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高速激光熔覆优势和关键技术问题解析
关键词:高速激光熔覆
2019-10-15

技术是利用激光的高能量密度熔化添加的金属合金粉末,并与微熔的基体表面形成界面为冶金结合的涂层,从而显著提高零件的表面耐磨性、耐蚀性能和使用寿命的增材制造技术。

 高速技术是在激光熔覆基础上发展起来的一项新技术,是增材制造领域革命性的突破,高速激光熔覆在我国刚刚起步,并得到了国家的高度重视,已经被列为我国“中国制造2025”的重大战略规划发展方向之一。

高速激光熔覆的由来

高速激光熔覆由德国fraunhofer激光研究所的thomas schopphoven等人在journal of laser applications期刊上发表了题为“investigations on ultra-high-speed laser material deposition as alternative for hard chrome plating and thermal spraying”的论文,旨在通过高速激光熔覆替代传统镀硬铬和热喷涂工艺。该技术在德国弗劳恩霍夫应用促进协会年度科学技术奖励大会中,荣获fraunhofer科技创新奖。

高速激光熔覆的优势

高速激光熔覆通过超高的激光扫描速度,获得比传统激光熔覆层更均匀的涂层厚度、更平整表面质量、更低的稀释率、更高的沉积效率、更小的工件形变量,已经成为国内外研究机构和企业重点关注的激光应用新领域。

下表列出了高速激光熔覆与传统激光熔覆的主要数据对比。

数据比较

传统激光熔覆

高速激光熔覆

熔覆速率

0.2-2m/min

0.3-200m/min

熔覆效率

0.1-0.2m²/h

1-2m²/h

涂层厚度调控范围

0.5-2mm

0.02-2mm

稀释率

3%-10%

<1%

基本变形

粉末粒度要求

50-150um

15-53um

表面平整度

>0.3mm需车削加工

<0.02mm直接磨抛加工

加工综合成本

较高

较低

从上表可以看出,高速激光熔覆技术在激光制造和再制造领域应用中,能有效降低机加工成本,提高产品质量,延长产品使用寿命,尤其在液压支柱、轴类零件、大型覆盖件模具、阀门等行业应用,具有广阔的应用前景。

高速激光熔覆的关键技术

1.器件方面

激光器:

长时间工作条件下,激光器的功率稳定性、光束模式及其稳定性,是高速激光熔覆最关键的技术,如何提高现有的三大类激光器(即光纤激光器、半导体激光器和碟片激光器)激光功率的稳定性,改善光束模式及其稳定性,是摆在面前的关键技术难题。

熔覆头:

粉末焦点与激光束焦点的同步效果差,导致合金粉末利用率较低;

合金粉末在抵达激光熔池之前,粉末受激光能量的辐照时间较短,粉末的温度较低,导致超高速激光熔覆的效率下降,熔覆层的稀释率难以控制;

送粉嘴出口粉末的分布密度与激光能量密度的匹配关系不清晰,导致熔覆层的厚度均匀性差,表面粗糙度偏高;

粉嘴采用铜合金制造,其耐磨性差,使用寿命长。

送粉器:

送粉器送粉速率的稳定性直接决定了高速激光熔覆层表面的平整度,目前国内所采用的刮板式送粉器,其精度有待改善。


2.粉末材料及激光与材料作用机理方面

国内外还缺乏对超高速激光熔覆专用粉末的系统研究,尤其是新型非晶和高熵合金粉末研制。诸多基础技术问题缺乏系统研究和深入探讨,如激光高速熔覆中专用材料的特性、激光能量分布特征、粉末束——激光束——基材间交互作用的基本规律、熔覆层宏观和微观质量控制技术、熔覆层温度场和质场分布机理等,导致熔覆层粉末利用率低、熔覆层的微观和宏观质量可控性差、熔覆层的性能无法满足复杂工况下的需求等致命问题,这在很大程度上限制了该新技术的应用效果。

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