激光熔覆技術(shù)特點(diǎn)及行業(yè)應(yīng)用

激光熔覆也叫激光包覆或激光熔敷，采用高能量激光作為熱源，金屬合金粉末作為焊材，通過(guò)激光與合金粉末(或絲材)同步作用于金屬表面快速熔化形成熔池，再快速凝固形成致密、均勻并且厚度可控的冶金結(jié)合層。

激光熔覆技術(shù)原理圖

一、激光熔覆技術(shù)特點(diǎn)

與許多傳統(tǒng)表面處理技術(shù)相比，激光熔覆技術(shù)具有以下顯著優(yōu)勢(shì)與特點(diǎn)：

1.高冶金結(jié)合強(qiáng)度。激光熔覆利用高能激光束極高的集中能量，瞬間微熔工件表面，同時(shí)完全熔化預(yù)設(shè)在工件表面或與激光束同步自動(dòng)輸送的合金粉末。激光束掃描后，襯底通過(guò)自冷卻快速凝固，得到與襯底冶金結(jié)合的致密涂層合金層。

2.可選硬度和厚度。激光熔覆后，熔覆層的硬度可選擇在HRC20-62之間，熔覆厚度可根據(jù)需要調(diào)整。

3.耐磨性和耐腐蝕性。激光熔覆可以在普通碳鋼工件表面形成耐蝕性、耐磨性、優(yōu)異的合金層，從而延長(zhǎng)工件的使用壽命。

4.降低成本和能耗。激光熔覆通過(guò)在基體表面形成具有不同冶金結(jié)合的、合金成分和性能的合金涂層，可以在低成本基體上制作高性能的合金功能層，從而節(jié)約材料成本。

5.包層質(zhì)量高。變形小，機(jī)械重復(fù)性好，界面組織致密，晶粒細(xì)小，無(wú)孔洞、裂紋等缺陷。

二、 激光熔覆機(jī)的主要特點(diǎn):

1.冷卻速度快(高達(dá)106K/s),屬于快速凝固過(guò)程,容易得到細(xì)晶組織或產(chǎn)生平衡態(tài)所無(wú)法得到的新相,如非穩(wěn)相、非晶態(tài)等。

2.涂層稀釋率低(一般小于5%),與基體呈牢固的冶金結(jié)合或界面擴(kuò)散結(jié)合,激光熔覆機(jī)通過(guò)對(duì)激光工藝參數(shù)的調(diào)整,可以獲得低稀釋率的良好涂層,并且涂層成分和稀釋度可控;

3.激光熔覆機(jī)熱輸入和畸變較小,尤其是采用高功率密度快速熔覆時(shí),變形可降低到零件的裝配公差內(nèi)。

4.粉末選擇幾乎沒(méi)有任何限制,特別是在低熔點(diǎn)金屬表面熔敷高熔點(diǎn)合金;

5.激光熔覆機(jī)熔覆層的厚度范圍大,單道送粉一次涂覆厚度在0.2-2.0mm,

6.能進(jìn)行選區(qū)熔敷,材料消耗少,具有卓越的性能價(jià)格比;

7.光束瞄準(zhǔn)可以使難以接近的區(qū)域熔敷;

8.激光熔覆機(jī)工藝過(guò)程易于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化。

三、激光熔覆技術(shù)的常見(jiàn)應(yīng)用行業(yè)

激光熔覆技術(shù)是一門(mén)涉及激光技術(shù)、材料加工技術(shù)、傳感技術(shù)及計(jì)算機(jī)技術(shù)等于一體的多學(xué)科交叉的邊緣學(xué)科，同時(shí)也是一種新興的先進(jìn)制造技術(shù)?；旧?，使用高能量密度的激光輻射將其在基體表面熔化，且快速凝固形成以基體表面為冶金結(jié)合的表面涂層的加工過(guò)程。

激光熔覆技術(shù)在經(jīng)過(guò)數(shù)十年的發(fā)展，已從實(shí)驗(yàn)室進(jìn)入到實(shí)際工業(yè)應(yīng)用中，并在冶金行業(yè)、煤炭行業(yè)、石油化工行業(yè)、交通運(yùn)輸、機(jī)械制造、模具行業(yè)、五金工具等行業(yè)得到了廣泛的應(yīng)用。

1.冶金行業(yè)

據(jù)初步估算，全國(guó)鋼鐵行業(yè)每年僅各種軋鋼生產(chǎn)線(xiàn)上的重要零部件消耗達(dá)100億元。傳統(tǒng)辦法主要是更換這些設(shè)備零部件，甚至因零部件無(wú)法使用報(bào)廢或者更換整機(jī)，損傷失效和報(bào)廢的零部件或者整機(jī)基本上作為廢品處理，造成大量資源的浪費(fèi)。激光熔覆修復(fù)設(shè)備可以在零部件金屬基材上制備出高性能的合金表面，能顯著提高其表面耐磨、耐蝕、耐熱、抗氧化及電氣等性能，不但能延長(zhǎng)新的零部件的使用壽命，還能對(duì)已磨損零部件進(jìn)行熔覆修復(fù)，恢復(fù)其原有尺寸，從而減少更換零部件的周期。

2.礦山機(jī)械行業(yè)

礦山機(jī)械設(shè)備的特點(diǎn)：體積龐大、價(jià)格昂貴、裝卸困難，而且保養(yǎng)維修工作量大。因此在零部件因磨損損壞而停止運(yùn)行時(shí)，會(huì)造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失。激光熔覆可以對(duì)新、舊零件進(jìn)行表面再制造，如液壓油缸、立柱激光熔覆等，從而有效提高零件的耐磨耐蝕性能，延長(zhǎng)零件的使用壽命。

一般用到的都有：

(1)采煤機(jī)：主機(jī)架、搖臂、齒輪、齒輪軸、各種襯套、鉸接架、油缸、油缸座、導(dǎo)向滑靴、鏈輪、銷(xiāo)軌輪、驅(qū)動(dòng)輪、截齒等。

(2)掘進(jìn)機(jī)：油缸、支架、軸、各種襯套、截齒等。

(3)刮板運(yùn)輸機(jī)：中部溜槽、過(guò)渡槽、齒輪箱體、齒輪、齒輪軸、螺旋傘齒輪、軸類(lèi)零件等。

(4)液壓支架：油缸、底座和支架等的鉸接孔、各種襯套等。

3.石油化工行業(yè)

在石油化工行業(yè)中，由于設(shè)備長(zhǎng)期在惡劣的環(huán)境下工作，容易使產(chǎn)品腐蝕磨損，定期對(duì)設(shè)備零件進(jìn)行維護(hù)保養(yǎng)，顯得尤其重要。激光熔覆可以對(duì)失效的零件進(jìn)行熔覆修復(fù)，恢復(fù)原有的使用尺寸，高效恢復(fù)設(shè)備的使用。

現(xiàn)代的石化工業(yè)基本上采用都是連續(xù)大量生產(chǎn)模式，在生產(chǎn)過(guò)程中，機(jī)器長(zhǎng)時(shí)間在惡劣的環(huán)境下工作，導(dǎo)致設(shè)備內(nèi)元件出現(xiàn)損壞，腐蝕、磨損，其中經(jīng)常會(huì)出問(wèn)題的零部件包括閥門(mén)、泵、葉輪、大型轉(zhuǎn)子的軸頸、輪，盤(pán)、軸套、軸瓦等，而且這些元件十分昂貴，涉及到的零部件種類(lèi)也有很多，形狀大多數(shù)都很復(fù)雜，修復(fù)起來(lái)有一定的難度，但是因?yàn)榧す馊鄹布夹g(shù)的出現(xiàn)，這些問(wèn)題就都不是問(wèn)題了。

4.交通運(yùn)輸行業(yè)

交通運(yùn)輸行業(yè)包括陸路、水路、航空運(yùn)輸?shù)?，交通運(yùn)輸設(shè)備的特點(diǎn)是使用頻率高，環(huán)境復(fù)雜多變，導(dǎo)致設(shè)備需要定期維護(hù)保養(yǎng)。激光熔覆可修復(fù)各類(lèi)零部件，使其恢復(fù)原有尺寸，從而有效提高零部件的使用周期。

1)海洋環(huán)境惡劣，濕度大、鹽分高，海洋船舶裝備易發(fā)生磨損和腐蝕。海洋工程裝備和船舶部件技術(shù)復(fù)雜、價(jià)值較大，失效報(bào)廢浪費(fèi)巨大。國(guó)內(nèi)已有船廠(chǎng)應(yīng)用激光熔覆技術(shù)對(duì)船舶葉輪腐蝕、發(fā)動(dòng)機(jī)缸套以及柴油機(jī)進(jìn)排氣閥盤(pán)錐面磨損，進(jìn)行高精度修復(fù)，獲得了良好的熔覆效果，恢復(fù)了功能并提高了耐磨、耐腐蝕性能。

2)在汽車(chē)工業(yè)應(yīng)用中，最先采用激光技術(shù)主要用于切割，熱處理，隨著熔覆技術(shù)的發(fā)展，逐步發(fā)展到柔性增材制造技術(shù)。例如發(fā)動(dòng)機(jī)的排氣門(mén)的密封錐形面熔覆Stellite合金是最先采用該技術(shù)的汽車(chē)零件。意大利菲亞特汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)排氣閥座的環(huán)形表面和美國(guó)的汽車(chē)排氣閥座都采用激光熔覆耐熱合金。目前北京機(jī)科國(guó)創(chuàng)輕量化科學(xué)研究院與廣西玉柴合作，在發(fā)動(dòng)機(jī)氣門(mén)座環(huán)形表面進(jìn)行耐磨耐高溫合金的熔覆成形，也取得了階段性成果。

3)在航空航天領(lǐng)域中，激光高速熔覆技術(shù)在航空航天領(lǐng)域的另一應(yīng)用就是“移動(dòng)式零件修復(fù)醫(yī)院”。核心是采用激光高速熔覆技術(shù)在戰(zhàn)場(chǎng)上進(jìn)行關(guān)鍵件的修復(fù)或者制造。它甚至可以采用衛(wèi)星通信設(shè)備傳輸有關(guān)制造零件的數(shù)據(jù)信息。在沒(méi)有數(shù)據(jù)信息的情況下，也可以采用逆向工程獲得要建零件的外部輪廓信息，經(jīng)過(guò)必要的處理后實(shí)現(xiàn)修復(fù)或者制造工作。激光高速熔覆技術(shù)最具特色的優(yōu)勢(shì)在于通過(guò)改進(jìn)送粉技術(shù)，實(shí)現(xiàn)零件中材料成分的實(shí)時(shí)連續(xù)變化，制造具有梯度成分材料的高性能零部件。

航空用鈦合金裝備耐磨備件，激光熔覆后備件磨損僅為原始件的4.2%，直至將對(duì)磨鋼絲繩磨斷也沒(méi)發(fā)生磨損。

5. 電力設(shè)備及其零部件的制造與再制造

電力設(shè)備分布量大、不間斷運(yùn)轉(zhuǎn)，其零部件的損壞機(jī)率高。汽輪機(jī)是火力發(fā)電的核心設(shè)備，由于高溫高熱特殊的工作條件，每年都需定期對(duì)損傷的機(jī)組零部件進(jìn)行修復(fù)，如主軸軸徑、動(dòng)葉片等。燃?xì)廨啓C(jī)由于其在高達(dá)1300℃的高溫條件下工作，經(jīng)常會(huì)發(fā)生損傷。采用激光再制造技術(shù)將其缺陷全部修復(fù)完好，恢復(fù)其使用性能，費(fèi)用僅為新機(jī)組價(jià)格的1/10。

審核編輯：湯梓紅