高速激光熔覆技术探讨

邢台京保机械设备制造有限公司
2023-11-09

表面涂层技术，是防护机械设备及其关重件表面腐蚀、磨损等失效的重要和基本手段。虽然传统的涂层制备技术如电镀、热喷涂、堆焊等方法在个各工业领域中有大量应用，但也各有局限性。激光熔覆技术因具有清洁和涂层品异的特点而拥有大规模推广应用的潜力，但是传统激光熔覆技术的粉末利用率低、总体加工效率低、涂层及其零件精度低，使涂层成本偏高，从而制约了其大规模推广应用。

1. 高速激光熔覆装备

高速激光熔覆装备其主要由光纤激光发生器、送粉器、激光熔覆头、气体供应系统、冷却系统、工业机器人及高速机床组成。光纤激光发生器是输出稳定的激光能量，为激光熔覆提供所需的热量。送粉器是控制粉末均匀输送至送激光熔覆头，为激光熔覆提供材料。激光熔覆头是整合由光纤激光器输入的激光和送粉器供给的粉末，从而实现激光与粉末同轴输出，由光路系统和送粉喷嘴组成的激光熔覆头是整套装备的部件部分。气体供应系统是为粉末送进提供动力，保粉末连续稳定送进，以及为激光熔覆头光路系统提供保护气体，防止粉尘污染组合镜片导致激光能量输入受影响。工业机器人可搭载激光熔覆头在空问自由移动，通过数控编程技术控制机器人，提高激光熔覆的加工精度和柔性，满足复杂平面加工的需求。高速机床可夹持加工零件在空间位移，在数控编程系统的控制下，实现工件高速运动和位置变换。

2. 高速激光熔覆致密涂层结构

采用高速激光熔覆制备的铁基涂层与基体结合良好，组织结构致密，无孔洞裂纹等缺陷存在，涂层致密度几乎为**。从电镀硬铬涂层截面发现，涂层内部存在一些垂直于涂层界面的裂纹、孔洞缺陷。这些存在镀铬层中的微裂纹，特别是贯穿性的微裂纹成为腐蚀介质的通道，使得腐蚀介质进入涂层内部，并腐蚀掉涂层与基体结合部位的金属，在外力作用下导致电镀硬铬层剥落，从而使材料的防护失效。采用高速激光熔覆制备的涂层，由于涂层组织致密可以避免类似的涂层防护失效。

3.高速激光熔覆涂层性能

3.1 力学性能

采用高速激光熔覆制备的涂层结合界面处未发现明显的裂纹、孔洞等缺陷，表明高速激光熔覆制备的涂层与基体结合性能优良。这是因为高速激光熔覆特殊的粉末加热原理所致，特制的送粉喷嘴将粉末流在距基材表面一定高度汇聚并与激光束流相互作用，使粉末进入基体表面熔池前已达到熔化状态，因此制备的熔覆层能与基体表面薄层熔池产生冶金连接，故结合性能优良。

3.2 耐蚀性能

采用电化学腐蚀方法对采用高速激光熔覆技术制备的涂层及基涂层的综合性能，归纳了部分现有的涂层制备技术的相关指标，与常规涂层制备技术相比，激光熔覆制备的涂层使用寿命远大于其他涂层，因为激光熔覆技术制备的涂层结合强度高，均为冶金结合；与传统激光熔覆技术相比较，高速激光熔覆技术制备的涂层厚度范围广，且生产成本也低，这是因为高速激光熔覆加工效，材料利用。综上所述，高速激光熔覆技术能够在较下获得防护涂层。

4. 高速激光熔覆技术工程化系统及技术

4.1 运动机构的选择

高速激光熔覆两大技术特点为率和，主要依靠整套熔覆装备的运动机构保证。一方面，采用数控机床作为工件移动机构，可以保证工件与热源之间能够高速移动，从而获得较高的加工效率。另一个方面，激光束流的可达性和方向性好，从而保证了加工的精度。但是激光熔覆热量辐射对于距离的变化非常敏感，激光熔覆头到工件表面的距离变化直接决定了所制备涂层的质量。尤其熔覆复杂曲面时，虽然普通数控机床的控制精度可以满足加工精度的需求，但数控机床的编程操作不够便利。为了进一步简化编程控制，可以采用可编程数控机器人作为激光熔覆头移动机构，从而实现柔性加工，提高加工精度，保证复杂工件涂层制备的质量。

4.2 加工参数的选择

（1）激光功率。在扫描速度和送粉量一定的情况下，随着激光功率的增加，粉末熔化越充分，涂层结合强度越好，但基材熔化量也会增加，涂层的稀释率也越大。因为扫描速度、送粉速率、激光功率不匹配时，过大的激光功率会使大量热量输入到基材。因此在实际生产过程中，在保证粉末粒子熔化的前提条件下，激光功率应当合理选择，避免功率过大导致涂层因稀释而性能恶化。

（2）扫描速度。在激光功率和送粉量一定的情况下，随着扫描速度的增加，涂层厚度逐渐减小，稀释率逐渐降低。因为随着扫描速度的增加，激光比能量减小，大部分用于粉末粒子熔化，仅少量加热基材，提高能量利用率.因此在实际工程化应用时，保证涂层厚度满足需求、粉末充分熔化的前提下，尽量使用大的扫描速度，这样可以获得性能优良的涂层，满足工程化对效率的需求.

4.3 加工后处理

传统激光熔覆，由于加工过程中大部分热量被基体吸收而损失，同时加工速度较慢，导致粒子熔化不充分和气孔夹杂等加工缺陷。因此，在激光加工完成后一般需要对涂层进行激光重熔，以便涂层内部产生的缺陷。高速激光熔覆装备的特殊结构设计，热量利用，制备的涂层内部几乎无孔洞、裂纹等缺陷，且表面光洁度好。因此，采用高速激光熔覆技术制备的涂层可以直接进行后续磨抛精加工，不必采用粗加工处理，材料利用，加工。