【導(dǎo)讀】眾所周知，熔覆可以改善金屬零件的抗磨損和抗腐蝕性。雖然傳統(tǒng)的電弧焊和基于激光的方法是經(jīng)濟(jì)上可行的工藝，并能帶來(lái)不錯(cuò)的性能，但在熔覆過(guò)程中仍然有可能形成碳化物晶粒，從而會(huì)影響熔覆層的機(jī)械強(qiáng)度和壽命。本文介紹了一種新的自動(dòng)化的激光工藝，能避免碳化物晶粒的形成，并探討了新一代光纖激光器如何讓該工藝不受背反射的影響。
傳統(tǒng)激光熔覆的特點(diǎn)
簡(jiǎn)單地說(shuō)，熔覆材料以粉末或絲狀的形式被引入到零部件的表面，隨后用激光器來(lái)選擇性地將這種材料和基材溶化到非常小的深度，以融合這兩種材料。
相比電弧焊和熱噴涂方法，激光熔覆具有幾個(gè)優(yōu)勢(shì)。具體來(lái)說(shuō)，對(duì)熱量進(jìn)行精準(zhǔn)而有限的應(yīng)用，可以將零部件的熱變形控制在最小比例甚至不會(huì)產(chǎn)生熱變形，從而免去了后續(xù)處理中再加工的需要。同時(shí)，激光熔覆也會(huì)讓沉積材料和基體材料產(chǎn)生很少的混合（稀釋?zhuān)谌鄹矊雍突闹g產(chǎn)生真正牢固的冶金結(jié)合。
然而，幾位研究人員注意到，有時(shí)候在激光熔覆過(guò)程中發(fā)生的材料快速冷卻，會(huì)產(chǎn)生結(jié)合缺陷，并在熔覆層中產(chǎn)生一些孔隙，從而導(dǎo)致晶粒或其他異質(zhì)顯微結(jié)構(gòu)的形成。這些結(jié)構(gòu)的特殊性質(zhì)高度依賴(lài)于精確的激光工藝參數(shù)與采用的熔覆材料，他們還觀察到裂縫、孔隙和各種柱狀和帶狀晶粒結(jié)構(gòu)的存在。每一個(gè)這樣的結(jié)構(gòu)都會(huì)影響熔覆層的壽命和有效性。例如，熔覆層裂紋會(huì)為腐蝕提供溫床，甚至可能會(huì)貫通熔覆層直至基體。晶粒或其他微觀結(jié)構(gòu)會(huì)影響熔覆層的機(jī)械性能，并且已經(jīng)被證明在某些情況下會(huì)降低熔覆層的抗拉強(qiáng)度。
優(yōu)化熔覆工藝
對(duì)各種工藝參數(shù)的影響進(jìn)行了研究，如激光功率、激光光束掃描速度、送料速度和熔覆材料的精確配方。通過(guò)適當(dāng)?shù)乜刂七@些因素，可以將不良的熔覆微觀結(jié)構(gòu)的形成降至最低甚至避免這些瑕疵。具體地說(shuō)，可以通過(guò)以下方法來(lái)創(chuàng)建高性能的熔覆系統(tǒng)，包括精確地模擬熔覆過(guò)程、優(yōu)化熔覆材料，并在之后仔細(xì)控制熔覆工藝流程以重現(xiàn)計(jì)算結(jié)果。
Kthener Spezialdichtungen GmbH（KSD，德國(guó)Kleinwülknitz）開(kāi)發(fā)了一種“激光材料快速制造系統(tǒng)（Rapid Laser Materials Manufacturing，R：LM2）”。該系統(tǒng)由三個(gè)主要功能元件組成，即混料系統(tǒng)、迷你熔化爐和沉積控制系統(tǒng)（圖1）。
圖1：KSD的“激光材料快速制造系統(tǒng)”的主要功能元件示意圖
混料系統(tǒng)包含幾種不同的熔覆粉末以及配備了材料模擬軟件的計(jì)算機(jī)。迷你熔化爐包括光纖激光器和密封處理室，而后者包含光學(xué)聚焦元件、送粉噴嘴、運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)、高溫測(cè)量?jī)x及過(guò)程監(jiān)控?cái)z像機(jī)。沉積控制系統(tǒng)配置了運(yùn)行著CAD/CAM軟件和有限元方法（FEM）模擬軟件的計(jì)算機(jī)。
R：LM2 通過(guò)對(duì)一組有限的金屬粉末進(jìn)行各種組合后來(lái)創(chuàng)建不同的熔覆層。為了根據(jù)給定的應(yīng)用來(lái)選出合適的配方，需要將客戶(hù)的要求輸入到該系統(tǒng)中，包括熔覆層所需的機(jī)械性能和化學(xué)性能（如耐腐蝕性）。然后，材料模擬程序使用相圖來(lái)計(jì)算出能滿(mǎn)足性能要求的熔覆材料的最佳組合。
然后，沉積控制系統(tǒng)中的FEM模擬軟件接收到這個(gè)配方，并確定好熔覆工藝參數(shù)，包括送粉速度、激光功率、氣體成分、需要的工藝溫度，以獲得最佳效果。在密封處理室中，金屬粉末通過(guò)噴嘴被噴涂到工件上，然后用激光熔化。熔覆區(qū)域的具體形狀由噴嘴和激光光束的運(yùn)動(dòng)軌跡來(lái)確定，主要是通過(guò)沉積控制系統(tǒng)中的CAD/CAM軟件來(lái)控制。沉積控制系統(tǒng)通過(guò)過(guò)程攝像機(jī)來(lái)監(jiān)控熔覆區(qū)域的尺寸和位置，并用高溫測(cè)量?jī)x來(lái)監(jiān)控溫度，必要的時(shí)候調(diào)整參數(shù)以獲得預(yù)期的效果。R：LM2系統(tǒng)還能?chē)?yán)密控制密封處理室中的氣體。這對(duì)于實(shí)現(xiàn)均勻、重現(xiàn)性好的熔覆是至關(guān)重要的。
相比傳統(tǒng)的激光熔覆，用R：LM2 系統(tǒng)打造的熔覆展現(xiàn)出非常精細(xì)的碳化物晶粒結(jié)構(gòu)。這些涂層都不含孔隙或裂縫，并且可以達(dá)到 68 HRC的硬度級(jí)別。此外，該系統(tǒng)還有望顯著降低熔覆成本，因?yàn)樽畛Ｒ?jiàn)的傳統(tǒng)熔覆材料都很昂貴，例如鎳合金、碳化鎢和因科鎳合金（Inconel）。而R：LM2 所具有的復(fù)雜模擬和精準(zhǔn)沉積能力，使其在使用成本較低的有色合金組合時(shí)也能讓熔覆層在抗腐蝕和耐磨性等方面實(shí)現(xiàn)同樣的效果。另外，該系統(tǒng)大大減少了復(fù)雜零部件的加工周期。
光纖激光器的考量
光纖激光器對(duì)于實(shí)現(xiàn)R：LM2 工藝的要求來(lái)說(shuō)是一個(gè)理想的選擇，因?yàn)樗鼈兡芴峁┧璧母咻敵龉β剩s800W）和近紅外（NIR）波長(zhǎng)，而且相比其他類(lèi)型的激光器，如閃光燈泵浦的脈沖Nd：YAG激光器，光纖激光器的操作成本較低，保養(yǎng)周期更長(zhǎng)。
在基于單管激光二極管泵浦的第一代光纖激光器中，數(shù)量眾多的所有泵浦組件通常被融合在一起，以實(shí)現(xiàn)最大的穩(wěn)定性。雖然這種方法一般來(lái)說(shuō)具有很高的穩(wěn)健性，但是特別容易受到來(lái)自目標(biāo)材料的背反射的影響。因此，在處理反射型金屬時(shí)，如銅和黃銅，必須使用某種類(lèi)型的光隔離器。此外，融合組件（有時(shí)包括最終的傳輸光纖） 的使用意味著這些激光器不能現(xiàn)場(chǎng)維修。因此，如果任何組件稍有損壞，都必須將整個(gè)激光器運(yùn)回工廠(chǎng)進(jìn)行更換。
相干（Coherent）對(duì)光纖激光器的設(shè)計(jì)使用了創(chuàng)新的模塊化方法，主要是基于半導(dǎo)體激光器線(xiàn)陣（Bar），而不是激光單管（Single Emitter），來(lái)作為泵浦源。使用由分立式光學(xué)元件組成的光束組合器將這些泵浦線(xiàn)陣發(fā)射的光引入到增益光纖中。這個(gè)光束組合器還能校準(zhǔn)增益光纖輸出的光束，然后其他光學(xué)元件將其有效地耦合到最終的傳輸光纖中。
光束組合器的幾何形狀能阻止背反射進(jìn)入泵浦二極管激光線(xiàn)陣，再加上沒(méi)有易損壞的接合，使得這種設(shè)計(jì)不會(huì)受到背反射的影響（圖2）。
圖2：通過(guò)在泵浦光耦合和激光提取中使用自由空間光學(xué)元件，這種光纖激光器不會(huì)受到背反射的影響，并且可以很容易地進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)維修。
這種模塊化的方法還能實(shí)現(xiàn)極具靈活性的現(xiàn)場(chǎng)維護(hù)，因?yàn)樗棺罱K用戶(hù)能夠在短短幾分鐘內(nèi)交換傳輸光纖。此外，其他的模塊化組件，例如泵浦二極管線(xiàn)陣，甚至是增益光纖，全部都可以在必要的情況下進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)更換。
KSD公司在使用傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)的光纖激光器后發(fā)現(xiàn)有可靠性方面的問(wèn)題，于是改為使用相干的HighLight 1000FL 1kW光纖激光器。這消除了他們?cè)?jīng)歷過(guò)的由背反射原因引起的操作難題。
應(yīng)用
現(xiàn)在，KSD公司使用R：LM2 系統(tǒng)對(duì)工業(yè)水龍頭的墊片以及滑環(huán)或旋轉(zhuǎn)密封件的滾道承重面（圖3）進(jìn)行熔覆。這種密封元件用于回轉(zhuǎn)泵、潛水泵或螺旋給料機(jī)。用于安全或控制配件的墊圈必須能承受極端的應(yīng)力，如空蝕或流體流動(dòng)磨損。它們一般在-255°至650°C的溫度范圍內(nèi)工作，需要與研磨介質(zhì)一起使用，沖數(shù)大于100，000/年。軸承表面需要在400，000千米/年的移動(dòng)速度下與具有研磨性或膠粘性的高粘度介質(zhì)一起工作。到目前為止，使用R：LM2 工藝制造的全鐵合金熔覆層已經(jīng)被證明能有效勝任這些應(yīng)用。
圖3：使用R：LM 2系統(tǒng)在滑環(huán)上熔覆鐵錳鉻（FeMnCr）奧氏體硬質(zhì)合金。
KSD公司也在研發(fā)通過(guò)借助R：LM2 技術(shù)實(shí)現(xiàn)3D零件的激光增材制造方面的應(yīng)用。通常情況下，首先將相對(duì)較薄（600微米）的材料層在零件壁上沉積下來(lái)形成條狀，然后再填充這些條狀之間的縫隙。
在這種工藝中，粉末利用率為70~80%，最終零件的尺寸精度在0.2~0.3毫米范圍內(nèi)。這樣的尺寸精度比傳統(tǒng)的粉床法要低大約10倍，但是就像選擇性激光熔化那樣，最終的零件尺寸可以通過(guò)機(jī)械后加工來(lái)迅速獲得。在這種情況下，R：LM2方法的獨(dú)特優(yōu)點(diǎn)就是，借助混料計(jì)算機(jī)可以加工并沉積各種材料，具有很高的靈活性。
總而言之，一種新型的自動(dòng)化激光熔覆系統(tǒng)簡(jiǎn)化了這個(gè)工藝，并且通過(guò)使用成本較低的有色金屬合金讓熔覆更為經(jīng)濟(jì)。光纖激光源的使用使得該工藝能不受背反射的影響，并且也更容易維護(hù)，這應(yīng)該能幫助激光熔覆和激光增材制造被更廣泛的受眾所接受。
