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一、激光熔覆技术介绍

激光熔覆:是采用高能量激光束将高性能材料瞬间熔化,在被加工工件表面凝固形成高性能功能材料层的技术。此外该技术也是激光金属3D打印的基础。图1 为激光熔覆原理示意图。

1 激光熔覆示意图

激光熔覆用于再制造也是符合国家循环经济和可持续发展战略的绿色制造技术。也是国家重点支持的高新技术之一。图2为激光修复再制造中。

激光熔覆再制造工艺流程一般包含三个工艺,1)机加工去除表面疲劳层;2)激光熔覆再制造;3)精密成型加工(配合要求高需要二次机加工。 图3为我公司激光熔敷设备。包含专用激光电源,水冷机,机床,送粉器,数控系统。我司可根据客户需要,组装集成不同功能的系统。如六轴机器人系统,半导体光纤耦合熔敷系统。

2 我公司激光熔覆工作中

 

3 激光熔敷系统

二、激光熔覆工艺特点

 

    1  激光熔敷与喷涂及电镀综合性能对比

 

表2 激光熔敷与传统熔焊工艺特点对比

注:半导体光纤耦合激光熔覆同轴送粉工作距离15-20mm

半导体直出旁侧送粉熔覆系统焦距为200-300毫米

与电镀和热喷涂相比,其特点激光熔覆涂层与基体是冶金结合,涂层致密性高,结合强度高。快速凝固过程,容易得到细晶组织或产生平衡态所无法得到的新相;可以获得低稀释率的良好覆层;热变形和热影响区小。

 

4 激光熔覆剖面金相观察

5为激光熔覆和等离子熔覆组织对比。同种材料,激光熔覆的磨粒磨损性能是等离子熔覆性能的6倍以上。

激光熔覆  1000

等离子熔覆 1000

5 同种粉末激光熔覆与等离子熔覆后的金相组织对比

 

三、专用材料研发

我公司可雾化制作各种粉末。雾化粉末微观形态为球形或近球形。流动性好,熔敷效果好。根据工况不同,可开发出铁基,镍基,钴基等金属粉末及复合陶瓷粉末。

6 我公司研发的专用粉末显微形态---X100

 

复合粉末主要是各种高熔点硬质陶瓷材料与金属混合或复合而形成的粉末体系。新的材料体系:纳米材料,稀土材料,非晶材料。以及高熵合金材料。

 

 

 

 

 

四、激光熔敷行业应用

一、涡轮动力设备修复和改造

在冶金、石油、化工、电力、铁路、船舶、矿山、航空等国民经济支柱产业中使用着大量的涡轮转动设备,例如:汽轮机、离心压缩机、轴流风机、螺杆压缩机、工业透平等。涡轮转动设备(机组),经过长周期各种工况条件下服役,因腐蚀、磨损和疲劳等因素。而常规的技术和工艺方法不能,也不敢动及这些关键的、价值贵重的设备。激光熔覆再制造工程技术为这些重大关键设备(机组)提供了安全可靠,质量保障,性能稳定提升的综合技术。激光熔覆仿形技术和激光快速成形技术在这些关键设备和零部件修复及再造应用,可比原设计制造的提高使用寿命50-100%

二、高载荷、低转速、高精度、高合金零部件的修复和强化

钢铁企业炼钢、各种热轧、冷轧生产线、镀锌线等生产过程中使用着大数量的高载荷、低转速、高精度、高合金的承载设备,其零部件在生产工况环境下 服役,产生腐蚀、磨损和疲劳损伤或失效报废。激光熔覆技术为这类设备和零部件的修复再造开辟了一条崭新的途径。既能使失效或报废设备及零部件“起死回生”,又可以使新品延长使用寿命,甚至可以达到多寿命周期的效果。激光熔覆技术也可用在汽车覆盖件大型模具激光修复与强化,矿山机械零件中的液压立柱激光强化与修复。

                                     

                                   图7导卫板磨损                                                      图8 导卫板新制及修复

 

 

 9 截齿的激光修复

激光熔覆不仅是先进的增材制造技术,而且已从研发转向产业化应用,其与信息网络技术的深度融合,“互联网+”或将给传统制造业带来变革性影响。

奥邦新材料专长于合金材料的研发。可以采用设备购买(租赁)+熔敷合金材料模式来和意向客户开展合作,实现共赢。

 

案例举例:激光熔覆再制造空心辊套优点

激光熔覆简介:

激光熔覆技术是在金属材料表面添加熔覆粉末,利用高能密度激光束辐照迅速加热,使熔覆粉末和金属基材表面发生熔化,激光束移开快速凝固,从而在基材表面形成与其为冶金结合的高性能激光熔覆层。特点如下:

1热影响区小,厚度12mm以上薄壁件不变形

由于激光烙覆技术会产生近似绝热的快速加热过程,激光烙覆对基材的热影响效应较小,因热膨胀引起的变形也小。是传统堆焊的1/3~1/5。母材热输入小,母材受热变形较传统堆焊也小。壁厚12毫米,不变形。可应用于钢厂薄壁辊套。如,层流冷却辊道辊,堆焊易变形,目前工艺采用热喷涂。但热喷涂是机械抛锚结合,涂层结合强度低,激光熔覆涂层是冶金结合。采用激光熔覆工艺即可避免变形,也可提高结合强度。且避免了由于堆焊变形,需增加加长环,进而带来轴承位也许从新加工的问题。

2) 激光熔覆组织细小,性能更优

熔覆区是由平面晶、胞状晶、树枝晶和等轴晶组成的典型的激光快速凝固组织。以熔覆马氏体不锈钢材料为例,激光熔覆工作层与母材呈理想的冶金结合,表面光洁,成形质量优良,而且涂层内无孔洞和裂纹等宏观缺陷,组织致密均匀,烙覆层硬度较高数值稳定。激光烙覆涂层比同样堆焊马氏体不锈钢具有更高的耐磨性能。耐磨性能是普通堆焊3倍以上。

3)稀释率不大于5%

由于稀释率底,激光熔覆中碳合金钢可以不用考虑母材的焊接性能。所以激光熔覆技术可避开基材的限制,直接根据使用要求设计熔覆层的成种,获得弥补基体缺乏的性能优异的表面改性徐层。激光熔覆工艺的突出特点是可制备特殊性能表面层,从而可显著改善基体材料表面的耐磨性、耐热性、耐蚀性、抗氧化性等。

4)激光熔覆残余应力小

由于激光熔覆涂层具有比堆焊更小的残余应力,有很强的抗热疲劳性能,经热疲劳实验后未产生任何疲劳裂纹,冶金结合界面的结合强度较高,不易脱落。

5)熔覆效率与埋弧堆焊相近

3KW半导体激光功率熔覆相比,调整光斑,可以熔覆线速度达到0.4m/min 。和埋弧堆焊速率相当,且熔覆宽度以12mm宽为计算,搭接30%~50%。和埋弧堆焊工艺相似。

6)激光熔覆平整度高,省料,省工。

激光熔覆单层可控制在0.5-1.5毫米,以100毫米直径结晶器足辊为例,熔覆前可车削到97,熔覆两层到101。激光熔覆表面粗糙度较低,平整度高,所以无需粗车,直接精车成活,省料,省工时。

7)与CO2激光器相比,半导体光电效率转换效率高

我公司的半导体激光器光电转换效率高达50%,无日常维护费用。3-6月更换去离子水及滤芯。我公司自主开发控制程序,操作简单,普通工人经一周培训即可上岗。