超高速激光熔覆技術：經濟、環保、高效

OFweek3D列印網訊 目前，零件的耐蝕、耐磨塗層主要是通過硬鉻的電鍍、熱噴塗、或其它堆焊技術來修復。不過，這些技術的應用將會逐漸由於環境，健康等問題被取而代之。2017 年 9 月 起，鉻(VI)塗層必須經過嚴格的官方批准方可使用，而將來將會徹底禁用。為此德國弗勞恩霍夫激光技術研究所（Fraunhofer ILT）和亞琛工業大學 （RWTH-Aachen）的研究者開發出一種超高速激光熔覆技術，德文稱之為 EHLA。並榮獲了2017年Fraunhofer 創新獎（Fraunhofer 最高獎項）。

圖 1 超高速激光熔覆製備工藝

Fraunhofer , Germany / Voker Lannert.

圖2 超高速激光熔覆技術

Frauhofer ILT, Aachen, Germany / Voker Lannert.

保護零件免受腐蝕和磨損並不簡單，標準的工藝如硬鉻電鍍、熱噴塗、堆焊 等技術均有各自的局限性。激光熔覆是比較常見的可替代工藝，但由於鍍層速率以及精度的不足，還沒有被廣泛使用。而超高速激光熔覆技術，將革命性替代傳統的塗層製備工藝。弗勞恩霍夫激光技術研究所的 Andres Gasser 博士介紹說: 「採用超高速激光熔覆技術，我們可以在短時間內完成大面積塗層的快速製備， 熔覆層厚後按照工藝需求從0.1- 0.25 mm調整，對工件表面基本無損傷，和普通激光熔覆工藝的不同之處在於粉末在離工件一定距離處融化，並高速噴射到工件表面形成極薄的冶金層。

替代硬鉻電鍍技術

硬鉻電鍍是當前耐蝕、耐磨塗層製備最常用的技術之一，但是耗能較大。此外，鉻(VI)對環境有污染，這也是為什麼自 2017 年 9 月起，鉻(VI)只能在特殊批准下 方可使用。超高速激光熔覆技術如今為我們提供了更經濟的方法，加工過程無需 應用化學原料，非常環保。不同於電鍍鉻層，該技術製備的塗層與基體之間為冶 金結合，塗層不易剝落。並且，超高速激光熔覆技術製備的表面塗層中沒有硬鉻層里常見的氣孔和裂紋缺陷，其防護作用更持久、有效。

比熱噴塗更有效利用資源

熱噴塗技術同樣也有不足之處，其加工過程粉末材料與氣體消耗較大，材料利用率最大只有 50%左右; 並且塗層和基體的結合力較弱。由於熱噴塗製備的塗層 氣孔較多，必須採用多層沉積方式製備(每層大約 25-50 μm 厚)。相比於熱噴塗 方法，新開發的超高速激光熔覆技術材料利用率高達 90%以上，明顯提高了金屬粉的 利用率與經濟性。單層塗層中不僅沒有氣孔，而且與基體結合牢靠。

比堆焊速度更快、應用更廣

堆焊常用來生產高質量、堅固的塗層，傳統的堆焊工藝如鎢極惰性氣體保護焊或 等離子弧粉末沉積技術的塗層一般都較厚(約 2-3mm)，需要消耗大量材料。常 規激光熔覆技術雖然已經可以製備較薄的塗層(約 0.5mm-1mm),但在處理大零 件表面時效率還是太低，所以目前為止只應用於某些特殊領域。該方法的另一問 題是需要特定的熔池尺寸方可獲得無缺陷的熔覆塗層:零件被局部熔化的同時， 粉末通過送粉噴嘴直接送入到熔池內部。Gasser 博士在闡述超高速激光熔覆新技 術時強調，其工藝關鍵性是「粉未顆粒在熔池上方就被激光熔化」。這意味著粉末 材料是以液態形式進入到熔池，而不是以固態顆粒狀態，因此熔覆層會更加均質; 而且，激光對基體材料的熔化量非常有限, 只是表面的幾個微米深度，而不是毫米尺度。

超高速激光熔覆速度比傳統激光熔覆快 100-250 倍，使得激光對基體的熱影響 達到最小。因此，超高速激光熔覆可實現熱敏感材料零件的塗層製備，傳統方法因熱輸過高，這在之前是不可能實現的。同時，這種新工藝還可用於全新的材料組合，例如鋁基材料或鑄鐵材料上塗層的製備。

客戶驗證

作為全世界最知名的應用科學機構，Fraunhofer定製化開發一定會配套工業應用場景。

荷蘭的海洋平台管件生產商IHC Vremac Cylinder B.V 率先採用超高速激光熔覆來替代原有電鍍工藝，經過專業的質量檢測，耐腐蝕測試通過了ISO 15614-7。而IHC公司的技術人員Andres Veldman先生表示通過率先應用EHLA，將有效延長產品使用周期，節省大量維修費用，大大提升產品的行業競爭力。

攜手ACunity 挺進中國

ACunity 公司作為弗勞恩霍夫激光技術研究孵化的創新企業，面向亞洲市場開展激光增材製造，激光焊接相關先進位造技術與裝備的研發，引進，諮詢及培訓服務。公司創始人洪臣先生表示：在Fraunhofer 工作的八年讓我認識到從研發成果到最終工業化的曲折，但這也是我們創立ACunity的動力之一。我們會與老東家弗勞恩霍夫激光技術研究院共同將超高速激光熔覆推向亞洲市場。我們已集合國內最優質的研發，管理團隊，來對接應用場景。再製造以及修復的市場非常之巨大，但要有過硬的設備以及工藝作為支持。使之能夠做到低成本運營，高質量成品還是頗具挑戰的。

2016年底ACunity和荷蘭Hornet B.V簽署了技術合作協議，為客戶定製開發超高速激光熔覆設備，同時根據應用不斷完善線上檢測，質量檢測設備。超高速的工藝開發也將繼續向超高速立體成型方向拓展。

經過半年的奮戰，第一台銷往國內的超高速激光熔覆設備將進駐中國機械科學研究總院先進位造技術研究中心（CAMTC），第一台樣機將用來雙邊開展大量的可行性研究以及小批量生產。相信不久大家就可以看到超高速熔覆在國內的應用實例。研究中心主任王淼輝博士一再強調：超高速激光熔覆技術的發明是增材技術發展歷程中的革命性的一步，它解決了制約傳統熔覆技術大規模推廣的最大瓶頸-效率，從而也帶來了成本的大幅度降低，未來將會極大刺激金屬3D列印技術的產業化應用，具有里程碑的意義！

讓我們拭目以待! 歡迎大家到訪德國參加6月26-29日的慕尼黑激光展 LASER World of PHOTONICS (展位位置 A2.431)，我們將現場為您展示超高速激光熔覆。

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