描速度,獲得比傳統激光熔覆層更均勻的涂層厚度、更平整表面質量、更低的稀釋率、更高的沉積效率、更小的工件形變量,已經成為國內外研究機構和企業重點關注的激光應用新領域。
下表列出了高速激光熔覆與傳統激光熔覆的主要數據對比。
數據比較 | 傳統激光熔覆 | 高速激光熔覆 |
熔覆速率 | 0.2-2m/min | 0.3-200m/min |
熔覆效率 | 0.1-0.2m2/H | 1-2m2/H |
涂層厚度調控范圍 | 0.5-2mm | 0.02-2mm |
稀釋率 | 3%-10% | <1% |
基本變形 | 大 | 小 |
粉末粒度要求 | 50-150um | 15-53um |
表面平整度 | >0.3mm需車削加工 | <0.02mm直接磨拋加工 |
加工綜合成本 | 較高 | 較低 |
從上表可以看出,高速激光熔覆技術在激光制造和再制造領域應用中,能有效降低機加工成本,提高產品質量,延長產品使用壽命,尤其在液壓支柱、軸類零件、大型覆蓋件模具、閥門等行業應用,具有廣闊的應用前景。
高速激光熔覆的關鍵技術
1.器件方面
激光器:
長時間工作條件下,激光器的功率穩定性、光束模式及其穩定性,是高速激光熔覆最關鍵的技術,如何提高現有的三大類激光器(即光纖激光器、半導體激光器和碟片激光器)激光功率的穩定性,改善光束模式及其穩定性,是擺在面前的關鍵技術難題。
熔覆頭:
粉末焦點與激光束焦點的同步效果差,導致合金粉末利用率較低;
合金粉末在抵達激光熔池之前,粉末受激光能量的輻照時間較短,粉末的溫度較低,導致超高速激光熔覆的效率下降,熔覆層的稀釋率難以控制;
送粉嘴出口粉末的分布密度與激光能量密度的匹配關系不清晰,導致熔覆層的厚度均勻性差,表面粗糙度偏高;
粉嘴采用銅合金制造,其耐磨性差,使用壽命長。
送粉器:
送粉器送粉速率的穩定性直接決定了高速激光熔覆層表面的平整度,目前國內所采用的刮板式送粉器,其精度有待改善。
2.粉末材料及激光與材料作用機理方面
國內外還缺乏對超高速激光熔覆專用粉末的系統研究,尤其是新型非晶和高熵合金粉末研制。諸多基礎技術問題缺乏系統研究和深入探討,如激光高速熔覆中專用材料的特性、激光能量分布特征、粉末束——激光束——基材間交互作用的基本規律、熔覆層宏觀和微觀質量控制技術、熔覆層溫度場和質場分布機理等,導致熔覆層粉末利用率低、熔覆層的微觀和宏觀質量可控性差、熔覆層的性能無法滿足復雜工況下的需求等致命問題,這在很大程度上限制了該新技術的應用效果。