再制造技术革新：经济、高效、防腐、耐磨

源自：科技日报

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科技人员操作超高速激光熔覆设备

　　

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超高速激光熔覆技术

▲　技术解读
　　发电厂或者其他工业制造工厂，机械设备的金属部分在磨损方面常常经受着巨大的考验，为了应对这些情况和延长一些特别昂贵的生产设备的使用寿命，这些设备的金属部分外表需要镀上特殊的涂层，例如旋转部件、管和其他功能性部件的整个表面都带有金属或者陶瓷涂层。
　　通常情况下，为防止机械设备的金属部分被腐蚀和磨损，往往需要采用制备特殊的涂层保护零件。然而，镀硬铬、热喷涂、传统激光材料熔覆和堆焊等标准涂层制备方法均存在缺点：
　　镀硬铬──不可逾越的环保问题。最常用的耐磨耐腐蚀的防护方法是镀硬铬，但硬铬镀层与基体材料不是冶金结合，很容易被破坏，而且存在微观裂纹会削弱镀层耐磨耐腐蚀性能的问题。同时，该方法的电化学反应过程要消耗大量的电能，电力成本的升高降低了该方法的经济性。并且该方法对环境会造成恶劣影响，欧盟规定自2017年9月开始只有经过授权或特批才可进行电镀镀铬。
　　热喷涂──较低的资源有效利用率。热喷涂同样存在缺点，粉末颗粒发生塑性变形后以机械吸附的方式与基体结合在一起，由于这种机械吸附的结合很脆弱，因此在喷涂之前必须要对基体材料表面进行粗化处理。此外，喷涂涂层内部存在体积百分比为1%～2%的孔洞，这就导致了必须制备多层涂层以对零件进行充分的保护。超音速热喷涂的资源有效利用率也很低，每分钟要消耗数百公升的气体而且仅有一半的粉末材料可以在基体表面形成最终的涂层。
　　堆焊──过多浪费原材料。堆焊工艺可以制造出高品质、与基体结合紧密的涂层。通过如钨极惰性气体保护焊或等离子堆焊等传统工艺可以制造出厚度为2～3毫米的涂层，但是这种涂层的厚度过大且浪费过多的原材料。堆焊过程中，与涂层材料等量的基体材料熔化并与涂层材料混合在一起，因此要制备多层涂层保证涂层本身的性能。激光材料熔覆可以制备更薄的、厚度在0.5～1毫米范围内的涂层，与传统工艺相比显著降低热输入且单层涂层即可满足对零件的防护要求。
　　传统激光熔覆──制备厚涂层的成本更高。以前通常以提升激光束功率、增大激光束和送粉喷嘴的宽度的方式对大尺寸表面进行激光熔覆。尽管这种方式可以提高激光熔覆制备单位面积涂层的效率，但对于工业级的涂层制造是无意义的。最关键的缺点是这种方式需要很高的能量，而且涂层的尺寸精确度过低，熔覆后需要进行耗时费力的二次加工。此外，激光能量相较于其他如电弧或等离子弧等传统能量更为昂贵，这也是为什么制备厚涂层时激光熔覆的成本更高的原因。还有一点，传统激光材料熔覆对于大尺寸零件来说速率太慢，仅能达到10～50平方厘米/分钟，因此只能应用在一些特殊要求的领域中。目前为止，由于过高的热输入，传统熔覆工艺很难为热敏感材料制备涂层。
　　高速激光熔覆技术──可实现短时间、大面积涂层的快速制备。来自于德国弗劳恩霍夫研究所和亚琛工业大学的研究者们开发出了一种超高速激光熔覆方法，该方法以非常经济的方式克服了上述其他涂层制备方法的缺点。这种新的方法也可以用于新材料之间的结合，如在铝合金或铸铁表面制备涂层。
　　弗劳恩霍夫激光技术研究所的孵化企业亚琛联合科技公司总裁洪臣介绍：“激光熔覆技术要熔掉从激光头喷出来的粉末，一般都有一个效率极限，即单位分钟内最多能熔掉多少粉末量。以往我们是把粉斑的焦点和激光的焦点在工件表面达到一个最优化的冶金结合，让其充分在熔池熔化；而超高速激光熔覆技术并不是在工件表面熔化粉末，而是在工件表面上方就提前熔化了粉末使其成为一种液态，然后在它冷凝变为固态的同时正好附着在工件表面。”
　　“正因为粉末材料是以液态形式进入到熔池的，因此熔覆层会更加均质。”洪臣表示，“该技术的核心在于：激光器的光速质量要很高，这就需要改良激光器本身的光速质量，为此我们也和德国高质量半导体制造商利泽莱恩激光技术公司（laserline）进行了一系列的设备配套工艺研发。另一个挑战是送粉斑点要足够精确，从而使粉末充分融化，并且达到最大的粉末使用效率，这就需要优化现有的送粉核心部件。”
　　弗劳恩霍夫激光技术研究所的 Andres Gasser 博士介绍，与传统的工业再制造技术相比，超高速激光熔覆技术可以在短时间内完成大面积涂层的快速制备，熔覆层厚度可按照工艺需求调整，对工件表面基本无损伤，单层涂层中不仅没有气孔和裂纹缺陷，而且与基体结合更紧密。此外，新开发的超高速激光熔覆技术材料利用率高达90%以上，在成本上，超高速激光熔覆技术由于送粉效率高，镀层速度快，单位面积成本可以下降20%～30%。