1 超高速激光熔覆特性分析

1.1 超高速激光熔覆技術(shù)特點

超高速激光熔覆是基于激光熱源的一種表面制造技術(shù)，其特殊的熔凝形式有別于傳統(tǒng)激光熔覆技術(shù)。一方面，超高速激光熔覆提高了激光能量密度。傳統(tǒng)激光熔覆光斑直徑約為2~4 mm，而超高速激光熔覆光斑直徑小于1 mm[12]，在相同激光能量輸入條件下，小光斑區(qū)域內(nèi)激光能量密度更高。傳統(tǒng)激光熔覆的激光能量密度約為70~150 W/cm2，而超高速激光熔覆的激光能量密度3 kW/cm2[11]。另一方面，在傳統(tǒng)激光熔覆過程中，未熔化的粉體被直接送入熔池，如圖1a所示；而超高速激光熔覆調(diào)整了激光、粉體和熔池的匯聚位置，使粉體匯聚處高于熔池上表面，匯聚的粉體受激光輻照熔化后再進入熔池[7-8]，如圖1b所示。

工藝調(diào)整使超高速激光熔覆的沉積速率較傳統(tǒng)激光熔覆得到了的提升。傳統(tǒng)激光熔覆過程中，為使固態(tài)粉體材料送入熔池后充分熔化，需要較大的激光能量以保證熔池有較長的存續(xù)時間。這導(dǎo)致沉積速率僅為0.5~2 m/min[8]，致使加工效率無法提高。此外，傳統(tǒng)激光熔覆對激光能量的利用率僅為60%~70%，其中熔化粉體的能量僅占總能量的20%~30%[6]。大的熱輸入量易形成較大的熱影響區(qū)。在超高速激光熔覆過程中，固態(tài)粉體材料在熔池上方受激光輻照熔化，在重力和載粉氣流的作用下進入熔池，無需熔池再提供熱量將其熔化，縮短了熔池的存續(xù)時間，沉積速率可以提高至20~500 m/min。沉積效能也由傳統(tǒng)激光熔覆的50 cm2/min提升至500 cm2/min[7-8]。超高速激光熔覆過程中約90%的激光能量用于熔化粉體，剩余能量用于熔化基體材料，形成冶金結(jié)合界面。該能量分配形式對基體造成的熱損傷較小。此外，超高速激光熔覆更為激光利用率可以降低熔覆過程對激光總能的需求，使1~2 kW能量輸入即可達到傳統(tǒng)激光熔覆3~4 kW的沉積效率。這有利于降低激光熔覆的設(shè)備成本。同時，激光-粉體匹配設(shè)計使超高速激光熔覆粉體利用率達到90%以上[12]。

1.2 超高速激光熔覆技術(shù)優(yōu)勢

硬鉻電鍍是過往被廣泛采用的防腐耐磨涂層技術(shù)之一。其制備過程是將工件浸泡于鉻酸溶液中，通過電化學(xué)方式進行涂層沉積。制備的硬鉻涂層一般伴隨有微裂紋，涂層與基體結(jié)合力差，在服役過程中往往出現(xiàn)開裂和剝落現(xiàn)象。由于電鍍巨大的耗電量，其利潤空間被一再壓縮。而生產(chǎn)過程中產(chǎn)生的廢氣與廢液還對環(huán)境造成了污染[13]。目前電鍍行業(yè)已成為夕陽產(chǎn)業(yè)，受到歐盟、美國及中國等工業(yè)部門的嚴(yán)格限制。超高速激光熔覆過程不涉及化學(xué)過程，對環(huán)境綠色友好，可選用的硬面涂層種類繁多，包括鐵基、鎳基和鈷基等合金涂層，該方法制備的涂層無缺陷，結(jié)合強度高，耐用度遠高于電鍍涂層。目前超高速激光熔覆是替代硬鉻電鍍的技術(shù)[7]。

熱噴涂涂層沉積速率雖高，但粉體利用率僅為50%。涂層存在1%~2%孔隙率，腐蝕介質(zhì)可以通過這些空隙對基體造成腐蝕。熱噴涂涂層與基體結(jié)合強度一般低于150 MPa[14]，在重載服役條件下有可能發(fā)生涂層剝離現(xiàn)象。而超高速激光熔覆制備涂層組織致密、無氣孔，且涂層與基體為冶金結(jié)合方式，結(jié)合強度高。

堆焊技術(shù)可制備高質(zhì)量無缺陷的金屬涂層，如鎢極氬弧焊和等離子噴焊，界面為冶金結(jié)合，結(jié)合強度高，單層沉積厚度可達2~3 mm[15-16]。相比于熱噴涂單層25~50μm[8，17]和傳統(tǒng)激光熔覆單層0.5~1 mm的沉積厚度[18-19]，堆焊技術(shù)沉積效率極高。但是，高沉積效率伴隨高能量輸入，這會誘發(fā)基體材料的組織性能轉(zhuǎn)變和熱損傷。超高速激光熔覆技術(shù)與部分表面涂層技術(shù)的參數(shù)對比如表1 所示。

分析涂層厚度可知，在50~500μm厚度范圍內(nèi)涂層并未有技術(shù)解決方案。而超高速激光熔覆技術(shù)恰能填補這一空白，其單層熔覆厚度在25~250μm范圍內(nèi)[6，12]，且制備的涂層表面光滑，粗糙度僅為傳統(tǒng)激光熔覆的10%，只需經(jīng)過磨削加工便可達到精度要求[8]。采用傳統(tǒng)激光熔覆與超高速激光熔覆的表面加工質(zhì)量分別如圖2a、圖2b所示。

1.3 超高速激光熔覆技術(shù)實現(xiàn)形式

目前，超高速激光熔覆加工對象多為軸類和盤類零部件。通過工件的旋轉(zhuǎn)來獲得超高的沉積速率。其運動機構(gòu)主要由夾持工件的旋轉(zhuǎn)機構(gòu)和固定激光熔覆頭的XYZ三維行走機構(gòu)兩部分組成。超高速激光熔覆系統(tǒng)如圖3a所示，其制備過程如圖3b所示。由圖可知，車床夾持工件旋轉(zhuǎn)達到設(shè)定轉(zhuǎn)速后，機器臂帶動熔覆頭沿工件軸向移動進行涂層沉積。

2 超高速激光熔覆研究現(xiàn)狀

2.1 工藝過程研究

弗勞恩霍夫激光技術(shù)研究所的Thomas等人[12]針對超高速激光熔覆開展了大量的工藝研究。采用4 kW激光器將IN625和MetcoClad 625F的鎳基粉體材料沉積在鉻鎳合金鋼基體上。通過控制激光能量、沉積速率、送粉速率、搭接率和載氣流量等變量，研究各參數(shù)對熔覆層厚度的影響。其中沉積速率和送粉率與涂層厚度的關(guān)系分別如圖4所示?？梢钥闯?，涂層厚度隨沉積速率的增加而下降，并趨于穩(wěn)定；而增加送粉率則會使涂層的厚度增加。不同工藝參數(shù)的涂層厚度范圍在約為25~250μm。山東大族再制造有限公司的譫臺凡亮等人[11]通過試驗也獲得了相似結(jié)論。瑞典赫格納斯公司的Conny等人[22]采用馬氏體不銹鋼粉體和In625粉體材料進行超高速激光熔覆工藝試驗，指出超高速激光熔覆涂層厚度t與送粉率G、激光功率P和搭接率O間存在函數(shù)關(guān)系，即t=nG/[P(100-O)]，其中n為大于0的自然數(shù)，如圖5所示。這對超高速激光熔覆工藝研究具有重要的指導(dǎo)意義。

超高速激光熔覆粉體在進入熔池前受激光輻照已發(fā)生熔化，因此獲得粉體的溫度場分布尤為重要。波蘭弗羅茨瓦夫大學(xué)的Koruba等人[23]采用高速攝像機與紅外熱像儀對噴出粉體的形貌與溫度分布進行了采集，如圖6所示。通過對比和修正采集的數(shù)據(jù)，Koruba指出短波紅外和中波紅外譜帶更有利于表征激光與粉體材料的相互作用情況。為確定激光能量的分配比例，弗勞恩霍夫激光技術(shù)研究所Thomas[12]和Kelbassa[6]測量了激光通過粉體后能量的衰減，由此獲得粉體材料對激光的吸收情況，測量裝置如圖6c所示。測試結(jié)果顯示激光穿過粉體后剩余能量隨送粉率的增加而減小，隨粉體顆粒直徑的減小而減小。

2.2 組織與性能研究

哈爾濱工業(yè)大學(xué)的李俐群[24-25]、北京輕量化創(chuàng)新研究院的Shen Bowen[20]和北京交通大學(xué)LiTianci[26]等人采用超高速激光熔覆分別制備了AISI431不銹鋼和AISI 4340低合金鋼涂層，并與傳統(tǒng)激光熔覆制備的涂層進行比較。對不同制備技術(shù)獲得的涂層組織與性能進行了評價。

傳統(tǒng)激光熔覆與超高速激光熔覆的典型截面金相分別如圖7所示。

由圖可見，兩種方法制備的涂層均無裂紋和氣孔等缺陷，且涂層與基體形成了良好的冶金結(jié)合。其中超高速激光熔覆涂層搭接密度大于傳統(tǒng)激光熔覆涂層，在垂直方向上有多條熔道疊加[24]。這是因為超高速激光熔覆形成的熔池小，熔池的粉末填充量也較小，這樣形成的單道涂層具有薄而寬的特點。在此條件下，為了獲得足夠的厚度并且均勻致密的涂層，通過高搭接率來實現(xiàn)，而高搭接率使每一道熔池熔化的區(qū)域中只有小部分位于基體上，如圖7d所示。因此基體的熱輸入量顯著減少，從而獲得極小的熱影響區(qū)和極小的基體熔化量，還能保證涂層與基體有效的冶金結(jié)合。而傳統(tǒng)激光熔覆的熔池有很大一部分依托于基體，這就導(dǎo)致基體所受的熱輻射量較大，使得很大一部分基體材料進入熔池，造成涂層的稀釋，如圖7c所示。因此超高速激光熔覆的稀釋率約為5%，熱影響區(qū)的范圍約為20~50μm；而傳統(tǒng)激光熔覆的稀釋率約在10%~20%，熱影響區(qū)范圍170~300μm[6]。

得益于超快的沉積速率和對基體較小的能量輸入，超高速激光熔覆過程的冷卻速率也高于傳統(tǒng)激光熔覆過程，這有利于涂層凝固過程中的組織細(xì)化。傳統(tǒng)激光熔覆與超高速激光熔覆AISI 431涂層典型微觀組織形貌與主要元素分布如圖8所示。由圖可知，超高速激光熔覆涂層枝晶組織（見圖8d）較傳統(tǒng)激光熔覆組織（見圖8a）更為細(xì)密。主體元素Fe和Cr在超高速激光熔覆涂層中分布均勻（見圖8e和圖8f）。在傳統(tǒng)激光熔覆涂層中，F(xiàn)e和Cr元素沿枝晶伸長方向呈疏密間隔分布（見圖8b、8c），元素存在偏析。因此超高速激光熔覆涂層較傳統(tǒng)激光熔覆涂層的組織細(xì)密且成分均勻，這有利于提高超高速激光熔覆涂層的綜合力學(xué)性能和抗腐蝕能力。

超高速激光熔覆技術(shù)作為硬鉻電鍍的替代技術(shù)，涂層的抗腐蝕性能是其主要考核指標(biāo)之一。Li Liqun[25]和Shen Bowen等[20]測試了AISI 431涂層的電化學(xué)性能，陽極極化曲線（見圖9a）計算可得超高速激光熔覆涂層的腐蝕電流約為0.3236μA，低于傳統(tǒng)激光熔覆涂層的0.4322μA，因此超高速激光熔覆涂層具有更優(yōu)的抗腐蝕能力。Li Liqun[[25]指出超高速激光熔覆涂層較傳統(tǒng)激光熔覆涂層組織更為均勻細(xì)密，涂層中Cr元素分布均勻，這有利于富Cr鈍化膜的形成，從而提升涂層材料的抗蝕能力。傳統(tǒng)激光熔覆與超高速激光熔覆AISI 431涂層的鈍化膜生長機理分別如圖9b、圖9c所示。

目前，對于超高速激光熔覆技術(shù)的性能評價主要集中在抗蝕性能方面，對涂層構(gòu)件力學(xué)方面的性能評價仍比較欠缺。北京交通大學(xué)Li[26]與Pais Vasco大學(xué)的Montes等[27]對超高速激光熔覆涂層自身的拉伸性能進行了測試。但目前鮮有關(guān)于涂層與基體整體構(gòu)件力學(xué)性能評價的報道。

2.3 溫度場數(shù)值仿真

通過上文所描述的超高速激光熔覆制備過程中對溫度場的實驗測量技術(shù)獲得的溫度分布顯然比較粗糙。為了更進一步獲取制備過程中空間溫度場的細(xì)節(jié)，在焊接及傳統(tǒng)激光熔覆過程中往往會結(jié)合數(shù)值仿真等模擬技術(shù)來獲取三維空間的溫度分布[28]。傳統(tǒng)激光熔覆的粉體直接進入熔池后熔化，因此其數(shù)值仿真著重于熔池熔凝過程的研究，無需考慮激光與粉體的作用[29-30]。這顯然并不適用于超高速激光熔覆過程。超高速激光熔覆過程中的粉體材料在進入熔池前已與激光作用發(fā)生熔化，因此仿真模型還需對粉體在進入熔池前的熔化過程進行考慮。然而粉體熔凝過程的仿真對常規(guī)有限元的建模和網(wǎng)格劃分較難。北京航空航天大學(xué)的Liao[31]采用Hot Optimal Transportation Meshfree方法對粉體尺度的超高速激光熔覆過程進行了仿真模擬，其模型如圖10a所示。該方法解決了傳統(tǒng)有限元直接模擬激光沉積過程中網(wǎng)格劃分、物相變化和熱力學(xué)邊際條件的設(shè)定難題，采用無網(wǎng)格化結(jié)構(gòu)，將粉體定義為材料與節(jié)點的點陣組合（見圖10a左上角）。同時結(jié)合控制方程，在無網(wǎng)格化的框架模型下求解超高速激光熔覆過程的變形、溫度場和物相變化，其中溫度場仿真結(jié)果如圖10b所示。數(shù)值仿真的結(jié)果有助于更加深入地了解熔覆過程的機理。

2.4 工業(yè)應(yīng)用現(xiàn)狀

2017 年德尼蘭海洋平臺制造商IHC公司采用超高速激光熔覆技術(shù)替代電鍍，用于平臺立柱的耐蝕涂層制造。同年，弗勞恩霍夫激光技術(shù)研究所子公司ACunity GmbH與北京機械科學(xué)研究總院制造技術(shù)研究中心合作，在中國投產(chǎn)超高速激光熔覆系統(tǒng)，并開展了相關(guān)的基礎(chǔ)研究和工業(yè)生產(chǎn)[8]。2019年德國激光設(shè)備制造商通快集團也將高速激光熔覆納入未來產(chǎn)品發(fā)展規(guī)劃。德國博世公司正針對汽車鑄鐵剎車盤，開發(fā)超高速激光熔覆的相應(yīng)工藝[10]。瑞典金屬粉體制造企業(yè)赫格納斯也在開發(fā)針對替代硬鉻電鍍的超高速激光熔覆粉體材料[22]。國內(nèi)山東能源重裝集團大族再制造有限公司[11]、亞琛聯(lián)合科技有限公司[24]和中科中美激光科技有限公司均開展了對軸類零部件超高速激光熔覆涂層的制備生產(chǎn)工作。綜上，超高速激光熔覆技術(shù)主要應(yīng)用在有防腐和耐磨需求的軸類和盤類零件加工上，鮮見將其應(yīng)用在關(guān)鍵承力零部件上，這與超高速激光熔覆構(gòu)件缺少力學(xué)基礎(chǔ)研究、未建立起工程應(yīng)用的評價體系有直接關(guān)系。

3 超高速激光熔覆的發(fā)展前景及方向

3.1 超高速激光熔覆過程精度控制

超高速激光熔覆技術(shù)目前仍處在推廣應(yīng)用階段，制備過程中的基礎(chǔ)性研究尚不充分，在成型精度和缺陷控制方面仍有許多工作需要完成。

目前，弗勞恩霍夫激光技術(shù)研究所及其合作單位正在研發(fā)適用于超高速激光熔覆的新型熔覆頭及其相應(yīng)的測控系統(tǒng)[8]。該套系統(tǒng)可測量和控制沉積粉體的數(shù)量與流速、匯聚粉斑的位置與直徑。將收集到的數(shù)據(jù)進行整合，建立起粉體的三維分布模型；繼而開展空間粉體與激光交互作用的研究，獲取粉體分布的與沉積效率的規(guī)律關(guān)系，從而指導(dǎo)熔覆頭的優(yōu)化設(shè)計，以獲取更小的粉斑直徑以及合適的粉體-激光作用時間，提升超高速激光熔覆層的幾何精度和產(chǎn)品質(zhì)量。

上述工作仍在進行中，暫未看到具體的研究結(jié)果，但優(yōu)化的熔覆頭原型件已制備出來[10]，如圖11所示。新型的高精度熔覆頭分為內(nèi)部噴嘴（見圖11a）和外部噴嘴（見圖11b）兩部分，內(nèi)部噴嘴為固定結(jié)構(gòu)，保證安裝精度；外部噴嘴為可替換式。通過調(diào)整內(nèi)外噴嘴的間隙和錐體角度，可實現(xiàn)粉體流量和角度的控制。

此外，弗勞恩霍夫激光技術(shù)研究所還開發(fā)出粉體在線監(jiān)控系統(tǒng)Powder Jet Monitor，并已在實驗室進行測試[10]。該系統(tǒng)可對熔覆過程中的粉體進行斷面掃面，獲取二維平面上粉體的密度分布，通過三維重構(gòu)對粉體空間分布進行建模分析，實現(xiàn)熔覆過程的監(jiān)控。

3.2 超高速激光沉積三維增材技術(shù)開發(fā)

如上文所述，超高速激光熔覆技術(shù)主要應(yīng)用在軸、盤類工件表面涂層制備，這屬于二維曲面增材的范疇。那可否將超高速激光熔覆二維增材技術(shù)拓展至三維超高速激光沉積增材技術(shù)呢?

目前，典型的三維增材技術(shù)主要分為兩大類，分別為鋪粉式激光選區(qū)熔化增材技術(shù)[32-34]和激光/電弧沉積式增材技術(shù)[35-37]。前者通過激光掃描和鋪粉交替作業(yè)，實現(xiàn)逐層堆垛式的增材，其采用光斑直徑一般在100~200μm 之間，每層沉積厚度約為50~80μm。因此鋪粉式激光選區(qū)熔化增材可獲得較高的成型精度，但受限于每層鋪粉作業(yè)的耗時，零件的制備效率難以提升。激光/電弧沉積式增材技術(shù)則采用高能量輸入的連續(xù)激光或電弧作為熱源，對填充材料進行熔化沉積，通過空間行走機構(gòu)完成零部件的幾何構(gòu)型。單層沉積厚度可達2~5 mm，沉積效率高。然而，對沉積過程中熔池形態(tài)的控制和成型精度的控制仍是研究的與難點，因此其零件的精度較低。綜上，目前的三維增材技術(shù)難以同時兼顧精度與效率的需求。

綜上所述，超高速激光熔覆技術(shù)可實現(xiàn)1 mm以下的光斑直徑、50~250μm的單層沉積厚度以及高達500 m/min的沉積速率。配合正在開發(fā)中的高精度熔覆噴嘴和在線監(jiān)控系統(tǒng)，超高速激光熔覆技術(shù)能同時滿足零件制備的精度和效率要求。然而，要將超高速激光熔覆二維增材技術(shù)拓展至三維超高速激光沉積增材技術(shù)，首先要解決如何實現(xiàn)熔覆頭與工件的高速平面運動。目前，常規(guī)的XYZ三軸行走機構(gòu)和數(shù)控機器人難以滿足微米級精度的超高速運動。針對這一難點，弗勞恩霍夫激光技術(shù)研究所與Ponticon 公司聯(lián)合開發(fā)了超高速激光沉積3D打印系統(tǒng)[10]。該系統(tǒng)采用固定式激光熔覆頭，通過引入超高速移動平臺實現(xiàn)沉積工件的快速移動。此超高速移動平臺采用三線性驅(qū)動器的并聯(lián)設(shè)計，同時配有慣性補償機構(gòu)，以防止系統(tǒng)高速運動下的震動，該系統(tǒng)原型機設(shè)計如圖12所示。目前該原型機設(shè)計的線性移動速度為200 m/min，旋轉(zhuǎn)線速度為1 000 m/min，通過層狀堆垛構(gòu)建的三維零件的表面粗糙度約為10~20μm?？梢娫撓到y(tǒng)實現(xiàn)了三維增材技術(shù)精度與效率的結(jié)合。

4 結(jié) 論

超高速激光熔覆技術(shù)通過調(diào)整激光、粉材和基體的相對位置，優(yōu)化了粉體的熔凝形式，從而提高了激光沉積過程中能量的吸收率和掃描速度。相比于電鍍、熱噴涂和傳統(tǒng)激光熔覆等表面涂層技術(shù)，它表現(xiàn)出熔覆效率高、涂層結(jié)合強、組織細(xì)密以及基體熱影響區(qū)小等突出優(yōu)勢。然而，超高速激光熔覆技術(shù)目前仍處在推廣應(yīng)用階段。在技術(shù)層面，針對其制備工藝和涂層組織性能的基礎(chǔ)研究還較為欠缺，尤其是針對粉體材料新型的熔凝模式，仍需要提出新型熱源和溫度場分布模型，這是后續(xù)開展其熔凝過程非平衡動力學(xué)、熱力學(xué)和組織演變研究的基礎(chǔ)；在應(yīng)用層面上，超高速激光熔覆目前主要集中在煤、氣、油機和海洋腐蝕平臺的涂層防腐上。由于缺乏對動載條件下涂層構(gòu)件性能的評價和安全評估，鮮有針對關(guān)鍵承載結(jié)構(gòu)上超高速激光熔覆的應(yīng)用報道。因此，建立超高速激光熔覆構(gòu)件性能的安全評估體系是其推廣應(yīng)用急需解決的問題。此外，通過設(shè)備改造可將現(xiàn)有超高速激光熔覆二維增材技術(shù)拓展至超高速激光沉積三維增材技術(shù)，能夠彌補傳統(tǒng)三維增材技術(shù)效率和精度的不足，從而拓寬超高速激光沉積技術(shù)的應(yīng)用范圍，促進其推廣應(yīng)用。

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