高速激光熔覆優(yōu)勢(shì)和關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題解析

激光熔覆技術(shù)是利用激光的高能量密度熔化加入的金屬合金粉末，并與微熔的基體表面層形成界面為冶金結(jié)合的涂層，進(jìn)而顯著提升零部件的表面層耐磨性能、耐腐蝕性能和使用期限的增材制造技術(shù)。

高速激光熔覆技術(shù)是在激光熔覆基礎(chǔ)上快速發(fā)展起來(lái)的一項(xiàng)新工藝，是增材制造行業(yè)領(lǐng)域革命性的突破，高速激光熔覆在國(guó)內(nèi)剛起步不久，得到了國(guó)家的高度重視，已被列入我國(guó)“中國(guó)制造2025”的重要戰(zhàn)略規(guī)劃發(fā)展方向之一。

高速激光熔覆的由來(lái)

高速激光熔覆由德國(guó)Fraunhofer激光研究所的Thomas Schopphoven等在JOURNAL OF LASER APPLICATIONS學(xué)術(shù)期刊上發(fā)表了名為“Investigations on ultra-high-speed laser material deposition as alternative for hard chrome plating and thermal spraying”的論文，目的在于利用高速激光熔覆代替?zhèn)鹘y(tǒng)式鍍硬鉻和熱噴涂工藝。該技術(shù)在德國(guó)弗勞恩霍夫運(yùn)用促進(jìn)協(xié)會(huì)年度科學(xué)技術(shù)獎(jiǎng)勵(lì)大會(huì)中，榮獲Fraunhofer科技創(chuàng)新獎(jiǎng)。

高速激光熔覆的優(yōu)勢(shì)

高速激光熔覆利用極高的激光掃描速度，得到比傳統(tǒng)式激光熔覆層更均勻的涂層厚度、更平整表面質(zhì)量、更低的稀釋率、更高的沉積效率、更小的工件形變量，已成為世界各國(guó)科研機(jī)構(gòu)和企業(yè)重點(diǎn)關(guān)注的激光應(yīng)用新的領(lǐng)域。

下表列出了高速激光熔覆與傳統(tǒng)式激光熔覆的主要數(shù)據(jù)對(duì)比。

從上表能夠看得出，高速激光熔覆技術(shù)在激光制造和再制造行業(yè)領(lǐng)域運(yùn)用中，能有效的減低機(jī)加工成本，提升產(chǎn)品質(zhì)量，增加產(chǎn)品使用期限，特別是在液壓支柱、軸類(lèi)零件、大型覆蓋件模具、閥門(mén)等應(yīng)用領(lǐng)域，有著廣闊的應(yīng)用前景。

高速激光熔覆的關(guān)鍵技術(shù)

1.器件方面

激光器：

長(zhǎng)時(shí)間工作條件下，激光器的功率穩(wěn)定性、光束模式及其穩(wěn)定性，是高速激光熔覆最主要的技術(shù)，如何提高目前的三大類(lèi)激光器（即光纖激光器、半導(dǎo)體激光器和碟片激光器）激光功率的穩(wěn)定性，改進(jìn)光束模式及其穩(wěn)定性，是擺在面前的主要技術(shù)難題。

熔覆頭：

粉末焦點(diǎn)與激光束焦點(diǎn)的同步效果差，使得合金粉末利用率較低；

合金粉末在到達(dá)激光熔池以前，粉末受激光能量的輻照的時(shí)間較短，粉末的溫度較低，使得超高速激光熔覆的效率降低，熔覆層的稀釋率很難把控；

送粉嘴出口粉末的分布密度與激光能量密度的匹配關(guān)系不清楚，使得熔覆層的厚度均勻性差，表面粗糙度偏高；

粉嘴選用銅合金制造，其耐磨性能差，使用期限長(zhǎng)。

送粉器：

送粉器送粉速率的穩(wěn)定性決定了高速激光熔覆層表面的平整度，目前我國(guó)所采用的刮板式送粉器，其精度有待進(jìn)一步提高。

2.粉末材料及激光與材料作用機(jī)理方面

國(guó)內(nèi)外缺少對(duì)超高速激光熔覆專用粉末的系統(tǒng)研究，特別是在新型非晶和高熵合金粉末研制。許多基礎(chǔ)性技術(shù)問(wèn)題缺少系統(tǒng)的研究及進(jìn)一步探討，比如激光高速熔覆中專用材料的特性、激光能量分布特征、熔覆層溫度場(chǎng)和質(zhì)場(chǎng)分布機(jī)理等，因此造成了熔覆層粉末利用率低、熔覆層的微觀和宏觀質(zhì)量可控性能差、熔覆層的性能無(wú)法滿足復(fù)雜工況下的需求等致命問(wèn)題，這在很大程度上限制了該新技術(shù)的應(yīng)用效果。