激光熔覆在材料加工領域獲得廣泛應用

激光熔覆在材料加工領域獲得廣泛應用

　　激光熔覆（也被稱為激光添加制造或涂層制造）是利用激光在基材表面沉積添加材料的過程，或者是通過建立材料層創(chuàng)建一個全新的三維物體。目前，激光熔覆正日益在材料加工領域獲得廣泛的發(fā)展力量。業(yè)界對激光熔覆技術興趣高漲，預計今年全球至少會建立兩個激光熔覆加工站。

利用激光和添加材料實現(xiàn)零部件快速成型和修復的過程，通常稱為激光熔覆制造。經(jīng)歷了數(shù)十年的研究發(fā)展，加之激光器系統(tǒng)性能的提高，以及市場對可持續(xù)發(fā)展的環(huán)保項目的需求，所有這些因素正在促使激光熔覆技術獲得更廣泛的應用。

　　盡管利用激光和添加材料進行零件修復、表面硬化以及快速制造等應用，已經(jīng)經(jīng)歷了數(shù)十年的發(fā)展，但是激光熔覆技術到現(xiàn)在才剛剛在工業(yè)界和商業(yè)界獲得廣泛應用。與激光焊接技術獲得廣泛應用的情況類似，更高功率的激光系統(tǒng)的出現(xiàn)以及更高的光束質量、改進的零件質量和使用壽命、市場對可持續(xù)發(fā)展的環(huán)保項目的需求，以及減少能源消耗、有毒氣體排放和材料浪費等諸多因素，共同推動了激光熔覆技術的廣泛應用。

　　相關術語定義
　　熔覆（Cladding）是指在現(xiàn)有零部件的表面增加一個薄層（通常為3mm或4mm），以改善零部件的表面屬性；而添加制造（additive manufacture，AM）是在現(xiàn)有的結構中添加特定的材料，或是創(chuàng)建自由結構材料。

　　英國Cranfield大學焊接工程研究中心的焊接科學與工程學教授Stewart Williams說：“舉例來說，激光熔覆應用包括將抗腐蝕材料涂覆到管道內壁，以保護基體材料，從而避免在管道制造中采用價格昂貴的耐腐蝕性合金。而常見的添加制造應用包括高價值零部件的修復（如渦輪葉片和發(fā)動機密封元件的修復，即將高性能材料添加到渦輪葉片的末端）以及零部件制造。因為添加制造部件可以直接通過CAD系統(tǒng)制造，每個零部件可以很容易地改變以適應任何需求，這在醫(yī)療應用（如醫(yī)療移植）中極為重要?！?/P>

　　Williams指出，激光添加制造是增長最大的領域，英國和整個歐洲開展了大量的激光添加制造研究活動?！霸诿裼蔑w機中，目前碳纖維復合材料的應用越來越廣泛，在最新的飛機中，所用碳纖維復合材料的比例已經(jīng)高達50％。剩下的材料主要是金屬鈦，這是為了避免腐蝕性問題?！盬illiams說，“用固態(tài)鋼坯加工零部件的標準機械制造方法，通常會將90％的??始材料變成碎屑，材料浪費嚴重。如果采用激光添加制造方法，材料浪費通常只有10％，能源消耗和二氧化碳的排放量也大大減少。”

　　美國南達科塔礦業(yè)理工學院添加制造學科負責人James W. Sears指出，盡管過去的零部件制造領域可能是激光添加制造獲得增長的一塊市場，然而激光添加制造應用真正令人興奮的增長點是一些大批量應用，如用于石油鉆井的增壓管的熔覆應用，以及像美國Caterpillar叉車公司這樣的大型公司中的熔覆修理和部件再制造等應用。“很多這些應用每月消耗的材料將達數(shù)噸，而不是每年使用一噸材料的??型制造和直接制造?！盨ears說。

　　熔覆
　　激光熔覆是先通過一個噴嘴將粉末材料或添加材料涂覆到基材表面，然后在激光束的掃描下，這些材料在基材表面發(fā)生燒結或熔化，形成涂層。

　　激光輔助金屬修復和熔覆使用的激光功率范圍通常是1～4kW。“最典型的熔覆應用是在鎳基體材料上涂覆碳化鎢這樣堅硬的表面材料，來提高零部件的耐磨性。這些零部件通常用于石油和天然氣鉆井應用，或是用于農(nóng)業(yè)應用中的刀片和切割磁盤?！钡聡旃镜漠a(chǎn)品經(jīng)理christian Foehl說，“與熱噴涂等傳統(tǒng)的涂層技術相比，激光金屬沉積技術提供了真正的冶金熔合優(yōu)勢，能創(chuàng)建更高質量的涂層，同時又能避免一些常見的缺陷。使用兩個或更多個粉末儲料器，可以將不同的粉末混合在一起，滿足特定的涂層需求?！保ㄒ妶D1）。

圖1　激光熔覆，通常是利用一個噴嘴吹出粉末，并利用來自激光束中心的熱量，實現(xiàn)表面熔覆。

　　最近，IPG Photonics公司專門針對熔覆、焊接和退火應用推出了2kW、3kW和4kW的激光器產(chǎn)品。此外，相干公司的HighLight系列半導體激光器系統(tǒng)，其電光轉換效率已高達40％，可輸出808nm