精確的激光熔覆加工方法可用于增材制造、多維修復(fù)以及表面改性

雖然從傳統(tǒng)角度來看，激光熔覆技術(shù)屬于一種堆焊技術(shù)，但是其已經(jīng)應(yīng)用于在現(xiàn)有結(jié)構(gòu)上進(jìn)行增材制造并賦予工件3D特性的加工領(lǐng)域，同時(shí)相比傳統(tǒng)制造方法其經(jīng)濟(jì)效益更加顯著。激光熔覆技術(shù)與傳統(tǒng)基材制造方法的結(jié)合已經(jīng)成為鉆具領(lǐng)域，尤其是鉆探工具制造的變革性技術(shù)。特別是在近期，這種復(fù)合型的生產(chǎn)制造技術(shù)在很多領(lǐng)域中都對傳統(tǒng)制造業(yè)帶來了巨大的沖擊。

這種藝術(shù)性熔覆技術(shù)采用高功率激光束熔化金屬，將高性能的涂層材料置于工件表面。激光熔覆技術(shù)是一種精確的加工制造方法，焊后幾乎不用機(jī)械加工就可以達(dá)到最終尺寸，屬于一種近凈成形技術(shù)。在文獻(xiàn)1中我們已經(jīng)對激光熔覆技術(shù)及其優(yōu)點(diǎn)做過了簡單的介紹。

本文著重介紹激光熔覆技術(shù)的基本原理，以期讓操作人員和設(shè)計(jì)師們能夠更好地理解激光熔覆技術(shù)，從而在生產(chǎn)和試驗(yàn)中能夠最大程度地發(fā)揮激光熔覆技術(shù)的優(yōu)勢。

激光熔覆技術(shù)的基本原理

與傳統(tǒng)的熔覆技術(shù)相比，激光熔覆技術(shù)具有兩大特點(diǎn)，其一是采用激光束作為焊接熱源，其次是其采用其獨(dú)有的方式將涂層材料置于工件表面。這兩大特性使得其他熔覆方法在使用和操作性能上只能望其項(xiàng)背。

激光在機(jī)理上與等離子電弧有很大的不同。等離子體產(chǎn)生于離子化的氣體，在離子化氣體中，原子或分子被分解成帶電的電子和離子，電流通過這些帶電離子進(jìn)行傳輸。這些帶電粒子通過在母材和電極間施加較大的電壓后電離獲得。當(dāng)電弧形成后，在焊接電源、電弧與工件之間會(huì)形成完整的通路，電流在流經(jīng)電弧時(shí)，就會(huì)產(chǎn)生較大的電阻熱。類似于把一根金屬絲兩端分別接到電池的正負(fù)極上出現(xiàn)的短路現(xiàn)象，如果此時(shí)你的手指摁在電池兩端，相信過不了幾秒鐘你就會(huì)因太燙而把電池扔掉。實(shí)際上與工業(yè)級(jí)的激光器相比，等離子產(chǎn)生的熱量要更大，但是其熱行為的可控性難度較大。

激光是電磁輻射的一種集中表現(xiàn)形式，簡單地講，就是聚集在一起的光束。Laser一詞本身就是light amplification by simulated emission of radiation（受激輻射光放大）首字母的縮寫。雖然激光束的產(chǎn)生已經(jīng)超過了本文所論述的范疇，但是知道激光屬于光線范疇，并且遵循光的傳播規(guī)律，有助于更好的了解和使用激光。文獻(xiàn)2中雖然詳細(xì)的介紹了激光的類型、設(shè)備以及激光束的特性，但是沒有詳細(xì)的介紹影響激光束作用的一些關(guān)鍵因素。

影響激光作用效果的兩大因素分別是激光波長和輸出功率。激光波長與量子力學(xué)效應(yīng)直接相關(guān)。這種效應(yīng)取決于激光束產(chǎn)生的介質(zhì)，但僅從工藝角度來看，同一種介質(zhì)所產(chǎn)生的激光幾乎具有同樣的單一波長。因此，在數(shù)納米尺寸范圍內(nèi)，激光束基本是“單色的”，這對材料的激光加工具有很大的影響。金屬對激光輻射的吸收隨著激光束的波長而變化，而這種聚焦能量的吸收是熔覆過程穩(wěn)定的關(guān)鍵因素。對于諸如依靠激光輻射的吸收來進(jìn)行熔化金屬的激光熔覆加工方法，激光波長在確定激光功率的選擇方面起著巨大的作用。大多數(shù)工業(yè)型激光熔覆設(shè)備的紅外激光波長要常于可見光，在1到10μm的近可視紅外光譜范圍內(nèi)。因此，肉眼看不見這些激光束，但重要的是要知道當(dāng)波長位于此范圍內(nèi)的上下限時(shí)，其表現(xiàn)效果會(huì)出現(xiàn)明顯的不同。

激光熔覆所需要的激光器功率要達(dá)到數(shù)千瓦級(jí)，這意味著上百萬束手持紅色激光束同時(shí)聚焦在不到一枚硬幣大小的區(qū)域。此時(shí)聚焦在金屬表面產(chǎn)生的熱量足以把基體熔化，對于鋼來講，表面溫度能夠達(dá)到2500～3000℃。針對不同的材料，在進(jìn)行表面熔覆時(shí)需要的熱量不同；但是對于同種材料來講，無論是采用激光熱源還是電弧熱源，都需要將母材加熱到熔化溫度，但是由于激光束是高度集中的熱源，因此其所需要的總能量要低于弧焊熱源。激光熱源只作用在需要的區(qū)域，而弧焊熱源中有很大一部分熱量要消耗在非加熱區(qū)域，所以在熔化金屬方面激光熱源更有效率 。簡單的講，電弧熔覆就像是探照燈，而激光熔覆就相當(dāng)于在必要的時(shí)候閃光提性的激光束。與焊接相類似，激光熔覆時(shí)熔化的區(qū)域也叫作在熔池。

圖1所示為無粉下母材自熔激光熔覆熔池示意圖，并通過熱成像對熔池形狀和熱源分布進(jìn)行了表征。激光熔覆時(shí)，加熱、熔化、凝固幾乎同時(shí)發(fā)生，整個(gè)過程在不到1s的時(shí)間內(nèi)完成。

激光表面熔化示意圖（激光不加粉自熔）

激光不加粉自熔時(shí)的熔池形狀和熱量分布

圖1 —激光熔覆示意圖

熔覆層的制備需要在熔池中加入涂層材料進(jìn)行熔化。這些涂層材料往往具有先進(jìn)的合金體系，在熔池中熔化并凝固后形成熔覆層。那么值得我們注意的是，這些熔覆材料是采用什么方式加入到熔池之中的呢？一般來講，主要有預(yù)先置粉、過程吹粉、熔化藥芯焊絲或?qū)嵭竞附z幾種方式。工業(yè)上常用的激光熔覆送料方式是采用吹制粉料系統(tǒng)，因?yàn)檫@種方式可以便捷的對熔覆層進(jìn)行成分調(diào)控，同時(shí)送粉率較高，對于復(fù)雜架構(gòu)的熔覆層制備適應(yīng)性較強(qiáng)。該過程的吹制部分，在業(yè)內(nèi)也稱做強(qiáng)制送粉，它是指使用惰性保護(hù)氣體(通常是氬氣)以設(shè)定的流量將粉末顆粒從料斗中通過噴嘴吹送到熔池上。同時(shí)直接作用在液態(tài)金屬的保護(hù)氣體也能防止熔池和熔化的涂層材料免受大氣的氧化，提升涂層熔覆質(zhì)量。

氣體保護(hù)是大多數(shù)焊接方法的標(biāo)準(zhǔn)條件。激光熔覆時(shí)強(qiáng)制送粉方式再進(jìn)一步細(xì)分可分為兩種，分別是同軸送粉和同步側(cè)送粉。同軸送粉是指粉末沿著與激光束同軸的方向送進(jìn)熔池，常用來進(jìn)行工件外表面或柱狀部件的外表面熔覆，具有熔覆效率高、結(jié)構(gòu)適應(yīng)性強(qiáng)的特點(diǎn)。同步側(cè)送粉能夠?qū)崿F(xiàn)狹窄空間的熔覆制備，比如柱形部件或孔的內(nèi)壁熔覆。特殊結(jié)構(gòu)的同步側(cè)送粉裝置甚至能實(shí)現(xiàn)直徑26mm以下，長度0.5m的工件內(nèi)壁熔覆。

激光熔覆的單道涂層寬度一般為4～5mm，余高介于0.5～1.5mm之間。圖2所示為典型的同軸送粉式激光熔覆原理示意圖。封面圖片為采用該方法熔覆的實(shí)際產(chǎn)品樣件。

Fig. 2 — 激光熔覆原理示意圖

激光熔覆過程是一項(xiàng)較為敏感的過程，根據(jù)被熔覆工件的材料種類及產(chǎn)品結(jié)構(gòu)，改變?nèi)魏蔚湫蛥?shù)都可能對涂層質(zhì)量帶來極大的影響，包括粉的種類、送粉速率、熔覆速度。即使最有經(jīng)驗(yàn)的激光熔覆從業(yè)者，在工藝條件與最終涂層尺寸、質(zhì)量之間的關(guān)系上也需要仔細(xì)的斟酌并加以考慮。由于激光熔覆是多項(xiàng)同時(shí)發(fā)生并相互關(guān)聯(lián)的物理過程互相耦合產(chǎn)生，因此改變?nèi)魏我粋€(gè)參數(shù)都可能帶來多米諾骨牌的效應(yīng)，比如傳熱、流體在熔池中的流動(dòng)、激光的吸收、粉末顆粒與熔池表面的相互作用、焊道的凝固等過程都可能產(chǎn)生變化。過程參數(shù)的變化會(huì)不同程度地影響這些物理機(jī)制，過度調(diào)節(jié)某些參數(shù)甚至?xí)鸬较喾吹男Ч?/p>

為了說明單個(gè)參數(shù)變化會(huì)對多種物理現(xiàn)象產(chǎn)生影響，我們可以用增加涂層厚度的例子來說明。比如當(dāng)我們想讓涂層厚度更厚時(shí)，常用的做法是增加送粉速率。但是會(huì)什么增加送粉速度就會(huì)讓涂層厚度增加呢？原因有兩點(diǎn)，首先是增加的粉末吸收了一部分激光能量，產(chǎn)生了更大的熔池，這個(gè)時(shí)候噴出的粉末就會(huì)有更多的熔化區(qū)域，其二是新增的粉末量也增大了整個(gè)涂層的體積，因此能夠使涂層厚度增加。

但是，粉末送進(jìn)速率的增加并不會(huì)永遠(yuǎn)使熔覆層的厚度增加，當(dāng)送進(jìn)量達(dá)到臨界值再增大后，過多的粉末會(huì)在激光束下形成較大的陰影，這種陰影會(huì)限制激光束加熱母材并形成穩(wěn)定熔池的能力。隨著粉末送進(jìn)量的繼續(xù)增加，會(huì)降低母材吸收的總熱量，這樣就會(huì)減少熔池尺寸，使熔敷厚度降低，起到了相反的效果?？梢钥闯龇勰┻M(jìn)給速率可以同時(shí)影響熔敷過程的傳熱和傳質(zhì)，從而影響涂層的厚度。如何設(shè)定參數(shù)并獲得理想的效果，這需要我們將經(jīng)驗(yàn)與對過程物理效應(yīng)和條件的理解相融合，僅靠設(shè)備不足以保證涂層過程的成功進(jìn)行，在熔敷作業(yè)實(shí)施前，必須要對焊接熱輸入以及母材熔敷的冶金性能加以充分的考慮，才能實(shí)現(xiàn)高效、低成本的涂層制備。

激光熔覆技術(shù)的應(yīng)用

激光熔覆技術(shù)在工業(yè)上的應(yīng)用主要有尺寸恢復(fù)、表面改性或兩者兼而有之。與傳統(tǒng)弧焊相比，采用激光熔覆技術(shù)進(jìn)行磨損部件的尺寸恢復(fù)能夠最大程度的減少由熔覆過程的熱循環(huán)對母材產(chǎn)生的消極影響。對于那些比較敏感的高強(qiáng)鋼、高性合金鋼、不銹鋼、鎳基合金等材料，它們的強(qiáng)度需要經(jīng)過熱處理強(qiáng)化才能獲得，因此這一類鋼種的焊接修復(fù)只能采用激光熔覆的方式，因?yàn)橹挥屑す馊鄹膊拍茏畲蟪潭鹊慕档头呛附訁^(qū)域母材的性能惡化。

圖3—采用激光熔覆增材制造的穩(wěn)定器葉片

激光熔覆技術(shù)在表面改性方面也應(yīng)用較多，對于一些在特殊環(huán)境下工作的部件，全部采用特殊材料進(jìn)行制備價(jià)格高昂，而表面改性僅需要對表層材料進(jìn)行特殊處理，從經(jīng)濟(jì)適應(yīng)性方面具有明顯的優(yōu)勢。在很多部件的應(yīng)用中，部件表面的改性對整個(gè)共建的機(jī)械強(qiáng)度和韌性儲(chǔ)備方面影響巨大。因此對于在苛刻環(huán)境下服役的鋼制工件如果沒有經(jīng)過表面處理，根本就無法實(shí)現(xiàn)客觀的使用壽命。比如比如磨損環(huán)境下的自然資源提煉行業(yè)是激光熔覆的主要應(yīng)用領(lǐng)域。在采礦、石油勘探、天然氣開采等行業(yè)中，參與地面開采的工具會(huì)直接與巖石和復(fù)雜泥漿接觸，這些工具即使經(jīng)過了表面耐磨處理，也可能會(huì)在數(shù)小時(shí)或單個(gè)班次下磨損失效。部件失效引起的成本、安全性和生產(chǎn)過程停機(jī)等問題很可能時(shí)災(zāi)難性的，因?yàn)樵谠O(shè)備發(fā)生過程停機(jī)后，往往會(huì)花費(fèi)原始成本的數(shù)倍進(jìn)行設(shè)備重置。定向鉆進(jìn)工具的表面改性是典型的激光熔覆案例，采用激光熔覆技術(shù)進(jìn)行表面改性后能夠確保鉆孔作業(yè)的順利實(shí)施。一旦鉆進(jìn)工具發(fā)生破壞，就可能需要在井下數(shù)公里范圍內(nèi)進(jìn)行失效鉆頭的移除，因此由這類鉆進(jìn)工具帶來的停機(jī)成本會(huì)更加的復(fù)雜。激光熔覆技術(shù)適用于多種鉆進(jìn)工具的表面改性，包括內(nèi)孔和外部鉆進(jìn)工具，采用激光熔覆技術(shù)能夠提高鉆進(jìn)作業(yè)的成功率，并最大程度的發(fā)揮這些工具的性能和使用壽命。

耐腐蝕涂層制備是激光熔覆技術(shù)的另一典型應(yīng)用領(lǐng)域。

不銹鋼、鎳基材料在劇烈的化學(xué)腐蝕條件下具有優(yōu)越的耐腐蝕性能，因此常被用來保護(hù)容器、管道以及傳輸腐蝕性介質(zhì)裝備的內(nèi)表面免受腐蝕。

雖然從傳統(tǒng)角度上看激光熔覆技術(shù)還是一種表面堆焊技術(shù)，但是它為工業(yè)尺度下激光增材制造的可能性開啟了大門。 通過逐層沉積，激光熔覆技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)特征層，甚至整個(gè)工件的近凈成形3D打印，而這僅能通過精確控制熱量和高精度自動(dòng)化的激光熔覆才能實(shí)現(xiàn)?？梢酝ㄟ^激光束的聚焦控制熱量和過程自動(dòng)化的精度來實(shí)現(xiàn)。從實(shí)驗(yàn)室條件下1平方英尺的3D打印平臺(tái)到工業(yè)級(jí)的昂貴型、不受尺寸限制的大型粉末鋪置機(jī)床，激光熔覆技術(shù)有效填補(bǔ)了兩者之間的空白區(qū)域（參考文獻(xiàn)3）。

                                                                                                                                                              （來源：今日頭條）