图 1 - 激光熔覆中使用的各种进料方法（Cladding nozzle configuration.jpg Wikipedia 2009）
自 20 世纪 60 年代生产出第一台工作激光器以来，材料工程师一直致力于研究如何利用激光在加工过程中克服各种问题。20 世纪 70 年代末，激光被引入表面涂层行业，但由于激光熔覆成本高昂，人们更喜欢使用传统方法。[1]然而，随着更便宜的激光源的推出和激光新应用的发现，激光熔覆开始重新流行起来。
什么是激光熔覆？
激光熔覆是一种表面涂层，它结合使用激光和进料机制，在基材上涂覆一层所需的金属或陶瓷材料。激光熔化金属并在移动的基材上涂覆一层细薄的涂层。进料金属完全熔化，同时激光还将部分能量传输到基材上。这允许在基材和涂层之间形成牢固的冶金结合。单条轨道的熔覆厚度范围为 0.05 毫米至 2 毫米，从而可以很好地控制零件的精度。[1]
进料机制
将金属输送到基材的常见方法有 3 种。
- 预置粉末
- 送丝
- 粉末注射
预置粉末
第一种金属输送方法是一种相当简单和明显的技术。这被认为是一种两阶段激光熔覆程序。[1]第一阶段包括用预置粉末覆盖基材：激光束将其能量传输到粉末金属并液化粉末。第二阶段是液体涂层的热传递到基材；此时，涂层开始凝固。来自部分凝固涂层和激光的能量继续部分熔化基材并在涂层和表面之间提供冶金结合。
由于存在一些问题，这种方法不再是激光熔覆的首选粉末沉积方法。将粉末放置在复杂的几何形状上很困难，而且比其他两种粉末沉积方法更耗时。[2]预置粉末法的另一个缺点是该方法需要多个阶段。
送丝
第二种包覆层输送方法是通过送丝。将丝材从滚筒送入激光器。这是在包覆过程中送丝遇到的几个问题中的第一个。丝材滚筒必须足够大，以防止出现任何塑性变形问题，并与基材运动保持一致，以实现平稳送丝。[3]送丝过程中最大的问题是熔化的丝材在丝材尖端的作用方式。熔融金属在基材上流动不畅，这导致包覆层在基材中的稀释度很高。
粉末注射
第三种涂层材料方法回归到粉末金属的原理，但粉末被注入到光束的路径中。粉末通过惰性气体输送到管道中，从而将涂层材料吹入光束的路径中。吹出的粉末金属颗粒被光束部分熔化。激光在基材表面形成一个小熔池，将粉末金属完全熔化。[4]形成的熔池对应于单层包覆层。这在基材和涂层之间形成了牢固的冶金结合，稀释率极低。[3]
有两种不同的看法，即熔覆输送系统。第一种方法被认为是在线的，粉末金属通过使用同轴系统输送到基体上。激光器有一条粉末进料线，直接连接到激光器上，并与激光器沿相同的路径行进。这意味着在任何条件下，基体的移动都垂直于基体的定向路径。这使同轴进料系统能够独立于基体移动并在所有方向上产生均匀的表面涂层。[4]
在线方法的替代方法是离线方法或侧向喷射方法。侧向喷射方法将进料喷嘴置于激光器的侧面。但是，侧向进料喷嘴的位置会影响包覆浓度。如果将侧向进料喷嘴置于基材移动的方向上，则包覆效率会更高，因为粉末被困在熔池和基材之间。如果进料喷嘴由于几何形状而需要改变位置，这将影响表面涂层的性质。[1]
优化
联合供料系统
自激光熔覆技术发展以来，涂层材料一直采用上一节中提到的三种方法之一。人们发现，通过激光熔覆，表面涂层会出现两个问题：表面光洁度差和沉积效率低。沉积效率是熔覆沉积物的重量与喷涂熔覆层的重量之比。
虽然粉末喷射法是目前最流行的进料系统，但人们对线材进料仍然很感兴趣，因为它有几个优点。当使用侧向粉末喷射包覆样品时，样品的表面粗糙度 (Ra) 为 70 至 90 微米，而线材进料样品的表面粗糙度 (Ra) 则低 30%。[5]线材进料系统还克服了沉积效率的问题，因为没有颗粒因无法被困在熔池中而丢失。
围绕送丝方法的问题是无法在适当的送丝角度范围内产生固体表面涂层。如果送丝的送丝角度不在 20 – 60° 的理想范围内，则包层是不连续的，因此由于存在间隙而不适合表面涂层。[5]进行了一项研究，比较了独立同轴喷嘴与上述组合送丝系统的效率。当送丝系统的唯一机制是同轴粉末喷射时，沉积范围从 1100 kW 激光器的 27% 到 1500 kW 激光器的 33%。[6]
通过使用同轴粉末喷射与横向送丝系统相结合，激光熔覆工艺得到了改进。这两种方法有助于形成相同的熔池，从而提高系统的效率。由于送丝系统形成了更大且连续的熔池，因此粉末喷涂的沉积效率提高了。粉末喷涂的沉积效率提高到了 47%。[6] 本研究提高了激光的效率，因为我们发现，当单独使用焊丝时，激光的大部分能量会被反射和浪费。由于粉末喷涂充当了屏障，并在光束到达送丝之前吸收了一部分光束，因此焊丝浪费的能量更少。[6]
通过组合方法可以提高包覆层的整体质量。当粉末和线材同时使用时，样品的孔隙率可提高近 25%。包覆层的另一项改进是表面光洁度的降低。表面光洁度降至 Ra 值 47，从而提高了零件的表面光洁度和尺寸精度。将孔隙率和表面光洁度与工艺的激光效率联系起来的最新理论是，熔池吸收了更多来自激光的能量，从而产生了更平滑、更平静的熔池流动。[6]
带集成传感器的熔覆头
影响同轴喷嘴激光熔覆的一个严重问题是各种激光组件的污染和变脏。保护玻璃、双色镜片和聚焦镜片可能会因回喷而变脏。这会降低激光的效率，因为光束的能量被激光组件吸收，而不是被转移到粉末喷雾中。由于能量在到达粉末之前就被吸收，激光熔覆系统开始产生质量差且不均匀的熔覆层。当看到这些结果时，使用激光熔覆而不是其他熔覆技术（如热喷涂或等离子喷涂）是没有意义的，因为激光熔覆不会产生高质量的均质熔覆层。[1]
激光熔覆的新方法已经实现。将各种传感器安装到熔覆头上可以提高系统的效率，因为它可以实时监控熔覆头各个部件的状况。一系列热传感器、光电二极管和摄像机有助于提高零件的表面光洁度和整体净精度。[7]
使用热传感器监测保护镜片和双色镜片的温度升高，可以确定镜片是否变脏。当镜片变脏时，到达粉末喷雾的激光能量会减少，而是被粉末喷雾吸收。保护镜片变脏是因为粉末喷雾中的保护性惰性气体无法在生产过程中吹掉镜片上的颗粒。[7]
电荷耦合器件（CCD）可以垂直安装于熔覆头并融入熔覆工艺中，以便实时查看激光与基材之间的接触点。
已确定熔池受熔覆头高度的影响很大，因为光束尺寸从焦点开始变化很大。激光束能量分布可以用等式 (1) 中的高斯分布建模，其中可以确定光束能量的集中度。
方程 1 - 激光束垂直于基底浓度的高斯分布- g 是高斯分布的峰值
- h 是喷嘴到基板的高度
- ø 是粉末喷涂的半角
随着喷嘴高度低于焦点，光束尺寸会减小并形成熔池，从而降低系统的沉积效率。随着基板高度超过激光焦点，激光束宽度的增加开始浪费能源。由于光束的高斯分布特性，光束浓度会随着光束增加太多而降低。通过结合 CCD 来监测喷嘴和基板之间的高度差，可以监测和控制熔池的大小，从而为粉末喷雾的吸收创造理想的环境。[7]
如果基体呈一定角度，则喷嘴的定位会出现不同的问题。如方程 (2) 和 (3) 所示，包层的分布随角度而变化。喷嘴与基体的角度必须保持垂直于基体，才能提供均匀分布的包层。
方程 2 - x < 0 时倾斜基底的高斯分布
方程 3 - x > 0 时倾斜基底的高斯分布- ø 是基底与地平线之间的角度
现在，CCD 既可用于监测基片相对于水平线的角度，也可用于监测喷嘴相对于倾斜基片的角度。这样，包覆层的浓度就可以沿着倾斜表面均匀分布，同时还可以监测喷嘴相对于基片的高度，以确保激光束的宽度适合形成合适的熔池。[7]
如果不使用实时监控和集成传感器，零件的表面光洁度会很粗糙，质量较差，并且会影响尺寸精度。通过传感器的集成，可以在制造过程中调整熔覆工艺，以防止成品零件出现任何缺陷。
参考
- ↑跳至：1.0 1.1 1.2 1.3 1.4 Corbin, Stephen, Amir Khajepour 和 Ehsan Toyserkani。《激光熔覆》。Boca Raton：CRC，2004 年。印刷版。
- ↑ de Oliveira, U.、V. Ocelı´k 和 J.Th.M. De Hosson。“同轴激光熔覆加工条件分析。”表面与涂层技术 195（2004 年）：127-136。打印。
- ↑跳至：3.0 3.1 Ion, John。工程材料的激光加工：原理、程序和工业应用。St. Louis：Butterworth-Heinemann，2005 年。印刷版。
- ↑跳至：4.0 4.1 Partes, Knut。“高速激光熔覆中的集水效率分析模型。”表面与涂层技术 204 (2009): 366-371。打印。
- ↑跳至：5.0 5.1 Ul Haq Syed、Waheed、Andrew J. Pinkerton 和 Lin Li。“丝材送料和粉末送料的比较研究。”《应用表面科学》247（2005 年）：268 - 276。打印。
- ↑跳至：6.0 6.1 6.2 6.3 Ul Haq Syed、Waheed、Andrew J. Pinkerton 和 Lin Li。“结合线材和同轴送粉技术在激光直接金属沉积中的应用，实现快速成型。”应用表面科学 252 (2006)：4803 - 4808。打印。
- ↑跳至：7.0 7.1 7.2 7.3 Liua, Jichang 和 Lijun Lia.“激光熔覆制造过程中的实时运动调整可提高成型部件的尺寸精度和表面质量。”光学；激光技术 36（2004 年）：477 - 384。
