目前，零件的耐蝕、耐磨涂層主要是通過硬鉻的電鍍、熱噴涂、或其它堆焊技術(shù)來修復(fù)。不過，這些技術(shù)的應(yīng)用將會(huì)逐漸由于環(huán)境，健康等問題被取而代之。2017年9月起，鉻(VI)涂層必須經(jīng)過嚴(yán)格的官方批準(zhǔn)方可使用，而將來將會(huì)徹底禁用。為此德國弗勞恩霍夫激光技術(shù)研究所（Fraunhofer ILT）和亞琛工業(yè)大學(xué) （RWTH-Aachen）的研究者開發(fā)出一種超高速激光熔覆技術(shù)，德文稱之為 EHLA。并榮獲了2017年Fraunhofer創(chuàng)新獎(jiǎng)（Fraunhofer最高獎(jiǎng)項(xiàng)）。
圖 1 超高速激光熔覆制備工藝
比熱噴涂更有效利用資源
圖 1 超高速激光熔覆制備工藝
Copyright Notice , Fraunhofer , Germany / Voker Lannert.
圖2 超高速激光熔覆技術(shù)
Copyright Notice , Frauhofer ILT, Aachen, Germany / Voker Lannert.
保護(hù)零件免受腐蝕和磨損并不簡(jiǎn)單，標(biāo)準(zhǔn)的工藝如硬鉻電鍍、熱噴涂、堆焊 等技術(shù)均有各自的局限性。激光熔覆是比較常見的可替代工藝，但由于鍍層速率以及精度的不足，還沒有被廣泛使用。而超高速激光熔覆技術(shù)，將革命性替代傳統(tǒng)的涂層制備工藝。弗勞恩霍夫激光技術(shù)研究所的 Andres Gasser 博士介紹說: “采用超高速激光熔覆技術(shù)，我們可以在短時(shí)間內(nèi)完成大面積涂層的快速制備， 熔覆層厚后按照工藝需求從0.1- 0.25 mm調(diào)整，對(duì)工件表面基本無損傷，和普通激光熔覆工藝的不同之處在于粉末在離工件一定距離處融化，并高速噴射到工件表面形成極薄的冶金層。
替代硬鉻電鍍技術(shù)
硬鉻電鍍是當(dāng)前耐蝕、耐磨涂層制備最常用的技術(shù)之一，但是耗能較大。此外，鉻(VI)對(duì)環(huán)境有污染，這也是為什么自 2017 年 9 月起，鉻(VI)只能在特殊批準(zhǔn)下 方可使用。超高速激光熔覆技術(shù)如今為我們提供了更經(jīng)濟(jì)的方法，加工過程無需 應(yīng)用化學(xué)原料，非常環(huán)保。不同于電鍍鉻層，該技術(shù)制備的涂層與基體之間為冶 金結(jié)合，涂層不易剝落。并且，超高速激光熔覆技術(shù)制備的表面涂層中沒有硬鉻層里常見的氣孔和裂紋缺陷，其防護(hù)作用更持久、有效。
比熱噴涂更有效利用資源
熱噴涂技術(shù)同樣也有不足之處，其加工過程粉末材料與氣體消耗較大，材料利用率最大只有 50%左右; 并且涂層和基體的結(jié)合力較弱。由于熱噴涂制備的涂層 氣孔較多，必須采用多層沉積方式制備(每層大約 25-50 μm 厚)。相比于熱噴涂 方法，新開發(fā)的超高速激光熔覆技術(shù)材料利用率高達(dá) 90%以上，明顯提高了金屬粉的 利用率與經(jīng)濟(jì)性。單層涂層中不僅沒有氣孔，而且與基體結(jié)合牢靠。
比堆焊速度更快、應(yīng)用更廣
堆焊常用來生產(chǎn)高質(zhì)量、堅(jiān)固的涂層，傳統(tǒng)的堆焊工藝如鎢極惰性氣體保護(hù)焊或 等離子弧粉末沉積技術(shù)的涂層一般都較厚(約 2-3mm)，需要消耗大量材料。常 規(guī)激光熔覆技術(shù)雖然已經(jīng)可以制備較薄的涂層(約 0.5mm-1mm),但在處理大零 件表面時(shí)效率還是太低，所以目前為止只應(yīng)用于某些特殊領(lǐng)域。該方法的另一問 題是需要特定的熔池尺寸方可獲得無缺陷的熔覆涂層:零件被局部熔化的同時(shí)， 粉末通過送粉噴嘴直接送入到熔池內(nèi)部。Gasser 博士在闡述超高速激光熔覆新技 術(shù)時(shí)強(qiáng)調(diào)，其工藝關(guān)鍵性是“粉未顆粒在熔池上方就被激光熔化”。這意味著粉末 材料是以液態(tài)形式進(jìn)入到熔池，而不是以固態(tài)顆粒狀態(tài)，因此熔覆層會(huì)更加均質(zhì); 而且，激光對(duì)基體材料的熔化量非常有限, 只是表面的幾個(gè)微米深度，而不是毫米尺度。
超高速激光熔覆速度比傳統(tǒng)激光熔覆快 100-250 倍，使得激光對(duì)基體的熱影響 達(dá)到最小。因此，超高速激光熔覆可實(shí)現(xiàn)熱敏感材料零件的涂層制備，傳統(tǒng)方法因熱輸過高，這在之前是不可能實(shí)現(xiàn)的。同時(shí)，這種新工藝還可用于全新的材料組合，例如鋁基材料或鑄鐵材料上涂層的制備。
客戶驗(yàn)證
作為全世界最知名的應(yīng)用科學(xué)機(jī)構(gòu)，F(xiàn)raunhofer定制化開發(fā)一定會(huì)配套工業(yè)應(yīng)用場(chǎng)景。
荷蘭的海洋平臺(tái)管件生產(chǎn)商IHC Vremac Cylinder B.V 率先采用超高速激光熔覆來替代原有電鍍工藝，經(jīng)過專業(yè)的質(zhì)量檢測(cè)，耐腐蝕測(cè)試通過了ISO 15614-7。而IHC公司的技術(shù)人員Andres Veldman先生表示通過率先應(yīng)用EHLA，將有效延長(zhǎng)產(chǎn)品使用周期，節(jié)省大量維修費(fèi)用，大大提升產(chǎn)品的行業(yè)競(jìng)爭(zhēng)力。
攜手ACunity 挺進(jìn)中國
ACunity 公司作為弗勞恩霍夫激光技術(shù)研究孵化的創(chuàng)新企業(yè)，面向亞洲市場(chǎng)開展激光增材制造，激光焊接相關(guān)先進(jìn)制造技術(shù)與裝備的研發(fā)，引進(jìn)，咨詢及培訓(xùn)服務(wù)。公司創(chuàng)始人洪臣先生表示：在Fraunhofer 工作的八年讓我認(rèn)識(shí)到從研發(fā)成果到最終工業(yè)化的曲折，但這也是我們創(chuàng)立ACunity的動(dòng)力之一。我們會(huì)與老東家弗勞恩霍夫激光技術(shù)研究院共同將超高速激光熔覆推向亞洲市場(chǎng)。我們已集合國內(nèi)最優(yōu)質(zhì)的研發(fā)，管理團(tuán)隊(duì)，來對(duì)接應(yīng)用場(chǎng)景。再制造以及修復(fù)的市場(chǎng)非常之巨大，但要有過硬的設(shè)備以及工藝作為支持。使之能夠做到低成本運(yùn)營，高質(zhì)量成品還是頗具挑戰(zhàn)的。
2016年底ACunity和荷蘭Hornet B.V簽署了技術(shù)合作協(xié)議，為客戶定制開發(fā)超高速激光熔覆設(shè)備，同時(shí)根據(jù)應(yīng)用不斷完善線上檢測(cè)，質(zhì)量檢測(cè)設(shè)備。超高速的工藝開發(fā)也將繼續(xù)向超高速立體成型方向拓展。
經(jīng)過半年的奮戰(zhàn)，第一臺(tái)銷往國內(nèi)的超高速激光熔覆設(shè)備將進(jìn)駐中國機(jī)械科學(xué)研究總院先進(jìn)制造技術(shù)研究中心（CAMTC），第一臺(tái)樣機(jī)將用來雙邊開展大量的可行性研究以及小批量生產(chǎn)。相信不久大家就可以看到超高速熔覆在國內(nèi)的應(yīng)用實(shí)例。研究中心主任王淼輝博士一再強(qiáng)調(diào)：超高速激光熔覆技術(shù)的發(fā)明是增材技術(shù)發(fā)展歷程中的革命性的一步，它解決了制約傳統(tǒng)熔覆技術(shù)大規(guī)模推廣的最大瓶頸-效率，從而也帶來了成本的大幅度降低，未來將會(huì)極大刺激金屬3D打印技術(shù)的產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用，具有里程碑的意義！
讓我們拭目以待! 歡迎大家到訪德國參加6月26-29日的慕尼黑激光展 LASER World of PHOTonICS (展位位置 A2.431)，我們將現(xiàn)場(chǎng)為您展示超高速激光熔覆。
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