激光熔覆在材料加工領域獲得廣泛應用

　　激光熔覆（也被稱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程，或者是通過建立材料層創建一個全新的三維物體。目前，激光熔覆正日益在材料加工領域獲得廣泛的發展力量。業界對激光熔覆技術興趣高漲，預計今年全球至少會建立兩個激光熔覆加工站。

???? 利用激光和添加材料實現零部件快速成型和修復的過程，通常稱為激光熔覆制造。經歷了數十年的研究發展，加之激光器系統性能的提高，以及市場對可持續發展的環保項目的需求，所有這些因素正在促使激光熔覆技術獲得更廣泛的應用。

　　盡管利用激光和添加材料進行零件修復、表面硬化以及快速制造等應用，已經經歷了數十年的發展，但是激光熔覆技術到現在才剛剛在工業界和商業界獲得廣泛應用。與激光焊接技術獲得廣泛應用的情況類似，更高功率的激光系統的出現以及更高的光束質量、改進的零件質量和使用壽命、市場對可持續發展的環保項目的需求，以及減少能源消耗、有毒氣體排放和材料浪費等諸多因素，共同推動了激光熔覆技術的廣泛應用。

　　相關術語定義
　　熔覆（Cladding）是指在現有零部件的表面增加一個薄層（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）是在現有的結構中添加特定的材料，或是創建自由結構材料。

　　英國Cranfield大學焊接工程研究中心的焊接科學與工程學教授Stewart Williams說：“舉例來說，激光熔覆應用包括將抗腐蝕材料涂覆到管道內壁，以保護基體材料，從而避免在管道制造中采用價格昂貴的耐腐蝕性合金。而常見的添加制造應用包括高價值零部件的修復（如渦輪葉片和發動機密封元件的修復，即將高性能材料添加到渦輪葉片的末端）以及零部件制造。因為添加制造部件可以直接通過CAD系統制造，每個零部件可以很容易地改變以適應任何需求，這在醫療應用（如醫療移植）中極為重要?！?/P>

　　Williams指出，激光添加制造是增長最大的領域，英國和整個歐洲開展了大量的激光添加制造研究活動?！霸诿裼蔑w機中，目前碳纖維復合材料的應用越來越廣泛，在最新的飛機中，所用碳纖維復合材料的比例已經高達50％。剩下的材料主要是金屬鈦，這是為了避免腐蝕性問題。”Williams說，“用固態鋼坯加工零部件的標準機械制造方法，通常會將90％的??始材料變成碎屑，材料浪費嚴重。如果采用激光添加制造方法，材料浪費通常只有10％，能源消耗和二氧化碳的排放量也大大減少。”

　　美國南達科塔礦業理工學院添加制造學科負責人James W. Sears指出，盡管過去的零部件制造領域可能是激光添加制造獲得增長的一塊市場，然而激光添加制造應用真正令人興奮的增長點是一些大批量應用，如用于石油鉆井的增壓管的熔覆應用，以及像美國Caterpillar叉車公司這樣的大型公司中的熔覆修理和部件再制造等應用。“很多這些應用每月消耗的材料將達數噸，而不是每年使用一噸材料的??型制造和直接制造?！盨ears說。

　　熔覆
　　激光熔覆是先通過一個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生燒結或熔化，形成涂層。

　　激光輔助金屬修復和熔覆使用的激光功率范圍通常是1～4kW?！白畹湫偷娜鄹矐檬窃阪嚮w材料上涂覆碳化鎢這樣堅硬的表面材料，來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用，或是用于農業應用中的刀片和切割磁盤?！钡聡旃镜?a target="_blank">產品經理christian Foehl說，“與熱噴涂等傳統的涂層技術相比，激光金屬沉積技術提供了真正的冶金熔合優勢，能創建更高質量的涂層，同時又能避免一些常見的缺陷。使用兩個或更多個粉末儲料器，可以將不同的粉末混合在一起，滿足特定的涂層需求?！保ㄒ妶D1）。

圖1　激光熔覆，通常是利用一個噴嘴吹出粉末，并利用來自激光束中心的熱量，實現表面熔覆。

　　最近，IPG Photonics公司專門針對熔覆、焊接和退火應用推出了2kW、3kW和4kW的激光器產品。此外，相干公司的HighLight系列半導體激光器系統，其電光轉換效率已高達40％，可輸出808nm或975nm的近紅外光，總輸出功率均達千瓦級。

　　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20～40μm的薄層，用于直接金屬粉末激光燒結（Direct Metal Laser Sintering，DMLS）；形成100～150μm的薄層，用于選擇性激光燒結（selective laser sintering，SLS）；然后，附加的粉末將沉積到每個凝固薄層的表面，重復這樣的過程，就可以將這些薄片建立成三維零部件。DMLS和SLS技術由德國Electro Optical Systems公司首創。利用DMLS和SLS技術，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3T RPD 公司利用DMLS和SLS技術為廣泛的應用領域開發定制零部件，其應用領域從建筑模型到牙齒種植體（見圖2、圖3）。該公司甚至為一輛智能轎車設計了改進的SLS尼龍部件，這些部件同出廠生產的部件一樣，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，生產定制的航空渦輪零件

圖3：甚至能直接從CAD模型生產牙齒移植體“牙科實驗室用直接金屬粉末激光燒結方法創建牙冠（coping）和牙橋(bridge)；我們公司的EOSINT M 270型金屬燒結設備為客戶定制了一批數量達200只以上的假牙，DMLS技術顯著提高了實驗室的產量，同時還能滿足嚴格的質量要求?！盓OS公司醫療客戶經理Martin Bullemer說，“大批量定制正在牙科、外科儀器??型和假肢制造領域產生一定的影響力。激光燒結技術在新興領域的應用將變得更為實用，并且更具成本效益?！?

　　POM Group首席運營官（COO）Bhaskar Dutta表示，對于用昂貴材料建設性能優良的結構而言，激光金屬沉積方法能減少生產時間，降低生產成本，并且與傳統的機械加工方法相比，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）激光工藝在業界處于領先地位。Dutta指出，在由美國航天局（NASA）發起的一項案例研究中，建立了一個鏡子房，其采用閉環反饋控制DMD系統。案例研究中，將用DMD方法制造的部件與用電火花加工（EDM）方法用固態金屬板制造的部件進行了比較，結果顯示，EDM方法產生了大量廢料（見圖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，從而能大量節省成本，特別是對于像鎳合金這樣的昂貴材料來講，DMD的加工優勢更加明顯。”Dutta說道。

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圖4：由美國航天局（NASA）發起的一項案例研究中，建立了一個鏡子房用于激光直接金屬沉積。案例研究對DMD和EDM這兩種加工方法進行了比較，結果顯示，DMD在材料節省、降低能耗和提高加工速度等方面都大大優于EDM。

　　修復與再造
　　飛機制造商們預計，他們對發動機的需求將呈增長態勢?！邦A計到2025年，飛機發動機的需求量將超過11.4萬臺，這為飛機發動機制造商在制造過程中減少對環境的影響，帶來了一定的挑戰。”英國Rolls-Royce公司生產過程主管Steve Beech說，“對于某些零部件，BTF比率（buy-to-fly ratio，即制造一個零部件所需的??材料量與最終零部件中所含材料量的比率）甚至高達13:1，也就是說，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?！?/P>

　　對一個高壓渦輪航空發動機的密封部件進行激光添加修復，是減少新制造對環境影響的一個很好的例子?！皩τ谶@種單晶零部件，傳統的制造方法是用EDM方式加工晶格（lattice），并在固體基底中加入耐磨性材料，當渦輪葉片的密封元件摩擦到它時，在發動機服務期間受到磨損的是這種耐磨基底?！?Beech說（見圖5）。在這種應用中，傳統的技術（如在一個密封元件上焊接一個新的晶格）并不可行，因為晶格壁的厚度必須要小于0.3mm（并且每個渦輪機具有34個密封元件，這樣做成本高昂）。“但是利用直接激光沉積技術熔化合適的粉末來建立晶格，修復成本將下降到OEM成本的一半?！盉eech 說。?

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。晶格內充滿陶瓷以達到密封功能，并避免渦輪葉片對其的磨損。

　　美國GE Aviation公司采用激光熔覆技術的歷史已經長達20多年?！凹す馊鄹策m用于對那些從現場返回的硬件進行頗具成本效益的修復和表面硬化，例如用于改善自動化過程重復率的高壓渦輪和壓氣機葉片?！盙E Aviation公司激光應用事業部高級工程師Sudhir Tewari說。Tewari解釋道，通常，激光熔覆產生的熱影響較小，并且處理后材料的屬性好——接近于精煉材料的屬性，因為激光熔覆過程的快速凝固速度能夠獲得良好的枝晶微觀結構（dendritic microstructure）?！癎E公司參加了面向鎳合金零部件添加制造的‘航空金屬經濟可承受性計劃（MAI）’，并成功地展示了激光添加沉積技術在航空應用中的可行性?！?Tewari說，“然而，由于缺乏設計質量方面的數據和潛在的內部資金匱乏，致使激光添加制造過程的應用仍然面臨巨大挑戰?！?/P>

　　技術挑戰
　　英國LPW Technology公司技術總監Phil Carroll說，對于小型零部件的激光添加制造，激光熔覆應用的沉積速率在20g/小時到2～3kg/小時之間，所使用的激光功率水平在幾十瓦到幾千瓦之間?！暗钱斢懻摷す馓砑又圃鞎r，沉積速率并非關鍵指標，真正關注的因素是冶金完整性，”Carroll說。他說，同焊接與切割一樣，添加制造將受益于某些過程的改進，例如，使光纖激光器和碟片激光器的光束質量得到很好的控制，使更加復雜的結構生產具有更好的特性，減少殘余應力，實現更好、更強有力的微觀結構?！拔覀兗瘓F也非常關注材料問題，如粉末晶粒的尺寸和形狀——這些參數將有助于在包含添加制造零件的長達上英里的焊縫中實現孔隙自由、無裂紋結構?！?/P>

　　“我們的大部分時間都花在為客戶培訓這些技術方面，并向他們證明這些技術是可以用于實際生產的?！?3T RPD公司的DMLS經理Bruno LeRazer說，“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過程在過去幾年中獲得了一定的改善，但是要使這些技術真正能夠達到適合實際生產的水平，還仍然有很多工作要做?！?/P>

參考文獻
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.