吳影　劉艷　陳文靜　陳輝

摘要：超高速激光熔覆技術(shù)是近年新開(kāi)發(fā)的表面涂層技術(shù)，通過(guò)調(diào)整激光、粉材和熔池的相對(duì)位置，優(yōu)化了粉體的熔凝形式和能量吸收比例，從而提高了材料沉積速度，獲得高效、無(wú)缺陷、高結(jié)合強(qiáng)度、低稀釋率的熔覆涂層，相比于硬鉻電鍍、熱噴涂、傳統(tǒng)激光熔覆和堆焊有其獨(dú)特優(yōu)勢(shì)。詳細(xì)介紹了超高速激光熔覆的技術(shù)特點(diǎn)與典型優(yōu)勢(shì);綜述了該技術(shù)國(guó)內(nèi)外的工藝、組織、性能和數(shù)值仿真等研究現(xiàn)狀和工業(yè)應(yīng)用情況;基于目前研發(fā)的進(jìn)展，展望了該技術(shù)后續(xù)的拓展和發(fā)展前景;同時(shí)指出了目前涂層構(gòu)件力學(xué)基礎(chǔ)研究欠缺造成技術(shù)應(yīng)用推廣受阻等不足之處。

關(guān)鍵詞：超高速激光熔覆;熔覆工藝;綠色制造;涂層

中圖分類號(hào)：TG174.44 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：1001-2303（2020）03-0001-10

DOI：10.7512/j.issn.1001-2303.2020.03.01

0 前言

表面涂層技術(shù)廣泛應(yīng)用于航天航空、交通運(yùn)輸以及生產(chǎn)制造等行業(yè)。制備的涂層可大幅提高零部件的耐磨和耐蝕性能[1]。由于涂層與基體存在性能的互補(bǔ)，因此涂層零部件往往綜合服役表現(xiàn)優(yōu)良，使用壽命也得以延長(zhǎng)。目前，常見(jiàn)的表面涂層制備手段有電鍍[2]、熱噴涂[3]、激光熔覆[4]和各類堆焊[5]等技術(shù)，然而這些手段都有其局限性。電鍍技術(shù)污染環(huán)境，電鍍廢液的回收增加了其生產(chǎn)成本，近年來(lái)歐洲等國(guó)和我國(guó)都對(duì)電鍍工業(yè)生產(chǎn)進(jìn)行了限制;熱噴涂技術(shù)其涂層內(nèi)部存在1%～2%的孔隙率，涂層與基體結(jié)合強(qiáng)度低;傳統(tǒng)激光熔覆和堆焊技術(shù)在進(jìn)行大面積沉積作業(yè)時(shí)效能低、成本高和表面精度低，制約了其推廣應(yīng)用。

為解決這些問(wèn)題，德國(guó)弗勞恩霍夫激光技術(shù)研究所和亞琛工業(yè)大學(xué)于2012年提出了超高速激光熔覆的技術(shù)設(shè)想，并開(kāi)展了相關(guān)基礎(chǔ)研究[6]。后續(xù)他們與德國(guó)激光器制造企業(yè)Laseline公司合作，于2017年推出了超高速激光熔覆設(shè)備[7-8]。超高速激光熔覆具有極高的沉積效率、高達(dá)90%的粉體利用率和極低的稀釋率，因此得到了廣泛關(guān)注。目前已有生產(chǎn)制造單位采用超高速激光熔覆技術(shù)進(jìn)行了產(chǎn)品的升級(jí)換代[9-11]。

本文分析討論了超高速激光熔覆的工藝技術(shù)特點(diǎn)，綜述了國(guó)內(nèi)外超高速激光熔覆的研究現(xiàn)狀，并展望了其發(fā)展前景。

1 超高速激光熔覆特性分析

1.1 超高速激光熔覆技術(shù)特點(diǎn)

超高速激光熔覆是基于激光熱源的一種表面制造技術(shù)，其特殊的熔凝形式有別于傳統(tǒng)激光熔覆技術(shù)。一方面，超高速激光熔覆提高了激光能量密度。傳統(tǒng)激光熔覆光斑直徑約為2～4 mm，而超高速激光熔覆光斑直徑小于1 mm[12]，在相同激光能量輸入條件下，小光斑區(qū)域內(nèi)激光能量密度更高。傳統(tǒng)激光熔覆的激光能量密度約為70～150 W/cm2，而超高速激光熔覆的激光能量密度最高可達(dá)3 kW/cm2[11]。另一方面，在傳統(tǒng)激光熔覆過(guò)程中，未熔化的粉體被直接送入熔池，如圖1a所示;而超高速激光熔覆調(diào)整了激光、粉體和熔池的匯聚位置，使粉體匯聚處高于熔池上表面，匯聚的粉體受激光輻照熔化后再進(jìn)入熔池[7-8]，如圖1b所示。

工藝調(diào)整使超高速激光熔覆的沉積速率較傳統(tǒng)激光熔覆得到了極大的提升。傳統(tǒng)激光熔覆過(guò)程中，為使固態(tài)粉體材料送入熔池后充分熔化，需要較大的激光能量以保證熔池有較長(zhǎng)的存續(xù)時(shí)間。這導(dǎo)致沉積速率僅為0.5～2 m/min[8]，致使加工效率無(wú)法提高。此外，傳統(tǒng)激光熔覆對(duì)激光能量的利用率僅為60%～70%，其中熔化粉體的能量?jī)H占總能量的20%～30%[6]。大的熱輸入量易形成較大的熱影響區(qū)。在超高速激光熔覆過(guò)程中，固態(tài)粉體材料在熔池上方受激光輻照熔化，在重力和載粉氣流的作用下進(jìn)入熔池，無(wú)需熔池再提供熱量將其熔化，縮短了熔池的存續(xù)時(shí)間，沉積速率可以提高至20～500 m/min。沉積效能也由傳統(tǒng)激光熔覆的50 cm2/min提升至500 cm2/min[7-8]。超高速激光熔覆過(guò)程中約90%的激光能量用于熔化粉體，剩余能量用于熔化基體材料，形成冶金結(jié)合界面。該能量分配形式對(duì)基體造成的熱損傷較小。此外，超高速激光熔覆更為高效的激光利用率可以降低熔覆過(guò)程對(duì)激光總能的需求，使1～2 kW能量輸入即可達(dá)到傳統(tǒng)激光熔覆3～4 kW的沉積效率。這有利于降低激光熔覆的設(shè)備成本。同時(shí)，獨(dú)特的激光-粉體匹配設(shè)計(jì)使超高速激光熔覆粉體利用率達(dá)到90%以上[12]。

1.2 超高速激光熔覆技術(shù)優(yōu)勢(shì)

硬鉻電鍍是過(guò)往被廣泛采用的防腐耐磨涂層技術(shù)之一。其制備過(guò)程是將工件浸泡于鉻酸溶液中，通過(guò)電化學(xué)方式進(jìn)行涂層沉積。制備的硬鉻涂層一般伴隨有微裂紋，涂層與基體結(jié)合力差，在服役過(guò)程中往往出現(xiàn)開(kāi)裂和剝落現(xiàn)象。由于電鍍巨大的耗電量，其利潤(rùn)空間被一再壓縮。而生產(chǎn)過(guò)程中產(chǎn)生的廢氣與廢液還對(duì)環(huán)境造成了污染[13]。目前電鍍行業(yè)已成為夕陽(yáng)產(chǎn)業(yè)，受到歐盟、美國(guó)及中國(guó)等國(guó)家工業(yè)部門(mén)的嚴(yán)格限制。超高速激光熔覆過(guò)程不涉及化學(xué)過(guò)程，對(duì)環(huán)境綠色友好，可選用的硬面涂層種類繁多，包括鐵基、鎳基和鈷基等合金涂層，該方法制備的涂層無(wú)缺陷，結(jié)合強(qiáng)度高，耐用度遠(yuǎn)高于電鍍涂層。目前超高速激光熔覆是替代硬鉻電鍍的首選技術(shù)[7]。

熱噴涂涂層沉積速率雖高，但粉體利用率僅為50%。涂層存在1%～2%孔隙率，腐蝕介質(zhì)可以通過(guò)這些空隙對(duì)基體造成腐蝕。熱噴涂涂層與基體結(jié)合強(qiáng)度一般低于150 MPa[14]，在重載服役條件下有可能發(fā)生涂層剝離現(xiàn)象。而超高速激光熔覆制備涂層組織致密、無(wú)氣孔，且涂層與基體為冶金結(jié)合方式，結(jié)合強(qiáng)度高。

堆焊技術(shù)可制備高質(zhì)量無(wú)缺陷的金屬涂層，如鎢極氬弧焊和等離子噴焊，界面為冶金結(jié)合，結(jié)合強(qiáng)度高，單層沉積厚度可達(dá)2～3 mm[15-16]。相比于熱噴涂單層25～50 μm[8，17]和傳統(tǒng)激光熔覆單層0.5～1 mm的沉積厚度[18-19]，堆焊技術(shù)沉積效率極高。但是，高沉積效率伴隨高能量輸入，這會(huì)誘發(fā)基體材料的組織性能轉(zhuǎn)變和熱損傷。超高速激光熔覆技術(shù)與部分表面涂層技術(shù)的參數(shù)對(duì)比如表1所示。

分析涂層厚度可知，在50～500 μm厚度范圍內(nèi)涂層并未有技術(shù)解決方案。而超高速激光熔覆技術(shù)恰能填補(bǔ)這一空白，其單層熔覆厚度在25～250 μm范圍內(nèi)[6，12]，且制備的涂層表面光滑，粗糙度僅為傳統(tǒng)激光熔覆的10%，只需經(jīng)過(guò)磨削加工便可達(dá)到精度要求[8]。采用傳統(tǒng)激光熔覆與超高速激光熔覆的表面加工質(zhì)量分別如圖2a、圖2b所示。

1.3 超高速激光熔覆技術(shù)實(shí)現(xiàn)形式

目前，超高速激光熔覆加工對(duì)象多為軸類和盤(pán)類零部件。通過(guò)工件的旋轉(zhuǎn)來(lái)獲得超高的沉積速率。其運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)主要由夾持工件的旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)和固定激光熔覆頭的XYZ三維行走機(jī)構(gòu)兩部分組成。超高速激光熔覆系統(tǒng)如圖3a所示，其制備過(guò)程如圖3b所示。由圖可知，車床夾持工件旋轉(zhuǎn)達(dá)到設(shè)定轉(zhuǎn)速后，機(jī)器臂帶動(dòng)熔覆頭沿工件軸向移動(dòng)進(jìn)行涂層沉積。

2 超高速激光熔覆研究現(xiàn)狀

2.1 工藝過(guò)程研究

弗勞恩霍夫激光技術(shù)研究所的Thomas等人[12]針對(duì)超高速激光熔覆開(kāi)展了大量的工藝研究。采用4 kW激光器將IN625和MetcoClad 625F的鎳基粉體材料沉積在鉻鎳合金鋼基體上。通過(guò)控制激光能量、沉積速率、送粉速率、搭接率和載氣流量等變量，研究各參數(shù)對(duì)熔覆層厚度的影響。其中沉積速率和送粉率與涂層厚度的關(guān)系分別如圖4所示?？梢钥闯觯繉雍穸入S沉積速率的增加而下降，并趨于穩(wěn)定;而增加送粉率則會(huì)使涂層的厚度增加。不同工藝參數(shù)的涂層厚度范圍在約為25～250 μm。山東大族再制造有限公司的譫臺(tái)凡亮等人[11]通過(guò)試驗(yàn)也獲得了相似結(jié)論。瑞典赫格納斯公司的Conny等人[22]采用馬氏體不銹鋼粉體和In625粉體材料進(jìn)行超高速激光熔覆工藝試驗(yàn)，指出超高速激光熔覆涂層厚度t與送粉率G、激光功率P和搭接率O間存在函數(shù)關(guān)系，即t=nG/[P（100-O）]，其中n為大于0的自然數(shù)，如圖5所示。這對(duì)超高速激光熔覆工藝研究具有重要的指導(dǎo)意義。

超高速激光熔覆粉體在進(jìn)入熔池前受激光輻照已發(fā)生熔化，因此獲得粉體的溫度場(chǎng)分布尤為重要。波蘭弗羅茨瓦夫大學(xué)的Koruba等人[23]采用高速攝像機(jī)與紅外熱像儀對(duì)噴出粉體的形貌與溫度分布進(jìn)行了采集，如圖6所示。通過(guò)對(duì)比和修正采集的數(shù)據(jù)，Koruba指出短波紅外和中波紅外譜帶更有利于表征激光與粉體材料的相互作用情況。為確定激光能量的分配比例，弗勞恩霍夫激光技術(shù)研究所Thomas[12]和Kelbassa[6]測(cè)量了激光通過(guò)粉體后能量的衰減，由此獲得粉體材料對(duì)激光的吸收情況，測(cè)量裝置如圖6c所示。測(cè)試結(jié)果顯示激光穿過(guò)粉體后剩余能量隨送粉率的增加而減小，隨粉體顆粒直徑的減小而減小。

2.2 組織與性能研究

哈爾濱工業(yè)大學(xué)的李俐群[24-25]、北京國(guó)家輕量化創(chuàng)新研究院的Shen Bowen[20]和北京交通大學(xué)Li Tianci[26]等人采用超高速激光熔覆分別制備了AISI 431不銹鋼和AISI 4340低合金鋼涂層，并與傳統(tǒng)激光熔覆制備的涂層進(jìn)行比較。對(duì)不同制備技術(shù)獲得的涂層組織與性能進(jìn)行了評(píng)價(jià)。

傳統(tǒng)激光熔覆與超高速激光熔覆的典型截面金相分別如圖7所示。

由圖可見(jiàn)，兩種方法制備的涂層均無(wú)裂紋和氣孔等缺陷，且涂層與基體形成了良好的冶金結(jié)合。其中超高速激光熔覆涂層搭接密度大于傳統(tǒng)激光熔覆涂層，在垂直方向上有多條熔道疊加[24]。這是因?yàn)槌咚偌す馊鄹残纬傻娜鄢匦。鄢氐姆勰┨畛淞恳草^小，這樣形成的單道涂層具有薄而寬的特點(diǎn)。在此條件下，為了獲得足夠的厚度并且均勻致密的涂層，必須通過(guò)高搭接率來(lái)實(shí)現(xiàn)，而高搭接率使每一道熔池熔化的區(qū)域中只有小部分位于基體上，如圖7d所示。因此基體的熱輸入量顯著減少，從而獲得極小的熱影響區(qū)和極小的基體熔化量，還能保證涂層與基體有效的冶金結(jié)合。而傳統(tǒng)激光熔覆的熔池有很大一部分依托于基體，這就導(dǎo)致基體所受的熱輻射量較大，使得很大一部分基體材料進(jìn)入熔池，造成涂層的稀釋，如圖7c所示。因此超高速激光熔覆的最大稀釋率約為5%，熱影響區(qū)的范圍約為20～50 μm;而傳統(tǒng)激光熔覆的稀釋率約在10%～20%，熱影響區(qū)范圍170～300 μm[6]。

得益于超快的沉積速率和對(duì)基體較小的能量輸入，超高速激光熔覆過(guò)程的冷卻速率也高于傳統(tǒng)激光熔覆過(guò)程，這有利于涂層凝固過(guò)程中的組織細(xì)化。傳統(tǒng)激光熔覆與超高速激光熔覆AISI 431涂層典型微觀組織形貌與主要元素分布如圖8所示。由圖可知，超高速激光熔覆涂層枝晶組織（見(jiàn)圖8d）較傳統(tǒng)激光熔覆組織（見(jiàn)圖8a）更為細(xì)密。主體元素Fe和Cr在超高速激光熔覆涂層中分布均勻（見(jiàn)圖8e和圖8f）。在傳統(tǒng)激光熔覆涂層中，F(xiàn)e和Cr元素沿枝晶伸長(zhǎng)方向呈疏密間隔分布（見(jiàn)圖8b、8c），元素存在偏析。因此超高速激光熔覆涂層較傳統(tǒng)激光熔覆涂層的組織細(xì)密且成分均勻，這有利于提高超高速激光熔覆涂層的綜合力學(xué)性能和抗腐蝕能力。

超高速激光熔覆技術(shù)作為硬鉻電鍍的替代技術(shù)，涂層的抗腐蝕性能是其主要考核指標(biāo)之一。Li Liqun[25]和Shen Bowen等[20]測(cè)試了AISI 431涂層的電化學(xué)性能，陽(yáng)極極化曲線（見(jiàn)圖9a）計(jì)算可得超高速激光熔覆涂層的腐蝕電流約為0.323 6 μA，低于傳統(tǒng)激光熔覆涂層的0.432 2 μA，因此超高速激光熔覆涂層具有更優(yōu)的抗腐蝕能力。Li Liqun[[25]指出超高速激光熔覆涂層較傳統(tǒng)激光熔覆涂層組織更為均勻細(xì)密，涂層中Cr元素分布均勻，這有利于富Cr鈍化膜的形成，從而提升涂層材料的抗蝕能力。傳統(tǒng)激光熔覆與超高速激光熔覆AISI 431涂層的鈍化膜生長(zhǎng)機(jī)理分別如圖9b、圖9c所示。

目前，對(duì)于超高速激光熔覆技術(shù)的性能評(píng)價(jià)主要集中在抗蝕性能方面，對(duì)涂層構(gòu)件力學(xué)方面的性能評(píng)價(jià)仍比較欠缺。北京交通大學(xué)Li[26]與Pais Vasco大學(xué)的Montes等[27]對(duì)超高速激光熔覆涂層自身的拉伸性能進(jìn)行了測(cè)試。但目前鮮有關(guān)于涂層與基體整體構(gòu)件力學(xué)性能評(píng)價(jià)的報(bào)道。

2.3 溫度場(chǎng)數(shù)值仿真

通過(guò)上文所描述的超高速激光熔覆制備過(guò)程中對(duì)溫度場(chǎng)的實(shí)驗(yàn)測(cè)量技術(shù)獲得的溫度分布顯然比較粗糙。為了更進(jìn)一步獲取制備過(guò)程中空間溫度場(chǎng)的細(xì)節(jié)，在焊接及傳統(tǒng)激光熔覆過(guò)程中往往會(huì)結(jié)合數(shù)值仿真等模擬技術(shù)來(lái)獲取三維空間的溫度分布[28]。傳統(tǒng)激光熔覆的粉體直接進(jìn)入熔池后熔化，因此其數(shù)值仿真著重于熔池熔凝過(guò)程的研究，無(wú)需考慮激光與粉體的作用[29-30]。這顯然并不適用于超高速激光熔覆過(guò)程。超高速激光熔覆過(guò)程中的粉體材料在進(jìn)入熔池前已與激光作用發(fā)生熔化，因此仿真模型還需對(duì)粉體在進(jìn)入熔池前的熔化過(guò)程進(jìn)行考慮。然而粉體熔凝過(guò)程的仿真對(duì)常規(guī)有限元的建模和網(wǎng)格劃分較難。北京航空航天大學(xué)的Liao[31]采用Hot Optimal Transportation Meshfree方法對(duì)粉體尺度的超高速激光熔覆過(guò)程進(jìn)行了仿真模擬，其模型如圖10a所示。該方法解決了傳統(tǒng)有限元直接模擬激光沉積過(guò)程中網(wǎng)格劃分、物相變化和熱力學(xué)邊際條件的設(shè)定難題，采用無(wú)網(wǎng)格化結(jié)構(gòu)，將粉體定義為材料與節(jié)點(diǎn)的點(diǎn)陣組合（見(jiàn)圖10a左上角）。同時(shí)結(jié)合控制方程，在無(wú)網(wǎng)格化的框架模型下求解超高速激光熔覆過(guò)程的變形、溫度場(chǎng)和物相變化，其中溫度場(chǎng)仿真結(jié)果如圖10b所示。數(shù)值仿真的結(jié)果有助于更加深入地了解熔覆過(guò)程的機(jī)理。

2.4 工業(yè)應(yīng)用現(xiàn)狀

2017年德尼蘭海洋平臺(tái)制造商IHC公司率先采用超高速激光熔覆技術(shù)替代電鍍，用于平臺(tái)立柱的耐蝕涂層制造。同年，弗勞恩霍夫激光技術(shù)研究所子公司ACunity GmbH與北京機(jī)械科學(xué)研究總院先進(jìn)制造技術(shù)研究中心合作，在中國(guó)投產(chǎn)第一臺(tái)超高速激光熔覆系統(tǒng)，并開(kāi)展了相關(guān)的基礎(chǔ)研究和工業(yè)生產(chǎn)[8]。2019年德國(guó)著名激光設(shè)備制造商通快集團(tuán)也將高速激光熔覆納入未來(lái)產(chǎn)品發(fā)展規(guī)劃。德國(guó)博世公司正針對(duì)汽車鑄鐵剎車盤(pán)，開(kāi)發(fā)超高速激光熔覆的相應(yīng)工藝[10]。瑞典金屬粉體制造企業(yè)赫格納斯也在開(kāi)發(fā)針對(duì)替代硬鉻電鍍的超高速激光熔覆粉體材料[22]。國(guó)內(nèi)山東能源重裝集團(tuán)大族再制造有限公司[11]、亞琛聯(lián)合科技有限公司[24]和中科中美激光科技有限公司均開(kāi)展了對(duì)軸類零部件超高速激光熔覆涂層的制備生產(chǎn)工作。綜上，超高速激光熔覆技術(shù)主要應(yīng)用在有防腐和耐磨需求的軸類和盤(pán)類零件加工上，鮮見(jiàn)將其應(yīng)用在關(guān)鍵承力零部件上，這與超高速激光熔覆構(gòu)件缺少力學(xué)基礎(chǔ)研究、未建立起工程應(yīng)用的評(píng)價(jià)體系有直接關(guān)系。

3 超高速激光熔覆的發(fā)展前景及方向

3.1 超高速激光熔覆過(guò)程精度控制

超高速激光熔覆技術(shù)目前仍處在推廣應(yīng)用階段，制備過(guò)程中的基礎(chǔ)性研究尚不充分，在成型精度和缺陷控制方面仍有許多工作需要完成。

目前，弗勞恩霍夫激光技術(shù)研究所及其合作單位正在研發(fā)適用于超高速激光熔覆的新型熔覆頭及其相應(yīng)的測(cè)控系統(tǒng)[8]。該套系統(tǒng)可精準(zhǔn)測(cè)量和控制沉積粉體的數(shù)量與流速、匯聚粉斑的位置與直徑。將收集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行整合，建立起粉體的三維分布模型;繼而開(kāi)展空間粉體與激光交互作用的研究，獲取粉體分布的與沉積效率的規(guī)律關(guān)系，從而指導(dǎo)熔覆頭的優(yōu)化設(shè)計(jì)，以獲取更小的粉斑直徑以及合適的粉體-激光作用時(shí)間，提升超高速激光熔覆層的幾何精度和產(chǎn)品質(zhì)量。

上述工作仍在進(jìn)行中，暫未看到具體的研究結(jié)果，但優(yōu)化的熔覆頭原型件已制備出來(lái)[10]，如圖11所示。新型的高精度熔覆頭分為內(nèi)部噴嘴（見(jiàn)圖11a）和外部噴嘴（見(jiàn)圖11b）兩部分，內(nèi)部噴嘴為固定結(jié)構(gòu)，保證安裝精度;外部噴嘴為可替換式。通過(guò)調(diào)整內(nèi)外噴嘴的間隙和錐體角度，可實(shí)現(xiàn)粉體流量和角度的精確控制。

此外，弗勞恩霍夫激光技術(shù)研究所還開(kāi)發(fā)出粉體在線監(jiān)控系統(tǒng)Powder Jet Monitor，并已在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行測(cè)試[10]。該系統(tǒng)可對(duì)熔覆過(guò)程中的粉體進(jìn)行斷面掃面，獲取二維平面上粉體的密度分布，通過(guò)三維重構(gòu)對(duì)粉體空間分布進(jìn)行建模分析，實(shí)現(xiàn)熔覆過(guò)程的監(jiān)控。

3.2 超高速激光沉積三維增材技術(shù)開(kāi)發(fā)

如上文所述，超高速激光熔覆技術(shù)主要應(yīng)用在軸、盤(pán)類工件表面涂層制備，這屬于二維曲面增材的范疇。那可否將超高速激光熔覆二維增材技術(shù)拓展至三維超高速激光沉積增材技術(shù)呢？

目前，典型的三維增材技術(shù)主要分為兩大類，分別為鋪粉式激光選區(qū)熔化增材技術(shù)[32-34]和激光/電弧沉積式增材技術(shù)[35-37]。前者通過(guò)激光掃描和鋪粉交替作業(yè)，實(shí)現(xiàn)逐層堆垛式的增材，其采用光斑直徑一般在100～200 μm之間，每層沉積厚度約為50～80 μm。因此鋪粉式激光選區(qū)熔化增材可獲得較高的成型精度，但受限于每層鋪粉作業(yè)的耗時(shí)，零件的制備效率難以提升。激光/電弧沉積式增材技術(shù)則采用高能量輸入的連續(xù)激光或電弧作為熱源，對(duì)填充材料進(jìn)行熔化沉積，通過(guò)空間行走機(jī)構(gòu)完成零部件的幾何構(gòu)型。單層沉積厚度可達(dá)2～5 mm，沉積效率高。然而，對(duì)沉積過(guò)程中熔池形態(tài)的控制和成型精度的控制仍是研究的重點(diǎn)與難點(diǎn)，因此其零件的精度較低。綜上，目前的三維增材技術(shù)難以同時(shí)兼顧精度與效率的需求。

綜上所述，超高速激光熔覆技術(shù)可實(shí)現(xiàn)1 mm以下的光斑直徑、50～250 μm的單層沉積厚度以及高達(dá)500 m/min的沉積速率。配合正在開(kāi)發(fā)中的高精度熔覆噴嘴和在線監(jiān)控系統(tǒng)，超高速激光熔覆技術(shù)能同時(shí)滿足零件制備的精度和效率要求。然而，要將超高速激光熔覆二維增材技術(shù)拓展至三維超高速激光沉積增材技術(shù)，首先要解決如何實(shí)現(xiàn)熔覆頭與工件的高速平面運(yùn)動(dòng)。目前，常規(guī)的XYZ三軸行走機(jī)構(gòu)和數(shù)控機(jī)器人難以滿足微米級(jí)精度的超高速運(yùn)動(dòng)。針對(duì)這一難點(diǎn)，弗勞恩霍夫激光技術(shù)研究所與Ponticon公司聯(lián)合開(kāi)發(fā)了超高速激光沉積3D打印系統(tǒng)[10]。該系統(tǒng)采用固定式激光熔覆頭，通過(guò)引入超高速移動(dòng)平臺(tái)實(shí)現(xiàn)沉積工件的快速移動(dòng)。此超高速移動(dòng)平臺(tái)采用三線性驅(qū)動(dòng)器的并聯(lián)設(shè)計(jì)，同時(shí)配有慣性補(bǔ)償機(jī)構(gòu)，以防止系統(tǒng)高速運(yùn)動(dòng)下的震動(dòng)，該系統(tǒng)原型機(jī)設(shè)計(jì)如圖12 所示。目前該原型機(jī)設(shè)計(jì)的最大線性移動(dòng)速度為200 m/min，最大旋轉(zhuǎn)線速度為1 000 m/min，通過(guò)層狀堆垛構(gòu)建的三維零件的表面粗糙度約為10～20 μm。可見(jiàn)該系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了三維增材技術(shù)精度與效率的結(jié)合。

4 結(jié)論與展望

超高速激光熔覆技術(shù)通過(guò)調(diào)整激光、粉材和基體的相對(duì)位置，優(yōu)化了粉體的熔凝形式，從而提高了激光沉積過(guò)程中能量的吸收率和掃描速度。相比于電鍍、熱噴涂和傳統(tǒng)激光熔覆等表面涂層技術(shù)，它表現(xiàn)出熔覆效率高、涂層結(jié)合強(qiáng)、組織細(xì)密以及基體熱影響區(qū)小等突出優(yōu)勢(shì)。然而，超高速激光熔覆技術(shù)目前仍處在推廣應(yīng)用階段。在技術(shù)層面，針對(duì)其制備工藝和涂層組織性能的基礎(chǔ)研究還較為欠缺，尤其是針對(duì)粉體材料新型的熔凝模式，仍需要提出新型熱源和溫度場(chǎng)分布模型，這是后續(xù)開(kāi)展其熔凝過(guò)程非平衡動(dòng)力學(xué)、熱力學(xué)和組織演變研究的基礎(chǔ);在應(yīng)用層面上，超高速激光熔覆目前主要集中在煤、氣、油機(jī)和海洋腐蝕平臺(tái)的涂層防腐上。由于缺乏對(duì)動(dòng)載條件下涂層構(gòu)件性能的評(píng)價(jià)和安全評(píng)估，鮮有針對(duì)關(guān)鍵承載結(jié)構(gòu)上超高速激光熔覆的應(yīng)用報(bào)道。因此，建立超高速激光熔覆構(gòu)件性能的安全評(píng)估體系是其推廣應(yīng)用急需解決的問(wèn)題。此外，通過(guò)設(shè)備改造可將現(xiàn)有超高速激光熔覆二維增材技術(shù)拓展至超高速激光沉積三維增材技術(shù)，能夠彌補(bǔ)傳統(tǒng)三維增材技術(shù)效率和精度的不足，從而拓寬超高速激光沉積技術(shù)的應(yīng)用范圍，促進(jìn)其推廣應(yīng)用。

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