再制造技術(shù)革新： 經(jīng)濟(jì)、高效、防腐、耐磨

　　發(fā)電廠或者其他工業(yè)制造工廠，機(jī)械設(shè)備的金屬部分在磨損方面常常經(jīng)受著巨大的考驗(yàn)，為了應(yīng)對(duì)這些情況和延長一些特別昂貴的生產(chǎn)設(shè)備的使用壽命，這些設(shè)備的金屬部分外表需要鍍上特殊的涂層，例如旋轉(zhuǎn)部件、管和其他功能性部件的整個(gè)表面都帶有金屬或者陶瓷涂層。

　　通常情況下，為防止機(jī)械設(shè)備的金屬部分被腐蝕和磨損，往往需要采用制備特殊的涂層保護(hù)零件。然而，鍍硬鉻、熱噴涂、傳統(tǒng)激光材料熔覆和堆焊等標(biāo)準(zhǔn)涂層制備方法均存在缺點(diǎn)：

　　鍍硬鉻——不可逾越的環(huán)保問題。

　　最常用的耐磨耐腐蝕的防護(hù)方法是鍍硬鉻，但硬鉻鍍層與基體材料不是冶金結(jié)合，很容易被破壞，而且存在微觀裂紋會(huì)削弱鍍層耐磨耐腐蝕性能的問題。同時(shí)，該方法的電化學(xué)反應(yīng)過程要消耗大量的電能，電力成本的升高降低了該方法的經(jīng)濟(jì)性。并且該方法對(duì)環(huán)境會(huì)造成惡劣影響，歐盟規(guī)定自2017年9月開始只有經(jīng)過授權(quán)或特批才可進(jìn)行電鍍鍍鉻。

　　熱噴涂——較低的資源有效利用率。熱噴涂同樣存在缺點(diǎn)，粉末顆粒發(fā)生塑性變形后以機(jī)械吸附的方式與基體結(jié)合在一起，由于這種機(jī)械吸附的結(jié)合很脆弱，因此在噴涂之前必須要對(duì)基體材料表面進(jìn)行粗化處理。此外，噴涂涂層內(nèi)部存在體積百分比為1%—2%的孔洞，這就導(dǎo)致了必須制備多層涂層以對(duì)零件進(jìn)行充分的保護(hù)。超音速熱噴涂的資源有效利用率也很低，每分鐘要消耗數(shù)百公升的氣體而且僅有一半的粉末材料可以在基體表面形成最終的涂層。

　　堆焊——過多浪費(fèi)原材料。堆焊工藝可以制造出高品質(zhì)、與基體結(jié)合緊密的涂層。通過如鎢極惰性氣體保護(hù)焊或等離子堆焊等傳統(tǒng)工藝可以制造出厚度為2—3毫米的涂層，但是這種涂層的厚度過大且浪費(fèi)過多的原材料。堆焊過程中，與涂層材料等量的基體材料熔化并與涂層材料混合在一起，因此要制備多層涂層保證涂層本身的性能。激光材料熔覆可以制備更薄的、厚度在0.5—1毫米范圍內(nèi)的涂層，與傳統(tǒng)工藝相比顯著降低熱輸入且單層涂層即可滿足對(duì)零件的防護(hù)要求。

　　傳統(tǒng)激光熔覆——制備厚涂層的成本更高。以前通常以提升激光束功率、增大激光束和送粉噴嘴的寬度的方式對(duì)大尺寸表面進(jìn)行激光熔覆。盡管這種方式可以提高激光熔覆制備單位面積涂層的效率，但對(duì)于工業(yè)級(jí)的涂層制造是無意義的。最關(guān)鍵的缺點(diǎn)是這種方式需要很高的能量，而且涂層的尺寸精確度過低，熔覆后需要進(jìn)行耗時(shí)費(fèi)力的二次加工。此外，激光能量相較于其他如電弧或等離子弧等傳統(tǒng)能量更為昂貴，這也是為什么制備厚涂層時(shí)激光熔覆的成本更高的原因。還有一點(diǎn)，傳統(tǒng)激光材料熔覆對(duì)于大尺寸零件來說速率太慢，僅能達(dá)到10—50平方厘米/分鐘，因此只能應(yīng)用在一些特殊要求的領(lǐng)域中。目前為止，由于過高的熱輸入，傳統(tǒng)熔覆工藝很難為熱敏感材料制備涂層。

　　高速激光熔覆技術(shù)——可實(shí)現(xiàn)短時(shí)間、大面積涂層的快速制備。來自于德國弗勞恩霍夫研究所和亞琛工業(yè)大學(xué)的研究者們開發(fā)出了一種超高速激光熔覆方法，該方法以非常經(jīng)濟(jì)的方式克服了上述其他涂層制備方法的缺點(diǎn)。這種新的方法也可以用于新材料之間的結(jié)合，如在鋁合金或鑄鐵表面制備涂層。

　　弗勞恩霍夫激光技術(shù)研究所的孵化企業(yè)亞琛聯(lián)合科技公司總裁洪臣介紹：“激光熔覆技術(shù)要熔掉從激光頭噴出來的粉末，一般都有一個(gè)效率極限，即單位分鐘內(nèi)最多能熔掉多少粉末量。以往我們是把粉斑的焦點(diǎn)和激光的焦點(diǎn)在工件表面達(dá)到一個(gè)最優(yōu)化的冶金結(jié)合，讓其充分在熔池熔化;而超高速激光熔覆技術(shù)并不是在工件表面熔化粉末，而是在工件表面上方就提前熔化了粉末使其成為一種液態(tài)，然后在它冷凝變?yōu)楣虘B(tài)的同時(shí)正好附著在工件表面。”

　　“正因?yàn)榉勰┎牧鲜且砸簯B(tài)形式進(jìn)入到熔池的，因此熔覆層會(huì)更加均質(zhì)。”洪臣表示，“該技術(shù)的核心在于：激光器的光速質(zhì)量要很高，這就需要改良激光器本身的光速質(zhì)量，為此我們也和德國高質(zhì)量半導(dǎo)體制造商利澤萊恩激光技術(shù)公司(laserline)進(jìn)行了一系列的設(shè)備配套工藝研發(fā)。另一個(gè)挑戰(zhàn)是送粉斑點(diǎn)要足夠精確，從而使粉末充分融化，并且達(dá)到最大的粉末使用效率，這就需要優(yōu)化現(xiàn)有的送粉核心部件。”

　　弗勞恩霍夫激光技術(shù)研究所的 Andres Gasser 博士介紹，與傳統(tǒng)的工業(yè)再制造技術(shù)相比，超高速激光熔覆技術(shù)可以在短時(shí)間內(nèi)完成大面積涂層的快速制備，熔覆層厚度可按照工藝需求調(diào)整，對(duì)工件表面基本無損傷，單層涂層中不僅沒有氣孔和裂紋缺陷，而且與基體結(jié)合更緊密。此外，新開發(fā)的超高速激光熔覆技術(shù)材料利用率高達(dá)90%以上，在成本上，超高速激光熔覆技術(shù)由于送粉效率高，鍍層速度快，單位面積成本可以下降20%—30%。

　　摘自《科技日?qǐng)?bào)》