超高速激光熔覆技术的趋势

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超高速激光熔覆技术的趋势

来源: | 作者:辉锐集团 | 发布时间: 2021-06-17 | 573 次浏览 | 分享到:

在我之前的文章中，我们已经讨论了超高速激光熔覆的基础知识，并查看了与该技术相关的首字母缩略词。今天，我想通过概述趋势、发展和可能性来解决技术本身的话题。我尽量专注于我所知道的事实，这些事实是基于我个人的实践经验。我将概述光斑几何形状和尺寸变化以及沉积速度。我们还将一起研究激光功率和速度如何影响过程以及该技术的最新趋势是什么。我的目的是帮助您自己决定 EHLA、高功率超高速激光熔覆或任何其他类型的工艺是否是您的正确选择。如果您阅读的信息不能提供全面的信息并想了解更多信息，我将很高兴收到您的反馈。

科技发展将把我们引向何方？
如今，越来越多的公司对超高速激光熔覆表现出兴趣。他们中的一些人想为其应用购买系统，一些人可能对服务或合作感兴趣，而另一些人只是想了解与热喷涂、表面硬化或镀硬铬等现有解决方案相比，该技术的竞争力如何. 通过本文，我想向您简要介绍该技术的最新发展，这可能会帮助您了解以下问题的可能性和答案：
· 超高速激光熔覆世界的最新趋势是什么？
· 生产力方面的主要发展是什么？
· 我们有哪些可能性，如果您决定使用超高速激光熔覆，哪些可能是重要的考虑因素？
· 我应该使用圆形还是矩形点？
· EHLA 是我的正确选择吗？
让我们一起尝试回答这些问题。可能最好的办法是从根源开始。超高速激光熔覆自 20 年前就已在航空和能源等某些高成本细分市场建立起来。当时激光相当昂贵，2-3KW 功率的能源被认为是高科技——足以修复涡轮叶片，但对于其他应用来说太贵了。在这二十年里，很多事情都发生了变化——激光器的价格几乎下降了十倍，而且高功率激光器（比如 10+ kW）在工业条件下变得方便。我认为这是解释为什么该技术最终具有很高的工业利益的主要因素之一——它在更广泛的应用范围内变得比替代表面处理解决方案具有价格竞争力。

高速激光熔覆的分类
首先，让我们关注三个主要组别：高速、高功率和 3D。
高速超高速激光熔覆。让我们保留 EHLA 的名称，因为它主要与大部分粉末在与表面相互作用之前熔化的原理有关。在过去的几年里，这个过程一直在市场上引起关注。它的发展速度之快令人惊叹。想象一下，Hornet 于 2013 年在 Fraunhofer ILT 安装了第一个研发系统，现在我们有 50 多个系统在全球范围内进行研究和生产活动。我个人对 EHLA 发展曲线的看法如图 2 所示。如果我遗漏了一些事实，请告诉我。
EHLA发展曲线
是什么让 EHLA 如此令人兴奋？想象一下，您可以将它用于旋转对称体和沉积速度，其范围为 100-200+ m/min。有了它，我们可以生产出薄而致密的冶金结合到具有优异性能的基材涂层。平均每条路径，有可能获得 100-250µm 的厚度。沉积后的表面粗糙度可以通过 Rz <50µm 的值来实现。此外，可以通过激光点与沉积涂层的相互作用重新熔化表面。它确实去除了一些凹凸不平并平滑涂层，将 Rz 值降低到 20 微米以下。EHLA 表面质量和横截面图像的一些示例如图 3 所示。您可以看到，EHLA 可以直接应用于铸铁表面，

EHLA和重熔后的表面质量；Metco 15E（左侧）和新一代 Metco Fe 基合金的微观结构横截面，直接沉积在铸铁上。上述优点使 EHLA 成为一项有吸引力的技术并推动进一步发展。2020 年，每个人都在谈论高功率 EHLA 和超过 2m²/h 的沉积速率。这些值使 EHLA 与热喷涂、喷涂和熔断甚至镀硬铬竞争。高速超高速激光熔覆也越来越受到应用方面的关注——液压杆和制动盘方向最常见的讨论和广告流——潜在技术方向的冰山一瞥。
如果从技术挑战来看，我认为高速超高速激光熔覆有两个主要方向：
· 材料。我坚信，由于细级粉末颗粒 (-53+20µm) 的快速冷却和应用，新一代材料的开发具有很高的重要性和兴趣。同样在欧瑞康，我们非常关注这个话题。其中一个示例如图 3 所示，是一种通过在复杂基材上工作的现代涂层解决方案。我将在下一篇出版物中更详细地介绍这里。
· 工业化，主要是指工艺的可靠性和新一代喷嘴，保证批量生产下的稳定运行。在这个方向上做了很多工作，到 2020 年，我们将有几款新一代喷嘴上市。我不想比较喷嘴供应商，因为我打算展示，什么是可用的，由您决定，您更喜欢采用哪种方式。最新喷头实例如图4所示，主要有两种工作原理：同轴供粉和多喷供粉。两种新一代喷嘴都可以处理超过 100 g/min 的粉末量和超过 10KW 的能量功率。
激光熔覆

HD 的Highno EHLA 喷嘴；Trumpf 的多喷嘴 EHLA 喷嘴
高功率超高速激光熔覆（我指的是超过 10kW 的激光功率）可分为两个主要领域（图 5）
1. 使用圆形光斑几何。最新的发展是可以包覆直径达 12 毫米的光斑尺寸，沉积速度超过 1.5 m/min。这背后的逻辑非常简单——更大的光斑和更高的速度由能量源的功率来补偿。
2. 使用矩形光斑几何。现在有平面喷射粉末喷嘴，其矩形几何形状的宽度可达 45 毫米（图 6）。然而，粉末消耗量也相应增加，可能超过 300g/min。此外，由于激光光斑和基板表面之间的相互作用面积较大，因此需要高功率激光器。
超高速激光熔覆

具有圆形和矩形斑点的高功率喷嘴示例 ( Fraunhofer IWS )
从历史上看，这个方向一直是德累斯顿 Fraunhofer IWS 的重点。难怪他们的产品如 COAX powerline 和 COAX11 在市场上很受欢迎。这两个原则都有其优点和缺点（我将在第 2 部分讨论）。使用超过 10KW 的高功率激光器，由于背反射和热效应，通常需要对光学元件更加小心。此外，工业条件下加工头的使用寿命可能在很大程度上取决于工作时间。
具有 20kW 激光功率的 45mm 光斑（图片由 Fraunhofer IWS 提供）
3D 超高速激光熔覆或 LMD（或任何其他方便的首字母缩写词）。在这个过程中，我们主要讨论 3D 结构、组件的构建或复杂几何形状的多层修复。这部分技术随着增材制造领域的发展而变得流行。这是一个非常有前途的方向，已被证明是非常有生产力的，并且已经广泛应用于许多工业领域。专家们常问的与该技术相关的主要问题如下：
· 由于多层沉积，如何最大限度地减少和防止零件过热？过热会对所生产部件的微观结构特征产生强烈影响，并因此导致机械和/或磨损性能降低。
· 如何提高生产力并获得更快？生产时间始终是客户首先问我们的问题。
· 如何提高沉积效率并确保几乎没有过喷？例如，过喷颗粒的材料消耗和毒性主题。
在图 7 中展示了该技术的主要趋势，并且应该提供有关上述问题的可能解决方案的想法。有前景的趋势之一与送丝超高速激光熔覆有关。与粉末相比，线材作为填充材料具有一个显着的优势——100% 消耗沉积材料。随着同轴送丝原理的发展，基本解决了恒定送丝的问题。通过在恒定沉积速度下改变包覆轨迹也实现了进一步的改进——过去这可能导致“角落”中的缺陷。这段取自Laserline网页的短视频很好地介绍了同轴电缆包层特性。
超高速激光熔覆

3D超高速激光熔覆发展方向
另一个有希望的技术发展方向是在一个系统中结合两种工艺——包覆和铣削。这有助于解决多个主题并在同一系统中生成非常复杂的几何图形的部分。在我看来，这是一种非常有趣的方法，DMG Mori公司对此进行了很好的描述，这是向市场提供此类系统的先驱之一。我认为该解决方案非常适合原型生产、单个组件的维修/生产或小批量零件的生产。另一方面，在中等和大批量生产的情况下，对于这样一个复杂且肯定是昂贵的混合系统，也存在一些挑战。只需简单的计算即可找出更有效的方法——一个混合系统或两台机器（一台包层，另一台铣削），并行加工同一产品。一般来说，这里的主要好处与技术本身的 CAD/CAM 链的开发有关。它推动了超高速激光熔覆的数字化。离线编程结合过程监控选项，在沉积过程中，3D EHLA 是最近向市场展示的最新趋势之一。它结合了高速超高速激光熔覆和 LMD。最新的发展仍在进行中，可以在由我在 Fraunhofer ILT 的同事领导的项目 - futureAM - Next Generation Additive Manufacturing 中监控进度。看到这种方法达到新的高度以及它在未来可以提供的令人难以置信的好处，真是令人印象深刻。目前，它仍然是一个研发过程，看到这将如何发展肯定令人兴奋。
超高速激光熔覆

致谢
我要向来自 Fraunhofer IWS 的 Maria Barbosa 博士和来自 Trumpf 的 Marco Göbel 表示衷心的感谢，感谢他们为我提供图形材料和我们进行的技术讨论。我要感谢我的团队通过使我们的激光中心成为一个理想的工作场所，他们的出色工作、积极性和高水平的专业精神。感谢Jörg Spatzier、Kemal Coskun 和 Pether Öhninger。特别感谢我的经理 Alexander Schwenk博士的信任和支持。

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