高速激光熔覆知識及覆過程中存在常見問題分析

一. 激光熔覆

激光熔覆是指在熔覆基體表面以不同方式添加激光熔覆材料，利用激光束作為熱源，將熔覆材料熔化凝固到基體表面，制備與基體形成冶金結合的表面涂層，從而實現(xiàn)材料表面改性和產品表面修復的過程。激光熔覆技術可以在廉價的金屬基體表面制備高性能的涂層，具有很高的經(jīng)濟效益，得到了廣泛的關注和研究，發(fā)展迅速?，F(xiàn)已廣泛應用于機械設備和重要零件的表面強化和損傷修復。

與傳統(tǒng)表面處理技術相比，激光熔覆制備的涂層組織均勻致密，晶粒細小，熱輸入小，稀釋率低，具有良好的應用前景，但也存在一些問題。傳統(tǒng)激光熔覆的稀釋率往往在10%以上，熔覆層需要達到一定的厚度才能有效達到防護效果，且表面粗糙度較高，需要經(jīng)過后續(xù)的車削和磨削才能投入使用，造成材料的浪費。在激光熔覆過程中，激光能量主要作用于基體表面的熔池，增加了激光能量對基體的熱輸入，可能導致較大的應力和裂紋。同時，傳統(tǒng)激光熔覆在大面積熔覆中的生產效率較低，極大地制約了激光熔覆技術的應用和推廣。

二.高速激光熔覆

高速激光熔覆技術采用同軸送粉方式控制粉末在熔池上方的激光束會聚，使大部分激光能量直接作用在激光粉末上，熔覆粉末在到達熔池前處于熔化或半熔化狀態(tài)，從而減少粉末在熔池中存在的時間，減少對基體的熱輸入，大大提高熔覆效率和粉末利用率。

其特殊的模塊化設計大大降低了使用成本，使磨損零件的更換變得極其簡單，同時保證了工藝的可重復性。噴嘴尺寸也可以根據(jù)維護位置靈活調整。新研發(fā)的超高速激光熔覆加工頭，通過特殊光路調節(jié)系統(tǒng)的設計，實現(xiàn)了光與粉末在空間的理想相互作用，使粉末熔化更穩(wěn)定，能量利用更高效。涂層的表面粗糙度更低，表面更光滑。

現(xiàn)在，高速激光熔覆技術已經(jīng)得到了市場的高度認可，高速激光熔覆取代普通激光熔覆將成為行業(yè)技術發(fā)展的必然趨勢。然而，激光熔覆是一個復雜的過程。為了幫助廣大高速激光熔覆用戶快速掌握工藝，郭盛激光在此將高速激光熔覆工藝的知識點以及各種工藝問題產生的原因總結如下:

1.高速激光熔覆的工作原理

高速激光熔覆是利用高能激光束熔化空氣中的金屬粉末，同時熔化基體形成熔池。熔化的粉末與熔化的基體結合后，迅速冷卻形成冶金結合的涂層。

2.高速激光熔覆工藝的關鍵參數(shù)及其對熔覆效果的影響

(1) 激光功率

功率直接影響單位時間內可熔化的粉末量和包覆效率。在其他工作參數(shù)確定的情況下，過低的功率可能導致粉末熔化不完全，打磨拋光后產生麻點，結合力不足，涂層硬度低;如果功率過大，有可能是熔溝熔化過度，導致表面出現(xiàn)斜向褶皺。

(2) 粉末進料量

當粉末遇到激光時，它會吸收激光能量。粉末量越大，吸收的激光能量就越多。粉末量太大，激光能量會不足，涂層熔不透，打磨拋光后出現(xiàn)麻點，基體熔化不掉，涂層與基體不能實現(xiàn)冶金結合，導致涂層剝落。粉末量大，粉末利用率低;粉末用量少，粉末利用率高。

(3) 線速度

線速度越大，包層越薄，線速度越小，包層越厚。線速度過高，基體不會形成熔池，涂層與基體沒有冶金結合，熔溝冷卻慢，紅尾過長，出現(xiàn)剝落。線速度可以提高涂層硬度和粉末利用率。

(4) 循序漸進

臺階越小，研磨比越大，涂層表面越精細。臺階越大，搭接率越小，涂層條紋越明顯。步進會影響稀釋率。步進小時，照射在基板上的激光能量小，稀釋率低。當臺階大時，照射在基板上的激光能量大，稀釋率高。

(5) 空氣輸送率

氣體有兩個作用，一是輸送粉末，二是保護高溫涂層，防止氧化。送粉量太小，容易堵粉;送粉風量過大，送粉速度過快，噴出量大，粉末利用率低。一般來說，氬氣比氮氣具有更好的保護和更高的涂層質量。

(6) 噴嘴的高度

噴嘴太高，粉末發(fā)散大，粉末利用率低;如果太低，熔覆時噴嘴容易粘粉。

3.高速激光熔覆過程中存在的問題及原因分析。

(1) 剝皮

這是因為基體沒有形成熔池，粉末與基體之間沒有冶金結合。可能的原因有:電量低;粉太多;線速度太快;工件表面有油污或電鍍層。

(2) 裂縫

涂層產生裂紋的原因有:基體硬度過高(淬火、滲碳/氮);基體具有疲勞層;粉末的硬度太高。鎳基粉末容易開裂;高硬度粉末多層熔覆時也會出現(xiàn)裂紋。

(3) 氣孔

涂層中產生氣孔的原因是:基體上的鐵銹和油污;粉末中有雜質;粉末流動不穩(wěn)定;粉太多;動力不足;或者線速度過大等。

(4) 浮粉多，涂層無金屬光澤

可能的原因有:粉太多;功率太低;線速度太快;噴嘴高度太高;激光光斑太小;鏡頭污染等。

(5) 打磨拋光后出現(xiàn)麻點

可能的原因有:動力不足;粉太多;線速度過快等。

(6) 涂層中出現(xiàn)斜皺紋

可能的原因有:權力過大;熔池溫度過高;粉末過度液化。

(7) 將粉末粘在噴嘴上

可能的原因有:噴粉量過高;銅頭溫度過高;噴嘴工作距離太低，噴嘴表面太粗糙或被污染(建議拋光處理)。包覆頭偏心放置，有利于減少粘粉現(xiàn)象。

(8) 堵粉

可能的原因有:粘粉未及時清除;粉末流動性差;粉末中有雜質或粉末潮濕(需烘干)等。多種方式給粉時，給粉不均是堵粉的重要原因。

(9) 包覆時有咝咝聲

可能的原因有:粉末被污染;濕粉;基質不干凈等。功率過大還會導致熔池金屬氣化，產生包殼噪聲。這些問題會影響涂層的耐腐蝕性。

(10) 覆層火花飛濺

可能的原因有:線速度過大;功率密度過大;功率和粉末數(shù)量不匹配;氣體流量過大等。

(11) 粉末流動不穩(wěn)定，導致涂層不均勻

粉末流量不穩(wěn)定的原因有:刮刀磨損嚴重;送粉通道堵塞;氣流太小;送粉器密封圈密封不良或送粉管損壞導致漏氣。

(12) 包覆效率降低(涂層厚度變薄)

可能原因:防護鏡污染;刮刀磨損;工作距離不合適;出粉孔磨大，粉末流變性粗糙;激光功率下降等。

審核編輯 黃昊宇