淺談激光熔覆技術(shù)研究進(jìn)展

肖林林，任 雁，高秋華，李 征，王 智

(1.北京北方車輛集團(tuán)有限公司，北京 100072；2.陸軍某軍事代表室，北京 100072)

激光熔覆就是將所需合金粉與基材很薄的表面同時(shí)瞬時(shí)熔化并快速凝固，在基材上形成致密的冶金結(jié)合熔覆合金層。這項(xiàng)先進(jìn)的新型表面新材料和新技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)是凝固時(shí)初生物細(xì)小，均勻分布在固溶體基體中，沒(méi)有合金元素偏析，只有很小的熱影響區(qū)等[1]。

激光熔覆是近年來(lái)比較受關(guān)注的表面處理方式，由于熔覆層組織細(xì)密，熔覆材料的選擇范圍很廣，可以通過(guò)熔覆材料的選擇實(shí)現(xiàn)高耐蝕性、高耐磨性、高硬度等性能要求。在航空航天、重型機(jī)械等行業(yè)有較廣泛的應(yīng)用。目前，激光熔覆工藝在鋼鐵上的應(yīng)用較為成熟，在鋁合金上也有部分應(yīng)用。激光熔覆與電鍍性能對(duì)比見表1。

表1 激光熔覆與電鍍性能對(duì)比

1 激光熔覆的種類

激光熔覆的主要生產(chǎn)方式分為預(yù)置熔覆法和同步送粉法，2種方法根據(jù)施工時(shí)送粉方式的不同而得名。預(yù)置就是通過(guò)粘接、噴涂或者其他方法，將粉料放在需要進(jìn)行激光熔覆的部位，然后再對(duì)該部位進(jìn)行激光處理。而同步送粉則是送粉與激光同步進(jìn)行。2種方法各有利弊。預(yù)置材料可以是粉末、合金絲或者是板材等狀態(tài)。預(yù)置熔覆法的激光熔覆工藝流程為：基體預(yù)處理→預(yù)置材料→激光掃描→后處理。預(yù)置熔覆法的工藝流程較長(zhǎng)，工序復(fù)雜，涂層均勻性差，對(duì)激光功率要求較高，且粘接劑的分解容易對(duì)熔覆層造成污染，可能形成氣孔、開裂等缺陷。

同步送粉熔覆，粉料在經(jīng)過(guò)激光束時(shí)發(fā)生溶化，滴入到基體溶化后產(chǎn)生的熔池中，在激光離開后，迅速冷卻結(jié)晶形成熔覆層。同步送粉的優(yōu)點(diǎn)是工藝過(guò)程相對(duì)簡(jiǎn)單，可以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化控制，效率高，在許多企業(yè)已得到推廣應(yīng)用。同步送粉的激光熔覆工藝流程為：基材表面預(yù)處理→同步送粉激光熔化→后續(xù)工藝處理[2]。

目前超高速激光熔覆技術(shù)非常受歡迎。相較于普通激光熔覆技術(shù)，超高速激光熔覆形成的組織更細(xì)密，由于光斑較小，形成的搭接率較高，可達(dá)到60%～80%，熔覆速度更高，表面粗糙度可與熱噴涂狀態(tài)相近，目前部分設(shè)備可實(shí)現(xiàn)20～30 μm，熔覆層的尺寸控制精度也有明顯提升，可實(shí)現(xiàn)0.2～0.5 mm。

對(duì)常用的激光熔覆工藝參數(shù)進(jìn)行梳理(見表2)。

表2 激光熔覆常用工藝參數(shù)

2 激光熔覆三維直接制造技術(shù)

基于激光熔覆的三維金屬零件直接制造技術(shù)，也稱為激光直接制造技術(shù)(Direct Laser Fabrication，DLF)，是一種不需借助任何模具和刀具，只要將CAD/CAM數(shù)據(jù)輸入數(shù)控系統(tǒng)，借助自動(dòng)送粉激光熔覆工藝，即可直接從CAD文件制造出致密金屬零件的先進(jìn)制造技術(shù)[3]。

目前市場(chǎng)上常用的粉料有非金屬粉料和金屬粉料，其中非金屬粉料有ABS、PC、PLA、尼龍、陶瓷類等，金屬類主要有鋼鐵、鋁合金、鈦合金等。

SLM即選區(qū)激光熔化成型技術(shù)，采用預(yù)置粉末方面用聚焦光斑快速熔化預(yù)置金屬粉末的方式，獲取任意形狀的構(gòu)件，該類工藝形成的構(gòu)件為完全冶金結(jié)合，致密度可達(dá)到99%以上。結(jié)構(gòu)較復(fù)雜的構(gòu)件需要設(shè)計(jì)支撐部分成形后再去除。

SLS即選區(qū)激光燒結(jié)成型技術(shù)，與SLM相似，但激光功率較低。如果功率過(guò)大，尺寸誤差增大，容易產(chǎn)生翹面變形，適合收縮率較小的材料，加工前需要對(duì)粉末進(jìn)行預(yù)熱來(lái)進(jìn)一步減小變形率。SLS和SLM工藝方式同樣屬于預(yù)置粉末型。

LMD即激光熔覆成型技術(shù)，也常被稱為DMD、DLF、LRF等，該技術(shù)采用同步送粉方式，粉末與激光匯于一點(diǎn)，在工作臺(tái)面上熔覆冷卻成實(shí)體。

3 激光熔覆修復(fù)技術(shù)

隨著逆向工程技術(shù)和激光熔覆再制造修復(fù)技術(shù)的快速發(fā)展，激光熔覆作為綠色再制造技術(shù)的關(guān)鍵技術(shù)之一，已被廣泛應(yīng)用在航空、石化等領(lǐng)域。失效零件的破損區(qū)域提取是激光熔覆機(jī)器人實(shí)現(xiàn)智能路徑規(guī)劃的基礎(chǔ)，其研究具有重要意義。由于不同工業(yè)生產(chǎn)制造領(lǐng)域零件的失效形式不同，因此對(duì)其進(jìn)行熔覆修復(fù)，需要根據(jù)具體零件情況進(jìn)行可修復(fù)性評(píng)價(jià)制定可修復(fù)的依據(jù)，零件破損區(qū)域的前處理工作及待修復(fù)部分三維掃描提取及其幾何重構(gòu)還不是很成熟，修復(fù)區(qū)域的軌跡規(guī)劃都是需要進(jìn)一步研究的問(wèn)題；其次，在熔覆的過(guò)程設(shè)備的自動(dòng)化控型控性工藝、根據(jù)零件實(shí)際情況熔覆材料的選擇及熔覆工藝參數(shù)的選取，到最后后處理及熔覆結(jié)果的可行性評(píng)價(jià)方式方法，都需要進(jìn)一步解決和優(yōu)化。

2005年，宋建麗等[4]進(jìn)行了鎳基合金Ni25、Ni60和316L不銹鋼多層激光熔覆成形試驗(yàn)，采用同步送粉法對(duì)不同材料進(jìn)行試驗(yàn)，材料組織成形快速，凝固沿最大溫度梯度方向外延生長(zhǎng)，形成的零件組織細(xì)小、致密，無(wú)缺陷，層與層之間為冶金結(jié)合，結(jié)合強(qiáng)度高。

2008年，李寶增[5]從材料合金化原理出發(fā)，綜合考慮了激光熔覆過(guò)程中熔化與凝固的特點(diǎn)以及基材與粉末的物理化學(xué)特性，對(duì)航空發(fā)動(dòng)機(jī)葉片進(jìn)行了激光熔覆修復(fù)試驗(yàn)，主要研究了激光熔覆修復(fù)用合金粉末的最佳配比以及激光熔覆工藝參數(shù)對(duì)組織結(jié)構(gòu)與性能的影響。

2012年，傅強(qiáng)等[6-7]進(jìn)行了齒輪軸受損齒面的激光熔覆修復(fù)研究，在試驗(yàn)中對(duì)順序熔覆和對(duì)稱熔覆后軸的徑向變形分別進(jìn)行測(cè)量和分析。采取對(duì)稱熔覆工藝可以解決產(chǎn)品變形的問(wèn)題。這種方法對(duì)激光熔覆的施工工藝提出了新的思路。

2017年，程相榜等[8]對(duì)液壓千斤頂活塞桿進(jìn)行了激光熔覆研究，提出了通過(guò)工藝手段，精細(xì)控制結(jié)合各類檢測(cè)手段，降低熔覆層的稀釋和表面缺陷對(duì)耐蝕性能的影響，并提出了提高熔覆效率的新方向。

2018年，王鑫龍[9]圍繞著失效零件破損區(qū)域提取方式方法及激光熔覆再制造破損零件可修復(fù)性進(jìn)行研究，在工藝試驗(yàn)和實(shí)際再制造修復(fù)零件的過(guò)程中，結(jié)合傳統(tǒng)熔覆質(zhì)量檢測(cè)和無(wú)損檢測(cè)相結(jié)合的方式，來(lái)進(jìn)行可修復(fù)性研究。

2019年，劉干成等[10-11]圍繞小模數(shù)齒輪表面制備鎳基合金涂層，采用雙光束激光熔覆手段改善單光束熔覆過(guò)程中易出現(xiàn)的熔覆缺陷問(wèn)題，在細(xì)化熔覆層組織的同時(shí)達(dá)到了提高熔覆層硬度的效果。

綜上所述，對(duì)各種修復(fù)工藝類型、性能進(jìn)行對(duì)比(見表3)。

表3 激光熔覆常用性能指標(biāo)

多年以來(lái)，從各種材料的激光熔覆可行性研究，到能夠滿足各種特異功能的激光熔覆粉料的研究，再到激光熔覆設(shè)備光斑、功率以及各類激光頭的設(shè)計(jì)研究，整個(gè)激光熔覆行業(yè)正逐步趨于完善。

激光熔覆作為增材技術(shù)的有效手段，在再創(chuàng)造修復(fù)的領(lǐng)域內(nèi)有良好的前景，但由于激光熔覆技術(shù)的成本仍高于電鍍鉻、焊接等傳統(tǒng)工藝，極大地限制了該工藝的廣泛應(yīng)用。目前在航空、航天、大型機(jī)械設(shè)備等高價(jià)值構(gòu)件上得到應(yīng)用，民用工程及附加值較低的產(chǎn)品中仍以傳統(tǒng)工藝為主。因此，降低激光熔覆技術(shù)的成本是該領(lǐng)域發(fā)展的關(guān)鍵。

4 結(jié)語(yǔ)

近幾年，激光熔覆的研究主要在粉料的研制與涂層性能的提供，對(duì)于質(zhì)量檢測(cè)尚無(wú)明確的標(biāo)準(zhǔn)，尤其是涂層內(nèi)部可能存在的裂縫或空隙缺陷，熔覆后產(chǎn)品變形度等問(wèn)題缺少便捷檢測(cè)的方法和能力，對(duì)激光熔覆技術(shù)的產(chǎn)業(yè)化工業(yè)化應(yīng)用，存在不可忽視的影響。由于成本問(wèn)題限制了激光熔覆技術(shù)的廣泛應(yīng)用，未來(lái)有效控制成本將成為該領(lǐng)域發(fā)展的關(guān)鍵。