高速激光熔覆將代替硬鉻和電鍍成為表面改性技術(shù)新工藝

現(xiàn)如今，歐盟國家可能會不允許在金屬部件中使用鍍硬鉻，這就需要另一種工藝來替代鍍硬鉻。熱噴涂經(jīng)過測試，具有很高的靈活性，然而測試的結(jié)果往往欠佳。另一個非常不錯的代替鍍硬鉻的選擇是由德國亞琛Fraunhofer ILT的科學(xué)家新研發(fā)的超高速激光熔覆，采用的設(shè)備由德國Laserline公司提供。

 在發(fā)電廠或者其他工業(yè)制造工廠，機械設(shè)備的金屬部分在磨損方面常常經(jīng)受著巨大的考驗，工藝參數(shù)和一般的生產(chǎn)環(huán)境常常很糟糕，導(dǎo)致一些重要的金屬部件的腐蝕和磨損。為了應(yīng)對這些情況和延長一些特別昂貴的生產(chǎn)設(shè)備的使用壽命， 這些設(shè)備的金屬部分外表會被鍍上特殊的涂層。旋轉(zhuǎn)部件、管和其他功能性部件的整個表面都帶有金屬或者是陶瓷涂層。

這增加了工件對熱度、潮濕、侵蝕性化學(xué)物質(zhì)以及金屬碎屑和飛濺物的抗腐蝕性。常常使用的加工是早期被稱為硬鉻電鍍方式。它是一種電鍍方法，把工件浸入鉻電解質(zhì)中，因此被鉻層覆蓋。如果有特殊部分不需要涂層，那部分在浸入電解液溶液前會被包裹起來，特別適用于大幅面與體型大的部件。

 盡管在現(xiàn)階段鍍硬鉻非常成功，但是現(xiàn)在普遍使用的三氧化鉻(CrO3)， 又稱六價鉻(Cr6+)，連同其他有鉻成分的物質(zhì)被歐盟委員會于2013年定義為對人體有害物質(zhì)，并被列入《關(guān)于化學(xué)品注冊、評估、許可和限制的法規(guī)》附件的第14條中，這一常常討論到條例是用來規(guī)范附件里列入的“高度關(guān)注的物質(zhì)”（SVHC）的化學(xué)品使用。從2017年9月開始，這些物質(zhì)只能在獲得歐洲化學(xué)品總署的特殊且有限期認(rèn)證后才能使用。獲得這些認(rèn)證的程序非常復(fù)雜，甚至在申請過程中會遇到一些棘手的問題。

 目前沒有任何選擇，只能找替代方法，以及為使用以上技術(shù)的任何企業(yè)提供新技術(shù)。大家共同面對的問題是替代技術(shù)有限，在技術(shù)上可用和在成本上經(jīng)濟實惠。工業(yè)中使用的熱噴涂，輔料以粉末的形式使用，粉末被燃燒器和‘火焰’熔化，并通過熱氣體噴射器噴射到需要涂層部件表面。熔融材料通過機械粘合附著在表面上。由于各種不同的材料都可以用作涂料，這種方式的高度靈活性的巨大優(yōu)勢就體現(xiàn)出來了，而這種工藝的主要缺點在于有限的大機械應(yīng)力水平。這是由于基材和涂層材料之間的機械結(jié)合，與電鍍工藝產(chǎn)生的結(jié)合相比，粘合有著更少的“負(fù)重力”。因此，用熱噴涂產(chǎn)生的涂層會更快地磨損。此外，熱噴涂還會產(chǎn)生多孔的表面和材料層，容易導(dǎo)致破裂，并且往往還不能通過初始的方法修復(fù)。接下來的結(jié)果通常是一個部分透射的層，其不能與硬鉻鍍層相當(dāng)。為了達到1-2%范圍內(nèi)的孔隙率，涂層的厚度會增加，而這又對工藝成本產(chǎn)生影響，因此相信熱噴涂將大限度的部分替代電鍍。

 高速激光熔覆是另一個選擇

 一個對未來更好的預(yù)測是以粉末為材料，激光為熱源的熔覆工藝。該激光熔覆使用涂料作為粉末，通常為金屬粉末。激光輻射同時熔化金屬粉末以及基底材料并產(chǎn)生冶金結(jié)合，兩鐘熔融材料在稀釋區(qū)域中連接在一起。這些冶金粘結(jié)層相比熱噴涂層要耐磨得多，甚至可以增強電鍍涂層部件的耐磨性。此外，激光熔覆能產(chǎn)生致密層，沒有孔隙和裂縫，并還增加了一些優(yōu)點。然而，激光熔覆在工業(yè)中的應(yīng)用的成功案例有限，主要基于兩個原因。 首先，激光熔覆層的厚度限制在0.5mm或更厚，結(jié)果就是激光熔覆在某些需要更薄涂層（石油和天然氣，農(nóng)業(yè)和發(fā)電廠應(yīng)用）的應(yīng)用中被排除了。第二點，激光熔覆的速度（平方厘米/分鐘）被限制在了10至50平方厘米/分鐘，這是對超出尺寸的部件以米而不是厘米為單位的限制。同時，在一些旋轉(zhuǎn)的應(yīng)用中這一缺點被Fraunhofer激光技術(shù)研究所 (ILT)消除掉了。在特殊升級過的車床上進行的許多基礎(chǔ)試驗中，使用了Laserline LDF 4000-8，具有光束轉(zhuǎn)換器的二極管激光器，顯示出了鎳鉻合金Inconel 625的防腐蝕層可以極快的應(yīng)用，速度可達200米/分鐘。這有助于將涂層厚度減小到20μm，并且可以同時將涂布面積增加到500cm2/ min。總而言之，超高速激光熔覆的zhuanli工藝可以達到10到250μm之間的厚度。

成功的關(guān)鍵在于增加焦平面的強度。盡管標(biāo)準(zhǔn)的激光熔覆使用2-3mm甚至更大的光斑尺寸，但這種新方法是基于1mm的光斑尺寸。 此外，有必要對激光光斑定位，粉末供應(yīng)和保護氣體進行研究。

 常規(guī)的激光熔覆是熔化基體材料和粉末，然后在此基礎(chǔ)上產(chǎn)生熔池-它們僅在該平面中熔合。而超高速激光熔覆是將粉末顆粒加熱到接近熔化溫度，這既增強速度又有助于降低涂層厚度。兩個過程原理如圖1所示。粉末顆粒在高溫下產(chǎn)生或多或少的熔融顆粒，而其僅需要與基材的熔池短暫接觸就可以產(chǎn)生所需的冶金結(jié)合。相比傳統(tǒng)工藝在熔池里熔化顆粒，這種方法帶來了速度提升。相比之下基材中的熔池所需能量少了很多。在一些情況中，使用等量粉末的條件下，所需的激光功率可達到20KW，而高速激光熔覆工藝只需要2~4kW的激光功率。因此基于這種效率，同時減少購買資金投入以及運營成本，這種工藝更加經(jīng)濟實惠。最后，這種激光熔覆產(chǎn)生的是無孔涂層，表面具有非常低的粗糙度的，在涂覆后也僅需一些小小的處理。

 有了這種高速激光工藝，就有了比熱噴涂工藝更優(yōu)的選擇，這也是最有可能代替鍍硬鉻的方案。

 早在2016年，首客戶項目就在ILT發(fā)展的zhuanli技術(shù)的基礎(chǔ)上，通過使用Laserline GmgH激光器成功地實現(xiàn)了。由于此項技術(shù)在全球引起了廣泛的強烈的興趣，很多合作伙伴在開展更多的項目，高速激光熔覆也會在行業(yè)中越來越多的被安裝投入使用。

 雖然該工藝最初僅適用于旋轉(zhuǎn)中的部件涂層，但是現(xiàn)在有更多的想法與方法來建立更多選擇，在不同形狀工件上實現(xiàn)涂層。

 Laserline和ILT將因此從事更多的開發(fā)，并將超高速激光熔覆應(yīng)用于更多應(yīng)用和目的。

 ACunity（亞琛聯(lián)合科技公司）于2016年在德國亞琛建立，作為Fraunhofer ILT（弗勞恩霍夫激光技術(shù)研究所）孵化的產(chǎn)業(yè)化創(chuàng)新企業(yè)，坐落于亞琛工程谷內(nèi)的光制造中心。公司與德國本土激光技術(shù)、先進制造領(lǐng)域的高端企業(yè)建立緊密研發(fā)聯(lián)盟，面向全球市場開展激光制造技術(shù)的研發(fā)、制造、咨詢等服務(wù)；對細(xì)分行業(yè)進行評估，挖掘基于工業(yè)4.0智慧數(shù)字化生產(chǎn)在制造業(yè)中的潛在應(yīng)用，促進亞琛與國內(nèi)企業(yè)、高校及研究機構(gòu)在共同研發(fā)、技術(shù)成果轉(zhuǎn)化的全面合作。

 2018年1月，ACunity在中國成立亞琛聯(lián)合科技（天津）有限公司，作為重點項目落地于天津經(jīng)濟技術(shù)開發(fā)區(qū)，結(jié)合國內(nèi)外優(yōu)勢為企業(yè)提供激光制造產(chǎn)業(yè)化技術(shù)的全生產(chǎn)鏈解決方案。研發(fā)團隊由中德激光加工領(lǐng)域?qū)＜?、高端人才組成，并在中、德兩地設(shè)立了激光制造技術(shù)研發(fā)中心與生產(chǎn)加工中心，已建設(shè)成為集激光加工、智能裝備集成、工藝研發(fā)為一體的國際化研發(fā)平臺，專業(yè)領(lǐng)域涵蓋激光熔覆、激光增材制造、激光修復(fù)、激光焊接、激光微納加工，工業(yè)4.0智能制造應(yīng)用技術(shù)及其建設(shè)規(guī)劃。