高速激光熔覆优势和关键技术问题解析

2024-10-20 01:04:11 来源：互联网分类：工业机械知识

激光熔覆技术是利用激光的高能量密度熔化添加的金属合金粉末，并与微熔的基体表层形成界面为冶金结合的涂层，从而显著提高零件的表层耐磨性、耐蚀性能和使用年限的增材制造技术。

高速激光熔覆技术是在激光熔覆基础上发展起来的一项新技术，是增材制造领域革命性的突破，高速激光熔覆在我国刚刚起步，并得到了国家的高度重视，已经被列为我国“中国制造2025”的重大战略规划发展方向之一。

高速激光熔覆的由来：

高速激光熔覆由德国Fraunhofer激光研究所的Thomas Schopphoven等人在JOURNAL OF LASER APPLICATIONS期刊上发表了题为“Investigations on ultra-high-speed laser material deposition as alternative for hard chrome plating and thermal spraying”的论文，旨在通过高速激光熔覆替代传统镀硬铬和热喷涂工艺。该技术在德国弗劳恩霍夫应用促进协会年度科学技术奖励大会中，荣获Fraunhofer科技创新奖。

高速激光熔覆的优势：

高速激光熔覆通过超高的激光扫描速度，获得比传统激光熔覆层更均匀的涂层厚度、更平整表层质量、更低的稀释率、更高的沉积效率、更小的工件形变量，已经成为国内外研究机构和公司重点关注的激光应用新领域。

高速激光熔覆技术在激光制造和再制造领域应用中，能有效下降机加工成本，提高产质量量，延长产品使用年限，尤其在液压支柱、轴类零件、大型覆盖件模具、阀门等行业应用，具有广阔的应用前景。

高速激光熔覆关键技术主要体现在如下几个方面：

1. 器件方面

激光器：长时间工作条件下，激光器的功率稳定性、光束模式及其稳定性，是高速激光熔覆最关键的技术，如何提高现有的三大类激光器（即光纤激光器、半导体激光器和碟片激光器）激光功率的稳定性，改善光束模式及其稳定性，是摆在面前的关键技术难题。

熔覆头：粉末焦点与激光束焦点的同步效果差，造成合金粉末利用率较低；合金粉末在抵达激光熔池之前，粉末受激光能量的辐照时间较短，粉末的温度较低，造成超高速激光熔覆的效率下降，熔覆层的稀释率难以控制；送粉嘴出口粉末的分布密度与激光能量密度的匹配关系不清晰，造成熔覆层的厚度均匀性差，表层粗糙度偏高；粉嘴采用铜合金制造，其耐磨性差，使用年限长。

送粉器：送粉器送粉速率的稳定性直接决定了高速激光熔覆层表层的平整度，目前国内所采用的刮板式送粉器，其精度有待改善。

2. 粉末材料及激光与材料作用机理方面

国内外还缺乏对超高速激光熔覆专用粉末的系统研究，尤其是新型非晶和高熵合金粉末研制。诸多基础技术问题缺乏系统研究和深入探讨，如激光高速熔覆中专用材料的特性、激光能量分布特征、粉末束——激光束——基材间交互作用的基本规律、熔覆层宏观和微观质量控制技术、熔覆层温度场和质场分布机理等，造成熔覆层粉末利用率低、熔覆层的微观和宏观质量可控性差、熔覆层的性能无法满足复杂工况下的需求等致命问题，这在很大程度上限制了该新技术的应用效果。

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