激光熔覆技術的發展前景

何勛

【摘 要】目前我國再造技術受到很大關注，其對于能源節約與經濟效益提升都有著關鍵影響，文章主要對當前激光熔覆技術進行分析，并探討技術的未來發展前景。

【關鍵詞】激光熔覆；熔覆技術；技術發展；激光技術

近年來，隨著我國再制造產業的發展，逐步形成了包括再制造成形技術、拆解與清洗技術及檢測與評估技術在內的再制造技術體系，有力推動了再制造技術的柔性化、智能化發展。激光熔覆作為一種高效的再制造成形技術，已經被應用于多種不同類型的廢舊零部件的修復實踐中。然而，激光熔覆所產生的的熔覆層質量與激光熔覆工藝參數的選取密切相關，針對不同材料的基體與金屬粉材，恰當的激光熔覆工藝參數的選取是獲得高質量熔覆層的關鍵.

一、激光溶覆技術特點及熔覆層性能

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，是指以不同的填料方式在被熔覆基材表面上預置涂層材料，經激光輻照使其與基材表面的一薄層同時熔化，且快速凝固后形成稀釋率極低、與基材呈冶金結合的表面熔覆層，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化方法。在工業中應用，與堆焊、熱噴涂和等離子噴焊等傳統表面強化技術相比，該技術具有以下優勢：第一，涂層細晶致密均勻，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（HAZ）區域小，變形小，保證了成形性和力學性能；第四，工藝可采用數字化、自動化控制，覆層均勻，質量穩定，可對難以接近的區域進行熔覆。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、含量和分布狀態等特點，使得熔覆層有著良好的耐磨性能和耐蝕性能。這也是在工業中的應用和研究的關鍵原因。激光熔覆工藝方法包括兩方面：第一，預置粉末法是通過噴涂或粘結等方法將材料預置于基體合金表面，進行激光束加熱，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將合金粉末（絲）送入熔池，送粉（絲）與熔覆同步進行，快速形成合金熔覆層；預置粉末結構簡單，實施容易，但預置粉末厚度和粘結劑很難控制；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、激光熔覆技術應用存在的問題

激光熔覆成形技術是一門涉及激光技術、材料加工技術、傳感技術和計算機技術等于一體的多學科交叉的邊緣學科，同時也是一種新興的先進制造技術。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置法。金屬3D打印增材制造技術是一種基于離散一堆積原理的新型數字化成形技術。激光熔覆成形技術是激光表面熔覆結合3D打印技術，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態、時變、不均勻等特點?？焖偌訜岷湍淌遣牧蠚堄鄳Φ闹饕獊碓?，使得熔融區形成高應力區，降低了構件的壽命，使構件易出現精度的喪失，引起變形，這嚴重影響了激光熔覆的安全可靠性。

三、激光熔覆技術的發展前景

（一）礦山機械行業

礦山機械主要任務是為煤炭、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、高效的技術裝備。礦山機械在經濟建設和社會發展中占有非常重要的作用，礦山機械制造業是國家建立獨立工業體系的基礎，也是衡量一個國家工業實力的重要標志，屬于國民經濟的支柱行業。礦山機械行業由于其行業性質的特殊性，每年產生大量的廢舊零部件，據統計預測，到2020年，礦山機械平均報廢量將達近百萬噸，因此礦山機械再制造越來越受國家與企業的重視，這對推動我國經濟可持續發展有著極其重要的意義。隨著再制造技術的不斷發展完善，越來越多的礦山機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，而且對于整個社會經濟的可持續發展起到積極的推動作用。

（二）航空航天方向應用

航空航天領域中，零件形狀復雜，性能要求高，并且大部分零件價值不菲，更換成本高。激光熔覆最先在航空航天領域獲得應用，主要用于修復再制造復雜形狀零件，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采用激光熔覆技術進行發動機葉片修復再制造，已掌握相關應用技術。國內也有采用熔覆技術再制造發動機轉子和高溫合金渦輪導向器的失效葉片的應用，并取得良好效果。國內激光熔覆再制造的航空發動機葉片應用已成批量，累計已有4萬多件，投入使用安全運行33萬小時。

（三）鋼鐵行業的應用

軋輥是軋材企業生產中的耗材。2012年，國內鋼鐵企業消耗的輥材已超過200萬t，是鋼鐵行業中設備最主要的耗材。鋼鐵企業熱軋工藝應用較多，熱軋輥須具備優異的抗磨性，軋輥材質組織緊密，硬度分布均勻，具有較低的熱膨脹系數及較高的散熱能力，以及高溫穩定性能、抗氧化及抗高溫蠕變性能。軋輥質量直接影響著軋機的效率及產品質量，因此對修復具有很高的技術要求。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，針對軋輥材質、工作環境、技術要求，選擇對應的熔覆合金粉末及熔覆工藝，熔覆層與基材實現良好的冶金結合，熔覆層組織致密細小，表面硬度可達到50～60HRC，起到了很好的強化修復作用。修復后的軋輥表面耐磨耐沖擊等使用性能相比傳統修復工藝提高數倍，價格約為新軋輥的1/3。

（四）海洋船舶方向應用

海洋環境惡劣，濕度大、鹽分高，海洋船舶裝備易發生磨損和腐蝕。海洋工程裝備和船舶部件技術復雜、價值較大，失效報廢浪費巨大。國內已有船廠應用激光熔覆技術對船舶葉輪腐蝕、發動機缸套以及柴油機進排氣閥盤錐面磨損，進行高精度修復，獲得了良好的熔覆效果，恢復了功能并提高了耐磨、耐腐蝕性能。

（五）汽車領域

在汽車工業應用中，最先采用激光技術主要用于切割，熱處理，隨著熔覆技術的發展，逐步發展到柔性增材制造技術。例如發動機的排氣門的密封錐形面熔覆Stellite合金是最先采用該技術的汽車零件。意大利菲亞特汽車發動機排氣閥座的環形表面和美國的汽車排氣閥座都采用激光熔覆耐熱合金。目前北京機科國創輕量化科學研究院與廣西玉柴合作，在發動機氣門座環形表面進行耐磨耐高溫合金的熔覆成形，也取得了階段性成果。

四、結語

基于國內外再制造產業發展基礎，中國的再制造產業發展應圍繞科技創新為本，全面建設再制造配套服務體系，為再制造產業發展創造優良的環境。激光再制造技術是未來工業應用潛力最大的技術之一，會在各行業得到更為廣泛的應用。隨著激光表面改性技術的不斷發展，將在我國先進制造及再制造領域發揮重要作用，為發展循環經濟、建立節約型社會提供有力的技術支撐。

【參考文獻】

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