激光熔覆技術(shù)的發(fā)展前景

何勛

【摘 要】目前我國再造技術(shù)受到很大關(guān)注，其對于能源節(jié)約與經(jīng)濟(jì)效益提升都有著關(guān)鍵影響，文章主要對當(dāng)前激光熔覆技術(shù)進(jìn)行分析，并探討技術(shù)的未來發(fā)展前景。

【關(guān)鍵詞】激光熔覆；熔覆技術(shù)；技術(shù)發(fā)展；激光技術(shù)

近年來，隨著我國再制造產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，逐步形成了包括再制造成形技術(shù)、拆解與清洗技術(shù)及檢測與評估技術(shù)在內(nèi)的再制造技術(shù)體系，有力推動(dòng)了再制造技術(shù)的柔性化、智能化發(fā)展。激光熔覆作為一種高效的再制造成形技術(shù)，已經(jīng)被應(yīng)用于多種不同類型的廢舊零部件的修復(fù)實(shí)踐中。然而，激光熔覆所產(chǎn)生的的熔覆層質(zhì)量與激光熔覆工藝參數(shù)的選取密切相關(guān)，針對不同材料的基體與金屬粉材，恰當(dāng)?shù)募す馊鄹补に噮?shù)的選取是獲得高質(zhì)量熔覆層的關(guān)鍵.

一、激光溶覆技術(shù)特點(diǎn)及熔覆層性能

激光熔覆也被稱為激光包覆或激光熔敷，是一種表面改性技術(shù)，是指以不同的填料方式在被熔覆基材表面上預(yù)置涂層材料，經(jīng)激光輻照使其與基材表面的一薄層同時(shí)熔化，且快速凝固后形成稀釋率極低、與基材呈冶金結(jié)合的表面熔覆層，從而顯著改善基材表面的耐磨、耐熱、耐蝕、抗氧化及電氣特性等的一種表面強(qiáng)化方法。在工業(yè)中應(yīng)用，與堆焊、熱噴涂和等離子噴焊等傳統(tǒng)表面強(qiáng)化技術(shù)相比，該技術(shù)具有以下優(yōu)勢：第一，涂層細(xì)晶致密均勻，涂層具有硬度較高，耐磨、耐蝕、抗氧化等特性；第二，熔覆層稀釋率低（一般小于5%），對涂層的沖淡率低（一般5%～8%），與基體呈冶金結(jié)合，可形成較薄的涂層，降低涂層料成本；第三，激光熔覆熱影響區(qū)（HAZ）區(qū)域小，變形小，保證了成形性和力學(xué)性能；第四，工藝可采用數(shù)字化、自動(dòng)化控制，覆層均勻，質(zhì)量穩(wěn)定，可對難以接近的區(qū)域進(jìn)行熔覆。熔覆涂層是由各種合金粉末和元素的組成，其組成成分的性質(zhì)、含量和分布狀態(tài)等特點(diǎn)，使得熔覆層有著良好的耐磨性能和耐蝕性能。這也是在工業(yè)中的應(yīng)用和研究的關(guān)鍵原因。激光熔覆工藝方法包括兩方面：第一，預(yù)置粉末法是通過噴涂或粘結(jié)等方法將材料預(yù)置于基體合金表面，進(jìn)行激光束加熱，涂覆層與基材表面熔化，熔化的合金快速凝固于基材表面，形成冶金結(jié)合的合金熔覆層。第二，同步送粉（絲）法是通過送粉（絲）裝置在激光熔覆的過程中同時(shí)將合金粉末（絲）送入熔池，送粉（絲）與熔覆同步進(jìn)行，快速形成合金熔覆層；預(yù)置粉末結(jié)構(gòu)簡單，實(shí)施容易，但預(yù)置粉末厚度和粘結(jié)劑很難控制；同步式送粉，熔覆層均勻，效率高，但送粉裝置及粉末要求高。

二、激光熔覆技術(shù)應(yīng)用存在的問題

激光熔覆成形技術(shù)是一門涉及激光技術(shù)、材料加工技術(shù)、傳感技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)等于一體的多學(xué)科交叉的邊緣學(xué)科，同時(shí)也是一種新興的先進(jìn)制造技術(shù)。在基體上，使用高能量密度的激光輻射將其在基體表面熔化，且快速凝固形成以基體表面為冶金結(jié)合的表面涂層的加工過程。研究者常使用的送粉方法主要是：同步送粉法和粉末預(yù)置法。金屬3D打印增材制造技術(shù)是一種基于離散一堆積原理的新型數(shù)字化成形技術(shù)。激光熔覆成形技術(shù)是激光表面熔覆結(jié)合3D打印技術(shù)，在高功率激光掃描下，使得金屬粉末一層一層熔合堆積在一起，從而形成致密的金屬零件。在激光熔覆成形中，材料在高功率的激光照射下，經(jīng)歷了快速加熱、熔化和隨后的凝固冷卻等一系列過程，使得激光熔覆成形過程中的溫度具有動(dòng)態(tài)、時(shí)變、不均勻等特點(diǎn)。快速加熱和凝固是材料殘余應(yīng)力的主要來源，使得熔融區(qū)形成高應(yīng)力區(qū)，降低了構(gòu)件的壽命，使構(gòu)件易出現(xiàn)精度的喪失，引起變形，這嚴(yán)重影響了激光熔覆的安全可靠性。

三、激光熔覆技術(shù)的發(fā)展前景

（一）礦山機(jī)械行業(yè)

礦山機(jī)械主要任務(wù)是為煤炭、鋼鐵、有色金屬、化工、建材等部門的礦山開采，以及為鐵路、公路、水電等大型工程的施工提供先進(jìn)、高效的技術(shù)裝備。礦山機(jī)械在經(jīng)濟(jì)建設(shè)和社會(huì)發(fā)展中占有非常重要的作用，礦山機(jī)械制造業(yè)是國家建立獨(dú)立工業(yè)體系的基礎(chǔ)，也是衡量一個(gè)國家工業(yè)實(shí)力的重要標(biāo)志，屬于國民經(jīng)濟(jì)的支柱行業(yè)。礦山機(jī)械行業(yè)由于其行業(yè)性質(zhì)的特殊性，每年產(chǎn)生大量的廢舊零部件，據(jù)統(tǒng)計(jì)預(yù)測，到2020年，礦山機(jī)械平均報(bào)廢量將達(dá)近百萬噸，因此礦山機(jī)械再制造越來越受國家與企業(yè)的重視，這對推動(dòng)我國經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展有著極其重要的意義。隨著再制造技術(shù)的不斷發(fā)展完善，越來越多的礦山機(jī)械零部件通過再制造得以重新利用，變廢為寶，不僅減少了資源和能源的浪費(fèi)，而且對于整個(gè)社會(huì)經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)發(fā)展起到積極的推動(dòng)作用。

（二）航空航天方向應(yīng)用

航空航天領(lǐng)域中，零件形狀復(fù)雜，性能要求高，并且大部分零件價(jià)值不菲，更換成本高。激光熔覆最先在航空航天領(lǐng)域獲得應(yīng)用，主要用于修復(fù)再制造復(fù)雜形狀零件，也可在材料表面熔覆高硬度、耐磨、耐蝕、耐高溫材料。MTU等國外航空制造企業(yè)采用激光熔覆技術(shù)進(jìn)行發(fā)動(dòng)機(jī)葉片修復(fù)再制造，已掌握相關(guān)應(yīng)用技術(shù)。國內(nèi)也有采用熔覆技術(shù)再制造發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子和高溫合金渦輪導(dǎo)向器的失效葉片的應(yīng)用，并取得良好效果。國內(nèi)激光熔覆再制造的航空發(fā)動(dòng)機(jī)葉片應(yīng)用已成批量，累計(jì)已有4萬多件，投入使用安全運(yùn)行33萬小時(shí)。

（三）鋼鐵行業(yè)的應(yīng)用

軋輥是軋材企業(yè)生產(chǎn)中的耗材。2012年，國內(nèi)鋼鐵企業(yè)消耗的輥材已超過200萬t，是鋼鐵行業(yè)中設(shè)備最主要的耗材。鋼鐵企業(yè)熱軋工藝應(yīng)用較多，熱軋輥須具備優(yōu)異的抗磨性，軋輥材質(zhì)組織緊密，硬度分布均勻，具有較低的熱膨脹系數(shù)及較高的散熱能力，以及高溫穩(wěn)定性能、抗氧化及抗高溫蠕變性能。軋輥質(zhì)量直接影響著軋機(jī)的效率及產(chǎn)品質(zhì)量，因此對修復(fù)具有很高的技術(shù)要求。通常軋輥的失效方式有熱龜裂、剝落、疲勞磨損、磨料磨損等。采用激光熔覆技術(shù)，針對軋輥材質(zhì)、工作環(huán)境、技術(shù)要求，選擇對應(yīng)的熔覆合金粉末及熔覆工藝，熔覆層與基材實(shí)現(xiàn)良好的冶金結(jié)合，熔覆層組織致密細(xì)小，表面硬度可達(dá)到50～60HRC，起到了很好的強(qiáng)化修復(fù)作用。修復(fù)后的軋輥表面耐磨耐沖擊等使用性能相比傳統(tǒng)修復(fù)工藝提高數(shù)倍，價(jià)格約為新軋輥的1/3。

（四）海洋船舶方向應(yīng)用

海洋環(huán)境惡劣，濕度大、鹽分高，海洋船舶裝備易發(fā)生磨損和腐蝕。海洋工程裝備和船舶部件技術(shù)復(fù)雜、價(jià)值較大，失效報(bào)廢浪費(fèi)巨大。國內(nèi)已有船廠應(yīng)用激光熔覆技術(shù)對船舶葉輪腐蝕、發(fā)動(dòng)機(jī)缸套以及柴油機(jī)進(jìn)排氣閥盤錐面磨損，進(jìn)行高精度修復(fù)，獲得了良好的熔覆效果，恢復(fù)了功能并提高了耐磨、耐腐蝕性能。

（五）汽車領(lǐng)域

在汽車工業(yè)應(yīng)用中，最先采用激光技術(shù)主要用于切割，熱處理，隨著熔覆技術(shù)的發(fā)展，逐步發(fā)展到柔性增材制造技術(shù)。例如發(fā)動(dòng)機(jī)的排氣門的密封錐形面熔覆Stellite合金是最先采用該技術(shù)的汽車零件。意大利菲亞特汽車發(fā)動(dòng)機(jī)排氣閥座的環(huán)形表面和美國的汽車排氣閥座都采用激光熔覆耐熱合金。目前北京機(jī)科國創(chuàng)輕量化科學(xué)研究院與廣西玉柴合作，在發(fā)動(dòng)機(jī)氣門座環(huán)形表面進(jìn)行耐磨耐高溫合金的熔覆成形，也取得了階段性成果。

四、結(jié)語

基于國內(nèi)外再制造產(chǎn)業(yè)發(fā)展基礎(chǔ)，中國的再制造產(chǎn)業(yè)發(fā)展應(yīng)圍繞科技創(chuàng)新為本，全面建設(shè)再制造配套服務(wù)體系，為再制造產(chǎn)業(yè)發(fā)展創(chuàng)造優(yōu)良的環(huán)境。激光再制造技術(shù)是未來工業(yè)應(yīng)用潛力最大的技術(shù)之一，會(huì)在各行業(yè)得到更為廣泛的應(yīng)用。隨著激光表面改性技術(shù)的不斷發(fā)展，將在我國先進(jìn)制造及再制造領(lǐng)域發(fā)揮重要作用，為發(fā)展循環(huán)經(jīng)濟(jì)、建立節(jié)約型社會(huì)提供有力的技術(shù)支撐。

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