高速激光熔覆技術(shù)探討

時(shí)間：2023-11-09作者：邢臺(tái)京保機(jī)械設(shè)備制造有限公司瀏覽：41

表面涂層技術(shù)，是防護(hù)機(jī)械設(shè)備及其關(guān)重件表面腐蝕、磨損等失效的重要和基本手段。雖然傳統(tǒng)的涂層制備技術(shù)如電鍍、熱噴涂、堆焊等方法在個(gè)各工業(yè)領(lǐng)域中有大量應(yīng)用，但也各有局限性。激光熔覆技術(shù)因具有清潔和涂層品異的特點(diǎn)而擁有大規(guī)模推廣應(yīng)用的潛力，但是傳統(tǒng)激光熔覆技術(shù)的粉末利用率低、總體加工效率低、涂層及其零件精度低，使涂層成本偏高，從而制約了其大規(guī)模推廣應(yīng)用。

1. 高速激光熔覆裝備

高速激光熔覆裝備其主要由光纖激光發(fā)生器、送粉器、激光熔覆頭、氣體供應(yīng)系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)、工業(yè)機(jī)器人及高速機(jī)床組成。光纖激光發(fā)生器是輸出穩(wěn)定的激光能量，為激光熔覆提供所需的熱量。送粉器是控制粉末均勻輸送至送激光熔覆頭，為激光熔覆提供材料。激光熔覆頭是整合由光纖激光器輸入的激光和送粉器供給的粉末，從而實(shí)現(xiàn)激光與粉末同軸輸出，由光路系統(tǒng)和送粉噴嘴組成的激光熔覆頭是整套裝備的部件部分。氣體供應(yīng)系統(tǒng)是為粉末送進(jìn)提供動(dòng)力，保粉末連續(xù)穩(wěn)定送進(jìn)，以及為激光熔覆頭光路系統(tǒng)提供保護(hù)氣體，防止粉塵污染組合鏡片導(dǎo)致激光能量輸入受影響。工業(yè)機(jī)器人可搭載激光熔覆頭在空問(wèn)自由移動(dòng)，通過(guò)數(shù)控編程技術(shù)控制機(jī)器人，提高激光熔覆的加工精度和柔性，滿足復(fù)雜平面加工的需求。高速機(jī)床可夾持加工零件在空間位移，在數(shù)控編程系統(tǒng)的控制下，實(shí)現(xiàn)工件高速運(yùn)動(dòng)和位置變換。

2. 高速激光熔覆致密涂層結(jié)構(gòu)

采用高速激光熔覆制備的鐵基涂層與基體結(jié)合良好，組織結(jié)構(gòu)致密，無(wú)孔洞裂紋等缺陷存在，涂層致密度幾乎為**。從電鍍硬鉻涂層截面發(fā)現(xiàn)，涂層內(nèi)部存在一些垂直于涂層界面的裂紋、孔洞缺陷。這些存在鍍鉻層中的微裂紋，特別是貫穿性的微裂紋成為腐蝕介質(zhì)的通道，使得腐蝕介質(zhì)進(jìn)入涂層內(nèi)部，并腐蝕掉涂層與基體結(jié)合部位的金屬，在外力作用下導(dǎo)致電鍍硬鉻層剝落，從而使材料的防護(hù)失效。采用高速激光熔覆制備的涂層，由于涂層組織致密可以避免類似的涂層防護(hù)失效。

3.高速激光熔覆涂層性能

3.1 力學(xué)性能

采用高速激光熔覆制備的涂層結(jié)合界面處未發(fā)現(xiàn)明顯的裂紋、孔洞等缺陷，表明高速激光熔覆制備的涂層與基體結(jié)合性能優(yōu)良。這是因?yàn)楦咚偌す馊鄹蔡厥獾姆勰┘訜嵩硭拢刂频乃头蹏娮鞂⒎勰┝髟诰嗷谋砻嬉欢ǜ叨葏R聚并與激光束流相互作用，使粉末進(jìn)入基體表面熔池前已達(dá)到熔化狀態(tài)，因此制備的熔覆層能與基體表面薄層熔池產(chǎn)生冶金連接，故結(jié)合性能優(yōu)良。

3.2 耐蝕性能

采用電化學(xué)腐蝕方法對(duì)采用高速激光熔覆技術(shù)制備的涂層及基涂層的綜合性能，歸納了部分現(xiàn)有的涂層制備技術(shù)的相關(guān)指標(biāo)，與常規(guī)涂層制備技術(shù)相比，激光熔覆制備的涂層使用壽命遠(yuǎn)大于其他涂層，因?yàn)榧す馊鄹布夹g(shù)制備的涂層結(jié)合強(qiáng)度高，均為冶金結(jié)合；與傳統(tǒng)激光熔覆技術(shù)相比較，高速激光熔覆技術(shù)制備的涂層厚度范圍廣，且生產(chǎn)成本也低，這是因?yàn)楦咚偌す馊鄹布庸ばВ牧侠谩＞C上所述，高速激光熔覆技術(shù)能夠在較下獲得防護(hù)涂層。

4. 高速激光熔覆技術(shù)工程化系統(tǒng)及技術(shù)

4.1 運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)的選擇

高速激光熔覆兩大技術(shù)特點(diǎn)為率和，主要依靠整套熔覆裝備的運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)保證。一方面，采用數(shù)控機(jī)床作為工件移動(dòng)機(jī)構(gòu)，可以保證工件與熱源之間能夠高速移動(dòng)，從而獲得較高的加工效率。另一個(gè)方面，激光束流的可達(dá)性和方向性好，從而保證了加工的精度。但是激光熔覆熱量輻射對(duì)于距離的變化非常敏感，激光熔覆頭到工件表面的距離變化直接決定了所制備涂層的質(zhì)量。尤其熔覆復(fù)雜曲面時(shí)，雖然普通數(shù)控機(jī)床的控制精度可以滿足加工精度的需求，但數(shù)控機(jī)床的編程操作不夠便利。為了進(jìn)一步簡(jiǎn)化編程控制，可以采用可編程數(shù)控機(jī)器人作為激光熔覆頭移動(dòng)機(jī)構(gòu)，從而實(shí)現(xiàn)柔性加工，提高加工精度，保證復(fù)雜工件涂層制備的質(zhì)量。

4.2 加工參數(shù)的選擇

（1）激光功率。在掃描速度和送粉量一定的情況下，隨著激光功率的增加，粉末熔化越充分，涂層結(jié)合強(qiáng)度越好，但基材熔化量也會(huì)增加，涂層的稀釋率也越大。因?yàn)閽呙杷俣取⑺头鬯俾?、激光功率不匹配時(shí)，過(guò)大的激光功率會(huì)使大量熱量輸入到基材。因此在實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中，在保證粉末粒子熔化的前提條件下，激光功率應(yīng)當(dāng)合理選擇，避免功率過(guò)大導(dǎo)致涂層因稀釋而性能惡化。

（2）掃描速度。在激光功率和送粉量一定的情況下，隨著掃描速度的增加，涂層厚度逐漸減小，稀釋率逐漸降低。因?yàn)殡S著掃描速度的增加，激光比能量減小，大部分用于粉末粒子熔化，僅少量加熱基材，提高能量利用率.因此在實(shí)際工程化應(yīng)用時(shí)，保證涂層厚度滿足需求、粉末充分熔化的前提下，盡量使用大的掃描速度，這樣可以獲得性能優(yōu)良的涂層，滿足工程化對(duì)效率的需求.

4.3 加工后處理

傳統(tǒng)激光熔覆，由于加工過(guò)程中大部分熱量被基體吸收而損失，同時(shí)加工速度較慢，導(dǎo)致粒子熔化不充分和氣孔夾雜等加工缺陷。因此，在激光加工完成后一般需要對(duì)涂層進(jìn)行激光重熔，以便涂層內(nèi)部產(chǎn)生的缺陷。高速激光熔覆裝備的特殊結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，熱量利用，制備的涂層內(nèi)部幾乎無(wú)孔洞、裂紋等缺陷，且表面光潔度好。因此，采用高速激光熔覆技術(shù)制備的涂層可以直接進(jìn)行后續(xù)磨拋精加工，不必采用粗加工處理，材料利用，加工。


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• 詞條

  詞條說(shuō)明

• 激光熔覆防開(kāi)裂對(duì)策

  抑制激光熔覆的開(kāi)裂對(duì)開(kāi)拓激光熔覆技術(shù)的生產(chǎn)應(yīng)用具有現(xiàn)實(shí)意義，?目前所采用的抑制熔覆開(kāi)裂的方法主要有:(1) 調(diào)整應(yīng)力狀態(tài)， 盡可能降低拉應(yīng)力預(yù)熱和熔覆后續(xù)處理: 對(duì)熔覆的基體材料和熔覆粉末進(jìn)行一定溫度預(yù)熱，可降低激光處理中的熱應(yīng)力，有利于抑制熔覆裂紋的產(chǎn)生預(yù)熱的實(shí)質(zhì)是降低溫度梯度，所以，如果在滿足使用性能要求的前提下，?適當(dāng)降低熔覆材料的熔點(diǎn)，這對(duì)抑制熔覆層的開(kāi)裂也無(wú)疑是有利的

• 高速激光熔覆的應(yīng)用市場(chǎng)

  一、動(dòng)力設(shè)備修復(fù)和改造在冶金、石油、化工、電力、鐵路、船舶、礦山、航空等國(guó)民經(jīng)濟(jì)支柱產(chǎn)業(yè)中使用著大量的渦輪轉(zhuǎn)動(dòng)設(shè)備，例如：汽輪機(jī)、離心壓縮機(jī)、軸流風(fēng)機(jī)、螺桿壓縮機(jī)、高爐透平發(fā)電TRT、煙氣輪機(jī)、發(fā)電機(jī)、增速機(jī)等等。特別是70年代末以來(lái)引進(jìn)的大量進(jìn)口渦輪轉(zhuǎn)動(dòng)設(shè)備，經(jīng)過(guò)長(zhǎng)周期各種工況條件下服役，因腐蝕、磨損和疲勞等因素，所有設(shè)備均存在著使用中的損傷失效，有的則處在報(bào)廢或即將報(bào)廢狀態(tài)。而常規(guī)的技術(shù)和工藝

• 激光熔覆技術(shù)及設(shè)備

  激光熔覆是指通過(guò)同步或預(yù)置材料的方式，將外部材料添加至基體經(jīng)激光輻照后形成的熔池中，并使二者共同快速凝固形成包覆層的工藝方法。激光熔覆設(shè)備可以實(shí)現(xiàn)激光熔覆、激光表面熱處理、激光表面合金化等工藝。設(shè)備主要包括：熔覆主機(jī)機(jī)床、托輥架、激光器、冷水機(jī)、穩(wěn)壓器、送粉器。激光熔覆特點(diǎn):熔覆層稀釋度低但結(jié)合力強(qiáng)，與基體呈冶金結(jié)合，可基體材料表面的耐磨、耐蝕、耐熱、抗氧化或電氣特性，從而達(dá)到表面改性或修復(fù)的目的

• 激光熔覆應(yīng)用

  激光熔覆技術(shù)是一種涉及光、機(jī)、電、計(jì)算機(jī)、材料、物理、化學(xué)等多門(mén)學(xué)科的跨學(xué)科。它由上個(gè)世紀(jì)60年代提出，并于誕生了**項(xiàng)論述高能激光熔覆的**。進(jìn)入80年代，激光熔覆技術(shù)得到了迅速的發(fā)展，結(jié)合技術(shù)興起的快速原型加工技術(shù)，為激光熔覆技術(shù)又添了新的活力。激光熔覆鐵基合金粉末適用于要求局部耐磨而且容易變形的零件。鎳基合金粉末適用于要求局部耐磨、耐熱腐蝕及抗熱疲勞的構(gòu)件。鈷基合金粉末適用于要求耐磨、耐蝕及