激光熔覆再制造技术：能用于受损零部件的修复还能激光表面淬火
发布时间：2018-05-13
激光熔覆修复技术是一种材料表面改性技术。它是利用激光高功率密度光束，由激光加工系统在数控控制下，在基体表面指定部位形成一层很薄的微熔层，通过预置或同步方式添加特定成分的自熔合金粉，如镍基、钴基和铁基合金等，使它们以熔融状态均匀地铺展在零件表层并达到预定厚度，与微熔的基体金属材料形成良好的冶金结合，并且相互间只有很小的稀释度，在随后的凝固过程中，在零件表面形成与基体完全不同的，具有预定特殊性能的功能熔覆材料层，从而可以完全改变材料表面性能，最终使得价廉的材料表面获得极高的耐磨、耐蚀、耐高温等性能。
按照材料添加方式的不同，激光熔覆的方法分为预置法和同步送粉法。预置法顾名思义就是预先将要涂层的材料通过喷涂或粘结等方式放置在预处理过的基材表面，然后通过激光束辐射进行重熔后再做适当的热处理；同步送粉则是在预处理后的熔覆基材表面，将粉末直接喷涂在激光辐射所形成的移动熔池上，涂层一次性成型。同步送粉是激光熔覆技术的发展趋势，可以充分利用激光能量，控制工艺参数，提高生产效率和覆层质量。但是同步送粉对粉末的颗粒粒度、流动性等方面也有要求，需要根据具体情况而定。
激光熔覆材料及特性
在激光熔覆的研究中，材料研究是一个重要方向，重在研究各种添加材料与实际应用场景中零部件的相容性。
铁基合金粉末适用于要求局部耐磨而且容易变形的零件。
钴基合金粉末具有良好耐高温性能，耐磨耐蚀也较强，常用于石化和冶金领域。
陶瓷材料在高温下有较高的强度，热稳定性好，化学稳定性高，常用于要求耐磨、耐蚀、耐高温和抗氧化性的零件。
由于单一材料在滑动磨损、冲击磨损和磨粒磨损严重的情况下会无法满足使用工况的要求。因此，金属涂层与陶瓷涂层的复合使用成为研究热点，已有钢、钛合金及铝合金表面激光熔覆多种陶瓷或金属陶瓷涂层的研究。
与其他传统表面处理技术相比，激光熔覆具有其特性和优势：
冷却速度快（高达10^6℃/s），属于凝固过程，容易得到细晶组织或产生平衡态所无法得到的新相，如非稳相、非晶态等；
涂层稀释率小于5%，与基体呈牢固的冶金结合或界面扩散结合，获得涂层成分和稀释度可控的良好熔覆层，保证性能不变质；
采用高功率密度熔覆，加热速度快，对基材的热输入、热影响区和畸变较小；
粉末选择几乎没有任何限制，可以在低熔点金属表面熔敷高熔点合金；
熔覆层的厚度及硬度范围大，且熔覆层微观缺陷少，性能更优；
工艺过程采用数控控制，无接触处理，自动化操作，方便、灵活，可控性强。
激光熔覆在工业中的典型应用
激光熔覆这种修复与再制造的工艺，一是强化功能，可以通过熔覆层增强基材性能；二是修复功能，主要体现在修复材料表面的孔洞和裂纹，恢复已磨损零件的几何尺寸和性能，对几乎整个机械制造业有着非常大的应用价值。
在石矿、化工、冶金、电力、水泥等机械设备行业中，燃机转子轴颈和叶片、轧辊轴颈、钢厂的牌坊等会随着使用时间而老化损坏。这些零部件由于长期承受着燃气高温高压以及腐蚀介质，加上体积负荷引起的机械应力作用，损伤多数发生在表面或表面开始，而失效模式主要是内部金属零部件的碎裂和开裂、磨损或腐蚀严重至局部剥落。因此应用激光熔覆技术强化零部件表面性能能够有效延长使用寿命，而在周期性检修过程中，还可以通过表面再制造技术对受损部位进行补救。
汽轮机转子修复
对于燃气轮机和蒸汽轮机来说，失效部位常发生在热端部件，如转子、叶片和喷嘴。其发生在叶片根部的断裂是不可修复型，而发生在叶片端面或根部的损伤便可通过修复后实现再利用。再者，用于发电机组的叶片往往造价极高，将修复后的叶片重装再利用，将大大地降低电厂的发电成本。
排粉风机叶片磨损修复
电机转子轴劲激光熔覆
在汽车制造行业，20世纪80年开始，欧美日俄以及中国等国家就已开始运用激光熔覆来强化汽车零部件。通过此技术，达到了节约昂贵合金材料，降低生产成本的目的。同样汽车模具在使用中的磨损、腐蚀、接触疲劳而导致的失效也可以通过该技术焕发新生。
总之，不论是零件在服役前的表面强化，还是服役后发生故障进行修复，其传统的加工方式主要有表面淬火、表面渗碳或渗氮、热喷涂、堆焊等。随着加工技术的不断升级和改进，激光移动再制造技术（激光熔覆）逐渐得到广泛应用。
这种激光再制造技术不仅可以用于受损零部件的修复，还可以做激光表面淬火，与传统的热处理方式相比，激光淬火是一种快热快冷的加工技术，可在表面获得晶粒细小的淬硬层。并且，结合高端多轴机床或者6+2式机械手，采用激光器还可对受损的三维复杂零部件进行修复，充分体现了激光再制造技术的柔性化以及先进性。
