激光熔覆的優(yōu)點(diǎn)

眾所周知，激光熔覆很少甚至不會(huì)使基材產(chǎn)生變形。原因在于高度化的局部熱量輸入可以通過(guò)熔化材料來(lái)形成冶金結(jié)合，這對(duì)于高精度部件比如模具和金屬板材結(jié)構(gòu)非常關(guān)鍵。傳統(tǒng)焊接工藝的高溫會(huì)對(duì)部件產(chǎn)生巨大的影響，進(jìn)一步導(dǎo)致?lián)p壞。

不過(guò)，激光熔覆最大的優(yōu)點(diǎn)還不為眾人所知，那就是大幅提高了溫度敏感型材料比如超級(jí)合金和高碳鋼的可焊接性。TIG焊接會(huì)產(chǎn)生非常高的熱輸入，因此會(huì)導(dǎo)致更多的焊接缺陷比如裂縫。所以，在修理熱氣體通道部件時(shí)，通常不會(huì)選擇TIG。

激光熔覆的第二個(gè)主要優(yōu)點(diǎn)是更高的幾何精確度；與傳統(tǒng)焊接工藝相比，會(huì)節(jié)省應(yīng)用的材料。與TIG焊接相比，激光熔覆能夠產(chǎn)生接近最終成形結(jié)構(gòu)、更干凈的表面處理，因此有更好的幾何學(xué)，更少的材料冗余。舉例來(lái)說(shuō)，渦輪葉尖處需要6毫米的積層。激光熔覆在渦輪葉片邊上生成的焊接積層大約為0.3毫米，而TIG焊接會(huì)生成多達(dá)2毫米的冗余，因此會(huì)應(yīng)用更多的材料，接著還要去除這些材料，導(dǎo)致更多的精整加工工作和更多的人工。

圖3、左圖：在三維幾何體上進(jìn)行激光熔覆；右圖：使用激光熔覆一層之后，

如圖可見(jiàn)渦輪增壓器的細(xì)節(jié)，焊接積層有1毫米厚

另外，計(jì)算機(jī)數(shù)控（CNC）系統(tǒng)能夠幫助激光熔覆成為大規(guī)?？蓮?fù)制的工藝，使得技術(shù)人員在生產(chǎn)中能夠重復(fù)高質(zhì)量加工。

三維幾何體

有些部件如渦輪增壓器迂回曲折，給涂層材料和工藝帶來(lái)特別的挑戰(zhàn)。因此，這種三維幾何體需要合適的、能夠在必要時(shí)移動(dòng)部件的處理系統(tǒng)。而且對(duì)加工路徑進(jìn)行編程，要求足夠的計(jì)算機(jī)輔助制造（CAM）工具。另外，激光熔覆系統(tǒng)的程序員需要足夠理解激光熔覆工藝，才能生成合適的“焊接”策略。焊接策略必須考慮材料問(wèn)題比如邊緣的過(guò)熱，還要考慮幾何學(xué)問(wèn)題比如由部件制造工藝或者部件先前運(yùn)行工況導(dǎo)致的幾何偏差。

圖4、修復(fù)后的工業(yè)燃?xì)鉁u輪機(jī)葉片

方法論

就像其它焊接工藝一樣，激光熔覆要求充分地準(zhǔn)備焊接表面。通常，第一步是移除多余的材料，以確保有牢固的基礎(chǔ)進(jìn)行修理。舉例來(lái)說(shuō)，如果準(zhǔn)備將一臺(tái)受到熱氣體腐蝕或摩擦損壞的渦輪葉片送回工廠進(jìn)行翻新，技術(shù)人員在開(kāi)始修復(fù)工藝之前需要去除損壞區(qū)域。

由于激光熔覆是CNC工藝，生成焊接路徑需要有部件的幾何學(xué)信息，比如三維CAM模型或者是數(shù)字化數(shù)據(jù)。通常合適的焊接策略源于已確認(rèn)的工藝。這種工藝涉及客戶的需求，由他們來(lái)決定焊接積層幾何學(xué)和焊接質(zhì)量的驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)。工藝條件包括確定正確的工藝參數(shù)。這些參數(shù)包括激光功率、校正后用來(lái)確定熔化槽大小的激光焦點(diǎn)直徑、焊接軌道寬度、用來(lái)確定加工頭在部件上移動(dòng)速度的進(jìn)給速率，以及進(jìn)粉速率——也就是粉末送進(jìn)熔化槽的速度。

走進(jìn)微觀涂層

盡管肉眼難以觀察得到，其實(shí)這一應(yīng)用由兩個(gè)不同的層組成，有時(shí)由于多了緩沖層而有三層。微觀視圖（圖5）顯示的激光熔覆應(yīng)用中，以MetcoClad 625為緩沖層，將鎢鉻鈷合金694焊接到CMSX-4上面。照片中右邊顯示了CMSX-4的單晶材料，晶體方向雖然不可見(jiàn)，但都排列成一個(gè)方向。

圖5、效果圖：在以鎳為基材的高溫超級(jí)合金上進(jìn)行激光熔覆

在激光熔覆工藝中，中間區(qū)域（MetcoClad 625）是一個(gè)緩沖層。在后來(lái)應(yīng)用鎢鉻鈷合金堅(jiān)硬表面時(shí)，MetcoClad625作為一種韌性材料，防止裂開(kāi)或損害基材。晶體結(jié)構(gòu)的水平和垂直線條實(shí)際上源于CMSX-4，在MetcoClad 625凝固時(shí)形成。照片左邊的鎢鉻鈷合金694是功能表面——作為在高溫環(huán)境下耐磨損的涂層。

總結(jié)

由于激光熔覆技術(shù)能產(chǎn)生較高的幾何精確度和更少的熱應(yīng)力，與傳統(tǒng)焊接工藝相比，它具有明顯的優(yōu)勢(shì)，已經(jīng)成為高價(jià)值部件修理的標(biāo)準(zhǔn)。工業(yè)燃?xì)鉁u輪機(jī)的翻新將繼續(xù)引導(dǎo)創(chuàng)新技術(shù)，事實(shí)上激光熔覆就是為這一行業(yè)定制的解決方案。隨著越來(lái)越多的加工廠應(yīng)用這種技術(shù)，耐磨損、耐侵蝕或耐腐蝕的功能性涂層將得到廣泛應(yīng)用。豐富的經(jīng)驗(yàn)和深入的應(yīng)用技術(shù)仍將是成功操作激光熔覆系統(tǒng)的關(guān)鍵。