激光熔覆在材料加工領(lǐng)域獲得廣泛應(yīng)用

激光熔覆在材料加工領(lǐng)域獲得廣泛應(yīng)用

　　激光熔覆（也被稱為激光添加制造或涂層制造）是利用激光在基材表面沉積添加材料的過程，或者是通過建立材料層創(chuàng)建一個(gè)全新的三維物體。目前，激光熔覆正日益在材料加工領(lǐng)域獲得廣泛的發(fā)展力量。業(yè)界對激光熔覆技術(shù)興趣高漲，預(yù)計(jì)今年全球至少會建立兩個(gè)激光熔覆加工站。

利用激光和添加材料實(shí)現(xiàn)零部件快速成型和修復(fù)的過程，通常稱為激光熔覆制造。經(jīng)歷了數(shù)十年的研究發(fā)展，加之激光器系統(tǒng)性能的提高，以及市場對可持續(xù)發(fā)展的環(huán)保項(xiàng)目的需求，所有這些因素正在促使激光熔覆技術(shù)獲得更廣泛的應(yīng)用。

　　盡管利用激光和添加材料進(jìn)行零件修復(fù)、表面硬化以及快速制造等應(yīng)用，已經(jīng)經(jīng)歷了數(shù)十年的發(fā)展，但是激光熔覆技術(shù)到現(xiàn)在才剛剛在工業(yè)界和商業(yè)界獲得廣泛應(yīng)用。與激光焊接技術(shù)獲得廣泛應(yīng)用的情況類似，更高功率的激光系統(tǒng)的出現(xiàn)以及更高的光束質(zhì)量、改進(jìn)的零件質(zhì)量和使用壽命、市場對可持續(xù)發(fā)展的環(huán)保項(xiàng)目的需求，以及減少能源消耗、有毒氣體排放和材料浪費(fèi)等諸多因素，共同推動了激光熔覆技術(shù)的廣泛應(yīng)用。

　　相關(guān)術(shù)語定義
　　熔覆（Cladding）是指在現(xiàn)有零部件的表面增加一個(gè)薄層（通常為3mm或4mm），以改善零部件的表面屬性；而添加制造（additive manufacture，AM）是在現(xiàn)有的結(jié)構(gòu)中添加特定的材料，或是創(chuàng)建自由結(jié)構(gòu)材料。

　　英國Cranfield大學(xué)焊接工程研究中心的焊接科學(xué)與工程學(xué)教授Stewart Williams說：“舉例來說，激光熔覆應(yīng)用包括將抗腐蝕材料涂覆到管道內(nèi)壁，以保護(hù)基體材料，從而避免在管道制造中采用價(jià)格昂貴的耐腐蝕性合金。而常見的添加制造應(yīng)用包括高價(jià)值零部件的修復(fù)（如渦輪葉片和發(fā)動機(jī)密封元件的修復(fù)，即將高性能材料添加到渦輪葉片的末端）以及零部件制造。因?yàn)樘砑又圃觳考梢灾苯油ㄟ^CAD系統(tǒng)制造，每個(gè)零部件可以很容易地改變以適應(yīng)任何需求，這在醫(yī)療應(yīng)用（如醫(yī)療移植）中極為重要?！?/P>

　　Williams指出，激光添加制造是增長最大的領(lǐng)域，英國和整個(gè)歐洲開展了大量的激光添加制造研究活動?！霸诿裼蔑w機(jī)中，目前碳纖維復(fù)合材料的應(yīng)用越來越廣泛，在最新的飛機(jī)中，所用碳纖維復(fù)合材料的比例已經(jīng)高達(dá)50％。剩下的材料主要是金屬鈦，這是為了避免腐蝕性問題。”Williams說，“用固態(tài)鋼坯加工零部件的標(biāo)準(zhǔn)機(jī)械制造方法，通常會將90％的??始材料變成碎屑，材料浪費(fèi)嚴(yán)重。如果采用激光添加制造方法，材料浪費(fèi)通常只有10％，能源消耗和二氧化碳的排放量也大大減少。”

　　美國南達(dá)科塔礦業(yè)理工學(xué)院添加制造學(xué)科負(fù)責(zé)人James W. Sears指出，盡管過去的零部件制造領(lǐng)域可能是激光添加制造獲得增長的一塊市場，然而激光添加制造應(yīng)用真正令人興奮的增長點(diǎn)是一些大批量應(yīng)用，如用于石油鉆井的增壓管的熔覆應(yīng)用，以及像美國Caterpillar叉車公司這樣的大型公司中的熔覆修理和部件再制造等應(yīng)用?！昂芏噙@些應(yīng)用每月消耗的材料將達(dá)數(shù)噸，而不是每年使用一噸材料的??型制造和直接制造?！盨ears說。

　　熔覆
　　激光熔覆是先通過一個(gè)噴嘴將粉末材料或添加材料涂覆到基材表面，然后在激光束的掃描下，這些材料在基材表面發(fā)生燒結(jié)或熔化，形成涂層。

　　激光輔助金屬修復(fù)和熔覆使用的激光功率范圍通常是1～4kW。“最典型的熔覆應(yīng)用是在鎳基體材料上涂覆碳化鎢這樣堅(jiān)硬的表面材料，來提高零部件的耐磨性。這些零部件通常用于石油和天然氣鉆井應(yīng)用，或是用于農(nóng)業(yè)應(yīng)用中的刀片和切割磁盤?！钡聡旃镜漠a(chǎn)品經(jīng)理christian Foehl說，“與熱噴涂等傳統(tǒng)的涂層技術(shù)相比，激光金屬沉積技術(shù)提供了真正的冶金熔合優(yōu)勢，能創(chuàng)建更高質(zhì)量的涂層，同時(shí)又能避免一些常見的缺陷。使用兩個(gè)或更多個(gè)粉末儲料器，可以將不同的粉末混合在一起，滿足特定的涂層需求?！保ㄒ妶D1）。

圖1　激光熔覆，通常是利用一個(gè)噴嘴吹出粉末，并利用來自激光束中心的熱量，實(shí)現(xiàn)表面熔覆。

　　最近，IPG Photonics公司專門針對熔覆、焊接和退火應(yīng)用推出了2kW、3kW和4kW的激光器產(chǎn)品。此外，相干公司的HighLight系列半導(dǎo)體激光器系統(tǒng)，其電光轉(zhuǎn)換效率已高達(dá)40％，可輸出808nm