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德国开发新型超高速激光熔覆技术

导读: 德国弗劳恩霍夫激光技术研究所和亚琛工业大学的研究者开发出一种超高速激光熔覆技术,德文称之为EHLA。

目前,零件的耐蚀、耐磨涂层主要是通过硬铬的电镀、热喷涂、或其它堆焊技术来修复。不过,这些技术的应用将会逐渐由于环境,健康等问题被取而代之。2017年9月起,铬(VI)涂层必须经过严格的官方批准方可使用,而将来将会彻底禁用。为此德国弗劳恩霍夫激光技术研究所(Fraunhofer ILT)和亚琛工业大学 (RWTH-Aachen)的研究者开发出一种超高速激光熔覆技术,德文称之为 EHLA。并荣获了2017年Fraunhofer创新奖(Fraunhofer最高奖项)。

图 1 超高速激光熔覆制备工艺

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Copyright Notice , Fraunhofer , Germany / Voker Lannert.

图2 超高速激光熔覆技术

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Copyright Notice , Frauhofer ILT, Aachen, Germany / Voker Lannert.

保护零件免受腐蚀和磨损并不简单,标准的工艺如硬铬电镀、热喷涂、堆焊 等技术均有各自的局限性。激光熔覆是比较常见的可替代工艺,但由于镀层速率以及精度的不足,还没有被广泛使用。而超高速激光熔覆技术,将革命性替代传统的涂层制备工艺。弗劳恩霍夫激光技术研究所的 Andres Gasser 博士介绍说: “采用超高速激光熔覆技术,我们可以在短时间内完成大面积涂层的快速制备, 熔覆层厚后按照工艺需求从0.1- 0.25 mm调整,对工件表面基本无损伤,和普通激光熔覆工艺的不同之处在于粉末在离工件一定距离处融化,并高速喷射到工件表面形成极薄的冶金层。

替代硬铬电镀技术

硬铬电镀是当前耐蚀、耐磨涂层制备最常用的技术之一,但是耗能较大。此外,铬(VI)对环境有污染,这也是为什么自 2017 年 9 月起,铬(VI)只能在特殊批准下 方可使用。超高速激光熔覆技术如今为我们提供了更经济的方法,加工过程无需 应用化学原料,非常环保。不同于电镀铬层,该技术制备的涂层与基体之间为冶 金结合,涂层不易剥落。并且,超高速激光熔覆技术制备的表面涂层中没有硬铬层里常见的气孔和裂纹缺陷,其防护作用更持久、有效。

比热喷涂更有效利用资源

热喷涂技术同样也有不足之处,其加工过程粉末材料与气体消耗较大,材料利用率最大只有 50%左右; 并且涂层和基体的结合力较弱。由于热喷涂制备的涂层 气孔较多,必须采用多层沉积方式制备(每层大约 25-50 μm 厚)。相比于热喷涂 方法,新开发的超高速激光熔覆技术材料利用率高达 90%以上,明显提高了金属粉的 利用率与经济性。单层涂层中不仅没有气孔,而且与基体结合牢靠。

比堆焊速度更快、应用更广

堆焊常用来生产高质量、坚固的涂层,传统的堆焊工艺如钨极惰性气体保护焊或 等离子弧粉末沉积技术的涂层一般都较厚(约 2-3mm),需要消耗大量材料。常 规激光熔覆技术虽然已经可以制备较薄的涂层(约 0.5mm-1mm),但在处理大零 件表面时效率还是太低,所以目前为止只应用于某些特殊领域。该方法的另一问 题是需要特定的熔池尺寸方可获得无缺陷的熔覆涂层:零件被局部熔化的同时, 粉末通过送粉喷嘴直接送入到熔池内部。Gasser 博士在阐述超高速激光熔覆新技 术时强调,其工艺关键性是“粉未颗粒在熔池上方就被激光熔化”。这意味着粉末 材料是以液态形式进入到熔池,而不是以固态颗粒状态,因此熔覆层会更加均质; 而且,激光对基体材料的熔化量非常有限, 只是表面的几个微米深度,而不是毫米尺度。

超高速激光熔覆速度比传统激光熔覆快 100-250 倍,使得激光对基体的热影响 达到最小。因此,超高速激光熔覆可实现热敏感材料零件的涂层制备,传统方法因热输过高,这在之前是不可能实现的。同时,这种新工艺还可用于全新的材料组合,例如铝基材料或铸铁材料上涂层的制备。

客户验证

作为全世界最知名的应用科学机构,Fraunhofer定制化开发一定会配套工业应用场景。

荷兰的海洋平台管件生产商IHC Vremac Cylinder B.V 率先采用超高速激光熔覆来替代原有电镀工艺,经过专业的质量检测,耐腐蚀测试通过了ISO 15614-7。而IHC公司的技术人员Andres Veldman先生表示通过率先应用EHLA,将有效延长产品使用周期,节省大量维修费用,大大提升产品的行业竞争力。

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携手ACunity 挺进中国

ACunity 公司作为弗劳恩霍夫激光技术研究孵化的创新企业,面向亚洲市场开展激光增材制造,激光焊接相关先进制造技术与装备的研发,引进,咨询及培训服务。公司创始人洪臣先生表示:在Fraunhofer 工作的八年让我认识到从研发成果到最终工业化的曲折,但这也是我们创立ACunity的动力之一。我们会与老东家弗劳恩霍夫激光技术研究院共同将超高速激光熔覆推向亚洲市场。我们已集合国内最优质的研发,管理团队,来对接应用场景。再制造以及修复的市场非常之巨大,但要有过硬的设备以及工艺作为支持。使之能够做到低成本运营,高质量成品还是颇具挑战的。

2016年底ACunity和荷兰Hornet B.V签署了技术合作协议,为客户定制开发超高速激光熔覆设备,同时根据应用不断完善线上检测,质量检测设备。超高速的工艺开发也将继续向超高速立体成型方向拓展。

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经过半年的奋战,第一台销往国内的超高速激光熔覆设备将进驻中国机械科学研究总院先进制造技术研究中心(CAMTC),第一台样机将用来双边开展大量的可行性研究以及小批量生产。相信不久大家就可以看到超高速熔覆在国内的应用实例。研究中心主任王淼辉博士一再强调:超高速激光熔覆技术的发明是增材技术发展历程中的革命性的一步,它解决了制约传统熔覆技术大规模推广的最大瓶颈-效率,从而也带来了成本的大幅度降低,未来将会极大刺激金属3D打印技术的产业化应用,具有里程碑的意义!

让我们拭目以待! 欢迎大家到访德国参加6月26-29日的慕尼黑激光展 LASER World of PHOTONICS (展位位置 A2.431),我们将现场为您展示超高速激光熔覆。

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