超高速激光熔覆用于磨损和腐蚀保护的涂层
当组件的完整性受到操作条件的影响时，可能需要额外保护材料免受这种有害环境的影响。由于大多数材料损坏过程，尤其是磨损和腐蚀，来自表面或近表面区域，因此涂层的应用是保护金属表面的最合适途径。设计用于磨损和腐蚀保护的涂层必须是一种有效的物理和化学屏障，防止对基材的侵蚀性影响。所需的涂层厚度取决于特定应用，范围可以从几微米到几百微米不等。通常，每个涂层系统都针对特定的功能，其中包括涂层材料的化学成分、虽然磨损和腐蚀保护涂层有助于所有工业部门的许多组件的性能、可靠性和使用寿命，但这些好处通常必须与环境损害进行权衡。多年来，最有效的磨损和腐蚀保护系统基于使用富含铬酸盐的表面处理，结果证明这可能会给生产工人和整个社区带来健康问题。目前由 REACH（化学品注册、评估、授权和限制）实施的立法现在禁止在几乎所有部门使用六价铬。同样，此限制适用于电镀中镍的使用，镍已被 WHO（世界卫生组织）归类为对环境有害且有毒。因此，超高速激光熔覆的决定促进了对更先进的“绿色”、无毒和资源意识的磨损和腐蚀保护涂层技术的探索。已经研究了许多替代方案，迄今为止超高速激光熔覆最有前途的技术是热喷涂技术，尤其是高速氧燃料 (HVOF) 热喷涂和激光材料沉积 (LMD)。

寻找“绿色”替代品
使用 超高速激光熔覆，可以应用多种材料的涂层，在相对较高的沉积速率 (1-4 kg/h) 下具有高耐磨性。然而，由于涂层和基材之间的机械结合较差，热喷涂涂层在有限的附着强度方面受到技术上的限制。此外，热喷涂涂层难以修复并且通常表现出 1-2% 的孔隙率水平，降低了它们的耐腐蚀性。与 超高速激光熔覆相关的另一个缺点是燃料、粉末和氧气的资源消耗相对较高。使用 LMD，可以从各种材料中生产出几乎 100% 致密、无孔和无裂纹的高质量涂层，并具有强大的冶金结合。通过确定的热量输入和局部材料沉积，与传统焊接工艺和热喷涂技术相比，LMD 具有显着的优势。由于热量输入非常小，因此可以实现快速凝固和精细的微观结构，其性能曲线满足甚至超过锻造或铸造材料的规格。但是，对于大型部件的涂布，例如造纸行业的滚筒（图1），LMD工艺太慢（涂布速度：10-50cm2 /min，沉积速率：< 0.5 kg/h)。此外，LMD 层对于许多应用（>500 µm）来说太大了。在此层厚度范围内，许多传统焊接技术，例如钨极惰性气体保护焊或等离子粉末焊接，由于投资成本大幅降低，因此具有成本优势。在过去的几年里，各种设施和公司已经通过生产更大的熔池和更高的激光功率来减少 LMD 的加工时间，以便每次沉积更多的粉末。事实上，沉积速率可以成功提高，但反过来资源消耗和热量输入也增加了。核心问题——同时减少涂层厚度和涂层时间——无法解决。

超高速激光熔覆：第一种用于薄的冶金结合层的经济型涂层工艺
超高速激光熔覆的最大加工速度以及最小层厚是有限的，因为熔池中粉末颗粒的加热和熔化需要一定的时间和熔池尺寸。在顶部的图 2 中，示意性地显示了 超超高速激光熔覆的工艺原理。由于传统送粉喷嘴的粉末焦点比较大（2-3mm），大部分激光能量传递到基板上。结果，进入熔池的大多数颗粒具有比液体熔池的温度T liq低得多的温度T p (T p  < T liq )。超高速 LMD 的一般方法是在粉末颗粒进入熔池之前已经将它们加热到熔化温度 (Tp ≈ T liq )，见图 2。为此，大量的光能被沉积到粉末气流中。同时，只有一小部分传输能量用于在基材表面产生薄熔池。由于所需的时间和熔池尺寸都大大减少，因此可以同时将沉积速度提高几个数量级，并将层厚减少到 10-250 µm。由于沉积到基材中的能量较少，因此仅形成非常小的热影响区 (HAZ) 和低稀释度的粘合区。为了将更多能量沉积到粉末气流中，需要特殊的粉末喷嘴，从而产生高光密度和小粉末焦点直径（0.5-1 毫米）。

用于内表面的超高速激光熔覆
对于外径上的超高速激光熔覆标准光学器件可用于内表面加工，即用于石油和天然气行业的气缸套、轴承和轴承座或塑料和挤出部件的涂层。但是，需要特殊的加工头。光学元件、送粉装置、水冷系统和保护气体管必须集成到一个紧凑的外壳中。对于传统的激光熔覆，已经开发出用于不同内径和浸入深度的各种加工头，并在工业中使用。由于可用空间有限，内部激光熔覆加工头目前仅使用多喷同轴或横向送粉喷嘴。然而，超高速激光熔覆 所需的小粉末焦点直径目前只能通过具有连续粉末气流的同轴送粉喷嘴来实现。基于用于外径超高速激光熔覆 的连续同轴送粉概念的基本原理，Fraunhofer ILT 开发了一种新型连续同轴送粉喷嘴，并将其用于内部激光熔覆 加工头IXUN Lasertechnik，见图 3。

内部加工头集成到大黄蜂激光熔覆高速激光熔覆 机器中，见图 4，左。该系统基于传统车床，并针对旋转对称部件的超高速激光熔覆 进行了改装。借助该系统技术，厚度范围约为 50-350 µm 的良好磨损和腐蚀保护层可以成功地沉积在最小内径为 100 mm 的圆柱形管的内表面上，涂层速率高达 200 cm 2 /min 和沉积速率高达 1.5 kg/h，参见右侧的图 4。在底部的图 4 中，描绘了具有最小稀释度且厚度约为 100-150 µm 的健全、冶金结合的超高速激光熔覆 层的横截面。