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金屬熱噴涂技術(shù)及常規(guī)激光熔覆與激光高速熔覆的優(yōu)缺點
來源:
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作者:輝銳集團
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發(fā)布時間: 2021-04-23
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隨著工業(yè)的發(fā)展，機械表面腐蝕磨損情況成為制約工業(yè)生產(chǎn)的重要問題，如何增強機械的表面強度，成為工業(yè)發(fā)展中比較關(guān)注的問題之一。表面修復(fù)強化技術(shù)很多，其中，金屬熱噴涂技術(shù)與激光熔覆技術(shù)是比較常用的修復(fù)技術(shù)。
金屬表面強化是利用激光束將合金材料噴涂（熔覆）在基材表面，得到具有與基體材料不同成分和性能的合金涂層。利用激光技術(shù)可以進行表面噴涂，也可以進行表面熔覆，熱噴涂與激光熔覆的主要區(qū)別在于：
熱噴涂技術(shù)是利用激光束將涂層材料加熱至熔融狀態(tài)，再由壓縮氣體加速噴射到基材表面，經(jīng)過沉積形成金屬涂層，其主要特點如下：
1、涂層結(jié)合強度、致密度高；
2、涂層表面粗糙度低；
3、噴涂效率比較高，操作方便；
4、具有較強的化學(xué)穩(wěn)定性能。
激光熔覆是將涂層材料與基材表面熔化，并且快速凝固的過程，熔覆層與基體材料表面形成冶金結(jié)合，形成修復(fù)層，其主要特點如下：
1、冷卻速度快；
2、涂層稀釋率低；
3、熱輸入和畸變較??；
4、熔覆層的厚度范圍比較大；
5、性價比高，容易實現(xiàn)自動化。
自2017年末問世一年以來，高速激光熔覆受到了我國激光行業(yè)及廣大金屬表面處理加工業(yè)的廣泛而高度的關(guān)注。高速激光熔覆技術(shù)在我國發(fā)展迅速，特別是南京輝銳光電科技有限公司，基于完全自主知識產(chǎn)權(quán)技術(shù)，先后推出了2000W，4000W，6000W等系列高速熔覆激光器及整套裝備，為高速激光熔覆產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，提供了強大的裝備和技術(shù)支持。
高速激光熔覆之所以受到廣泛重視，主要原因在于：和常規(guī)激光熔覆相比，高速激光熔覆具有加工效率高，加工精度高、后續(xù)加工成本低，對工件的熱輸入量很小，可減少工件變形等等優(yōu)勢。下面給出二者之詳細比較：
一、 高速激光熔覆相較于常規(guī)激光熔覆優(yōu)點在于：
（1）線速度可達100m/min，大大提高了熔覆效率。直徑70合金鋼基體，熔覆馬氏體不銹鋼材料，涂層厚度0.5mm，搭接70%情況下，熔覆效率可達1.2㎡/h，整體加工效率為常規(guī)熔覆的3-4倍。
（2）熔覆層平整，可直接磨拋加工，不需扯削工序，從而大大節(jié)省材料與加工成本。
（3）可進行薄涂層熔覆（0.2mm-0.3mm），又可進行中、厚涂層熔覆（0.3-1.5），薄、厚兼顧，特殊情況下，亦可進行多層熔覆。
（4）熱輸入小，工件熱變形小，可用于加工薄壁件、小型件。
（5）稀釋率可控制<3%。
（6）激光功率密度大，可以熔覆高熔點粉末材料。
（7）可實現(xiàn)銅、鋁、鈦等有色金屬材料實現(xiàn)表面強化（見下面詳細分析）。
（8）高速熔覆打破了常規(guī)熔覆的許多應(yīng)用限制，應(yīng)用領(lǐng)域廣，且是目前代替電鍍的可行辦法。
二、 高速激光熔覆相交于常規(guī)激光熔覆的缺點在于：
（1）目前高速熔覆的粉末利用率約在70%左右，比常規(guī)激光熔覆略低，還需進一步通過技術(shù)手段提高。
（2）高速激光熔覆為了追求較高的表面質(zhì)量從而節(jié)省材料、降低加工成本普遍采用20-53um的細球形粉末，常規(guī)激光熔覆普遍采用50-150um的粗粉。細粉成本略高于粗粉。
（3）高速激光熔覆屬于新技術(shù)，工藝比常規(guī)熔覆略復(fù)雜。
三、高速激光熔覆與常規(guī)激光熔覆的共通點在于：
（1）熔覆材料共通。常規(guī)激光熔覆可熔覆的材料，高速激光熔覆均可熔；部分常規(guī)激光熔覆不能熔覆的材料，如高熔點材料，高速激光熔覆可熔。
（2）都為冶金結(jié)合。但高速熔覆的涂層效果類似熱噴涂，表面平整。常規(guī)熔覆起伏較大。
（3）工藝路線共通。常規(guī)激光熔覆工藝調(diào)整的關(guān)鍵點同樣是高速激光熔覆工藝調(diào)整的關(guān)鍵點。
（4）應(yīng)用領(lǐng)域一致。即常規(guī)激光熔覆可應(yīng)用的領(lǐng)域高速激光熔覆均可應(yīng)用，且常規(guī)激光熔覆部分無法應(yīng)用的領(lǐng)域高速激光熔覆亦可以應(yīng)用。通俗講就是常規(guī)激光熔覆能干的活高速激光熔覆可以干，常規(guī)激光熔覆不能干的活高速激光熔覆也可能可以干。
四、為什么高速激光熔覆可以在銅、鋁等有色金屬上熔覆：
銅、鋁表面強化一直是行業(yè)迫切需求，但工藝難度大。目前在非冶金結(jié)合情況下可采用噴涂與電鍍工藝路線；冶金結(jié)合情況下目前常規(guī)激光熔覆可采用YAG激光熔覆路線，但YAG工藝路線存在效率低下；其它二氧化碳、半導(dǎo)體、半導(dǎo)體光纖耦合等常規(guī)激光熔覆路線部分學(xué)校、企業(yè)做了大量研究，但最終結(jié)果均不理想，主要原因是由于：銅、鋁難以熔覆的原因在于導(dǎo)熱快，基體不易形成熔池。
從目前的初步試驗結(jié)果看，高速激光熔覆最可能解決這個行業(yè)難點。高速激光熔覆的功率密度是常規(guī)激光熔覆的10-20倍，且一部分光直接作用于基體，可以在銅、鋁基體上形成熔池，這是高速激光熔覆可以實現(xiàn)銅、鋁上熔覆的最主要原因。
金屬表面強化是利用激光束將合金材料噴涂（熔覆）在基材表面，得到具有與基體材料不同成分和性能的合金涂層。利用激光技術(shù)可以進行表面噴涂，也可以進行表面熔覆，熱噴涂與激光熔覆的主要區(qū)別在于：
熱噴涂技術(shù)是利用激光束將涂層材料加熱至熔融狀態(tài)，再由壓縮氣體加速噴射到基材表面，經(jīng)過沉積形成金屬涂層，其主要特點如下：
1、涂層結(jié)合強度、致密度高；
2、涂層表面粗糙度低；
3、噴涂效率比較高，操作方便；
4、具有較強的化學(xué)穩(wěn)定性能。
激光熔覆是將涂層材料與基材表面熔化，并且快速凝固的過程，熔覆層與基體材料表面形成冶金結(jié)合，形成修復(fù)層，其主要特點如下：
1、冷卻速度快；
2、涂層稀釋率低；
3、熱輸入和畸變較??；
4、熔覆層的厚度范圍比較大；
5、性價比高，容易實現(xiàn)自動化。
自2017年末問世一年以來，高速激光熔覆受到了我國激光行業(yè)及廣大金屬表面處理加工業(yè)的廣泛而高度的關(guān)注。高速激光熔覆技術(shù)在我國發(fā)展迅速，特別是南京輝銳光電科技有限公司，基于完全自主知識產(chǎn)權(quán)技術(shù)，先后推出了2000W，4000W，6000W等系列高速熔覆激光器及整套裝備，為高速激光熔覆產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，提供了強大的裝備和技術(shù)支持。
高速激光熔覆之所以受到廣泛重視，主要原因在于：和常規(guī)激光熔覆相比，高速激光熔覆具有加工效率高，加工精度高、后續(xù)加工成本低，對工件的熱輸入量很小，可減少工件變形等等優(yōu)勢。下面給出二者之詳細比較：
一、 高速激光熔覆相較于常規(guī)激光熔覆優(yōu)點在于：
（1）線速度可達100m/min，大大提高了熔覆效率。直徑70合金鋼基體，熔覆馬氏體不銹鋼材料，涂層厚度0.5mm，搭接70%情況下，熔覆效率可達1.2㎡/h，整體加工效率為常規(guī)熔覆的3-4倍。
（2）熔覆層平整，可直接磨拋加工，不需扯削工序，從而大大節(jié)省材料與加工成本。
（3）可進行薄涂層熔覆（0.2mm-0.3mm），又可進行中、厚涂層熔覆（0.3-1.5），薄、厚兼顧，特殊情況下，亦可進行多層熔覆。
（4）熱輸入小，工件熱變形小，可用于加工薄壁件、小型件。
（5）稀釋率可控制<3%。
（6）激光功率密度大，可以熔覆高熔點粉末材料。
（7）可實現(xiàn)銅、鋁、鈦等有色金屬材料實現(xiàn)表面強化（見下面詳細分析）。
（8）高速熔覆打破了常規(guī)熔覆的許多應(yīng)用限制，應(yīng)用領(lǐng)域廣，且是目前代替電鍍的可行辦法。
二、 高速激光熔覆相交于常規(guī)激光熔覆的缺點在于：
（1）目前高速熔覆的粉末利用率約在70%左右，比常規(guī)激光熔覆略低，還需進一步通過技術(shù)手段提高。
（2）高速激光熔覆為了追求較高的表面質(zhì)量從而節(jié)省材料、降低加工成本普遍采用20-53um的細球形粉末，常規(guī)激光熔覆普遍采用50-150um的粗粉。細粉成本略高于粗粉。
（3）高速激光熔覆屬于新技術(shù)，工藝比常規(guī)熔覆略復(fù)雜。
三、高速激光熔覆與常規(guī)激光熔覆的共通點在于：
（1）熔覆材料共通。常規(guī)激光熔覆可熔覆的材料，高速激光熔覆均可熔；部分常規(guī)激光熔覆不能熔覆的材料，如高熔點材料，高速激光熔覆可熔。
（2）都為冶金結(jié)合。但高速熔覆的涂層效果類似熱噴涂，表面平整。常規(guī)熔覆起伏較大。
（3）工藝路線共通。常規(guī)激光熔覆工藝調(diào)整的關(guān)鍵點同樣是高速激光熔覆工藝調(diào)整的關(guān)鍵點。
（4）應(yīng)用領(lǐng)域一致。即常規(guī)激光熔覆可應(yīng)用的領(lǐng)域高速激光熔覆均可應(yīng)用，且常規(guī)激光熔覆部分無法應(yīng)用的領(lǐng)域高速激光熔覆亦可以應(yīng)用。通俗講就是常規(guī)激光熔覆能干的活高速激光熔覆可以干，常規(guī)激光熔覆不能干的活高速激光熔覆也可能可以干。
四、為什么高速激光熔覆可以在銅、鋁等有色金屬上熔覆：
銅、鋁表面強化一直是行業(yè)迫切需求，但工藝難度大。目前在非冶金結(jié)合情況下可采用噴涂與電鍍工藝路線；冶金結(jié)合情況下目前常規(guī)激光熔覆可采用YAG激光熔覆路線，但YAG工藝路線存在效率低下；其它二氧化碳、半導(dǎo)體、半導(dǎo)體光纖耦合等常規(guī)激光熔覆路線部分學(xué)校、企業(yè)做了大量研究，但最終結(jié)果均不理想，主要原因是由于：銅、鋁難以熔覆的原因在于導(dǎo)熱快，基體不易形成熔池。
從目前的初步試驗結(jié)果看，高速激光熔覆最可能解決這個行業(yè)難點。高速激光熔覆的功率密度是常規(guī)激光熔覆的10-20倍，且一部分光直接作用于基體，可以在銅、鋁基體上形成熔池，這是高速激光熔覆可以實現(xiàn)銅、鋁上熔覆的最主要原因。
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