超高速激光熔覆技術(shù)：為中國綠色制造再添新動能
機械總院與德國弗勞恩霍夫激光技術(shù)研究所聯(lián)合開展技術(shù)開發(fā)
超高速激光熔覆技術(shù)
超高速激光熔覆技術(shù)制備液壓活塞桿耐蝕涂層
就像一束光,，直直射向噴涂表面，上下兩個椎體對稱交織,，短短不到兩小時便迅速完成了20米長的柱狀鍍層。
“和傳統(tǒng)的熔覆激光技術(shù)相比,，超高速激光熔覆技術(shù)的工作效率要快上百倍。”看到這項新技術(shù)時,，機械科學(xué)研究總院先進制造技術(shù)研究中心（CAMTC）所長王淼輝掩飾不住興奮,，在他看來，如果能將該項技術(shù)引入國內(nèi),，將極大地解決我國長期以來存在的電鍍污染問題,，同時制約傳統(tǒng)熔覆技術(shù)大規(guī)模推廣的最大瓶頸——效率也將迎刃而解。“這是最有可能成為替代電鍍等污染型產(chǎn)業(yè)的技術(shù),。”
在很長一段時間內(nèi),，我國傳統(tǒng)的工業(yè)制造加工或者再修復(fù)，往往都需要通過電鍍技術(shù),。電鍍技術(shù)雖然曾一度在金屬表面防護,、裝飾加工等方面發(fā)揮了很大的作用，并且在電子工業(yè),、通信,、軍工航天等領(lǐng)域也有大量的功能性電鍍技術(shù)應(yīng)用，但其長期以來帶來的污染問題讓許多制造企業(yè)頭疼不已,。
“黨的十九大報告提出,，要建立健全綠色低碳循環(huán)發(fā)展的經(jīng)濟體系。構(gòu)建市場導(dǎo)向的綠色技術(shù)創(chuàng)新體系,，推進資源全面節(jié)約和循環(huán)利用,。”王淼輝說，淘汰落后污染產(chǎn)能,，是工業(yè)制造企業(yè)必須面對的一道關(guān)卡,，進行綠色環(huán)保的技術(shù)轉(zhuǎn)型升級勢在必行。
環(huán)保問責(zé)倒逼技術(shù)轉(zhuǎn)型
我國是世界上最大的煤礦液壓支架生產(chǎn)國,，不僅滿足國內(nèi)各煤礦使用,，而且出口美國、德國,、澳大利亞,、俄羅斯、印度,、東南亞等國,。然而液壓支架的核心部件立柱、千斤頂均需要進行表面防腐和耐磨等處理,，在制造和維修兩個方面每年需要處理的量就有近百萬平方米之多,，這對于企業(yè)成本而言也是一個極大的負擔(dān),。
“在煤機液壓支架的再加工方面，傳統(tǒng)電鍍工藝給企業(yè)帶來的環(huán)保壓力非常大,，并且使用電鍍技術(shù)鍍層在質(zhì)量,、性能以及大修周期、修理費用等使用后期的成本維護方面也存在許多缺陷,。”北京煤礦機械裝備有限責(zé)任公司工藝研究院院長杜春海坦言,。
黨的十九大報告提出，我國經(jīng)濟已由高速增長階段轉(zhuǎn)向高質(zhì)量發(fā)展階段,，正處在轉(zhuǎn)變發(fā)展方式,、優(yōu)化經(jīng)濟結(jié)構(gòu),、轉(zhuǎn)換增長動力的攻關(guān)期,。必須堅持質(zhì)量第一、效益優(yōu)先,，加快建設(shè)制造強國,，加快發(fā)展先進制造業(yè)，促進我國產(chǎn)業(yè)邁向全球價值鏈中高端,，培育若干世界級先進制造業(yè)集群,。
事實上，早在多年以前,，不斷加大污染企業(yè),、設(shè)備的關(guān)停力度，就已經(jīng)給制造生產(chǎn)商們帶來了很大的沖擊,。與北京煤礦機械裝備有限責(zé)任公司一樣,，近些年在國家節(jié)能環(huán)保政策的指導(dǎo)下，許多企業(yè)已經(jīng)紛紛著手進行技術(shù)轉(zhuǎn)型升級,，不斷加大環(huán)保方面的工作力度,，通過新技術(shù)新工藝的研發(fā)應(yīng)用，從根本上提升制造過程的環(huán)保水平,，實現(xiàn)智能制造,、綠色制造。
“盡管有行內(nèi)人士認為現(xiàn)階段鍍硬鉻技術(shù)也很成功,，但事實上現(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),，同時規(guī)定這些物質(zhì)只能在獲得歐洲化學(xué)品總署的特殊且有限期認證后才能使用,。”最早提出超高速激光熔覆技術(shù)的德國弗勞恩霍夫激光技術(shù)研究所（Fraunhofer ILT）的孵化企業(yè)亞琛聯(lián)合科技公司（ACunity GmbH）總裁洪臣表示，基于以上考慮,，歐盟國家可能會不允許在金屬部件中使用鍍硬鉻,，由此便迫切需要另一種工藝來替代鍍硬鉻。
“超高速激光熔覆技術(shù)完成的熔覆涂層冶金質(zhì)量高、稀釋率低,、變形小,、表面光潔度高，屬于先進環(huán)保的再制造加工技術(shù),，在工業(yè)再制造領(lǐng)域能極大地減少企業(yè)的后續(xù)機加工成本,，能有效延長產(chǎn)品使用周期，為企業(yè)節(jié)省大量后期維修費用,。”王淼輝表示,。
中德合作共研熔覆技術(shù)
說起第一次與德國弗勞恩霍夫激光技術(shù)研究所和亞琛聯(lián)合科技公司的接觸，王淼輝至今印象深刻,。
對于長期深耕增材制造領(lǐng)域的王淼輝而言,，超高速激光熔覆技術(shù)無疑在他的興趣范圍之內(nèi)。“我國《國家中長期科學(xué)和技術(shù)發(fā)展規(guī)劃綱要》（2006—2020年）提出,，自主創(chuàng)新可以有3種實現(xiàn)形式：原始創(chuàng)新,、集成創(chuàng)新和引進吸收消化再創(chuàng)新。”王淼輝認為,，超高速激光熔覆技術(shù)屬于先進制造,、增材制造、綠色制造領(lǐng)域,，是“中國制造2025”的重大戰(zhàn)略規(guī)劃發(fā)展方向之一,。“通過引進德國先進工藝技術(shù)，形成研究基礎(chǔ),、研發(fā)資源,、市場應(yīng)用等多方面的優(yōu)勢互補，并在國內(nèi)市場中加以驗證推廣,，形成產(chǎn)業(yè)化,、智能化、標準化,，繼而進行二次研發(fā)改進,，這對于我國實現(xiàn)‘中國制造2025規(guī)劃’有很好的實踐意義。”
據(jù)介紹,，該技術(shù)最早由德國弗勞恩霍夫激光技術(shù)研究所提出,，亞琛聯(lián)合科技公司作為其孵化的創(chuàng)新企業(yè)圍繞該技術(shù)開展了一系列的市場化拓展性研發(fā)，對核心裝備進行改良與升級,。當(dāng)王淼輝團隊前去考察時,，敏銳的洞察力迅速讓他決定在特定行業(yè)推廣此項技術(shù)，消化吸收再創(chuàng)新,，針對我國的市場需求,，研發(fā)配套的工藝,、裝備、材料和應(yīng)用驗證,，并建立相應(yīng)的標準體系,。
一個是在高性能3D打印用金屬粉末材料方面有著雄厚的理論研究和技術(shù)基礎(chǔ)，在關(guān)鍵技術(shù)上處于國內(nèi)領(lǐng)先國際先進水平,；一個是國際上最頂尖的應(yīng)用型激光技術(shù)研究所之一,，在激光增材制造、激光熔覆,、激光材料加工等方向取得了杰出成果,。2013年，經(jīng)過深度交流,，雙方一拍即合,，隨即開展了聯(lián)合研究工作。
今年,，在德國弗勞恩霍夫應(yīng)用促進協(xié)會年度科學(xué)技術(shù)獎勵大會中,，超高速激光熔覆技術(shù)榮獲了Fraunhofer科技創(chuàng)新獎,。這一獎勵表明,，該技術(shù)在工程產(chǎn)業(yè)中實現(xiàn)推廣應(yīng)用，是增材制造領(lǐng)域革命性的突破,。與此同時,，今年中國機械科學(xué)研究總院與德國弗勞恩霍夫激光技術(shù)研究所共同申請承擔(dān)了國家重點研發(fā)計劃戰(zhàn)略性國際科技創(chuàng)新合作重點專項——“大型金屬構(gòu)件超高速激光熔覆及其粉末制備關(guān)鍵技術(shù)研究與示范應(yīng)用”項目。其中,，德方負責(zé)裝備開發(fā),，中方負責(zé)工藝與材料開發(fā)，并分別在國內(nèi)外典型產(chǎn)品上實現(xiàn)應(yīng)用,。
王淼輝表示：“通過中德合作,，我們引進吸收德國先進制造裝備與技術(shù)，針對中國市場的產(chǎn)品特色開發(fā)相應(yīng)的配套材料與工藝,，同時將我們的粉末產(chǎn)品銷往歐洲,。這一優(yōu)勢互補可進一步推動超高速激光熔覆技術(shù)在‘一帶一路’沿線國家的應(yīng)用。”
成果轉(zhuǎn)化市場前景廣闊
“我們希望用超高速激光熔覆技術(shù)直接對接中國的市場需求,，實現(xiàn)綠色先進制造,，在節(jié)省生產(chǎn)成本的同時，提高產(chǎn)品的使用周期,。”這正是洪臣選擇來中國的初衷,。他介紹：“普通的激光熔覆技術(shù)速率是0.5—2米/分鐘，而超高速激光熔覆技術(shù)可達到50—200米/分鐘,，鍍層速度至少提高了100倍,。超高速激光熔覆技術(shù)的另一個優(yōu)點是：目前可以在零件表面制備大規(guī)模的同成分涂層,，這將有可能生產(chǎn)出在生命周期內(nèi)不會磨損的創(chuàng)新零件。”
目前,，北京煤礦機械裝備有限責(zé)任公司正計劃與中國機械科學(xué)研究總院以及亞琛聯(lián)合科技公司開展三方戰(zhàn)略合作,，針對煤機液壓支架立柱表面的耐腐蝕涂層制備技術(shù)進行工藝研發(fā)。該技術(shù)以10倍以上的效率在零件基體上制備了不同厚度的耐腐蝕涂層,，已經(jīng)通過標準鹽霧試驗測試（GBT 10125-2012）,，耐腐蝕性評級達到國標（GB_T6461-2002）9級水平。
“我們有產(chǎn)品升級和制造技術(shù)提升,、淘汰落后技術(shù)的需要,。超高速激光熔覆技術(shù)在高質(zhì)量性能基礎(chǔ)上的高效率、成本適中和制造過程中的綠色環(huán)保,，以及技術(shù)今后的拓展空間讓我們感興趣,。”杜春海表示，“其在增材制造,、零件再制造以及復(fù)合性能材料研發(fā),、高端零件價值性能提升和降低成本等方面都有著廣闊的應(yīng)用前景，將進一步提升我國制造行業(yè)的水平,。”
經(jīng)過半年的奮戰(zhàn),，全球第一臺超高速激光熔覆設(shè)備已由亞琛聯(lián)合科技公司按照中國機械科學(xué)研究總院先進制造技術(shù)研究中心的技術(shù)需求交付完成，第一臺樣機將用于中德雙邊開展大量的可行性研究以及小批量生產(chǎn),。“相信不久大家就可以看到超高速激光熔覆技術(shù)在國內(nèi)的應(yīng)用實例,。”王淼輝認為，超高速激光熔覆技術(shù)的發(fā)明是增材技術(shù)發(fā)展歷程中的革命性一步,，它在未來將會極大地刺激金屬3D打印技術(shù)的產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用,。
2015年全球鍍硬鉻市場約為136億4000萬美元，而熱噴涂市場達75億6000萬美元,。保守計算,，如果超高速激光熔覆技術(shù)可以捕捉到10%份額的市場，這種新工藝就可以擁有20億歐元的年市場容量,。
“煤機液壓支架立柱表面涂層的年需求量可達數(shù)百萬平方米,，市場需求份額可達數(shù)十億元。今后中德合作雙方還將著眼于高耐磨性涂層的超高速激光熔覆技術(shù)研發(fā),，在冶金軋輥,、海工裝備、汽車制造等行業(yè)繼續(xù)推廣這一綠色再制造技術(shù),，同時也將進一步往智能制造領(lǐng)域拓展,，未來可實現(xiàn)智能自動化生產(chǎn)，從而減少人力成本,。”王淼輝說,。
（來源：科技日報）