超高速激光熔覆技術探討

兗礦東華重工有限公司煤機裝備制造分公司 山東 濟寧 273500

表面涂層技術，是防護機械設備及其關重件表面腐蝕、磨損等失效的最重要和最基本手段。雖然傳統的涂層制備技術如電鍍、熱噴涂、堆焊等方法在個各工業領域中有大量應用，但也各有局限性。激光熔覆技術因具有清潔綠色和涂層品質優異的特點而擁有大規模推廣應用的潛力，但是傳統激光熔覆技術的粉末利用率低、總體加工效率低、涂層及其零件精度低，使涂層成本偏高，從而制約了其大規模推廣應用。

1 超高速激光熔覆裝備

超高速激光熔覆裝備其主要由光纖激光發生器、送粉器、激光熔覆頭、氣體供應系統、冷卻系統、工業機器人及高精度高速機床組成。光纖激光發生器是輸出穩定的激光能量，為激光熔覆提供所需的熱量。送粉器是控制粉末均勻輸送至送激光熔覆粉頭，為激光熔覆提供填充材料。激光熔覆頭是整合由光纖激光器輸入的激光和送粉器供給的粉末，從而實現激光與粉末同軸輸出，由光路系統和送粉噴嘴組成的激光熔覆頭是整套裝備的核心部件部分。氣體供應系統是為粉末送進提供動力，保證粉末連續穩定送進，以及為激光熔覆頭光路系統提供保護氣體，防止粉塵污染組合鏡片導致激光能量輸入受影響。工業機器人可搭載激光熔覆頭在空問自由移動，通過數控編程技術控制機器人，提高激光熔覆的加工精度和柔性，滿足復雜平面加工的需求。高精度高速機床可夾持加工零件在空間位移，在數控編程系統的控制下，實現工件高速運動和位置變換[1]。

2 超高速激光熔覆致密涂層結構

為采用超高速激光熔覆及電鍍硬鉻兩種不同工藝制備的涂層截面的組織形貌。采用超高速激光熔覆制備的鐵基涂層與基體結合良好，組織結構致密，無孔洞裂紋等缺陷存在，涂層致密度幾乎為100%。從電鍍硬鉻涂層截面發現，涂層內部存在一些垂直于涂層界面的裂紋、孔洞缺陷。這些存在鍍鉻層中的微裂紋，特別是貫穿性的微裂紋容易成為腐蝕介質的通道，使得腐蝕介質進入涂層內部，并腐蝕掉涂層與基體結合部位的金屬，在外力作用下導致電鍍硬鉻層剝落，從而使材料的防護失效。采用超高速激光熔覆制備的涂層，由于涂層組織致密完全可以避免類似的涂層防護失效[2]。

3 超高速激光熔覆高品質涂層性能

3.1 力學性能

超高速激光熔覆涂層和電弧噴涂層與基體結合處的截面形貌。采用超高速激光熔覆制備的涂層結合界面處未發現明顯的裂紋、孔洞等缺陷，表明超高速激光熔覆制備的涂層與基體結合性能優良。這是因為超高速激光熔覆特殊的粉末加熱原理所致，特制的送粉噴嘴將粉末流在距基材表面一定高度匯聚并與激光束流相互作用，使粉末進入基體表面熔池前已達到熔化狀態，因此制備的熔覆層能與基體表面薄層熔池產生冶金連接，故結合性能優良。

3.2 耐蝕性能

采用電化學腐蝕方法對采用超高速激光熔覆技術制備的涂層及基涂層的綜合性能，歸納了部分現有的涂層制備技術的相關指標，與超高速激光熔覆技術進行比較，與常規涂層制備技術相比，激光熔覆制備的涂層使用壽命遠大于其他涂層，因為激光熔覆技術制備的涂層結合強度高，均為冶金結合；與傳統激光熔覆技術相比較，超高速激光熔覆技術制備的涂層厚度范圍更廣，且生產成本也更低，這是因為超高速激光熔覆加工效率高，材料利用率高。綜上所述，超高速激光熔覆技術能夠在較低成本下獲得高品質防護涂層。

4 超高速激光熔覆技術工程化專用系統及技術

4.1 運動機構的選擇

超高速激光熔覆兩大突出技術特點為高效率和高精度，主要依靠整套熔覆裝備的運動機構保證。一方面，采用數控機床作為工件移動機構，可以保證工件與熱源之間能夠高速移動，從而獲得較高的加工效率。另一個方面，激光束流的可達性和方向性好，從而保證了加工的精度。但是激光熔覆熱量輻射對于距離的變化非常敏感，激光熔覆頭到工件表面的距離變化直接決定了所制備涂層的質量。尤其熔覆復雜曲面時，雖然普通數控機床的控制精度可以滿足加工精度的需求，但數控機床的編程操作不夠便利。為了進一步簡化編程控制，可以采用可編程數控機器人作為激光熔覆頭移動機構，從而實現柔性加工，提高加工精度，保證復雜工件涂層制備的質量。

4.2 加工參數的選擇

（1）激光功率。在掃描速度和送粉量一定的情況下，隨著激光功率的增加，粉末熔化越充分，涂層結合強度越好，但基材熔化量也會增加，涂層的稀釋率也越大。因為掃描速度、送粉速率、激光功率不匹配時，過大的激光功率會使大量熱量輸入到基材。因此在實際生產過程中，在保證粉末粒子熔化的前提條件下，激光功率應當合理選擇，避免功率過大導致涂層因稀釋而性能惡化。

（2）掃描速度。在激光功率和送粉量一定的情況下，隨著掃描速度的增加，涂層厚度逐漸減小，稀釋率逐漸降低。因為隨著掃描速度的增加，激光比能量減小，大部分用于粉末粒子熔化，僅少量加熱基材，提高能量利用率.因此在實際工程化應用時，保證涂層厚度滿足需求、粉末充分熔化的前提下，盡量使用大的掃描速度，這樣可以獲得性能優良的涂層，滿足工程化對效率的需求.

4.3 加工后處理

傳統激光熔覆，由于加工過程中大部分熱量被基體吸收而損失，同時加工速度較慢，容易導致粒子熔化不充分和氣孔夾雜等加工缺陷。因此，在激光加工完成后一般需要對涂層進行激光重熔，以便消除涂層內部產生的缺陷。超高速激光熔覆裝備的特殊結構設計，熱量利用率高，制備的涂層內部幾乎無孔洞、裂紋等缺陷，且表面光潔度好。因此，采用超高速激光熔覆技術制備的涂層可以直接進行后續磨拋精加工，不必采用粗加工處理，材料利用率高，加工成本低。

5 結束語

從涂層材料設計、制備工藝和涂層性能等方面開展了系統的研究。本文在介紹自主超高速激光熔覆設備的同時，還對典型的涂層材料和涂層性能進行研究分析，旨在為不同行業合理選擇超高速激光熔覆涂層和開展工藝優化提供依據。