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高速激光熔覆优势和关键技术问题解析
高速激光熔覆优势和关键技术问题解析
发布时间:2022-12-05浏览 217 次
详细说明

激光熔覆技术是利用激光的高能量密度熔化加入的金属合金粉末,并与微熔的基体表面层形成界面为冶金结合的涂层,进而显著提升零部件的表面层耐磨性能、耐腐蚀性能和使用期限的增材制造技术。


高速激光熔覆技术是在激光熔覆基础上快速发展起来的一项新工艺,是增材制造行业领域革命性的突破,高速激光熔覆在国内刚起步不久,得到了国家的高度重视,已被列入我国“中国制造2025”的重要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


高速激光熔覆由德国Fraunhofer激光研究所的Thomas Schopphoven等在JOURNAL OF LASER APPLICATIONS学术期刊上发表了名为“Investigations on ultra-high-speed laser material deposition as alternative for hard chrome plating and thermal spraying”的论文,目的在于利用高速激光熔覆代替传统式镀硬铬和热喷涂工艺。该技术在德国弗劳恩霍夫运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


高速激光熔覆利用极高的激光扫描速度,得到比传统式激光熔覆层更均匀的涂层厚度、更平整表面质量、更低的稀释率、更高的沉积效率、更小的工件形变量,已成为世界各国科研机构和企业重点关注的激光应用新的领域。


下表列出了高速激光熔覆与传统式激光熔覆的主要数据对比。


从上表能够看得出,高速激光熔覆技术在激光制造和再制造行业领域运用中,能有效的减低机加工成本,提升产品质量,增加产品使用期限,特别是在液压支柱、轴类零件、大型覆盖件模具、阀门等应用领域,有着广阔的应用前景。


高速激光熔覆的关键技术


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Z主要的技术,如何提高目前的三大类激光器(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,改进光束模式及其稳定性,是摆在面前的主要技术难题。


熔覆头:


粉末焦点与激光束焦点的同步效果差,使得合金粉末利用率较低;


合金粉末在到达激光熔池以前,粉末受激光能量的辐照的时间较短,粉末的温度较低,使得超高速激光熔覆的效率降低,熔覆层的稀释率很难把控;


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楚,使得熔覆层的厚度均匀性差,表面粗糙度偏高;


粉嘴选用铜合金制造,其耐磨性能差,使用期限长。


送粉器:


送粉器送粉速率的稳定性决定了高速激光熔覆层表面的平整度,目前我国所采用的刮板式送粉器,其精度有待进一步提高。


2.粉末材料及激光与材料作用机理方面


国内外缺少对超高速激光熔覆专用粉末的系统研究,特别是在新型非晶和高熵合金粉末研制。许多基础性技术问题缺少系统的研究及进一步探讨,比如激光高速熔覆中专用材料的特性、激光能量分布特征、熔覆层温度场和质场分布机理等,因此造成了熔覆层粉末利用率低、熔覆层的微观和宏观质量可控性能差、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。