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激光熔覆行业崛起——应用市场未来可期

激光熔覆是指以不同的添加方法在被熔覆的基体上放置选择的涂层材料,经高能密度激光束辐照加热,使之和基体表面熔化,并快速凝固,从而在基材表面形成与其为冶金结合的表面涂层的工艺过程。

激光熔覆具有如下优点:

1) 激光束的能量密度高,加热速度快,对基材的热影响较小,引起工件的变形小;

2) 控制激光的输入能量,可将基材的稀释作用限制在极低的程度(一般为2%-8%),从而保持了原熔覆材料的优异性能;

3) 激光熔覆涂层与基材之间结合牢固,且熔覆涂层组织细小。

这些特点使得激光熔覆技术近十年来在材料表面改性方面受到高度的重视。

1.1 激光熔覆材料体系

  (1) 自熔性合金粉末:可分为镍基自熔合金、钴基自熔合金和铁基自熔合金,其主要特点是含有硼和硅,具有自脱氧和造渣能力,即自熔性。自熔合金的硬度与合金含硼量和含碳量有关,随硼、碳含量的增加而提高,这是由于硼和碳与合金中的镍、铬等元素形成硬度极高的硼化物和碳化物的数量增加所致。

  (2) 碳化物复合粉末体系:由碳化物硬质相与金属或合金粘结相组成,主要有(Co、Ni)/WC和(NiCr、NiCrAl) Cr3C2等系列。这类粉末中的粘结相能在一定程度上使碳化物免受氧化和分解。碳化物复合粉末作为硬质耐磨材料,具有很高的硬度和良好的耐磨性, 其中(Co、Ni)/WC 系适应于低温(<560℃)的工作条件,而(NiCr,NiCrAl)/Cr3C2系适用于高温工作环境。此外,(Co、Ni)/WC复合粉还可与自熔性合金粉末一起使用。

  (3) 氧化物陶瓷粉末:具有优良的抗高温隔热、耐磨、耐蚀等性能,主要分为氧化铝和氧化锆两个系列,而后者比前者具有更低的热导率和更好的抗热震性能,因而广泛用作热障涂层材料。

1.2 激光熔覆工艺种类

激光熔覆的工艺可以分为两种:一种是激光处理前供给添加材料,即粉末预置法;另一种是激光处理过程中同步供给添加材料,即同步送粉法。

粉末预置激光熔覆是将材料事先放置于基体材料表面的熔覆部位,然后采用激光束辐射扫描熔化,熔覆材料可以采用粉末、丝材或板材的形式加入,其中,以粉末的形式最为常用。绝大多数研究采用粉末预置方式。预置涂层式激光熔覆的主要工艺流程为:基体熔覆表面预处理、预置涂层材料、预热、激光熔化、后热处理。

同步送粉式激光熔覆是将熔覆材料直接送入激光束中,使供料和激光熔覆同时完成。熔覆材料的加入方法主要是以粉末的形式送入,有时也会采用线材和板材的形式进行同步送料。对于熔覆面积比较大的零件可采用同步送粉法。此种方法送粉量可以调节,同步送粉器可以连续工作,因而熔覆效率高,适用于实际生产中大批零件的表面激光熔覆。同步送粉式激光熔覆的主要工艺流程为:基体熔覆表面预处理、送料激光熔化、后热处理。

1.3 激光熔覆涂层的性能:耐磨性能、耐蚀性能。

2. 激光熔覆技术的应用

激光熔覆是新型的局部表面处理方法,是未来工业应用潜力最大的表面改性技术之一,具有很大的技术经济效益,为此,亚琛联合科技(天津)有限公司的研发团队研发的低熔点合金激光熔覆成形方法,实现热物性参数差距很大的两种合金间的冶金结合,同时解决了界面反应层过厚和涂层开裂等问题。

研发人员从粉末成分的选择、能量输入、界面反应层控制以及界面反应层结构优化等方面展开研究,在无需过渡层的条件下,采用激光熔覆技术实现钢表面熔覆锡合金、铅表面熔覆锡基合金两种特殊涂层的制备。激光熔覆与传统浇注的方式相比大大提高了锡基合金与钢、铅基体之间的结合强度和成形精度,有效的降低了材料浪费,同时涂层具备极小的稀释率,有效避免了基材成分对涂层性能的“污染”。此外,激光熔覆的技术应用大致体现在以下几个方面:

  2.1 在汽车工业中的应用

  早在十几年前,欧洲汽车工业就开始将高功率激光器用于车身的焊接和切割。由于汽车的发动机阀、汽缸内槽、齿轮、排气阀座以及一些精密微细部件需要高的耐磨耐热以及耐蚀性能,因此激光熔覆有了很广泛的应用,例如在汽车发动机铝合金缸盖门座上激光熔覆直接成型铜合金阀门座圈,取代传统的粉末冶金/压配座圈,可以显著改善发动机的性能,降低生产成本,延长发动机阀门座圈的工作寿命。

  2.2在航空航天中的应用

  钛合金虽然已经在航空航天部门广泛使用,但是其摩擦系数大,耐磨性差,在其表面熔覆一层增强材料就能显著的改善表面性能。如NiCrBSi 和NiCoCrAlY 合金粉末均为常用的热喷涂材料,其涂层致密、结合强度大,耐腐蚀、耐高温,抗氧化性也很优良。

  2.3 模具方面的应用

  模具的使用寿命在很大程度上决定了一些设备的生产率和生产成本,经过激光熔覆处理过的模具,其表面硬度、耐磨性、抗高温性等都有显著的提高,从而提高了使用寿命。

2.4 轧辊行业中的应用

轧辊是轧钢工业中耗用量较大的工具,作为轧钢机直接的工作部件,它的质量直接关系到轧板、带材的产量和质量,因此用激光熔覆对其进行处理已成为目前普遍关注的问题。

2.5 生物医用方面的应用

不锈钢、钛及其合金作为生物医用材料,因其具有良好的力学性能而受到人们的普遍欢迎,但其较差的耐蚀性、生物相容性及金属离子潜在的毒副作用却使它在机体中的应用受到极大限制,在基材TC4 表面进行激光熔覆原位合成与涂覆羟基磷灰石(HA)等生物陶瓷的改性方法因合成HA 效率高、工艺新颖、操作方便而引起广泛关注。

近年来在叶片和阀座修复等也开展了激光熔覆的应用研究。利用激光熔覆工艺代替等离子喷涂和真空感应熔焊工艺,在内燃发动机排气阀密封面熔覆NiCrBSi和CoCrW合金涂层,不仅避免了涂层中的孔洞和微裂纹,而且涂层的显微硬度明显提高,排气阀密封面耐磨和耐蚀性能提高3~4倍。激光熔覆处理可以改善工模具钢的表面硬度、耐磨性、红硬性、高温硬度、抗热疲劳等性能,从而提高了工模具的使用寿命。

3. 激光熔覆技术前景展望

激光熔覆技术是一种新兴的表面处理技术,有着很大的发展前景。为拓宽激光熔覆技术的应用领域,以下工作应进一步研究:

(1) 研究大功率、高寿命和小型化的激光装置。

(2)熔覆工艺探索研究熔覆层产生残余应力和裂纹的机理,寻找出有效的解决方法。

(3)基础理论研究从凝固动力学、结晶学和相变理论出发,系统研究激光快速凝固行为,揭示材料微结构的形成、演化机理及其规律;研究熔池的温度场分布,熔池流的对流机制,冷凝时熔覆层内发生的组织变化过程及其规律,进而完善加工工艺参数。

激光制造行业发展前景可观,目前国内技术做的比较好的企业例如亚琛联合科技(天津)有限公司,作为重点项目落地于天津经济技术开发区,结合国内外优势为企业提供激光制造产业化技术的全生产链解决方案。研发团队由中德激光加工领域专家、高端人才组成,并在中、德两地设立了激光制造技术研发中心与生产加工中心,已建设成为集激光加工、智能装备集成、工艺研发为一体的国际化研发平台,专业领域涵盖激光熔覆、激光增材制造、激光修复、激光焊接、激光微纳加工,工业4.0智能制造应用技术及其建设规划。

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