自 20 世纪 60 年代第一台工作激光器问世以来，材料工程师一直致力于研究如何在加工中利用激光器来克服各种问题。激光在 20 世纪 70 年代末被引入表面涂层行业，但由于激光熔覆的昂贵性，传统方法更受青睐。[1]然而，随着更便宜的激光源的引入和新发现的激光应用，激光熔覆已开始重新出现。
什么是激光熔覆？
激光熔覆是一种表面涂层形式，结合使用激光和进给机构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上一层薄薄的涂层。进料金属完全熔化，同时激光也将其部分能量转移到基材上。这样可以在基材和涂层之间形成牢固的冶金结合。单条轨道中的熔覆厚度范围为 0.05 毫米至 2 毫米，从而可以很好地控制零件的精度。[1]
进给机构
有 3 种常见的金属输送到基材的方法。
- 预先放置粉末
- 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且明显的技术。这被认为是两阶段激光熔覆过程。[1]第一阶段包括用预先放置的粉末覆盖基材：激光束将其能量转移到粉末金属并液化粉末。第二阶段是液体涂层向基材的热传递；此时，涂层开始凝固。来自部分固化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。
由于几个问题，该方法不再是激光熔覆粉末沉积的首选方法。将粉末放置在复杂的几何形状上很困难，并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的多个阶段。
送丝
第二种包层输送方法是通过送丝。线材从滚筒送入激光器。这是熔覆过程中送丝遇到的几个问题中的第一个。线筒必须足够大，以防止出现任何塑性变形问题，并与基材运动保持一致，以实现平稳进给。[3]围绕送丝的最大问题是熔化的焊丝如何在焊丝尖端发挥作用。熔融金属在基材上流动不佳，这导致熔覆层高度稀释到基材中。
粉末注射
涂层材料的第三种方法回到了粉末金属的原理，但粉末被注入到光束的路径中。使用惰性气体将粉末输送通过管道，从而将涂层材料吹入光束路径中。吹出的粉末状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，使粉末金属完全熔化。[4]所创建的熔池对应于单层包覆层。这样可以以最小的稀释率在基材和涂层之间形成牢固的冶金结合。[3]
对于包覆输送系统有两种不同的看法。第一种方法被认为是在线方法，通过使用同轴系统将粉末金属输送到基材上。激光器有一条直接连接到激光器上的粉末供给线，并沿与激光器相同的路径行进。这意味着在所有条件下基材的移动都垂直于基材的定向路径。这使得同轴进给系统能够独立于基材的移动并在所有方向上产生相同的表面涂层。[4]
在线方法的替代方法是离线方法或横向注入方法。侧向注射方法的进料喷嘴位置位于激光器的侧面。然而，侧向进料喷嘴的位置会影响包层浓度。如果横向进料喷嘴位于基材移动的方向，则熔覆变得更加有效，因为粉末被捕获在熔池和基材之间。如果进料喷嘴因几何形状而需要改变位置，这将影响表面涂层的性能。[1]
优化
组合饲喂系统
自从激光熔覆发展以来，涂层材料一直通过上一节中提到的三种方法之一来送入。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差。沉积效率是包层沉积物的重量与喷涂的包层的重量之比。
虽然粉末注射方法是当今最流行的送丝系统，但人们仍然对送丝感兴趣，因为它具有多个优点。当使用横向粉末注射熔覆样品时，样品的表面粗糙度 (Ra) 为 70 至 90 um，而送丝样品的 Ra 低 30%。[5]送丝系统还克服了沉积效率的问题，因为颗粒不会因无法被困在熔池中而损失。
送丝方法的问题是无法生产具有合适送丝角度范围的固体表面涂层。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]进行了一项研究来比较独立同轴喷嘴与上述组合进料系统的效率。当进料系统的唯一机制是同轴粉末注射时，沉积范围从 1100 kW 激光器的 27% 到 1500 kW 激光器的 33%。[6]
使用同轴粉末注射与横向送丝系统相结合，对激光熔覆工艺进行了改进。这两种方法同样有助于熔池提高系统的效率。由于送丝导致存在更大且连续的熔池，因此粉末喷涂的沉积效率提高。粉末喷涂的沉积效率提高至47%。[6] 这项研究提高了激光器的效率，因为人们注意到，当单独使用一根电线时，很大一部分激光能量会被反射并浪费。由于粉末喷涂充当屏障并在光束到达馈送丝之前吸收了部分光束，因此馈送丝浪费的能量较少。[6]
通过组合方法可以提高复合材料的整体质量。当粉末和线材同时使用时，样品的孔隙率提高了近 25%。熔覆层的另一个改进是表面光洁度粗糙度的降低。表面光洁度下降至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，更多来自激光的能量被熔池吸收，以产生更平滑、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部件的污染和弄脏。保护玻璃、二色透镜和聚焦透镜可能会因回喷而变脏。这降低了激光的效率，因为光束的能量被激光组件吸收，而不是转移到粉末喷涂。由于能量在到达粉末之前就被吸收，因此激光熔覆系统开始产生质量差、不均匀的熔覆层。当看到这些结果时，使用激光熔覆优于其他熔覆技术（例如热或等离子喷涂）是没有意义的，因为激光熔覆不能产生高质量的均质熔覆。[1]
一种新的激光熔覆方法已经实现。在熔覆头上安装各种传感器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、光电二极管和摄像头有助于提高零件的表面光洁度和整体净精度。[7]
使用热传感器来监测防护镜片和二色镜片温度的升高可用于确定镜片是否变脏。当透镜变脏时，到达粉末喷雾的激光能量就会减少，而是被粉末喷雾吸收。保护镜片可能会变脏，因为粉末喷雾中的保护惰性气体无法在生产过程中吹掉镜片上的颗粒。[7]
通过垂直于熔覆头安装电荷耦合器件 (CCD)，可以将电荷耦合器件 (CCD) 纳入熔覆工艺中，以便实时查看激光器和基材之间的接触点。
已经确定，熔池受熔覆头高度的影响很大，因为光束尺寸相对其焦点变化很大。激光束的能量分布可以建模为方程（1）中的高斯分布，其中可以确定光束能量的集中度。
- g是高斯分布的峰值
- h 是喷嘴到基材的高度
- ø 为粉末喷涂的半角
随着喷嘴高度降低到焦点之外，光束尺寸减小并形成熔池，从而降低系统的沉积效率。当基板的高度增加超过激光焦点时，激光束宽度的增加开始浪费能量。由于光束的高斯分布性质，光束的集中度会随着光束的集中度增加太多而降低。通过结合 CCD 来监测喷嘴和基材之间的高度差，可以监测和控制熔池的尺寸，为粉末喷雾的吸收创造理想的设置。[7]
如果基材倾斜，喷嘴的定位就会出现不同的问题。从方程（2）和（3）可以看出，包层的分布随着角度的变化而变化。喷嘴与基材的角度必须保持垂直于基材，以提供均匀分布的包层。
- ø 是基底与地平线之间的角度
CCD 现在能够用于监控基材相对于地平线的角度以及喷嘴相对于倾斜基材的角度。这使得包层的浓度沿着倾斜表面均匀分布，同时还监控喷嘴到基材的高度，以确保激光束的宽度适合产生合适的熔池。[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，尺寸精度也会受到影响。通过集成传感器，可以在制造过程中调整熔覆工艺，以防止成品零件上出现任何缺陷。
参考
- ↑跳转至：1.0 1.1 1.2 1.3 1.4 科尔宾 、斯蒂芬、阿米尔·哈杰普尔和埃桑·托伊塞卡尼。激光熔覆。博卡拉顿：CRC，2004 年。印刷。
- ^ de Oliveira, U.、V. Ocelı´k 和 J.Th.M. 德霍森. “同轴激光熔覆加工条件分析”。表面和涂层技术 195 (2004): 127-136。打印。
- ↑跳转至：3.0 3.1 离子，约翰。工程材料激光加工：原理、程序和工业应用。圣路易斯：巴特沃斯-海涅曼，2005 年。印刷。
- ↑跳转至：4.0 4.1 帕特斯，克努特。“高速激光熔覆中集水效率的分析模型。” 表面和涂层技术 204 (2009): 366-371。打印。
- ↑跳转至：5.0 5.1 Ul Haq Syed、Waheed、Andrew J. Pinkerton 和 Lin Li。“送丝与送粉的比较研究”。应用表面科学 247 (2005): 268 - 276。印刷。
- ↑跳转至：6.0 6.1 6.2 6.3 Ul Haq Syed、Waheed、Andrew J. Pinkerton 和 Lin Li。“在激光直接金属沉积中结合线材和同轴送粉以实现快速原型制作。” 应用表面科学 252 (2006): 4803 - 4808。印刷。
- ↑跳转至：7.0 7.1 7.2 7.3 Liua、Jichang 和 Lijun Lia。“激光熔覆制造过程中的及时运动调整，以提高尺寸精度和表面（成形部件的光洁度）。”光学；激光技术 36 (2004)：477 - 384。