激光熔覆技術的研究與應用

向東湖

天津水泥工業設計研究院有限公司研發的第四代冷卻機已有十年的實際使用經驗，為進一步提高冷卻機的熱交換率，公司擬對篦床結構、常規篦板、高溫篦板、密封結構等關鍵部位進行優化改造。通過采用激光熔覆技術，可延長關鍵件的使用壽命，提高冷卻機的熱交換率。

1 激光熔覆技術簡介

激光熔覆技術是一種利用高能激光和納米材料對各類零件進行合金強化處理的新興技術，能夠顯著提高零件表面硬度和耐磨性，延長零件使用壽命，提高作業率，實現增產降耗。

激光熔覆技術的主要原理是以不同的填料方式在被涂覆基體表面放置選好的涂層材料，經激光照射，使涂層材料和基體表面薄層同時熔化并快速凝固，形成稀釋度極低、并與基體材料形成冶金結合的表面涂層，從而顯著改善基體材料表面的耐磨、耐蝕、耐熱、抗氧化及電氣等特性。

3D金屬打印技術是在激光熔覆技術的基礎上，根據結構設計的要求，快速成型，直接制造金屬構件的一種技術。其工藝方法主要包括選擇性激光燒結技術（Selective Laser Sintering，SLS）、直接金屬粉末激光燒結技術（Direct Metal Laser Sintering，DMLS）、選擇性激光熔化技術（Selective Laser Melting，SLM）和 激 光 近 凈 成 型 技 術（Laser Engineered Net Shaping，LENS）等。

2冷卻機部分關鍵件現存問題

2.1 斜坡篦板出風口篦縫尺寸達不到設計要求

為提高第四代冷卻機的熱交換率，擬對固定斜坡的高溫篦板進行優化，這就要求出風口篦縫尺寸在2mm左右，對出口風速的要求更高。但目前即便采用較為先進的硅溶膠（精密）鑄造工藝方法，采用陶瓷芯，斜坡篦板出風口篦縫的最小尺寸也只能保證在2.5mm，這就導致出風口的風速達不到要求，工藝參數得不到保證。固定斜坡篦板出風口篦縫設計要求見圖1。

圖1 固定斜坡篦板的出風口篦縫要求

2.2 凹凸密封件的使用壽命達不到要求

第四代冷卻機的密封件主要為凹凸密封件，目前凹凸密封件采用V法或覆膜砂鑄造工藝鑄造成型，材料為奧氏體—鐵素體雙相耐熱鋼。由于材料本身耐磨性的局限性，其使用壽命達不到5年的要求，和國外同類的復合堆焊密封件的使用壽命有差距。同時，現有密封件在使用3年后需進行更換，替換下來的密封件只能作報廢處理，對資源也是一種浪費。

3基于激光熔覆技術的改造方案

3.1 3D打印固定斜坡篦板

對于固定斜坡篦板，既有篦縫尺寸要求，又有高溫強度要求。即便采用目前最先進的硅溶膠（精密）鑄造成型工藝，不論是整體鑄造，還是分別鑄造葉片和框架再進行組裝，其出風口的篦縫都達不到2mm要求。

若采用3D金屬打印技術，根據設計圖紙，選用高溫強度性能更好的金屬粉末，可一次將高溫固定斜坡篦板打印成型，既能保證篦縫要求，又能大幅提高高溫強度。

2012年，北京航空航天大學（簡稱北航）王華明院士團隊成功將激光直接制造技術（3D打印技術）應用于大型客機C919機型整體構件的制造，使我國成為目前世界上唯一一個突破飛機鈦合金主承載力構件激光快速制造技術并實現裝機應用的國家。北航研制的激光熔覆工件以及試塊制作宏觀形貌見圖2。

結合北航現有的激光熔覆技術參數分析，熔覆厚度不受限制、激光速率在0.8～1.5m/s（正常為1m/s），則采用3D金屬打印技術一次成型固定斜坡篦板是能夠實現的，待選定合適的粉末金屬后，即可進行實際應用和制作。

3.2 在凹凸密封件上熔覆耐磨層

凹凸密封件鑄造使用的材料為TRG-ZA-6，是一種典型的雙相耐熱鋼（奧氏體+鐵素體型耐熱鋼），在800℃以內具有良好的高溫熱強性能，同時該材料在鑄態時具有良好的塑性，能夠進行冷態矯形。但在當前的使用工況下，該材料和堆焊耐磨板相比較而言，其高溫耐磨性能有待提高。

通過近三年的研究，開發了新一代凹凸密封材料TRG-ZA-6S，使用壽命能夠達到4年，但和理想壽命還有一定差距。

使用激光熔覆技術，在凹凸密封件的工作面上快速熔覆一層耐磨層，可大幅提升其使用壽命。此時，基材可以使用普通的碳素鋼材料，見圖3（采用Ti-Ni合金粉）。在現有凹凸密封件工作面熔覆一層耐磨層（采用最普通的高碳鉻鐵粉），見圖4。

實際操作表明，激光熔覆技術能夠在15min內快速完成一件密封件表面的強化，若批量定型生產，每件密封件的熔覆時間可縮短到5min，表面硬度在HRC60左右，能夠100%實現密封件使用壽命在5年以上。

圖2 激光熔覆工件以及試塊制作的宏觀形貌

圖3 普通鋼板工件熔覆后的宏觀形貌

圖4 高碳鉻鐵粉激光熔覆在凹密封件的宏觀形貌

4 結論

（1）激光熔覆技術應用在第四代冷卻機的核心零件上（如固定斜坡篦板、凹凸密封件等）是可行的，能夠有效解決冷卻機關鍵件現存的問題。

（2）從密封件的實際應用情況來看，后續需配套相適應的激光熔覆設備，以達到最佳生產效率。