激光熔覆技术的发展前景

【摘 要】目前我国再造技术受到很大关注，其对于能源节约与经济效益提升都有着关键影响，文章主要对当前激光熔覆技术进行分析，并探讨技术的未来发展前景。

【关键词】激光熔覆；熔覆技术；技术发展；激光技术

近年来，随着我国再制造产业的发展，逐步形成了包括再制造成形技术、拆解与清洗技术及检测与评估技术在内的再制造技术体系，有力推动了再制造技术的柔性化、智能化发展。激光熔覆作为一种高效的再制造成形技术，已经被应用于多种不同类型的废旧零部件的修复实践中。然而，激光熔覆所产生的的熔覆层质量与激光熔覆工艺参数的选取密切相关，针对不同材料的基体与金属粉材，恰当的激光熔覆工艺参数的选取是获得高质量熔覆层的关键.

一、激光溶覆技术特点及熔覆层性能

激光熔覆也被称为激光包覆或激光熔敷，是一种表面改性技术，是指以不同的填料方式在被熔覆基材表面上预置涂层材料，经激光辐照使其与基材表面的一薄层同时熔化，且快速凝固后形成稀释率极低、与基材呈冶金结合的表面熔覆层，从而显著改善基材表面的耐磨、耐热、耐蚀、抗氧化及电气特性等的一种表面强化方法。在工业中应用，与堆焊、热喷涂和等离子喷焊等传统表面强化技术相比，该技术具有以下优势：第一，涂层细晶致密均匀，涂层具有硬度较高，耐磨、耐蚀、抗氧化等特性；第二，熔覆层稀释率低（一般小于5%），对涂层的冲淡率低（一般5%～8%），与基体呈冶金结合，可形成较薄的涂层，降低涂层料成本；第三，激光熔覆热影响区（HAZ）区域小，变形小，保证了成形性和力学性能；第四，工艺可采用数字化、自动化控制，覆层均匀，质量稳定，可对难以接近的区域进行熔覆。熔覆涂层是由各种合金粉末和元素的组成，其组成成分的性质、含量和分布状态等特点，使得熔覆层有着良好的耐磨性能和耐蚀性能。这也是在工业中的应用和研究的关键原因。激光熔覆工艺方法包括两方面：第一，预置粉末法是通过喷涂或粘结等方法将材料预置于基体合金表面，进行激光束加热，涂覆层与基材表面熔化，熔化的合金快速凝固于基材表面，形成冶金结合的合金熔覆层。第二，同步送粉（丝）法是通过送粉（丝）装置在激光熔覆的过程中同时将合金粉末（丝）送入熔池，送粉（丝）与熔覆同步进行，快速形成合金熔覆层；预置粉末结构简单，实施容易，但预置粉末厚度和粘结剂很难控制；同步式送粉，熔覆层均匀，效率高，但送粉装置及粉末要求高。

二、激光熔覆技术应用存在的问题

激光熔覆成形技术是一门涉及激光技术、材料加工技术、传感技术和计算机技术等于一体的多学科交叉的边缘学科，同时也是一种新兴的先进制造技术。在基体上，使用高能量密度的激光辐射将其在基体表面熔化，且快速凝固形成以基体表面为冶金结合的表面涂层的加工过程。研究者常使用的送粉方法主要是：同步送粉法和粉末预置法。金属3D打印增材制造技术是一种基于离散一堆积原理的新型数字化成形技术。激光熔覆成形技术是激光表面熔覆结合3D打印技术，在高功率激光扫描下，使得金属粉末一层一层熔合堆积在一起，从而形成致密的金属零件。在激光熔覆成形中，材料在高功率的激光照射下，经历了快速加热、熔化和随后的凝固冷却等一系列过程，使得激光熔覆成形过程中的温度具有动态、时变、不均匀等特点。快速加热和凝固是材料残余应力的主要来源，使得熔融区形成高应力区，降低了构件的寿命，使构件易出现精度的丧失，引起变形，这严重影响了激光熔覆的安全可靠性。

三、激光熔覆技术的发展前景

（一）矿山机械行业

矿山机械主要任务是为煤炭、钢铁、有色金属、化工、建材等部门的矿山开采，以及为铁路、公路、水电等大型工程的施工提供先进、高效的技术装备。矿山机械在经济建设和社会发展中占有非常重要的作用，矿山机械制造业是国家建立独立工业体系的基础，也是衡量一个国家工业实力的重要标志，属于国民经济的支柱行业。矿山机械行业由于其行业性质的特殊性，每年产生大量的废旧零部件，据统计预测，到2020年，矿山机械平均报废量将达近百万吨，因此矿山机械再制造越来越受国家与企业的重视，这对推动我国经济可持续发展有着极其重要的意义。随着再制造技术的不断发展完善，越来越多的矿山机械零部件通过再制造得以重新利用，变废为宝，不仅减少了资源和能源的浪费，而且对于整个社会经济的可持续发展起到积极的推动作用。

（二）航空航天方向应用

航空航天领域中，零件形状复杂，性能要求高，并且大部分零件价值不菲，更换成本高。激光熔覆最先在航空航天领域获得应用，主要用于修复再制造复杂形状零件，也可在材料表面熔覆高硬度、耐磨、耐蚀、耐高温材料。MTU等国外航空制造企业采用激光熔覆技術进行发动机叶片修复再制造，已掌握相关应用技术。国内也有采用熔覆技术再制造发动机转子和高温合金涡轮导向器的失效叶片的应用，并取得良好效果。国内激光熔覆再制造的航空发动机叶片应用已成批量，累计已有4万多件，投入使用安全运行33万小时。

（三）钢铁行业的应用

轧辊是轧材企业生产中的耗材。2012年，国内钢铁企业消耗的辊材已超过200万t，是钢铁行业中设备最主要的耗材。钢铁企业热轧工艺应用较多，热轧辊须具备优异的抗磨性，轧辊材质组织紧密，硬度分布均匀，具有较低的热膨胀系数及较高的散热能力，以及高温稳定性能、抗氧化及抗高温蠕变性能。轧辊质量直接影响着轧机的效率及产品质量，因此对修复具有很高的技术要求。通常轧辊的失效方式有热龟裂、剥落、疲劳磨损、磨料磨损等。采用激光熔覆技术，针对轧辊材质、工作环境、技术要求，选择对应的熔覆合金粉末及熔覆工艺，熔覆层与基材实现良好的冶金结合，熔覆层组织致密细小，表面硬度可达到50～60HRC，起到了很好的强化修复作用。修复后的轧辊表面耐磨耐冲击等使用性能相比传统修复工艺提高数倍，价格约为新轧辊的1/3。

（四）海洋船舶方向应用

海洋环境恶劣，湿度大、盐分高，海洋船舶装备易发生磨损和腐蚀。海洋工程装备和船舶部件技术复杂、价值较大，失效报废浪费巨大。国内已有船厂应用激光熔覆技术对船舶叶轮腐蚀、发动机缸套以及柴油机进排气阀盘锥面磨损，进行高精度修复，获得了良好的熔覆效果，恢复了功能并提高了耐磨、耐腐蚀性能。

（五）汽车领域

在汽车工业应用中，最先采用激光技术主要用于切割，热处理，随着熔覆技术的发展，逐步发展到柔性增材制造技术。例如发动机的排气门的密封锥形面熔覆Stellite合金是最先采用该技术的汽车零件。意大利菲亚特汽车发动机排气阀座的环形表面和美国的汽车排气阀座都采用激光熔覆耐热合金。目前北京机科国创轻量化科学研究院与广西玉柴合作，在发动机气门座环形表面进行耐磨耐高温合金的熔覆成形，也取得了阶段性成果。

四、结语

基于国内外再制造产业发展基础，中国的再制造产业发展应围绕科技创新为本，全面建设再制造配套服务体系，为再制造产业发展创造优良的环境。激光再制造技术是未来工业应用潜力最大的技术之一，会在各行业得到更为广泛的应用。随着激光表面改性技术的不断发展，将在我国先进制造及再制造领域发挥重要作用，为发展循环经济、建立节约型社会提供有力的技术支撑。

【参考文献】

[1]杨胶溪，靳延鹏，张宁.激光熔覆技术的应用现状与未来发展[J].金属加工（热加工），2016（4）：13-14.

[2]高东强，王蕊，陈威，等.激光熔覆改善材料性能的研究进展[J].热加工工艺，2017（12）：14-18.

[3]李嘉宁.激光熔覆技术及应用[M].北京：化学工业出版社，2015.

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