喜歡喝牛奶的朋友，是否都注意到包裝盒上經(jīng)常印著“UHT”的字樣?UHT即超高溫瞬時滅菌，是處理鮮奶的一種常用滅菌工藝，通過將牛奶維持在135～140℃之間4～10s然后快速冷卻進(jìn)行滅菌，既不影響牛奶的營養(yǎng)和風(fēng)味，又能大大延長常溫下牛奶的保質(zhì)期。
其實，在航空制造領(lǐng)域，也有這種思想的工藝存在。通過較短時間的加工，既不影響材料良好性能，又能延長使用壽命，這就是激光熔覆（Laser Cladding）。下面就跟小編一起來了解一下吧。
1.什么是激光熔覆
2.激光熔覆的特點
激光熔覆冷卻速度快（可達(dá)106K/s），屬于快速凝固過程，容易得到細(xì)晶組織或產(chǎn)生平衡態(tài)所無法得到的新相，如非穩(wěn)相、非晶態(tài)等；涂層稀釋率低（一般小于5%），與基體呈牢固的冶金結(jié)合或界面擴(kuò)散結(jié)合，通過對激光工藝參數(shù)的調(diào)整，可以獲得低稀釋率的良好涂層，并且涂層成份和稀釋度可控。
熱輸入和畸變較小，尤其是采用高功率密度快速熔覆時，變形可降低到零件的裝配公差內(nèi)；粉末選擇幾乎沒有任何限制，特別是在低熔點金屬表面熔敷高熔點合金；熔覆層的厚度范圍越大，單道送粉一次涂覆厚度在0.2～2mm；能進(jìn)行選區(qū)熔覆，材料消耗少，具有卓越的性能價格比；光束瞄準(zhǔn)可以使難以接近的區(qū)域熔覆，工藝過程易于實現(xiàn)自動化。
3.激光熔覆的工藝原理
激光熔覆按熔覆材料的供給方式大概可分為兩大類，即預(yù)置式激光熔覆和同步式激光熔覆。
預(yù)置式激光熔覆是將熔覆材料事先置于基體材料表面的熔覆部位，然后采用激光束輻照掃描熔化，熔覆材料以粉、絲、板的形式加入，其中粉末的形式最為常用。預(yù)置式激光熔覆的主要工藝流程為：基體材料熔覆表面預(yù)處理-預(yù)置熔覆材料-預(yù)熱-激光熔化-后熱處理。
同步式激光熔覆則是將熔覆材料直接送入激光束中，使供料和熔覆同時完成。熔覆材料主要也是以粉末的形式送入，有的也采用線材或板材進(jìn)行同步送料。同步式激光熔覆的主要工藝流程為：基體材料熔覆表面預(yù)處理-送料激光熔化-后熱處理。
4.激光熔覆的重要工藝參數(shù)
1 激光功率
激光功率越大，熔化的熔覆金屬量越多，產(chǎn)生氣孔的概率越大。隨著激光功率增加，熔覆深度增加，周圍的液體金屬劇烈波動，動態(tài)凝固結(jié)晶，使氣孔數(shù)量逐漸減少甚至得以消除，裂紋也逐漸減少。當(dāng)熔覆層深度達(dá)到極限深度后，隨著功率提高，基體表面溫度升高，變形和開裂現(xiàn)象加劇。激光功率過小，僅表面涂層熔化，基體未熔，此時熔覆層表面出現(xiàn)局部起球、空洞等，達(dá)不到表面熔覆的目的。
2 光斑直徑
激光束一般為圓形，熔覆層寬度主要取決于激光束的光斑直徑，光斑直徑增加，熔覆層變寬。光斑尺寸不同會引起熔覆層表面能量分布變化，所獲得的熔覆層形貌和組織性能有較大差別。一般來說，在小尺寸光斑下，熔覆層質(zhì)量較好；隨著光斑尺寸增大，熔覆層質(zhì)量下降。但光斑直徑過小，不利于獲得大面積的熔覆層。
3 熔覆速度
熔覆速度與激光功率有相似的影響。熔覆速度過高，合金粉末不能完全熔化，不能起到優(yōu)質(zhì)的熔覆效果；熔覆速度太低，熔池存在時間過長，粉末過燒，合金元素?fù)p失，同時基體的熱量輸入過大，會增加變形量。
5.激光熔覆與航空制造
1 激光熔覆成形用于零件制造
激光熔覆成形技術(shù)在無需任何硬質(zhì)模具或模型的情況下，能快速制備出不同材料的復(fù)雜形狀的金屬零件，該技術(shù)突破了常規(guī)的機械制造概念，能夠制造出形狀任意的復(fù)雜金屬實體零件，對零件形狀復(fù)雜程度的適應(yīng)性非常強，為復(fù)雜零件的制造提供了一條有效途徑。
航空航天工業(yè)正快速地采用較新的合金如Ti-6Al-4V，來制造高強度/重量比率、耐熱、耐疲勞和耐腐蝕的零件。但在這些新型合金的加工上，傳統(tǒng)工藝方法有許多難以克服的缺點，如生產(chǎn)隔板是用數(shù)英寸厚數(shù)千磅重的齒形合金板加工，得到這些合金板的時間要一年或一年以上。因為難以加工，加工這種零件需要花費昂貴的加工中心數(shù)百小時，磨損大量的刀具。而激光熔覆成形技術(shù)則在這方面具有較大優(yōu)勢，可以降低庫存和減少制造時間。
2 激光熔覆成形用于零件修復(fù)
激光熔覆成形技術(shù)對當(dāng)前的修復(fù)工藝產(chǎn)生直接的影響，其優(yōu)點包括工藝自動化、低的熱應(yīng)力和變形等等。由于人們期望對飛機的壽命不斷延長，需要更加復(fù)雜的修復(fù)和檢修工藝。渦輪機齒片、葉輪和轉(zhuǎn)動空氣密封墊等零件正是通過更新可以延長已有結(jié)構(gòu)壽命的零件，其中一些零件可以通過表面硬化得到修復(fù)，然而許多其他零件需要更為復(fù)雜的修復(fù)工藝，并且由難加工的材料制成。激光熔覆修復(fù)工藝能應(yīng)用于大范圍的材料而不降低母材性能，比起零件或工具的置換節(jié)約75%以上的成本。
例如用激光熔覆技術(shù)修復(fù)裂紋，由于非穿透性裂紋通常發(fā)生在非薄壁零件，其深度無法直接測量，其他修復(fù)技術(shù)無法發(fā)揮作用。此時采用激光熔覆技術(shù)，視情況多次打磨和探傷將裂紋逐步清除，打磨后的溝槽用激光粉末多層熔覆工藝填平，即可重建損傷結(jié)構(gòu)，恢復(fù)其性能。
3 激光熔覆技術(shù)用于航空材料的表面改性
采用激光法制備陶瓷涂層，可在金屬表面預(yù)先進(jìn)行陶瓷涂敷，然后再進(jìn)行激光處理，使得涂層組織更加細(xì)密。也可以直接進(jìn)行激光涂層：先噴涂過渡層（如NiCr、NiAl、NiCrAl、Mo等）材料，再用脈沖激光涂敷陶瓷材料，使過濾層中Ni、Cr合金與陶瓷中Al2O3、ZrO2附在基體表面，形成多孔特性，使基體中的金屬分子也能擴(kuò)散到陶瓷中，進(jìn)而改善涂層的結(jié)構(gòu)與性能。
隨著航空燃?xì)鉁u輪機向高流量比、高推重比、高進(jìn)口溫度方向發(fā)展，燃燒室中的燃?xì)鉁囟群蛪毫Σ粩嗵岣?。陶瓷熱障涂層用于燃?xì)廨啓C的高溫合金表面，起到隔熱作用，可降低金屬表面溫度，提高燃?xì)鉁囟?，從而提高燃?xì)廨啓C效率，延長其使用壽命。利用大功率激光器直接輻射陶瓷或金屬粉末，將其熔化后在金屬基體上快速凝固形成涂層，陶瓷與金屬基體為冶金結(jié)合，得到垂直于表面的柱狀組織，形成性能良好的熱障涂層。
超高溫瞬時滅菌牛奶
其實，在航空制造領(lǐng)域，也有這種思想的工藝存在。通過較短時間的加工，既不影響材料良好性能，又能延長使用壽命，這就是激光熔覆（Laser Cladding）。下面就跟小編一起來了解一下吧。
激光熔覆技術(shù)
1.什么是激光熔覆
激光熔覆是指以不同的填料方式在被涂覆基體表面上放置選擇的涂層材料，經(jīng)激光輻照使之和基體表面的薄層同時熔化，并快速凝固后形成稀釋度極低并與基體材料呈冶金結(jié)合的表面涂層，從而顯著改善基體材料表面的耐磨、耐蝕、耐熱、抗氧化及電氣特性等的工藝方法，從而達(dá)到了表面改性或修復(fù)的目的，既滿足了對材料表面特定性能的要求，又節(jié)約了大量的貴重元素。
激光熔覆加工
激光熔覆加工原理
2.激光熔覆的特點
激光熔覆冷卻速度快（可達(dá)106K/s），屬于快速凝固過程，容易得到細(xì)晶組織或產(chǎn)生平衡態(tài)所無法得到的新相，如非穩(wěn)相、非晶態(tài)等；涂層稀釋率低（一般小于5%），與基體呈牢固的冶金結(jié)合或界面擴(kuò)散結(jié)合，通過對激光工藝參數(shù)的調(diào)整，可以獲得低稀釋率的良好涂層，并且涂層成份和稀釋度可控。
激光熔覆涂層
熱輸入和畸變較小，尤其是采用高功率密度快速熔覆時，變形可降低到零件的裝配公差內(nèi)；粉末選擇幾乎沒有任何限制，特別是在低熔點金屬表面熔敷高熔點合金；熔覆層的厚度范圍越大，單道送粉一次涂覆厚度在0.2～2mm；能進(jìn)行選區(qū)熔覆，材料消耗少，具有卓越的性能價格比；光束瞄準(zhǔn)可以使難以接近的區(qū)域熔覆，工藝過程易于實現(xiàn)自動化。
激光熔覆技術(shù)加工的圓柱體
3.激光熔覆的工藝原理
激光熔覆按熔覆材料的供給方式大概可分為兩大類，即預(yù)置式激光熔覆和同步式激光熔覆。
預(yù)置式激光熔覆是將熔覆材料事先置于基體材料表面的熔覆部位，然后采用激光束輻照掃描熔化，熔覆材料以粉、絲、板的形式加入，其中粉末的形式最為常用。預(yù)置式激光熔覆的主要工藝流程為：基體材料熔覆表面預(yù)處理-預(yù)置熔覆材料-預(yù)熱-激光熔化-后熱處理。
預(yù)置式激光熔覆
同步式激光熔覆則是將熔覆材料直接送入激光束中，使供料和熔覆同時完成。熔覆材料主要也是以粉末的形式送入，有的也采用線材或板材進(jìn)行同步送料。同步式激光熔覆的主要工藝流程為：基體材料熔覆表面預(yù)處理-送料激光熔化-后熱處理。
同步式激光熔覆
4.激光熔覆的重要工藝參數(shù)
1 激光功率
激光功率越大，熔化的熔覆金屬量越多，產(chǎn)生氣孔的概率越大。隨著激光功率增加，熔覆深度增加，周圍的液體金屬劇烈波動，動態(tài)凝固結(jié)晶，使氣孔數(shù)量逐漸減少甚至得以消除，裂紋也逐漸減少。當(dāng)熔覆層深度達(dá)到極限深度后，隨著功率提高，基體表面溫度升高，變形和開裂現(xiàn)象加劇。激光功率過小，僅表面涂層熔化，基體未熔，此時熔覆層表面出現(xiàn)局部起球、空洞等，達(dá)不到表面熔覆的目的。
高功率激光束
2 光斑直徑
激光束一般為圓形，熔覆層寬度主要取決于激光束的光斑直徑，光斑直徑增加，熔覆層變寬。光斑尺寸不同會引起熔覆層表面能量分布變化，所獲得的熔覆層形貌和組織性能有較大差別。一般來說，在小尺寸光斑下，熔覆層質(zhì)量較好；隨著光斑尺寸增大，熔覆層質(zhì)量下降。但光斑直徑過小，不利于獲得大面積的熔覆層。
不同光斑直徑與能量分布
3 熔覆速度
熔覆速度與激光功率有相似的影響。熔覆速度過高，合金粉末不能完全熔化，不能起到優(yōu)質(zhì)的熔覆效果；熔覆速度太低，熔池存在時間過長，粉末過燒，合金元素?fù)p失，同時基體的熱量輸入過大，會增加變形量。
激光熔覆形成熔池
5.激光熔覆與航空制造
1 激光熔覆成形用于零件制造
激光熔覆成形技術(shù)在無需任何硬質(zhì)模具或模型的情況下，能快速制備出不同材料的復(fù)雜形狀的金屬零件，該技術(shù)突破了常規(guī)的機械制造概念，能夠制造出形狀任意的復(fù)雜金屬實體零件，對零件形狀復(fù)雜程度的適應(yīng)性非常強，為復(fù)雜零件的制造提供了一條有效途徑。
航空航天工業(yè)正快速地采用較新的合金如Ti-6Al-4V，來制造高強度/重量比率、耐熱、耐疲勞和耐腐蝕的零件。但在這些新型合金的加工上，傳統(tǒng)工藝方法有許多難以克服的缺點，如生產(chǎn)隔板是用數(shù)英寸厚數(shù)千磅重的齒形合金板加工，得到這些合金板的時間要一年或一年以上。因為難以加工，加工這種零件需要花費昂貴的加工中心數(shù)百小時，磨損大量的刀具。而激光熔覆成形技術(shù)則在這方面具有較大優(yōu)勢，可以降低庫存和減少制造時間。
激光熔覆成形用于合金板的加工
2 激光熔覆成形用于零件修復(fù)
激光熔覆成形技術(shù)對當(dāng)前的修復(fù)工藝產(chǎn)生直接的影響，其優(yōu)點包括工藝自動化、低的熱應(yīng)力和變形等等。由于人們期望對飛機的壽命不斷延長，需要更加復(fù)雜的修復(fù)和檢修工藝。渦輪機齒片、葉輪和轉(zhuǎn)動空氣密封墊等零件正是通過更新可以延長已有結(jié)構(gòu)壽命的零件，其中一些零件可以通過表面硬化得到修復(fù)，然而許多其他零件需要更為復(fù)雜的修復(fù)工藝，并且由難加工的材料制成。激光熔覆修復(fù)工藝能應(yīng)用于大范圍的材料而不降低母材性能，比起零件或工具的置換節(jié)約75%以上的成本。
激光熔覆用于發(fā)動機葉片修復(fù)
例如用激光熔覆技術(shù)修復(fù)裂紋，由于非穿透性裂紋通常發(fā)生在非薄壁零件，其深度無法直接測量，其他修復(fù)技術(shù)無法發(fā)揮作用。此時采用激光熔覆技術(shù)，視情況多次打磨和探傷將裂紋逐步清除，打磨后的溝槽用激光粉末多層熔覆工藝填平，即可重建損傷結(jié)構(gòu)，恢復(fù)其性能。
激光熔覆修復(fù)齒輪表面
3 激光熔覆技術(shù)用于航空材料的表面改性
采用激光法制備陶瓷涂層，可在金屬表面預(yù)先進(jìn)行陶瓷涂敷，然后再進(jìn)行激光處理，使得涂層組織更加細(xì)密。也可以直接進(jìn)行激光涂層：先噴涂過渡層（如NiCr、NiAl、NiCrAl、Mo等）材料，再用脈沖激光涂敷陶瓷材料，使過濾層中Ni、Cr合金與陶瓷中Al2O3、ZrO2附在基體表面，形成多孔特性，使基體中的金屬分子也能擴(kuò)散到陶瓷中，進(jìn)而改善涂層的結(jié)構(gòu)與性能。
激光熔覆改善零件表面特性
隨著航空燃?xì)鉁u輪機向高流量比、高推重比、高進(jìn)口溫度方向發(fā)展，燃燒室中的燃?xì)鉁囟群蛪毫Σ粩嗵岣?。陶瓷熱障涂層用于燃?xì)廨啓C的高溫合金表面，起到隔熱作用，可降低金屬表面溫度，提高燃?xì)鉁囟?，從而提高燃?xì)廨啓C效率，延長其使用壽命。利用大功率激光器直接輻射陶瓷或金屬粉末，將其熔化后在金屬基體上快速凝固形成涂層，陶瓷與金屬基體為冶金結(jié)合，得到垂直于表面的柱狀組織，形成性能良好的熱障涂層。
燃?xì)廨啓C熱障涂層
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