激光熔覆技术是利用高能激光束辐照,通过迅速熔化、扩展和凝固,在基材表面熔覆一层具有特殊物理、化学或力学性能的材料,构成一种不同于基材的新材料,以弥补基体所缺少的高性能。可根据工件的性能要求,熔覆各种成分的合金、金属基符合材料等,制备耐热、耐蚀、耐磨、减摩、抗氧化和无磁等特性的表面覆层,使材料具有常规处理所不具有的组织与性能。

激光熔覆技术属于金属及其复合材料的增材制造技术,是激光强化制造、激光再制造及激光3D制造技术的重要支撑技术。此外,激光熔覆技术是可以满足成形、成性一体化需求的增材制造技术,可兼顾精确成性和高性能成性,集激光技术、计算机技术、数控技术及材料技术等诸多现代先进技术于一体,已逐渐发展成为可实现智能制造的先进技术。而且,激光熔覆可以解决传统制造方法不能完成的难题,是国家重点支持和推动的一项高新技术。

与许多传统表面处理技术相比,激光熔覆技术具有以下显著优势与特点:1．激光熔覆时可对基体产生较小的热影响区,工件变形较小。2．熔覆层与基体材料之间可实现冶金结合,且熔覆材料稀释率较低。3．熔覆层晶粒细小、结构致密,能够获得较高的硬度和耐磨、抗腐蚀等性能。4．可以做到选择性局部细微修复,有限降低修复成本。5．粉末材料体系适应性比较高,大多数的常规及特种金属粉末材料都可熔覆到金属零件表面。

激光熔覆技术经过数十年的发展,已从实验室进入到实际工业应用中,在航空航天、石油、船舶、工程机械与核电等行业中得到了广泛应用。

1、 航空航天领域

航空发动机叶片的再制造存在巨大的市场,叶片材质种类比较多,技术含量较高且修复之后的叶片在修复材料、探伤技术、寿命评估方面需要做大量的工作。而且在国内民航业,部分关键零部件仍然依赖于国外进口,因此飞机的后期维修需要花费巨额资金从国外采购新的零部件。

2、 石油勘探领域

在石油化工行业,由于设备处于长期的恶劣工作环境中,更容易使零部件产生严重腐蚀、剧烈磨损现象,会导致大型昂贵零部件彻底报废,例如钻铤、无磁钻铤、扶正器及震击器等大型零件。

3、 煤炭开采领域

在煤炭行业中,由于工作环境苛刻,对煤矿开采机械零部件的性能要求较高。液压立柱的主要失效形式是镀层的划伤和镀层剥落,镀层采用高污染的电镀工艺,而电镀是我国逐渐要取缔的传统工艺之一。因此,采用激光熔覆技术进行液压立柱的强化有很大市场,也是国家支持的环境友好、循环利用的高新技术,可替代传统的电镀工艺。

煤炭开采领域中不乏技术先进的激光制造企业,其中亚琛联合科技(天津)有限公司凭借0．8～1．6m2/h的高熔覆效率、超过95%的粉末利用率,采用自主研发的专用设备,在煤机行业的众多产品中得到大规模应用,包括大直径中缸、活柱,以及大长径比的推移、平衡活塞杆等,实现了24h连续、稳定、规模化生产。另一方面,超高速激光熔覆制备的涂层表面粗糙度可以达到Ra 25μm,光滑平整的表面成形可以直接进行抛光加工,相比于传统的车+磨+抛三次后处理,减少两道机加工工序,显著降低转运、机加和人工成本。

目前亚琛联合科技(天津)有限公司的超高速激光熔覆技术在煤机产品表面涂层制备领域所占的市场份额逐年上升,技术成熟度通过市场考验,有望在未来1～2年取代电镀和常规熔覆技术,成为一个具有广阔天空的明星产品。

4、 电力行业

电厂汽轮机转子在高速运转条件下,转子轴颈存在磨损问题,另外汽轮机末级、次末级叶片在长时间的高温环境工作条件下常发生汽蚀。汽轮机为大型装备而不便于运输,因此需要有较高可靠性的激光原位修复技术。

此外,激光熔覆还可以应用于钢铁冶金、汽车、工程机械、模具制造及船舶等其他行业,具有非常广泛的应用前景。随着“中国制造2025”发展规划的不断推进,激光熔覆技术必将为广大工业用户所接受,将产生巨大的经济效益。

随着科技和工业的高速发展,对激光熔覆的技术要求也会越来越高。因此激光熔覆的未来发展方向主要有以下几方面。

第一,多学科,交叉化发展。目前激光熔覆技术多应用于材料科学与工程方向,作为典型高端制造的工艺技术,其结合工程对象的应用研究相对薄弱。未来激光熔覆作为材料科学、光学工程及控制工程等多学科的交叉技术,其研究将由材料领域向制造领域扩展,需要各学科综合发展。

第二,系统化、集成化发展。由于激光熔覆制造目前存在技术瓶颈,所以熔覆形成金属零件的尺寸和形状精度等无法满足精密成形的要求。将激光熔覆技术与机器人、精密切削等集成研究,构建一个大的研究体系,将对激光熔覆技术及其工业化起到推动作用。

第三,大面积熔覆及质量控制。结合大功率激光器的研制和激光光学系统的设计,解决现阶段无法克服的大面积熔覆的工艺问题,并进一步提高激光熔覆层质量及制造效率。

第四,小型化、原位修复。鉴于越来越多的原位修复要求,未来激光器将向高功率、小型化、便携式方向发展,激光熔覆技术也将越来越强调原位修复技术。