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　　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。

　　K？thener 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。