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在帶鋼生產(chǎn)時(shí)，部件必須在惡劣的環(huán)境中運(yùn)行，忍受高溫以及腐蝕性的大氣環(huán)境，并承受機(jī)械磨損和頻繁的重型沖擊。傳統(tǒng)上，要承受高磨損或腐蝕的組件的原材料通常來自于使用了埋弧熔覆馬氏體不銹鋼（MSSs）的堆焊材料，以增加其使用壽命，這樣可以在不影響產(chǎn)品質(zhì)量的前提下來盡量延長(zhǎng)維護(hù)的間隔時(shí)間，從而最大化量產(chǎn)。
MSS焊接合金通常有著良好的耐磨損和耐腐蝕的特點(diǎn)，然而，它們并不適合于強(qiáng)度大的金屬與金屬間的磨損，而且在高溫環(huán)境中會(huì)失去其耐磨損和耐腐蝕的特性。弧焊MSS合金也會(huì)在熱影響區(qū)（HAZs）的晶界受到焊接增感作用影響，這是因?yàn)闊嵊绊憛^(qū)的碳化鉻沉淀下來，耗盡了周邊區(qū)域的鉻，這些局部區(qū)域因而變得易受腐蝕。
熱噴涂涂層在整個(gè)鋼鐵行業(yè)有著廣泛的應(yīng)用，這是因?yàn)樗鼈兛梢苑浅ｌ`活地使用范圍廣泛的合金以及金屬基復(fù)合材料（MMCs）。然而，它們的機(jī)械連結(jié)面相對(duì)強(qiáng)度較低（除非使用了噴熔法），這限制了其在重型沖擊環(huán)境下的使用。
2009年，在英國南威爾士的Port Talbot，TataSteel Strip Products英國公司嘗試開發(fā)激光熔覆涂層的關(guān)鍵工作組件，來增加其使用壽命（圖1）。在鋼鐵行業(yè)的軋鋼機(jī)中需要不同長(zhǎng)度的輥?zhàn)樱秶◤?.3至 3.5米。激光熔覆涂層已被證明可以延長(zhǎng)組件的使用壽命最高達(dá)6倍。
自從在Port Talbot安裝了激光熔覆系統(tǒng)后，這一工藝開始發(fā)展起來，許多鈷鎳和鐵基合金在微觀結(jié)構(gòu)、力學(xué)性能、耐磨、耐腐蝕性等方面進(jìn)行了評(píng)估。需要針對(duì)不同的應(yīng)用所需要的涂層特性來進(jìn)行相應(yīng)的工藝開發(fā)。
生產(chǎn)線試驗(yàn)的初步結(jié)果非常鼓舞人心：經(jīng)過激光熔覆處理的組件獲得了前所未有的耐磨損和耐腐蝕的性能。為此，該公司決定建立生產(chǎn)設(shè)備，以應(yīng)付預(yù)期的需求。
激光熔覆的好處
激光熔覆是一種可以用來增加金屬組件的耐磨損、耐腐蝕、抗沖擊性能的堆焊方法。這一方法利用精確聚焦大功率的激光束來形成焊接熔池并將金屬粉末加入到其中。粉末經(jīng)過一連串的惰性保護(hù)氣體通過激光束同軸送入。激光束的準(zhǔn)確性使得可以得到稀釋度極低的致密熔覆層（<5%），同時(shí)熔覆層與基體之間具有完美的冶金結(jié)合。涂層可以應(yīng)用于許多地方，并可以根據(jù)不同情況來設(shè)計(jì)其組成以克服每個(gè)組件相應(yīng)的失效機(jī)制。
圖2展示了激光熔覆頭。與激光熔覆相關(guān)的主要好處之一就是能夠很好地控制熱量輸入，從而實(shí)現(xiàn)兩相沉積的金屬基復(fù)合（MMC）結(jié)構(gòu)：
基體通常是一種鎳基合金，具有良好的韌性、延展性和抗沖擊性，同時(shí)在高溫下的耐磨損性能；
增強(qiáng)的硬質(zhì)層通常是碳化鎢或氮化鈦/碳化鈦、碳化鉻等。
熱量輸入的精細(xì)控制使得基體能完全融化以及實(shí)現(xiàn)基體表面的合金化，而同時(shí)陶瓷顆粒沒有融化并均勻地分布在基體中，從而使得整個(gè)涂層具有很強(qiáng)的耐磨損、耐沖擊性。硬質(zhì)層和基體之間的比例可根據(jù)運(yùn)作的環(huán)境來調(diào)整，例如，更大的硬質(zhì)層比例具有更好的耐磨損性，較少的硬質(zhì)層則具有更好的抗沖擊性。
其他的好處包括：
由于熱量輸入最小，因而冷卻速度快，且具有極細(xì)的微結(jié)構(gòu)，變形可忽略不計(jì)；
由于稀釋度極低，因而涂層的最上面那層就能實(shí)現(xiàn)所需要的化學(xué)組成；
可以生產(chǎn)特殊表面處理的硬面涂層（可能無需加工就能進(jìn)行輥涂和安裝）；
與所有其他低熱量輸入的噴涂過程（超音速火焰HVOF噴涂、冷噴涂、D-Gun爆炸噴涂等）不同，激光熔覆的熔覆層與基體之間具有完美的冶金結(jié)合。
激光熔覆有許多相關(guān)的技術(shù)參數(shù)，其中特別關(guān)鍵的一個(gè)是粉體質(zhì)量流量。對(duì)于一種特定的應(yīng)用來說，一旦確定了最佳的激光光斑直徑、熔覆速度和激光功率，便可利用粉體質(zhì)量流量來控制熔覆層的厚度、硬度和稀釋度，如圖3所示，我們可以看到，粉體質(zhì)量流量的增高可以有效地控制稀釋度。
對(duì)于單線堆焊焊縫，一旦確定了最佳參數(shù)，大規(guī)模的區(qū)域?qū)⒈恢丿B的軌跡所覆蓋。重疊的量將決定涂層的厚度，包括從0.3毫米至3.0毫米的范圍。
為了演示和量化激光熔覆技術(shù)相對(duì)傳統(tǒng)的堆焊技術(shù)的潛在好處，英國謝菲爾德大學(xué)（Sheffield University）的Tata Steel研發(fā)中心制造了一些激光熔覆和埋弧熔覆的樣品，然后進(jìn)行磨損測(cè)試，并發(fā)表了在低溫和高溫下進(jìn)行磨損試驗(yàn)的結(jié)果。
激光熔覆生產(chǎn)設(shè)備
雖然可以向歐洲和美國的供應(yīng)商直接購買激光熔覆的加工設(shè)備，然而，Tata Steel的工程師們決定自行生產(chǎn)激光熔覆設(shè)備。該系統(tǒng)包括光纖耦合半導(dǎo)體激光器和Precitec YC52熔覆頭，以及一個(gè)金屬粉末質(zhì)量流量控制喂料機(jī)。該系統(tǒng)由Fanuc機(jī)械手來控制，這個(gè)機(jī)械手具有額外的第七軸，可以將重達(dá)6噸、長(zhǎng)至3.5米的圓柱體部件進(jìn)行旋轉(zhuǎn)。
通過人機(jī)界面來控制機(jī)器的運(yùn)作。該系統(tǒng)被設(shè)計(jì)通過能自動(dòng)編程的機(jī)器人來自主操作。此外還需要一個(gè)距離測(cè)量激光器來確定組件的形狀、開始和停止的位置以及激光頭支架距離。這可以確保只需要很少的培訓(xùn)就能實(shí)現(xiàn)這一頂尖的工藝。詳細(xì)的監(jiān)測(cè)可以確保穩(wěn)定的過程，而自動(dòng)停止和退刀功能可以防止意外中斷時(shí)的損害。
在鋼鐵行業(yè)，激光熔覆加工已經(jīng)展現(xiàn)了其可以提高工作組件的關(guān)鍵使用壽命這一重大優(yōu)勢(shì)，隨著高功率二極管激光系統(tǒng)和專用的激光熔覆噴嘴的到來，我們可以較為容易地為堆焊應(yīng)用設(shè)計(jì)出一種穩(wěn)健的熔覆工藝，并很好地與之結(jié)合起來。
Sam Lester和Justin Griffiths來自Tata Steel公司；John Cocker來自Laser Trade公司；Christian Staudenmaier來自Precitec公司；Gary Broadhead來自Laser Line公司；Nick Longfield博士以前是Tata Steel公司的成員。
作者 Sam Lester
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