硬鉻電鍍是在航空航天、石油天然氣、煤機、汽車、造紙等各個領(lǐng)域，為了實現(xiàn)軸輥類零件的表面硬度、耐腐蝕性、耐磨性強化或尺寸修復(fù)一種廣泛使用的標準工藝。然而，硬鉻電鍍耗能大，且對環(huán)境污染非常嚴重，常用CrO3（也稱為Cr6+）毒性極高，是一種致癌物質(zhì)。
因此，世界各國相繼出臺法規(guī)對電鍍工藝進行限制，例如在我國，黨的十九大報告提出：要構(gòu)建市場導(dǎo)向的綠色技術(shù)創(chuàng)新體系，推進資源全面節(jié)約和循環(huán)利用。歐洲更是從2017年9月開始施行只有在特別授權(quán)的情況下才可以使用硬鉻電鍍工藝的規(guī)定。
當前，表面處理技術(shù)的應(yīng)用市場非常廣闊，常見的表面涂層制備技術(shù)還有熱噴涂、激光熔覆等。在替代硬鉻電鍍方面，采用熱噴涂技術(shù)制備的涂層與基體的機械結(jié)合能力較差，涂層與基體間易產(chǎn)生裂紋，從而易引發(fā)涂層剝落等狀況，采用激光熔覆技術(shù)制備的涂層與基體之間呈冶金結(jié)合，但通常情況下其涂層厚度較大，制備的效率較低，在對薄壁或小尺寸零件進行熔覆時，相對較大的熱輸入會使工件發(fā)生收縮和變形。因此，熱噴涂和激光熔覆僅在少數(shù)應(yīng)用場景中取代硬鉻電鍍。在這種情況下，限制電鍍帶來的市場空白勢必會引發(fā)新技術(shù)的變革。
德國弗勞恩霍夫激光技術(shù)研究所（Fraunhofer ILT）和亞琛工業(yè)大學(xué)（RWTH Aachen University）的研究人員于2013年開始研究，并在2017年成功研發(fā)了一種用于涂層的修復(fù)金屬部件的工藝——超高速激光熔覆技術(shù)。超高速激光熔覆技術(shù)一經(jīng)提出，就被大量學(xué)者和研究人員關(guān)注，逐步代替原有的硬鉻電鍍工藝，并且應(yīng)用領(lǐng)域迅速拓展，延伸到了汽車零部件涂層制備、金屬增材制造等場合。
超高速激光熔覆，德文縮寫為EHLA，英文為Extreme High Speed Cladding，是采用同步送粉的方式，通過調(diào)整粉末焦平面與激光焦平面的相對位置使熔覆粉末在基體上方與激光束交匯發(fā)生熔化，隨后均勻涂覆在基體表面，快速凝固后熔覆層稀釋率極低且與基體呈冶金結(jié)合。它與傳統(tǒng)激光熔覆本質(zhì)的區(qū)別是改變了粉末的熔化位置。
在超高速激光熔覆中，落在基體表面的是液態(tài)的熔覆材料而不是固態(tài)粉末顆粒，所以可顯著提升其熔覆速度。傳統(tǒng)激光熔覆的熔覆速度通常為0.5-2.0m/min。而超高速激光熔覆的熔覆速度為20-200m/min，提升了40-100倍，如此高的熔覆速度意味著該技術(shù)可用于大面積零件的涂覆。
由于超高的熔覆速度降低了能量密度以及在基體上方熔化的粉末吸收了大量激光能量，使得超高速激光熔覆的熱輸入明顯減少，傳統(tǒng)激光熔覆的熱影響區(qū)深度通常為毫米尺度，而超高速激光熔的熱影響區(qū)為微米尺度。
超高速激光熔覆制備的涂層更為光滑且后續(xù)機加工步驟少，用傳統(tǒng)激光熔覆制備的涂層厚度通常大于0.5mm，而超高速激光熔覆制備的涂層厚度在0.05~1mm之間，且表面粗糙度可降至原來的1/10，僅需磨削即可滿足要求。
此外，超高速激光熔覆與硬鉻電鍍相比，制備出的涂層無氣孔、裂紋等缺陷，且更加環(huán)保；與熱噴涂相比，其可節(jié)約大約90%的材料。因此超高速激光熔覆技術(shù)逐漸在工業(yè)中取得應(yīng)用，它也被譽為當前可替代電鍍最具競爭力的工藝。
我國是世界上最大的煤礦液壓支架生產(chǎn)國，產(chǎn)品不僅滿足于國內(nèi)市場需求，而且會出口美國、歐洲、東南亞等多個國家和地區(qū)。然而液壓支架的核心部件，例如液壓立柱、千斤頂?shù)染枰M行表面防腐和耐磨等處理，在制造和維修兩個方面每年需要處理的量就有近百萬平方米之多，傳統(tǒng)電鍍工藝給企業(yè)帶來的環(huán)保壓力非常大，并且電鍍鍍層在質(zhì)量、性能以及大修周期、修理費用等后期的成本維護方面也存在許多缺陷。隨著超高速激光熔覆的發(fā)展，這些問題迎刃而解。
傳統(tǒng)的汽車制動盤是由含有層狀石墨相的灰鑄鐵制成，這種材料雖然有較好的導(dǎo)熱性和高的熱容量，但是其耐腐蝕性和耐磨損能力差，需要在其表面制備耐腐蝕和耐磨損的涂層。目前電鍍和熱噴涂等傳統(tǒng)的表面處理工藝難以使灰鑄鐵與其表面的涂層發(fā)生冶金的表面處理工藝難以使灰鑄鐵與其表面的涂層發(fā)生冶金結(jié)合，還容易在涂層中產(chǎn)生氣孔和裂紋等缺陷。
針對該問題，德國弗勞恩霍夫激光技術(shù)研究所（Fraunhofer ILT）的研究人員采用超高速激光熔覆技術(shù)在制動盤表面制備了一層涂層，該涂層與基體呈冶金結(jié)合，不會發(fā)生剝落，且低熱輸入還可以防止制動盤灰鑄鐵的碳元素溶解到其表面的熔池之中，從而避免了產(chǎn)生氣孔以及涂層和結(jié)合區(qū)的裂紋等。
作為Fraunhofer ILT（弗勞恩霍夫激光技術(shù)研究所）孵化的產(chǎn)業(yè)化創(chuàng)新企業(yè)，ACunity（亞琛聯(lián)合科技公司）于2016年在德國亞琛建立，率先將超高速激光熔覆技術(shù)引進中國市場， ACunity超高速激光熔覆系列型號設(shè)備可滿足多種直徑、長度軸類零件的涂層制造、快速修復(fù)應(yīng)用需求。
送粉噴嘴是超高速激光熔覆技術(shù)的核心部件，對熔覆質(zhì)量、效率、成本等有直接的影響，ACunity與Fraunhofer ILT聯(lián)合攻關(guān)，不斷創(chuàng)新，推出多種規(guī)格的新型噴嘴，在大批量規(guī)模化生產(chǎn)中更加有效提高生產(chǎn)效率與使用壽命。針對各類耐磨、耐腐蝕和耐高溫涂層制備要求，建立了完整的工藝數(shù)據(jù)庫。同時為客戶提供定制化設(shè)備集成與配套工藝的研發(fā)服務(wù)。
超高速激光熔覆的熔覆效率高、涂層質(zhì)量好，這吸引了國內(nèi)外學(xué)者對它的探索與研究，它在工業(yè)生產(chǎn)中的不斷應(yīng)用不僅取決于獨特的技術(shù)優(yōu)勢，也在于其良好的環(huán)境效益和巨大的經(jīng)濟潛力。超高速激光熔覆未來主要的研究熱點將聚焦平面及自由曲面的超高速激光熔覆設(shè)備的研制、新型熔覆材料的研發(fā)以及超高速激光熔覆技術(shù)結(jié)合增材制造的進一步研究，拓寬超高速激光熔覆技術(shù)在表面處理方面的應(yīng)用范圍，使得涂層質(zhì)量進一步優(yōu)化，推動3D增材制造技術(shù)的發(fā)展，在未來極大地促進金屬3D打印技術(shù)產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用。
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