激光覆层：高级制造的精密涂料和维修-西科(盐城)表面涂层技术有限公司

激光覆层，也称为激光金属沉积（LMD）或激光工程净成型（镜头），是一种先进的添加剂制造和表面修饰技术。它利用高功率激光束作为热源，将金属粉末或线原料融合到底物材料上，从而形成冶金键合，致密和高性能涂层或近网状形状分量。该过程提供了无与伦比的精度，最少的热量输入和出色的灵活性，这使其在要求高价值零件修复，增强表面特性或功能性原型的行业中必不可少。

核心组成部分和过程原理

典型的激光覆层系统整合了几个关键子系统：

激光来源： 高功率激光器（通常是二极管，纤维或二氧化碳激光器，通常在0.5 kW至6 kW范围内）提供浓缩的能量束。
材料原料交付： 粉末通过惰性载体气体（例如氩气，氮）通过喷嘴同轴病或与激光束离轴进行精确计量。还使用电线原料系统。
运动系统： 计算机数值控制（CNC）系统或机器人臂精确地操纵激光/材料头与工件之间的相对运动。
过程室（可选）： 通常用于氧化敏感的材料，充满了惰性气体。
监视和控制系统： 传感器（例如，高温计，相机）实时监视熔体池温度，尺寸和外壳几何形状，从而实现闭环控制以达到一致性。

基本过程步骤是：

激光材料相互作用： 聚焦的激光束撞击了底物表面，形成了一个小的局部熔融池。
材料简介： 将粉末颗粒或电线直接注入该熔融池。接触后，原料迅速融化。
熔体池动力和固化： 由表面张力和Marangoni对流驱动的池中的熔融物质流动。随着激光束的移动，熔融材料会迅速凝固，形成与基础底物的强冶金键。最小的稀释（将底物材料混合到包裹层中）是关键特征。
层构建： 通过重叠的单层轨道并添加连续的层，可以加上3D几何形状，也可以沉积厚厚的涂料。

激光覆层的关键优势

激光覆层比传统的涂料和维修方法（例如热喷雾或焊接）提供了重大好处：

最小热影响区（HAZ）和失真： 精确的局部加热减少了热应力和翘曲，从而保留了基本材料的完整性。
低稀释度： 外壳层保留了原料材料的所需组成和特性，并具有最小的底物污染。
冶金键： 在热喷雾剂中产生强大的，密集的无孔键优于机械键。
精度和灵活性： 对层厚度（通常为0.1mm-每层2mm），几何形状和放置的良好控制。适用于复杂形状和局部维修。
物质多功能性： 与各种合金兼容：钢（不锈钢，工具），基于镍的超合金，基于钴的合金（Stellite），钛合金，铜合金，碳化物（金属基质复合材料）和功能分级的材料。
增强的特性： 产生具有出色耐磨性（磨损，粘附，侵蚀），耐腐蚀性，高温性能和量身定制的表面特征的涂层。
近网状能力： 减少加工时间和材料浪费，用于零件的增材制造。
维修高价值组件： 恢复磨损或损坏的零件（例如涡轮叶片，轴，模具）到原始尺寸或更高的尺寸，以替换成本的一小部分延长使用寿命。

主要应用

激光覆层在苛刻的行业中发现了广泛使用：

石油和天然气： 在阀，钻头，泵杆，井下工具上耐磨和耐腐蚀的涂料。
航空航天和发电： 涡轮叶片，叶片，燃烧器组件的维修和涂层；发动机组件翻新。
汽车： 维修高成本工具（模具，模具）；发动机阀，活塞环，变速器组件上的耐磨性涂料。
工具和模具： 切割工具，锻造模具，挤出螺钉，塑料注射模具的核对面，以增强耐磨性和寿命。
采矿和重型机械： 挖掘机牙齿上的耐磨涂层，破碎机锤子，输送机螺钉，液压缸。
生物医学： 具有生物相容性材料（例如TI-6AL-4V）的定制骨科植入物的制造和涂层。
增材制造： 通常使用专用合金的CAD模型直接从CAD模型中生产复杂的，完全致密的金属成分。

过程考虑和挑战

虽然强大，但激光壁需要仔细的优化和控制：

参数优化： 必须精确调整激光功率，光束斑点和轮廓，扫描速度，粉末进料速率，气体流量和重叠比，以实现每种材料组合，以达到所需的clad质量（密度，粘结强度，硬度，低稀释度，最小的裂纹/孔隙率）。
残余压力： 快速凝固会诱发应力；可能需要进行预热或后加热热处理。
材料成本： 金属粉，尤其是专门的合金可能很昂贵。
流程监控与控制： 保持一致的质量，特别是对于复杂的几何形状或长期构建，就需要进行复杂的实时监控和自适应控制系统。
表面准备： 必须对底物表面进行精心清洁（降低，砂砾），以确保良好的粘合。

新兴趋势

研发一直在不断发展该领域：

混合过程： 将激光覆层与加工（例如，转弯，铣削）结合在一起，用于集成添加剂和减法制造。
人工智能（AI）和机器学习： 使用AI进行实时缺陷检测，自适应过程控制和层属性的预测建模。
新材料开发： 具有无定形金属（金属玻璃），高渗透合金（HEAS）和高级复合材料的覆层，以用于独特的特性。
自动化和机器人技术增加： 增强了路径规划和与工业机器人的整合，以进行复杂的零件生产和维修。
原位感知进步： 更复杂的传感器，用于全面的过程监视。

激光覆层已从利基维修技术发展为高级制造中的基石技术。它的精度，低热量输入，材料灵活性以及创建出色冶金键的独特组合对于增强组件寿命，修复关键零件和制造高性能组件的能力是无价的。随着过程控制，自动化和材料科学的不断发展，激光覆层有望在推动众多高科技行业的创新和效率方面发挥更重要的作用。它应用量身定制的高价值表面并建立复杂几何形状的能力确保其作为制造业和组件可持续性未来的关键工具。