激光熔覆在材料加工領(lǐng)域獲得廣泛應(yīng)用

　　激光熔覆（也被稱(chēng)為激光添加制造或涂層制造）是利用激光在基材表面沉積添加材料的過(guò)程，或者是通過(guò)建立材料層創(chuàng)建一個(gè)全新的三維物體。目前，激光熔覆正日益在材料加工領(lǐng)域獲得廣泛的發(fā)展力量。業(yè)界對(duì)激光熔覆技術(shù)興趣高漲，預(yù)計(jì)今年全球至少會(huì)建立兩個(gè)激光熔覆加工站。

???? 利用激光和添加材料實(shí)現(xiàn)零部件快速成型和修復(fù)的過(guò)程，通常稱(chēng)為激光熔覆制造。經(jīng)歷了數(shù)十年的研究發(fā)展，加之激光器系統(tǒng)性能的提高，以及市場(chǎng)對(duì)可持續(xù)發(fā)展的環(huán)保項(xiàng)目的需求，所有這些因素正在促使激光熔覆技術(shù)獲得更廣泛的應(yīng)用。

　　盡管利用激光和添加材料進(jìn)行零件修復(fù)、表面硬化以及快速制造等應(yīng)用，已經(jīng)經(jīng)歷了數(shù)十年的發(fā)展，但是激光熔覆技術(shù)到現(xiàn)在才剛剛在工業(yè)界和商業(yè)界獲得廣泛應(yīng)用。與激光焊接技術(shù)獲得廣泛應(yīng)用的情況類(lèi)似，更高功率的激光系統(tǒng)的出現(xiàn)以及更高的光束質(zhì)量、改進(jìn)的零件質(zhì)量和使用壽命、市場(chǎng)對(duì)可持續(xù)發(fā)展的環(huán)保項(xiàng)目的需求，以及減少能源消耗、有毒氣體排放和材料浪費(fèi)等諸多因素，共同推動(dòng)了激光熔覆技術(shù)的廣泛應(yīng)用。

　　相關(guān)術(shù)語(yǔ)定義
　　熔覆（Cladding）是指在現(xiàn)有零部件的表面增加一個(gè)薄層（通常為3mm或4mm），以改善零部件的表面屬性；而添加制造（additive manufacture，AM）是在現(xiàn)有的結(jié)構(gòu)中添加特定的材料，或是創(chuàng)建自由結(jié)構(gòu)材料。

　　英國(guó)Cranfield大學(xué)焊接工程研究中心的焊接科學(xué)與工程學(xué)教授Stewart Williams說(shuō)：“舉例來(lái)說(shuō)，激光熔覆應(yīng)用包括將抗腐蝕材料涂覆到管道內(nèi)壁，以保護(hù)基體材料，從而避免在管道制造中采用價(jià)格昂貴的耐腐蝕性合金。而常見(jiàn)的添加制造應(yīng)用包括高價(jià)值零部件的修復(fù)（如渦輪葉片和發(fā)動(dòng)機(jī)密封元件的修復(fù)，即將高性能材料添加到渦輪葉片的末端）以及零部件制造。因?yàn)樘砑又圃觳考梢灾苯油ㄟ^(guò)CAD系統(tǒng)制造，每個(gè)零部件可以很容易地改變以適應(yīng)任何需求，這在醫(yī)療應(yīng)用（如醫(yī)療移植）中極為重要。”

　　Williams指出，激光添加制造是增長(zhǎng)最大的領(lǐng)域，英國(guó)和整個(gè)歐洲開(kāi)展了大量的激光添加制造研究活動(dòng)。“在民用飛機(jī)中，目前碳纖維復(fù)合材料的應(yīng)用越來(lái)越廣泛，在最新的飛機(jī)中，所用碳纖維復(fù)合材料的比例已經(jīng)高達(dá)50％。剩下的材料主要是金屬鈦，這是為了避免腐蝕性問(wèn)題。”Williams說(shuō)，“用固態(tài)鋼坯加工零部件的標(biāo)準(zhǔn)機(jī)械制造方法，通常會(huì)將90％的??始材料變成碎屑，材料浪費(fèi)嚴(yán)重。如果采用激光添加制造方法，材料浪費(fèi)通常只有10％，能源消耗和二氧化碳的排放量也大大減少。”

　　美國(guó)南達(dá)科塔礦業(yè)理工學(xué)院添加制造學(xué)科負(fù)責(zé)人James W. Sears指出，盡管過(guò)去的零部件制造領(lǐng)域可能是激光添加制造獲得增長(zhǎng)的一塊市場(chǎng)，然而激光添加制造應(yīng)用真正令人興奮的增長(zhǎng)點(diǎn)是一些大批量應(yīng)用，如用于石油鉆井的增壓管的熔覆應(yīng)用，以及像美國(guó)Caterpillar叉車(chē)公司這樣的大型公司中的熔覆修理和部件再制造等應(yīng)用。“很多這些應(yīng)用每月消耗的材料將達(dá)數(shù)噸，而不是每年使用一噸材料的??型制造和直接制造。”Sears說(shuō)。

　　熔覆
　　激光熔覆是先通過(guò)一個(gè)噴嘴將粉末材料或添加材料涂覆到基材表面，然后在激光束的掃描下，這些材料在基材表面發(fā)生燒結(jié)或熔化，形成涂層。

　　激光輔助金屬修復(fù)和熔覆使用的激光功率范圍通常是1～4kW。“最典型的熔覆應(yīng)用是在鎳基體材料上涂覆碳化鎢這樣堅(jiān)硬的表面材料，來(lái)提高零部件的耐磨性。這些零部件通常用于石油和天然氣鉆井應(yīng)用，或是用于農(nóng)業(yè)應(yīng)用中的刀片和切割磁盤(pán)。”德國(guó)通快公司的產(chǎn)品經(jīng)理christian Foehl說(shuō)，“與熱噴涂等傳統(tǒng)的涂層技術(shù)相比，激光金屬沉積技術(shù)提供了真正的冶金熔合優(yōu)勢(shì)，能創(chuàng)建更高質(zhì)量的涂層，同時(shí)又能避免一些常見(jiàn)的缺陷。使用兩個(gè)或更多個(gè)粉末儲(chǔ)料器，可以將不同的粉末混合在一起，滿(mǎn)足特定的涂層需求。”（見(jiàn)圖1）。

圖1　激光熔覆，通常是利用一個(gè)噴嘴吹出粉末，并利用來(lái)自激光束中心的熱量，實(shí)現(xiàn)表面熔覆。

　　最近，IPG Photonics公司專(zhuān)門(mén)針對(duì)熔覆、焊接和退火應(yīng)用推出了2kW、3kW和4kW的激光器產(chǎn)品。此外，相干公司的HighLight系列半導(dǎo)體激光器系統(tǒng)，其電光轉(zhuǎn)換效率已高達(dá)40％，可輸出808nm或975nm的近紅外光，總輸出功率均達(dá)千瓦級(jí)。

　　快速制造
　　在粉末層添加制造中，激光束熔化沉積粉末，形成一個(gè)20～40μm的薄層，用于直接金屬粉末激光燒結(jié)（Direct Metal Laser Sintering，DMLS）；形成100～150μm的薄層，用于選擇性激光燒結(jié)（selective laser sintering，SLS）；然后，附加的粉末將沉積到每個(gè)凝固薄層的表面，重復(fù)這樣的過(guò)程，就可以將這些薄片建立成三維零部件。DMLS和SLS技術(shù)由德國(guó)Electro Optical Systems公司首創(chuàng)。利用DMLS和SLS技術(shù)，可以用尼龍、玻璃填充尼龍或聚苯乙烯等材料，制造體積為700×380×580mm3的聚合物??型和美術(shù)模型；用不銹鋼、鈦和其他金屬材料制造體積為250× 250×195mm3的金屬零部件。英國(guó)3T RPD 公司利用DMLS和SLS技術(shù)為廣泛的應(yīng)用領(lǐng)域開(kāi)發(fā)定制零部件，其應(yīng)用領(lǐng)域從建筑模型到牙齒種植體（見(jiàn)圖2、圖3）。該公司甚至為一輛智能轎車(chē)設(shè)計(jì)了改進(jìn)的SLS尼龍部件，這些部件同出廠生產(chǎn)的部件一樣，能很好地工作。

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圖2：用高功率激光束逐層熔化聚合物或金屬粉末，生產(chǎn)定制的航空渦輪零件

圖3：甚至能直接從CAD模型生產(chǎn)牙齒移植體“牙科實(shí)驗(yàn)室用直接金屬粉末激光燒結(jié)方法創(chuàng)建牙冠（coping）和牙橋(bridge)；我們公司的EOSINT M 270型金屬燒結(jié)設(shè)備為客戶(hù)定制了一批數(shù)量達(dá)200只以上的假牙，DMLS技術(shù)顯著提高了實(shí)驗(yàn)室的產(chǎn)量，同時(shí)還能滿(mǎn)足嚴(yán)格的質(zhì)量要求。”EOS公司醫(yī)療客戶(hù)經(jīng)理Martin Bullemer說(shuō)，“大批量定制正在牙科、外科儀器??型和假肢制造領(lǐng)域產(chǎn)生一定的影響力。激光燒結(jié)技術(shù)在新興領(lǐng)域的應(yīng)用將變得更為實(shí)用，并且更具成本效益。”

　　POM Group首席運(yùn)營(yíng)官（COO）Bhaskar Dutta表示，對(duì)于用昂貴材料建設(shè)性能優(yōu)良的結(jié)構(gòu)而言，激光金屬沉積方法能減少生產(chǎn)時(shí)間，降低生產(chǎn)成本，并且與傳統(tǒng)的機(jī)械加工方法相比，還可以減少能源消耗。POM Group是一家快速制造公司，其直接金屬沉積（DMD）激光工藝在業(yè)界處于領(lǐng)先地位。Dutta指出，在由美國(guó)航天局（NASA）發(fā)起的一項(xiàng)案例研究中，建立了一個(gè)鏡子房，其采用閉環(huán)反饋控制DMD系統(tǒng)。案例研究中，將用DMD方法制造的部件與用電火花加工（EDM）方法用固態(tài)金屬板制造的部件進(jìn)行了比較，結(jié)果顯示，EDM方法產(chǎn)生了大量廢料（見(jiàn)圖4）。“制造同樣的零部件，DMD加工需要的材料僅僅是EDM方法所需材料的1/3，從而能大量節(jié)省成本，特別是對(duì)于像鎳合金這樣的昂貴材料來(lái)講，DMD的加工優(yōu)勢(shì)更加明顯。”Dutta說(shuō)道。

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圖4：由美國(guó)航天局（NASA）發(fā)起的一項(xiàng)案例研究中，建立了一個(gè)鏡子房用于激光直接金屬沉積。案例研究對(duì)DMD和EDM這兩種加工方法進(jìn)行了比較，結(jié)果顯示，DMD在材料節(jié)省、降低能耗和提高加工速度等方面都大大優(yōu)于EDM。

　　修復(fù)與再造
　　飛機(jī)制造商們預(yù)計(jì)，他們對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的需求將呈增長(zhǎng)態(tài)勢(shì)。“預(yù)計(jì)到2025年，飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)的需求量將超過(guò)11.4萬(wàn)臺(tái)，這為飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)制造商在制造過(guò)程中減少對(duì)環(huán)境的影響，帶來(lái)了一定的挑戰(zhàn)。”英國(guó)Rolls-Royce公司生產(chǎn)過(guò)程主管Steve Beech說(shuō)，“對(duì)于某些零部件，BTF比率（buy-to-fly ratio，即制造一個(gè)零部件所需的??材料量與最終零部件中所含材料量的比率）甚至高達(dá)13:1，也就是說(shuō)，用13公斤的鈦材料加工成的零部件中，只含有1公斤的鈦，其余的都成了廢料。”

　　對(duì)一個(gè)高壓渦輪航空發(fā)動(dòng)機(jī)的密封部件進(jìn)行激光添加修復(fù)，是減少新制造對(duì)環(huán)境影響的一個(gè)很好的例子。“對(duì)于這種單晶零部件，傳統(tǒng)的制造方法是用EDM方式加工晶格（lattice），并在固體基底中加入耐磨性材料，當(dāng)渦輪葉片的密封元件摩擦到它時(shí)，在發(fā)動(dòng)機(jī)服務(wù)期間受到磨損的是這種耐磨基底。” Beech說(shuō)（見(jiàn)圖5）。在這種應(yīng)用中，傳統(tǒng)的技術(shù)（如在一個(gè)密封元件上焊接一個(gè)新的晶格）并不可行，因?yàn)榫Ц癖诘暮穸缺仨氁∮?.3mm（并且每個(gè)渦輪機(jī)具有34個(gè)密封元件，這樣做成本高昂）。“但是利用直接激光沉積技術(shù)熔化合適的粉末來(lái)建立晶格，修復(fù)成本將下降到OEM成本的一半。”Beech 說(shuō)。?

圖5：激光添加制造可用于為航空零件上的晶格制造厚度為0.3mm的薄墻。晶格內(nèi)充滿(mǎn)陶瓷以達(dá)到密封功能，并避免渦輪葉片對(duì)其的磨損。

　　美國(guó)GE Aviation公司采用激光熔覆技術(shù)的歷史已經(jīng)長(zhǎng)達(dá)20多年。“激光熔覆適用于對(duì)那些從現(xiàn)場(chǎng)返回的硬件進(jìn)行頗具成本效益的修復(fù)和表面硬化，例如用于改善自動(dòng)化過(guò)程重復(fù)率的高壓渦輪和壓氣機(jī)葉片。”GE Aviation公司激光應(yīng)用事業(yè)部高級(jí)工程師Sudhir Tewari說(shuō)。Tewari解釋道，通常，激光熔覆產(chǎn)生的熱影響較小，并且處理后材料的屬性好——接近于精煉材料的屬性，因?yàn)榧す馊鄹策^(guò)程的快速凝固速度能夠獲得良好的枝晶微觀結(jié)構(gòu)（dendritic microstructure）。“GE公司參加了面向鎳合金零部件添加制造的‘航空金屬經(jīng)濟(jì)可承受性計(jì)劃（MAI）’，并成功地展示了激光添加沉積技術(shù)在航空應(yīng)用中的可行性。” Tewari說(shuō)，“然而，由于缺乏設(shè)計(jì)質(zhì)量方面的數(shù)據(jù)和潛在的內(nèi)部資金匱乏，致使激光添加制造過(guò)程的應(yīng)用仍然面臨巨大挑戰(zhàn)。”

　　技術(shù)挑戰(zhàn)
　　英國(guó)LPW Technology公司技術(shù)總監(jiān)Phil Carroll說(shuō)，對(duì)于小型零部件的激光添加制造，激光熔覆應(yīng)用的沉積速率在20g/小時(shí)到2～3kg/小時(shí)之間，所使用的激光功率水平在幾十瓦到幾千瓦之間。“但是當(dāng)討論激光添加制造時(shí)，沉積速率并非關(guān)鍵指標(biāo)，真正關(guān)注的因素是冶金完整性，”Carroll說(shuō)。他說(shuō)，同焊接與切割一樣，添加制造將受益于某些過(guò)程的改進(jìn)，例如，使光纖激光器和碟片激光器的光束質(zhì)量得到很好的控制，使更加復(fù)雜的結(jié)構(gòu)生產(chǎn)具有更好的特性，減少殘余應(yīng)力，實(shí)現(xiàn)更好、更強(qiáng)有力的微觀結(jié)構(gòu)。“我們集團(tuán)也非常關(guān)注材料問(wèn)題，如粉末晶粒的尺寸和形狀——這些參數(shù)將有助于在包含添加制造零件的長(zhǎng)達(dá)上英里的焊縫中實(shí)現(xiàn)孔隙自由、無(wú)裂紋結(jié)構(gòu)。”

　　“我們的大部分時(shí)間都花在為客戶(hù)培訓(xùn)這些技術(shù)方面，并向他們證明這些技術(shù)是可以用于實(shí)際生產(chǎn)的。” 3T RPD公司的DMLS經(jīng)理Bruno LeRazer說(shuō)，“盡管由于鐿高功率光纖激光器能夠使用任何金屬粉末，使得DMLS過(guò)程在過(guò)去幾年中獲得了一定的改善，但是要使這些技術(shù)真正能夠達(dá)到適合實(shí)際生產(chǎn)的水平，還仍然有很多工作要做。”

參考文獻(xiàn)
1. The Laser Institute of America’s (LIA; Orlando, FL) Laser Additive Manufacturing Workshop and the Association of Industrial Laser User’s (AILU; Abingdon, England) Additive Layer Manufacturing Workshop.