高速激光熔覆優(yōu)勢和關(guān)鍵技術(shù)問題解析

激光熔覆技術(shù)是利用激光的高能量密度熔化添加的金屬合金粉末，并與微熔的基體表層形成界面為冶金結(jié)合的涂層，從而顯著提高零件的表層耐磨性、耐蝕性能和使用年限的增材制造技術(shù)。

高速激光熔覆技術(shù)是在激光熔覆基礎(chǔ)上發(fā)展起來的一項(xiàng)新技術(shù)，是增材制造領(lǐng)域革命性的突破，高速激光熔覆在我國剛剛起步，并得到了國家的高度重視，已經(jīng)被列為我國“中國制造2025”的重大戰(zhàn)略規(guī)劃發(fā)展方向之一。

高速激光熔覆的由來：

高速激光熔覆由德國Fraunhofer激光研究所的Thomas Schopphoven等人在JOURNAL OF LASER APPLICATIONS期刊上發(fā)表了題為“Investigations on ultra-high-speed laser material deposition as alternative for hard chrome plating and thermal spraying”的論文，旨在通過高速激光熔覆替代傳統(tǒng)鍍硬鉻和熱噴涂工藝。該技術(shù)在德國弗勞恩霍夫應(yīng)用促進(jìn)協(xié)會年度科學(xué)技術(shù)獎勵大會中，榮獲Fraunhofer科技創(chuàng)新獎。

高速激光熔覆的優(yōu)勢：

高速激光熔覆通過超高的激光掃描速度，獲得比傳統(tǒng)激光熔覆層更均勻的涂層厚度、更平整表層質(zhì)量、更低的稀釋率、更高的沉積效率、更小的工件形變量，已經(jīng)成為國內(nèi)外研究機(jī)構(gòu)和公司重點(diǎn)關(guān)注的激光應(yīng)用新領(lǐng)域。

高速激光熔覆技術(shù)在激光制造和再制造領(lǐng)域應(yīng)用中，能有效下降機(jī)加工成本，提高產(chǎn)質(zhì)量量，延長產(chǎn)品使用年限，尤其在液壓支柱、軸類零件、大型覆蓋件模具、閥門等行業(yè)應(yīng)用，具有廣闊的應(yīng)用前景。

高速激光熔覆關(guān)鍵技術(shù)主要體現(xiàn)在如下幾個方面：

1. 器件方面

激光器： 長時間工作條件下，激光器的功率穩(wěn)定性、光束模式及其穩(wěn)定性，是高速激光熔覆最關(guān)鍵的技術(shù)，如何提高現(xiàn)有的三大類激光器（即光纖激光器、半導(dǎo)體激光器和碟片激光器）激光功率的穩(wěn)定性，改善光束模式及其穩(wěn)定性，是擺在面前的關(guān)鍵技術(shù)難題。

熔覆頭： 粉末焦點(diǎn)與激光束焦點(diǎn)的同步效果差，造成合金粉末利用率較低； 合金粉末在抵達(dá)激光熔池之前，粉末受激光能量的輻照時間較短，粉末的溫度較低，造成超高速激光熔覆的效率下降，熔覆層的稀釋率難以控制； 送粉嘴出口粉末的分布密度與激光能量密度的匹配關(guān)系不清晰，造成熔覆層的厚度均勻性差，表層粗糙度偏高； 粉嘴采用銅合金制造，其耐磨性差，使用年限長。

送粉器： 送粉器送粉速率的穩(wěn)定性直接決定了高速激光熔覆層表層的平整度，目前國內(nèi)所采用的刮板式送粉器，其精度有待改善。

2. 粉末材料及激光與材料作用機(jī)理方面

國內(nèi)外還缺乏對超高速激光熔覆專用粉末的系統(tǒng)研究，尤其是新型非晶和高熵合金粉末研制。諸多基礎(chǔ)技術(shù)問題缺乏系統(tǒng)研究和深入探討，如激光高速熔覆中專用材料的特性、激光能量分布特征、粉末束——激光束——基材間交互作用的基本規(guī)律、熔覆層宏觀和微觀質(zhì)量控制技術(shù)、熔覆層溫度場和質(zhì)場分布機(jī)理等，造成熔覆層粉末利用率低、熔覆層的微觀和宏觀質(zhì)量可控性差、熔覆層的性能無法滿足復(fù)雜工況下的需求等致命問題，這在很大程度上限制了該新技術(shù)的應(yīng)用效果。