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超高速激光熔覆用于磨損和腐蝕保護(hù)的涂層
當(dāng)組件的完整性受到操作條件的影響時(shí)，可能需要額外保護(hù)材料免受這種有害環(huán)境的影響。由于大多數(shù)材料損壞過程，尤其是磨損和腐蝕，來自表面或近表面區(qū)域，因此涂層的應(yīng)用是保護(hù)金屬表面的最合適途徑。設(shè)計(jì)用于磨損和腐蝕保護(hù)的涂層必須是一種有效的物理和化學(xué)屏障，防止對(duì)基材的侵蝕性影響。所需的涂層厚度取決于特定應(yīng)用，范圍可以從幾微米到幾百微米不等。通常，每個(gè)涂層系統(tǒng)都針對(duì)特定的功能，其中包括涂層材料的化學(xué)成分、雖然磨損和腐蝕保護(hù)涂層有助于所有工業(yè)部門的許多組件的性能、可靠性和使用壽命，但這些好處通常必須與環(huán)境損害進(jìn)行權(quán)衡。多年來，最有效的磨損和腐蝕保護(hù)系統(tǒng)基于使用富含鉻酸鹽的表面處理，結(jié)果證明這可能會(huì)給生產(chǎn)工人和整個(gè)社區(qū)帶來健康問題。目前由 REACH（化學(xué)品注冊(cè)、評(píng)估、授權(quán)和限制）實(shí)施的立法現(xiàn)在禁止在幾乎所有部門使用六價(jià)鉻。同樣，此限制適用于電鍍中鎳的使用，鎳已被 WHO（世界衛(wèi)生組織）歸類為對(duì)環(huán)境有害且有毒。因此，超高速激光熔覆的決定促進(jìn)了對(duì)更先進(jìn)的“綠色”、無毒和資源意識(shí)的磨損和腐蝕保護(hù)涂層技術(shù)的探索。已經(jīng)研究了許多替代方案，迄今為止超高速激光熔覆最有前途的技術(shù)是熱噴涂技術(shù)，尤其是高速氧燃料 (HVOF) 熱噴涂和激光材料沉積 (LMD)。

尋找“綠色”替代品
使用 超高速激光熔覆，可以應(yīng)用多種材料的涂層，在相對(duì)較高的沉積速率 (1-4 kg/h) 下具有高耐磨性。然而，由于涂層和基材之間的機(jī)械結(jié)合較差，熱噴涂涂層在有限的附著強(qiáng)度方面受到技術(shù)上的限制。此外，熱噴涂涂層難以修復(fù)并且通常表現(xiàn)出 1-2% 的孔隙率水平，降低了它們的耐腐蝕性。與 超高速激光熔覆相關(guān)的另一個(gè)缺點(diǎn)是燃料、粉末和氧氣的資源消耗相對(duì)較高。使用 LMD，可以從各種材料中生產(chǎn)出幾乎 100% 致密、無孔和無裂紋的高質(zhì)量涂層，并具有強(qiáng)大的冶金結(jié)合。通過確定的熱量輸入和局部材料沉積，與傳統(tǒng)焊接工藝和熱噴涂技術(shù)相比，LMD 具有顯著的優(yōu)勢(shì)。由于熱量輸入非常小，因此可以實(shí)現(xiàn)快速凝固和精細(xì)的微觀結(jié)構(gòu)，其性能曲線滿足甚至超過鍛造或鑄造材料的規(guī)格。但是，對(duì)于大型部件的涂布，例如造紙行業(yè)的滾筒（圖1），LMD工藝太慢（涂布速度：10-50cm2 /min，沉積速率：< 0.5 kg/h)。此外，LMD 層對(duì)于許多應(yīng)用（>500 μm）來說太大了。在此層厚度范圍內(nèi)，許多傳統(tǒng)焊接技術(shù)，例如鎢極惰性氣體保護(hù)焊或等離子粉末焊接，由于投資成本大幅降低，因此具有成本優(yōu)勢(shì)。在過去的幾年里，各種設(shè)施和公司已經(jīng)通過生產(chǎn)更大的熔池和更高的激光功率來減少 LMD 的加工時(shí)間，以便每次沉積更多的粉末。事實(shí)上，沉積速率可以成功提高，但反過來資源消耗和熱量輸入也增加了。核心問題——同時(shí)減少涂層厚度和涂層時(shí)間——無法解決。

超高速激光熔覆：第一種用于薄的冶金結(jié)合層的經(jīng)濟(jì)型涂層工藝
超高速激光熔覆的最大加工速度以及最小層厚是有限的，因?yàn)槿鄢刂蟹勰╊w粒的加熱和熔化需要一定的時(shí)間和熔池尺寸。在頂部的圖 2 中，示意性地顯示了 超超高速激光熔覆的工藝原理。由于傳統(tǒng)送粉噴嘴的粉末焦點(diǎn)比較大（2-3mm），大部分激光能量傳遞到基板上。結(jié)果，進(jìn)入熔池的大多數(shù)顆粒具有比液體熔池的溫度T liq低得多的溫度T p (T p  < T liq )。超高速 LMD 的一般方法是在粉末顆粒進(jìn)入熔池之前已經(jīng)將它們加熱到熔化溫度 (Tp ≈ T liq )，見圖 2。為此，大量的光能被沉積到粉末氣流中。同時(shí)，只有一小部分傳輸能量用于在基材表面產(chǎn)生薄熔池。由于所需的時(shí)間和熔池尺寸都大大減少，因此可以同時(shí)將沉積速度提高幾個(gè)數(shù)量級(jí)，并將層厚減少到 10-250 μm。由于沉積到基材中的能量較少，因此僅形成非常小的熱影響區(qū) (HAZ) 和低稀釋度的粘合區(qū)。為了將更多能量沉積到粉末氣流中，需要特殊的粉末噴嘴，從而產(chǎn)生高光密度和小粉末焦點(diǎn)直徑（0.5-1 毫米）。

用于內(nèi)表面的超高速激光熔覆
對(duì)于外徑上的超高速激光熔覆標(biāo)準(zhǔn)光學(xué)器件可用于內(nèi)表面加工，即用于石油和天然氣行業(yè)的氣缸套、軸承和軸承座或塑料和擠出部件的涂層。但是，需要特殊的加工頭。光學(xué)元件、送粉裝置、水冷系統(tǒng)和保護(hù)氣體管必須集成到一個(gè)緊湊的外殼中。對(duì)于傳統(tǒng)的激光熔覆，已經(jīng)開發(fā)出用于不同內(nèi)徑和浸入深度的各種加工頭，并在工業(yè)中使用。由于可用空間有限，內(nèi)部激光熔覆加工頭目前僅使用多噴同軸或橫向送粉噴嘴。然而，超高速激光熔覆 所需的小粉末焦點(diǎn)直徑目前只能通過具有連續(xù)粉末氣流的同軸送粉噴嘴來實(shí)現(xiàn)?；谟糜谕鈴匠咚偌す馊鄹?nbsp;的連續(xù)同軸送粉概念的基本原理，F(xiàn)raunhofer ILT 開發(fā)了一種新型連續(xù)同軸送粉噴嘴，并將其用于內(nèi)部激光熔覆 加工頭IXUN Lasertechnik，見圖 3。

內(nèi)部加工頭集成到大黃蜂激光熔覆高速激光熔覆 機(jī)器中，見圖 4，左。該系統(tǒng)基于傳統(tǒng)車床，并針對(duì)旋轉(zhuǎn)對(duì)稱部件的超高速激光熔覆 進(jìn)行了改裝。借助該系統(tǒng)技術(shù)，厚度范圍約為 50-350 μm 的良好磨損和腐蝕保護(hù)層可以成功地沉積在最小內(nèi)徑為 100 mm 的圓柱形管的內(nèi)表面上，涂層速率高達(dá) 200 cm 2 /min 和沉積速率高達(dá) 1.5 kg/h，參見右側(cè)的圖 4。在底部的圖 4 中，描繪了具有最小稀釋度且厚度約為 100-150 μm 的健全、冶金結(jié)合的超高速激光熔覆 層的橫截面。