前景光明的高速激光熔覆將取代硬鉻和電鍍
截止到今年9月份,，歐盟國家可能會不允許在金屬部件中使用鍍硬鉻,，基于這種情況，需要另一種工藝來替代鍍硬鉻,。熱噴涂經(jīng)過測試,，具有很高的靈活性，然而測試的結果往往欠佳,。另一個非常不錯的代替鍍硬鉻的選擇是由德國亞琛Fraunhofer ILT的科學家最新研發(fā)的超高速激光熔覆,，采用的設備由德國Laserline公司提供。
在發(fā)電廠或者其他工業(yè)制造工廠,，機械設備的金屬部分在磨損方面常常經(jīng)受著巨大的考驗,，工藝參數(shù)和一般的生產(chǎn)環(huán)境常常很糟糕，導致一些最重要的金屬部件的腐蝕和磨損,。為了應對這些情況和延長一些特別昂貴的生產(chǎn)設備的使用壽命,， 這些設備的金屬部分外表鍍上特殊的涂層。旋轉(zhuǎn)部件,、管和其他功能性部件的整個表面都帶有金屬或者是陶瓷涂層,。
這增加了工件對熱度、潮濕,、侵蝕性化學物質(zhì)以及金屬碎屑和飛濺物的抗腐蝕性,。常常使用的加工是早期被稱為硬鉻電鍍方式。它是一種電鍍方法,，把工件浸入鉻電解質(zhì)中,，因此被鉻層覆蓋。如果有特殊部分不需要涂層,，那部分在浸入電解液溶液前會被包裹起來,。特別適用于大幅面與體型大的部件，緊挨著的選擇區(qū)域也是可能進行涂層,。
鍍鉻或?qū)⒈唤?，新的涂層技術勢在必行
鍍硬鉻未來的發(fā)展尚未定論，盡管在現(xiàn)階段鍍硬鉻非常成功,，但是現(xiàn)在普遍使用的三氧化鉻(CrO3),， 又稱六價鉻(Cr6+)，連同其他有鉻成分的物質(zhì)被歐盟委員會于2013年定義為對人體有害物質(zhì),，并被列入《關于化學品注冊,、評估、許可和限制的法規(guī)》附件的第14條中,，這一常常討論到條例是用來規(guī)范附件里列入的“高度關注的物質(zhì)”（SVHC）的化學品使用,。從2017年9月開始，這些物質(zhì)只能在獲得歐洲化學品總署的特殊且有限期認證后才能使用,。獲得這些認證的程序非常復雜,，甚至在申請過程中會遇到一些棘手的問題,。比方說，必須證明和保證任何SVHC（高度關注物質(zhì)）將會在絕對安全的情況下使用并且沒有其他物質(zhì)可以代替該SVHC,。如果真是這樣,，對于技術成熟的鍍硬鉻的使用，尤其是含有六價鉻,，可能會存在爭議,。因此，鍍硬鉻的行業(yè)已經(jīng)高度警惕,，并且已經(jīng)在歐盟法院一場關于允許使用鉻材料的官司上敗下陣來,。
基于上述事實，沒有任何選擇,，只能找替代方法，以及為使用以上技術的任何企業(yè)提供新技術,。任何人或企業(yè)普遍依靠鍍鉻技術都是把整個商業(yè)模式至于危險之境,。大家共同面對的問題是替代技術有限，在技術上可用和在成本上經(jīng)濟實惠,。工業(yè)中使用的熱噴涂,，輔料以粉末的形式使用，粉末被燃燒器和‘火焰’熔化,，并通過熱氣體噴射器噴射到需要涂層部件表面,。，熔融材料通過機械粘合附著在表面上,。由于各種不同的材料都可以用作涂料,，這種方式的高度靈活性的巨大優(yōu)勢就體現(xiàn)出來了，而這種工藝的主要缺點在于有限的最大機械應力水平,。這是由于基材和涂層材料之間的機械結合,，與電鍍工藝產(chǎn)生的結合相比，粘合有著更少的“負重力”,。因此,，用熱噴涂產(chǎn)生的涂層會更快地磨損。此外,，熱噴涂還會產(chǎn)生多孔的表面和材料層,，容易導致破裂，并且往往還不能通過初始的方法修復,。接下來的結果通常是一個部分透射的層,，其不能與硬鉻鍍層相當。為了達到1-2%范圍內(nèi)的孔隙率,，涂層的厚度會增加,，而這又對工藝成本產(chǎn)生影響,，因此相信熱噴涂將最大限度的部分替代電鍍。
高速激光熔覆是另一個選擇
一個對未來更好的預測是以粉末為材料,，激光為熱源的熔覆工藝,。該激光熔覆使用涂料作為粉末，通常為金屬粉末,。激光輻射同時熔化金屬粉末以及基底材料并產(chǎn)生冶金結合,，兩鐘熔融材料在稀釋區(qū)域中連接在一起。這些冶金粘結層相比熱噴涂層要耐磨得多,，甚至可以增強電鍍涂層部件的耐磨性,。此外，激光熔覆能產(chǎn)生致密層,，沒有孔隙和裂縫,，并還增加了一些優(yōu)點。然而,，激光熔覆在工業(yè)中的應用的成功案例有限,，主要基于兩個原因。 首先,，激光熔覆層的厚度限制在0.5mm或更厚,，結果就是激光熔覆在某些需要更薄涂層（石油和天然氣，農(nóng)業(yè)和發(fā)電廠應用）的應用中被排除了,。第二點,，激光熔覆的速度（平方厘米/分鐘）被限制在了10至50平方厘米/分鐘，這是對超出尺寸的部件以米而不是厘米為單位的限制,。同時,，在一些旋轉(zhuǎn)的應用中這一缺點被Fraunhofer激光技術研究所 (ILT)消除掉了。在特殊升級過的車床上進行的許多基礎試驗中,，使用了Laserline LDF 4000-8,，具有光束轉(zhuǎn)換器的二極管激光器，顯示出了鎳鉻合金Inconel 625的防腐蝕層可以極快的應用,，速度可達200米/分鐘,。這有助于將涂層厚度減小到20μm，并且可以同時將涂布面積增加到500cm2/ min,?？偠灾咚偌す馊鄹驳膶＠に嚳梢赃_到10到250μm之間的厚度,。
成功的關鍵在于增加焦平面的強度,。盡管標準的激光熔覆使用2-3mm甚至更大的光斑尺寸，但這種新方法是基于1mm的光斑尺寸,。 此外,，有必要對激光光斑定位,，粉末供應和保護氣體進行研究。
常規(guī)的激光熔覆是熔化基體材料和粉末,，然后在此基礎上產(chǎn)生熔池-它們僅在該平面中熔合,。而超高速激光熔覆是將粉末顆粒加熱到接近熔化溫度，這既增強速度又有助于降低涂層厚度,。兩個過程原理如圖1所示,。粉末顆粒在高溫下產(chǎn)生或多或少的熔融顆粒，而其僅需要與基材的熔池短暫接觸就可以產(chǎn)生所需的冶金結合,。相比傳統(tǒng)工藝在熔池里熔化顆粒,，這種方法帶來了速度提升。相比之下基材中的熔池所需能量少了很多,。在一些情況中,，使用等量粉末的條件下，所需的激光功率可達到20KW,，而高速激光熔覆工藝只需要2~4kW的激光功率,。因此基于這種效率，同時減少購買資金投入以及運營成本,，這種工藝更加經(jīng)濟實惠。最后,，這種激光熔覆產(chǎn)生的是無孔涂層,，表面具有非常低的粗糙度的，在涂覆后也僅需一些小小的處理,。
有了這種高速激光工藝,，就有了比熱噴涂工藝更優(yōu)的選擇，這也是最有可能代替鍍硬鉻的方案,。
早在2016年,，首個客戶項目就在ILT發(fā)展的專利技術的基礎上，通過使用Laserline GmgH激光器成功地實現(xiàn)了,。由于此項技術在全球引起了廣泛的強烈的興趣,，很多合作伙伴在開展更多的項目，高速激光熔覆也會在行業(yè)中越來越多的被安裝投入使用,。
雖然該工藝最初僅適用于旋轉(zhuǎn)中的部件涂層,，但是現(xiàn)在有更多的想法與方法來建立更多選擇，在不同形狀工件上實現(xiàn)涂層,。
Laserline和ILT將因此從事更多的開發(fā),，并將超高速激光熔覆應用于更多應用和目的。
Source: Fraunhofer ILT, Aachen, Germany
圖片2和3 ：用超高速激光熔覆涂覆液壓柱塞(source: Fraunhofer ILT, Aachen/Germany)
圖片4：液壓柱塞通過超高速激光熔覆涂層,，并通過激光器進行加工(Source: Fraunhofer ILT, Aachen/Germany)