精確的激光熔覆加工方法可用于增材制造、多維修復以及表面改性

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

這種藝術性熔覆技術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。激光熔覆技術是一種精確的加工制造方法，焊后幾乎不用機械加工就可以達到最終尺寸，屬于一種近凈成形技術。在文獻1中我們已經(jīng)對激光熔覆技術及其優(yōu)點做過了簡單的介紹。

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

激光熔覆技術的基本原理

與傳統(tǒng)的熔覆技術相比，激光熔覆技術具有兩大特點，其一是采用激光束作為焊接熱源，其次是其采用其獨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背。

激光在機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。當電弧形成后，在焊接電源、電弧與工件之間會形成完整的通路，電流在流經(jīng)電弧時，就會產(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極上出現(xiàn)的短路現(xiàn)象，如果此時你的手指摁在電池兩端，相信過不了幾秒鐘你就會因太燙而把電池扔掉。實際上與工業(yè)級的激光器相比，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2中雖然詳細的介紹了激光的類型、設備以及激光束的特性，但是沒有詳細的介紹影響激光束作用的一些關鍵因素。

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效應直接相關。這種效應取決于激光束產(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)定的關鍵因素。對于諸如依靠激光輻射的吸收來進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波長位于此范圍內(nèi)的上下限時，其表現(xiàn)效果會出現(xiàn)明顯的不同。

激光熔覆所需要的激光器功率要達到數(shù)千瓦級，這意味著上百萬束手持紅色激光束同時聚焦在不到一枚硬幣大小的區(qū)域。此時聚焦在金屬表面產(chǎn)生的熱量足以把基體熔化，對于鋼來講，表面溫度能夠達到2500～3000℃。針對不同的材料，在進行表面熔覆時需要的熱量不同；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，而激光熔覆就相當于在必要的時候閃光提性的激光束。與焊接相類似，激光熔覆時熔化的區(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行了表征。激光熔覆時，加熱、熔化、凝固幾乎同時發(fā)生，整個過程在不到1s的時間內(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行熔化。這些涂層材料往往具有先進的合金體系，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)，因為這種方式可以便捷的對熔覆層進行成分調(diào)控，同時送粉率較高，對于復雜架構(gòu)的熔覆層制備適應性較強。該過程的吹制部分，在業(yè)內(nèi)也稱做強制送粉，它是指使用惰性保護氣體(通常是氬氣)以設定的流量將粉末顆粒從料斗中通過噴嘴吹送到熔池上。同時直接作用在液態(tài)金屬的保護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。

氣體保護是大多數(shù)焊接方法的標準條件。激光熔覆時強制送粉方式再進一步細分可分為兩種，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熔池，常用來進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)適應性強的特點。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)量之間的關系上也需要仔細的斟酌并加以考慮。由于激光熔覆是多項同時發(fā)生并相互關聯(lián)的物理過程互相耦合產(chǎn)生，因此改變?nèi)魏我粋€參數(shù)都可能帶來多米諾骨牌的效應，比如傳熱、流體在熔池中的流動、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)的變化會不同程度地影響這些物理機制，過度調(diào)節(jié)某些參數(shù)甚至會起到相反的效果。

為了說明單個參數(shù)變化會對多種物理現(xiàn)象產(chǎn)生影響，我們可以用增加涂層厚度的例子來說明。比如當我們想讓涂層厚度更厚時，常用的做法是增加送粉速率。但是會什么增加送粉速度就會讓涂層厚度增加呢？原因有兩點，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，這個時候噴出的粉末就會有更多的熔化區(qū)域，其二是新增的粉末量也增大了整個涂層的體積，因此能夠使涂層厚度增加。

但是，粉末送進速率的增加并不會永遠使熔覆層的厚度增加，當送進量達到臨界值再增大后，過多的粉末會在激光束下形成較大的陰影，這種陰影會限制激光束加熱母材并形成穩(wěn)定熔池的能力。隨著粉末送進量的繼續(xù)增加，會降低母材吸收的總熱量，這樣就會減少熔池尺寸，使熔敷厚度降低，起到了相反的效果。可以看出粉末進給速率可以同時影響熔敷過程的傳熱和傳質(zhì)，從而影響涂層的厚度。如何設定參數(shù)并獲得理想的效果，這需要我們將經(jīng)驗與對過程物理效應和條件的理解相融合，僅靠設備不足以保證涂層過程的成功進行，在熔敷作業(yè)實施前，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，才能實現(xiàn)高效、低成本的涂層制備。

激光熔覆技術的應用

激光熔覆技術在工業(yè)上的應用主要有尺寸恢復、表面改性或兩者兼而有之。與傳統(tǒng)弧焊相比，采用激光熔覆技術進行磨損部件的尺寸恢復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鋼、高性合金鋼、不銹鋼、鎳基合金等材料，它們的強度需要經(jīng)過熱處理強化才能獲得，因此這一類鋼種的焊接修復只能采用激光熔覆的方式，因為只有激光熔覆才能最大程度的降低非焊接區(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

激光熔覆技術在表面改性方面也應用較多，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行制備價格高昂，而表面改性僅需要對表層材料進行特殊處理，從經(jīng)濟適應性方面具有明顯的優(yōu)勢。在很多部件的應用中，部件表面的改性對整個共建的機械強度和韌性儲備方面影響巨大。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用領域。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直接與巖石和復雜泥漿接觸，這些工具即使經(jīng)過了表面耐磨處理，也可能會在數(shù)小時或單個班次下磨損失效。部件失效引起的成本、安全性和生產(chǎn)過程停機等問題很可能時災難性的，因為在設備發(fā)生過程停機后，往往會花費原始成本的數(shù)倍進行設備重置。定向鉆進工具的表面改性是典型的激光熔覆案例，采用激光熔覆技術進行表面改性后能夠確保鉆孔作業(yè)的順利實施。一旦鉆進工具發(fā)生破壞，就可能需要在井下數(shù)公里范圍內(nèi)進行失效鉆頭的移除，因此由這類鉆進工具帶來的停機成本會更加的復雜。激光熔覆技術適用于多種鉆進工具的表面改性，包括內(nèi)孔和外部鉆進工具，采用激光熔覆技術能夠提高鉆進作業(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的另一典型應用領域。

不銹鋼、鎳基材料在劇烈的化學腐蝕條件下具有優(yōu)越的耐腐蝕性能，因此常被用來保護容器、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還是一種表面堆焊技術，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，激光熔覆技術能夠?qū)崿F(xiàn)特征層，甚至整個工件的近凈成形3D打印，而這僅能通過精確控制熱量和高精度自動化的激光熔覆才能實現(xiàn)。可以通過激光束的聚焦控制熱量和過程自動化的精度來實現(xiàn)。從實驗室條件下1平方英尺的3D打印平臺到工業(yè)級的昂貴型、不受尺寸限制的大型粉末鋪置機床，激光熔覆技術有效填補了兩者之間的空白區(qū)域（參考文獻3）。

                                                                                                                                                              （來源：今日頭條）