高功率全固态激光器在激光熔覆中的应用

作者：江苏中科四象激光科技有限公司 林培晨

欢迎访问e展厅 展厅 5 激光焊接机展厅 激光淬火, 激光熔覆, ... 激光表面改性技术是利用激光束照射到材料表面时，激光被材料吸收变为热能，材料表层受热升温。由于激光功率可以集中在一个很小的表面上，所以在很短时间(10-1～10-7S)内即把材料加热到高温(加热速度高达105～109℃/S)，使材料发生固态相变、熔化甚至气化蒸发。当激光束移开后，材料表面快速冷却(冷却速度高达106℃/S)，自然冷却后就能实现材料表面改性。激光表面改性技术在材料表面形成一定厚度的处理层，用于改善材料表面的力学性能、冶金性能、物理性能。根据激光束与材料表面作用的功率密度、作用时间及作用方式的不同，目前在工业应用中大致上分为激光相变硬化、激光表面合金化、激光表面熔覆、激光非晶化、激光冲击硬化和激光熔凝等。 利用激光表面工程技术，在金属部件表面熔覆具有特殊性能的金属基复合材料涂层，对磨损部位进行表面改性与强化，成为工程机械领域修复部件、延长零件使用寿命的重要途径。这些与低强度母材为冶金结合的熔覆层，其化学成分、微观组织和力学性能比母材有很大提高，可以获得耐高温、防腐蚀、耐磨损等优异性能。表面涂层技术由于能获得与基体结合良好，厚度适中的表面改性层而被广泛应用于工业生产中。激光熔覆技术在近十年内得到了非常迅速的发展。激光熔覆在金属表面熔覆一层硬度高、热稳定性好、与基体形成良好冶金结合的高性能涂层的工艺。利用激光熔覆技术的优势在于节约昂贵的、具有战略价值的合金元素，使得晶粒细化、提高合金元素的固溶度、微观结构均匀化和改善铸造零件的成分偏析，甚至形成非平衡相和非晶态等。 实践证明，激光熔覆技术因其本身固有的优点而成为发展迅速、有前途的表面改性方法。与传统涂层技术相比，激光熔覆技术具有如下的工艺特点： 冷却速度极快，使得凝固组织细化，甚至产生具有新性能的组织结构，如亚稳相、超弥散相、非晶相等 。层间结构致密，晶粒细小，一般硬度相对较高，腐蚀、磨损等性能也比较好。 激光束的能量密度高，作用时间短，加热速度快，对基体材料的热影响较小，引起工件的变形较小。 通过控制激光的输入能量，可将基体材料对熔覆层的稀释作用限制在极低的程度(如质量分数为2％～8％)，与基体呈冶金结合的同时保持了熔覆材料原有的优异性能。 熔覆层材料的选择几乎没有任何限制，在一些特殊要求下，比如在低熔点金属表面熔覆高熔点合金等方面，具有难以比拟的优势。 通过光束瞄准，可以对难以接近的区域进行修复或者进行选区熔覆，消耗材料少，具有优异的性能价格比。 工艺过程容易实现自动化控制，且熔覆层质量稳定。 自从20世纪80年代开始，随着激光器技术的发展，新型高功率激光器的不断出现，激光熔覆技术在工业应用上不断深入，激光熔覆技术得到了迅猛的发展，目前已成为国内外激光表面改性研究的热点。其应用领域不断拓宽，它可以用于机械制造与维修、汽车制造、纺织机械、航海与航天和石油化工等领域。在刀具、模具、阀体等机械部件已获得了广泛的应用。 激光熔覆技术是随着激光器技术的发展而不断壮大，因此对于激光熔覆设备中所使用的激光器就是其关键部件。目前国内多数的生产企业主要使用的有CO 2气体激光器，灯泵YAG 固体激光器。其中CO 2气体激光器，功率大，一般数千瓦甚至更高，但体积庞大，维护成本高；且CO 2激光器由于结构庞大，其波长为10.6um 的激光不能通过光纤传导，灵活性受到极大限制，不容易实现三维零件复杂曲面的熔覆加工，更不能到现场维修。 国内传统灯泵YAG 固体激光器，功率较小 ，都是百瓦级别，价格便宜 ，体积也相对较小 ，维护相对简单，但每隔段工作时间需要更换泵浦灯。由于功率不大，其加工的效率和应用范围都受限。 目前国外流行大功率光纤耦合输出半导体激光和整形聚焦直接输出的半导体激光器来做激光熔覆工艺，其具有电光转换效率高、体积小等优势 。但存在技术 门槛高，激光器成本价位昂贵等局限 。而高功率的全固态激光器是采用半导体激光阵列作为泵浦源 ， 以YAG晶体为工作物质，综合半导体激光的高效率与YAG激光成熟技术优势，具有输出功率大（1~5kW ）、光束质量好（BPP值8~40mm*mrad）、输出稳定性好，电光转换效率好（~20%），柔性好，光纤传输可灵活匹配机器人与数控加工机床实现三维加工等诸多优点（如图1所示）。 激光熔覆由于其极高的能量密度，几乎能够熔化所有的合金和陶瓷。为进一步提高零件表面的耐磨耐蚀性能，目前国内外广泛开展了在铁、镍、钴基合金溶剂熔镶WC、TiC、SiC及B4C等陶瓷硬质相的复合涂层研究。WC是耐磨性极佳的硬质材料，镍基合金对WC有很好的润湿性。因此，采用激光熔覆表面改性技术制备耐磨性能优良的Ni/WC陶瓷涂层具有一定的学术价值和应用价值。但合金溶剂与陶瓷硬质相之间存在明显的界面和较大的性能差异，容易出现陶瓷颗粒脱落、应力集中及产生裂纹等问题。对此在熔覆工艺中裂纹、气孔等出现问题要从工艺优化上着手解决，如优化激光参数工艺、采用预热与后热处理等。 采用高功率全固态激光器针对镍基WC复合材料熔覆难题开展工艺试验研究，采用3kW高功率全固态激光器，选取800um芯径光纤传输，配合机器人实现轨迹运动，配合光束积分镜得到均匀的矩形光斑，光斑大小8×2mm 2，进行宽带熔覆。熔覆材料为镍基粉加碳化钨WC颗粒，WC颗粒分为块状和球形状，母材为Inconel718高温合金材料。 相对于普通熔覆，激光宽带熔覆利用光束整形技术得到的矩形光斑，改变了激光能量呈高斯分布的圆形高斯光斑的不均匀性，使光强分布均匀，如图2所示，可一次形成较宽熔覆区，大大减少了搭接数量，方便进行大面积熔覆，避免在相邻扫描带的结合处出现二次加热，拓宽了工业应用的范围。 用以上3kW高功率全固态激光熔覆系统，优化工艺参数与流程，加工得到的零件效果如图3所示。 分析其涂层金相质量结果，如表1所示，可以看到，不管是块状WC颗粒，还是球形WC颗粒在镍基熔覆层中均为弥撒均匀分布，熔覆层无宏观裂纹、大气孔等明显缺陷出现。熔覆层厚度控制在1.5mm~2mm之间，熔覆层从上自下分为：熔覆层、熔覆层与母材结合界面、母材热影响区、母材组织四部分。其中熔覆层与母材为冶金结合，且母材对熔覆层组织的稀释率控制在8%以内。熔覆层硬度测试结果表明，熔覆层中WC颗粒的硬度在2500±500HV范围，Ni基熔覆层平均硬度为923.5HV，熔覆层中基体最小硬度为411.7HV。 综上所述，高功率全固态 激光器凭借其性能特点及在激光熔覆领域独特的工艺优势，采用3kW全固态激光器成功开发了激光熔覆Ni基加高比例WC硬质颗粒的复合涂层，并在石油机械等行业领域取得重大应用突破。(end)

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