超高速激光熔覆技術(shù)探討

兗礦東華重工有限公司煤機(jī)裝備制造分公司 山東 濟(jì)寧 273500

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、磨損等失效的最重要和最基本手段。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)因具有清潔綠色和涂層品質(zhì)優(yōu)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 超高速激光熔覆裝備

超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)器人及高精度高速機(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粉頭，為激光熔覆提供填充材料。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核心部件部分。氣體供應(yīng)系統(tǒng)是為粉末送進(jìn)提供動(dòng)力，保證粉末連續(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。高精度高速機(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[1]。

2 超高速激光熔覆致密涂層結(jié)構(gòu)

為采用超高速激光熔覆及電鍍硬鉻兩種不同工藝制備的涂層截面的組織形貌。采用超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100%。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容易成為腐蝕介質(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。采用超高速激光熔覆制備的涂層，由于涂層組織致密完全可以避免類似的涂層防護(hù)失效[2]。

3 超高速激光熔覆高品質(zhì)涂層性能

3.1 力學(xué)性能

超高速激光熔覆涂層和電弧噴涂層與基體結(jié)合處的截面形貌。采用超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，表明超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)槌咚偌す馊鄹蔡厥獾姆勰┘訜嵩硭?，特制的送粉噴嘴將粉末流在距基材表面一定高度匯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)采用超高速激光熔覆技術(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)，與超高速激光熔覆技術(shù)進(jìn)行比較，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，超高速激光熔覆技術(shù)制備的涂層厚度范圍更廣，且生產(chǎn)成本也更低，這是因?yàn)槌咚偌す馊鄹布庸ば矢?，材料利用率高。綜上所述，超高速激光熔覆技術(shù)能夠在較低成本下獲得高品質(zhì)防護(hù)涂層。

4 超高速激光熔覆技術(shù)工程化專用系統(tǒng)及技術(shù)

4.1 運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)的選擇

超高速激光熔覆兩大突出技術(shù)特點(diǎn)為高效率和高精度，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?、送粉速率、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，容易導(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，以便消除涂層內(nèi)部產(chǎn)生的缺陷。超高速激光熔覆裝備的特殊結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，熱量利用率高，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，采用超高速激光熔覆技術(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，材料利用率高，加工成本低。

5 結(jié)束語(yǔ)

從涂層材料設(shè)計(jì)、制備工藝和涂層性能等方面開(kāi)展了系統(tǒng)的研究。本文在介紹自主超高速激光熔覆設(shè)備的同時(shí)，還對(duì)典型的涂層材料和涂層性能進(jìn)行研究分析，旨在為不同行業(yè)合理選擇超高速激光熔覆涂層和開(kāi)展工藝優(yōu)化提供依據(jù)。