分析激光表面改性技术的应用

在带钢生产时，部件必须在恶劣的环境中运行，忍受高温以及腐蚀性的大气环境，并承受机械磨损和频繁的重型冲击。传统上，要承受高磨损或腐蚀的组件的原材料通常来自于使用了埋弧熔覆马氏体不锈钢（MSSs）的堆焊材料，以增加其使用寿命，这样可以在不影响产品质量的前提下来尽量延长维护的间隔时间，从而最大化量产。

MSS焊接合金通常有着良好的耐磨损和耐腐蚀的特点，然而，它们并不适合于强度大的金属与金属间的磨损，而且在高温环境中会失去其耐磨损和耐腐蚀的特性。弧焊MSS合金也会在热影响区（HAZs）的晶界受到焊接增感作用影响，这是因为热影响区的碳化铬沉淀下来，耗尽了周边区域的铬，这些局部区域因而变得易受腐蚀。

热喷涂涂层在整个钢铁行业有着广泛的应用，这是因为它们可以非常灵活地使用范围广泛的合金以及金属基复合材料（MMCs）。然而，它们的机械连结面相对强度较低（除非使用了喷熔法），这限制了其在重型冲击环境下的使用。

2009年，在英国南威尔士的Port Talbot，TataSteel Strip Products英国公司尝试开发激光熔覆涂层的关键工作组件，来增加其使用寿命（图1）。在钢铁行业的轧钢机中需要不同长度的辊子，范围包括从0.3至 3.5米。激光熔覆涂层已被证明可以延长组件的使用寿命最高达6倍。

Tata Steel的激光表面改性

自从在Port Talbot安装了激光熔覆系统后，这一工艺开始发展起来，许多钴镍和铁基合金在微观结构、力学性能、耐磨、耐腐蚀性等方面进行了评估。需要针对不同的应用所需要的涂层特性来进行相应的工艺开发。

Tata Steel的激光表面改性

生产线试验的初步结果非常鼓舞人心：经过激光熔覆处理的组件获得了前所未有的耐磨损和耐腐蚀的性能。为此，该公司决定建立生产设备，以应付预期的需求。

激光熔覆的好处

激光熔覆是一种可以用来增加金属组件的耐磨损、耐腐蚀、抗冲击性能的堆焊方法。这一方法利用精确聚焦大功率的激光束来形成焊接熔池并将金属粉末加入到其中。粉末经过一连串的惰性保护气体通过激光束同轴送入。激光束的准确性使得可以得到稀释度极低的致密熔覆层（<5%），同时熔覆层与基体之间具有完美的冶金结合。涂层可以应用于许多地方，并可以根据不同情况来设计其组成以克服每个组件相应的失效机制。图2展示了激光熔覆头。与激光熔覆相关的主要好处之一就是能够很好地控制热量输入，从而实现两相沉积的金属基复合（MMC）结构：

基体通常是一种镍基合金，具有良好的韧性、延展性和抗冲击性，同时在高温下的耐磨损性能；

增强的硬质层通常是碳化钨或氮化钛/碳化钛、碳化铬等。

热量输入的精细控制使得基体能完全融化以及实现基体表面的合金化，而同时陶瓷颗粒没有融化并均匀地分布在基体中，从而使得整个涂层具有很强的耐磨损、耐冲击性。硬质层和基体之间的比例可根据运作的环境来调整，例如，更大的硬质层比例具有更好的耐磨损性，较少的硬质层则具有更好的抗冲击性。

其他的好处包括：

由于热量输入最小，因而冷却速度快，且具有极细的微结构，变形可忽略不计；

由于稀释度极低，因而涂层的最上面那层就能实现所需要的化学组成；

可以生产特殊表面处理的硬面涂层（可能无需加工就能进行辊涂和安装）；

与所有其他低热量输入的喷涂过程（超音速火焰HVOF喷涂、冷喷涂、D-Gun爆炸喷涂等）不同，激光熔覆的熔覆层与基体之间具有完美的冶金结合。

激光熔覆有许多相关的技术参数，其中特别关键的一个是粉体质量流量。对于一种特定的应用来说，一旦确定了最佳的激光光斑直径、熔覆速度和激光功率，便可利用粉体质量流量来控制熔覆层的厚度、硬度和稀释度，如图3所示，我们可以看到，粉体质量流量的增高可以有效地控制稀释度。

对于单线堆焊焊缝，一旦确定了最佳参数，大规模的区域将被重叠的轨迹所覆盖。重叠的量将决定涂层的厚度，包括从0.3毫米至3.0毫米的范围。

为了演示和量化激光熔覆技术相对传统的堆焊技术的潜在好处，英国谢菲尔德大学（Sheffield University）的Tata Steel研发中心制造了一些激光熔覆和埋弧熔覆的样品，然后进行磨损测试，并发表了在低温和高温下进行磨损试验的结果。

激光熔覆生产设备

虽然可以向欧洲和美国的供应商直接购买激光熔覆的加工设备，然而，Tata Steel的工程师们决定自行生产激光熔覆设备。该系统包括光纤耦合半导体激光器和Precitec YC52熔覆头，以及一个金属粉末质量流量控制喂料机。该系统由Fanuc机械手来控制，这个机械手具有额外的第七轴，可以将重达6吨、长至3.5米的圆柱体部件进行旋转。

通过人机界面来控制机器的运作。该系统被设计通过能自动编程的机器人来自主操作。此外还需要一个距离测量激光器来确定组件的形状、开始和停止的位置以及激光头支架距离。这可以确保只需要很少的培训就能实现这一顶尖的工艺。详细的监测可以确保稳定的过程，而自动停止和退刀功能可以防止意外中断时的损害。