激光熔覆在材料加工领域获得广泛应用

激光熔覆在材料加工领域获得广泛应用

　　激光熔覆（也被称为激光添加制造或涂层制造）是利用激光在基材表面沉积添加材料的过程，或者是通过建立材料层创建一个全新的三维物体。目前，激光熔覆正日益在材料加工领域获得广泛的发展力量。业界对激光熔覆技术兴趣高涨，预计今年全球至少会建立两个激光熔覆加工站。

     利用激光和添加材料实现零部件快速成型和修复的过程，通常称为激光熔覆制造。经历了数十年的研究发展，加之激光器系统性能的提高，以及市场对可持续发展的环保项目的需求，所有这些因素正在促使激光熔覆技术获得更广泛的应用。

　　尽管利用激光和添加材料进行零件修复、表面硬化以及快速制造等应用，已经经历了数十年的发展，但是激光熔覆技术到现在才刚刚在工业界和商业界获得广泛应用。与激光焊接技术获得广泛应用的情况类似，更高功率的激光系统的出现以及更高的光束质量、改进的零件质量和使用寿命、市场对可持续发展的环保项目的需求，以及减少能源消耗、有毒气体排放和材料浪费等诸多因素，共同推动了激光熔覆技术的广泛应用。

　　相关术语定义
　　熔覆（Cladding）是指在现有零部件的表面增加一个薄层（通常为3mm或4mm），以改善零部件的表面属性；而添加制造（additive manufacture，AM）是在现有的结构中添加特定的材料，或是创建自由结构材料。

　　英国Cranfield大学焊接工程研究中心的焊接科学与工程学教授Stewart Williams说：“举例来说，激光熔覆应用包括将抗腐蚀材料涂覆到管道内壁，以保护基体材料，从而避免在管道制造中采用价格昂贵的耐腐蚀性合金。而常见的添加制造应用包括高价值零部件的修复（如涡轮叶片和发动机密封元件的修复，即将高性能材料添加到涡轮叶片的末端）以及零部件制造。因为添加制造部件可以直接通过CAD系统制造，每个零部件可以很容易地改变以适应任何需求，这在医疗应用（如医疗移植）中极为重要。”

　　Williams指出，激光添加制造是增长最大的领域，英国和整个欧洲开展了大量的激光添加制造研究活动。“在民用飞机中，目前碳纤维复合材料的应用越来越广泛，在最新的飞机中，所用碳纤维复合材料的比例已经高达50％。剩下的材料主要是金属钛，这是为了避免腐蚀性问题。”Williams说，“用固态钢坯加工零部件的标准机械制造方法，通常会将90％的Ô¬始材料变成碎屑，材料浪费严重。如果采用激光添加制造方法，材料浪费通常只有10％，能源消耗和二氧化碳的排放量也大大减少。”

　　美国南达科塔矿业理工学院添加制造学科负责人James W. Sears指出，尽管过去的零部件制造领域可能是激光添加制造获得增长的一块市场，然而激光添加制造应用真正令人兴奋的增长点是一些大批量应用，如用于石油钻井的增压管的熔覆应用，以及像美国Caterpillar叉车公司这样的大型公司中的熔覆修理和部件再制造等应用。“很多这些应用每月消耗的材料将达数吨，而不是每年使用一吨材料的Ô¬型制造和直接制造。”Sears说。

　　熔覆
　　激光熔覆是先通过一个喷嘴将粉末材料或添加材料涂覆到基材表面，然后在激光束的扫描下，这些材料在基材表面发生烧结或熔化，形成涂层。

　　激光辅助金属修复和熔覆使用的激光功率范围通常是1～4kW。“最典型的熔覆应用是在镍基体材料上涂覆碳化钨这样坚硬的表面材料，来提高零部件的耐磨性。这些零部件通常用于石油和天然气钻井应用，或是用于农业应用中的刀片和切割磁盘。”德国通快公司的产品经理christian Foehl说，“与热喷涂等传统的涂层技术相比，激光金属沉积技术提供了真正的冶金熔合优势，能创建更高质量的涂层，同时又能避免一些常见的缺陷。使用两个或更多个粉末储料器，可以将不同的粉末混合在一起，满足特定的涂层需求。”（见图1）。

图1　激光熔覆，通常是利用一个喷嘴吹出粉末，并利用来自激光束中心的热量，实现表面熔覆。

　　最近，IPG Photonics公司专门针对熔覆、焊接和退火应用推出了2kW、3kW和4kW的激光器产品。此外，相干公司的HighLight系列半导体激光器系统，其电光转换效率已高达40％，可输出808nm或975nm的近红外光，总输出功率均达千瓦级。

　　快速制造
　　在粉末层添加制造中，激光束熔化沉积粉末，形成一个20～40µm的薄层，用于直接金属粉末激光烧结（Direct Metal Laser Sintering，DMLS）；形成100～150µm的薄层，用于选择性激光烧结（selective laser sintering，SLS）；然后，附加的粉末将沉积到每个凝固薄层的表面，重复这样的过程，就可以将这些薄片建立成三维零部件。DMLS和SLS技术由德国Electro Optical Systems公司首创。利用DMLS和SLS技术，可以用尼龙、玻璃填充尼龙或聚苯乙烯等材料，制造体积为700×380×580mm3的聚合物Ô¬型和美术模型；用不锈钢、钛和其他金属材料制造体积为250× 250×195mm3的金属零部件。英国3T RPD 公司利用DMLS和SLS技术为广泛的应用领域开发定制零部件，其应用领域从建筑模型到牙齿种植体（见图2、图3）。该公司甚至为一辆智能轿车设计了改进的SLS尼龙部件，这些部件同出厂生产的部件一样，能很好地工作。

 
图2：用高功率激光束逐层熔化聚合物或金属粉末，生产定制的航空涡轮零件

图3：甚至能直接从CAD模型生产牙齿移植体“牙科实验室用直接金属粉末激光烧结方法创建牙冠（coping）和牙桥(bridge)；我们公司的EOSINT M 270型金属烧结设备为客户定制了一批数量达200只以上的假牙，DMLS技术显著提高了实验室的产量，同时还能满足严格的质量要求。”EOS公司医疗客户经理Martin Bullemer说，“大批量定制正在牙科、外科仪器Ô¬型和假肢制造领域产生一定的影响力。激光烧结技术在新兴领域的应用将变得更为实用，并且更具成本效益。”

　　POM Group首席运营官（COO）Bhaskar Dutta表示，对于用昂贵材料建设性能优良的结构而言，激光金属沉积方法能减少生产时间，降低生产成本，并且与传统的机械加工方法相比，还可以减少能源消耗。POM Group是一家快速制造公司，其直接金属沉积（DMD）激光工艺在业界处于领先地位。Dutta指出，在由美国航天局（NASA）发起的一项案例研究中，建立了一个镜子房，其采用闭环反馈控制DMD系统。案例研究中，将用DMD方法制造的部件与用电火花加工（EDM）方法用固态金属板制造的部件进行了比较，结果显示，EDM方法产生了大量废料（见图4）。“制造同样的零部件，DMD加工需要的材料仅仅是EDM方法所需材料的1/3，从而能大量节省成本，特别是对于像镍合金这样的昂贵材料来讲，DMD的加工优势更加明显。”Dutta说道。

图4：由美国航天局（NASA）发起的一项案例研究中，建立了一个镜子房用于激光直接金属沉积。案例研究对DMD和EDM这两种加工方法进行了比较，结果显示，DMD在材料节省、降低能耗和提高加工速度等方面都大大优于EDM。

　　修复与再造
　　飞机制造商们预计，他们对发动机的需求将呈增长态势。“预计到2025年，飞机发动机的需求量将超过11.4万台，这为飞机发动机制造商在制造过程中减少对环境的影响，带来了一定的挑战。”英国Rolls-Royce公司生产过程主管Steve Beech说，“对于某些零部件，BTF比率（buy-to-fly ratio，即制造一个零部件所需的Ô¬材料量与最终零部件中所含材料量的比率）甚至高达13:1，也就是说，用13公斤的钛材料加工成的零部件中，只含有1公斤的钛，其余的都成了废料。”

　　对一个高压涡轮航空发动机的密封部件进行激光添加修复，是减少新制造对环境影响的一个很好的例子。“对于这种单晶零部件，传统的制造方法是用EDM方式加工晶格（lattice），并在固体基底中加入耐磨性材料，当涡轮叶片的密封元件摩擦到它时，在发动机服务期间受到磨损的是这种耐磨基底。” Beech说（见图5）。在这种应用中，传统的技术（如在一个密封元件上焊接一个新的晶格）并不可行，因为晶格壁的厚度必须要小于0.3mm（并且每个涡轮机具有34个密封元件，这样做成本高昂）。“但是利用直接激光沉积技术熔化合适的粉末来建立晶格，修复成本将下降到OEM成本的一半。”Beech 说。 

图5：激光添加制造可用于为航空零件上的晶格制造厚度为0.3mm的薄墙。晶格内充满陶瓷以达到密封功能，并避免涡轮叶片对其的磨损。

　　美国GE Aviation公司采用激光熔覆技术的历史已经长达20多年。“激光熔覆适用于对那些从现场返回的硬件进行颇具成本效益的修复和表面硬化，例如用于改善自动化过程重复率的高压涡轮和压气机叶片。”GE Aviation公司激光应用事业部高级工程师Sudhir Tewari说。Tewari解释道，通常，激光熔覆产生的热影响较小，并且处理后材料的属性好——接近于精炼材料的属性，因为激光熔覆过程的快速凝固速度能够获得良好的枝晶微观结构（dendritic microstructure）。“GE公司参加了面向镍合金零部件添加制造的‘航空金属经济可承受性计划（MAI）’，并成功地展示了激光添加沉积技术在航空应用中的可行性。” Tewari说，“然而，由于缺乏设计质量方面的数据和潜在的内部资金匮乏，致使激光添加制造过程的应用仍然面临巨大挑战。”

　　技术挑战
　　英国LPW Technology公司技术总监Phil Carroll说，对于小型零部件的激光添加制造，激光熔覆应用的沉积速率在20g/小时到2～3kg/小时之间，所使用的激光功率水平在几十瓦到几千瓦之间。“但是当讨论激光添加制造时，沉积速率并非关键指标，真正关注的因素是冶金完整性，”Carroll说。他说，同焊接与切割一样，添加制造将受益于某些过程的改进，例如，使光纤激光器和碟片激光器的光束质量得到很好的控制，使更加复杂的结构生产具有更好的特性，减少残余应力，实现更好、更强有力的微观结构。“我们集团也非常关注材料问题，如粉末晶粒的尺寸和形状——这些参数将有助于在包含添加制造零件的长达上英里的焊缝中实现孔隙自由、无裂纹结构。”

　　“我们的大部分时间都花在为客户培训这些技术方面，并向他们证明这些技术是可以用于实际生产的。” 3T RPD公司的DMLS经理Bruno LeRazer说，“尽管由于镱高功率光纤激光器能够使用任何金属粉末，使得DMLS过程在过去几年中获得了一定的改善，但是要使这些技术真正能够达到适合实际生产的水平，还仍然有很多工作要做。”

参考文献
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.