热喷涂和激光熔覆集成设备在高性能表面处理领域的应用
Andreas Wank， Alexander Schwenk， Frank Beck，沈希华
热 喷 涂 技 术2011 年 12 月
摘 要：本论文阐述的是将各种不同的热喷涂技术与激光表面加工技术进行组合后通过同一个控制系统进行控制的新型集成设备。这种集成设备的优势在于某些工业领域应用部件表面不同部位需要通过两种不同的工艺技术进行处理时，比如沉没辊和发动机叶片。另外，采用激光设备对热喷涂涂层进行后处理并获得更加优异的涂层性能的应用领域也在不断的扩大，比如将热喷涂的镍基和钛合金涂层通过新型的激光设备进行再次加工，将会得到性能更加优异的涂层结构。目前最先进的理念是，将热喷涂与激光设备充分地融合在一起，通过更加高效节能的方法获得性能更加可靠的涂层质量，如对于粉末状的材料来说，用热喷涂的电弧或火焰对喷涂材料进行预热后再准确地注入激光的熔池内；而针对丝材，则可采用电阻加热的方式对丝材进行预热后再注入激光熔池内。
关键词：热喷涂和激光组合设备；热喷涂；激光熔覆；效率
1.灵活多变的热喷涂和激光熔覆组合喷涂中心设备方案
热喷涂技术像激光表面处理技术一样在很多的工业领域具有广泛的应用，一般情况下，根据所需要加工的材料、需要达到的结合强度、涂层在工件边缘部位的稳定性、需要达到的涂层厚度等来决定所使用的工艺种类[1- 4]。目前有很多公司既拥有热喷涂设备，同时还拥有激光设备，在同一公司内，这两种设备的利用率通常都相对偏低。在设备的组成方面，这两种设备有很多通用的组成部分或者只需要对设备稍微进行改进，就可以同时满足两类设备运行的条件。在设备所配备的带工艺过程监控性能的 SPS 控制系统的基础上加入操作系统（HMI，人机界面） 以及由质量流量计控制的气体线路外，其它的辅助设施如送粉器、热交换器、工件运转机构、喷枪行走机构、抽风除尘系统和喷涂隔音房等完全可以通用。在 GTV 公司德国总部 LUCKENBACH市，装配了一套由粉末火焰、超音速火焰、等离子和电弧喷涂设备与高功率的半导体激光器组成的组合加工中心（如图 1 所示）。
2.热喷涂和激光技术集成加工中心的优势
2.1 应用领域广泛
将热喷涂设备和激光设备进行集成后，其主要的优势在于提高了设备的利用率。在生产过程中，有些工件既要通过热喷涂的方式进行加工，同时，在同一个工件上的某些部位则必须要通过激光技术进行加工。如果热喷涂和激光为两套独立的设备，那么，工件在生产过程中在不同工序之间的传递、装卸、夹具的拆装、校正等等需要大量时间，而这种集成设备则可以大大节约时间成本。典型的例子是钢铁行业热镀锌线上的沉没辊和稳定辊以及航空发动机的部件的生产。
当前，采用超音速喷涂工艺在沉没辊和稳定辊上喷涂 WC/Co（Cr）或 WC/WB/Co（Cr）涂层并在涂层上覆盖特殊封孔剂的工艺是钢铁公司热镀锌生产线上最关键的技术，只有采用这种工艺后才能生产出高质量的涂层，并能满足汽车行业需要的高品质无辊印的镀锌钢板。在生产过程中，采用 HVOF超音速喷涂工艺喷涂热镀锌线上（CGL）镀锌池内钢板导向用稳定辊和沉没辊的辊面，然后在涂层覆盖一层封孔剂以防止锌液渗透涂层对基体造成腐蚀以及锌渣积留在钢板上。通过这样的工艺处理后，可以大大地延长沉没辊和稳定辊的使用寿命。
同时，沉没辊和稳定辊的轴头和轴套则采用激光堆焊的方式喷涂上铁基合金和铸造碳化钨的组合材料，以延长其使用寿命。
针对航空发动机的部件，有很多需要采用热喷涂和激光熔覆的工艺来对其进行加工，以提高这些部件的使用寿命，如：航空发动机由 Ti6Al4V材料制造的进气端叶片采用激光冲击强化（LSP）的方法进行处理，在工件表面产生一定的压应力，从而降低其因疲劳过度而产生裂纹的可能性。由 Ti6Al4V 材料制造的航空发动机进气端和压缩端叶片的凸台将采用等离子或超音速喷涂工艺喷涂 WC/Co(Cr)或 Cr3C2/NiCr 类的硬质合金涂层，从而达到耐磨的目的。采用等离子或电弧工艺在叶片根部钛合金表面喷涂铜镍铟，以防止其与基座产生摩擦磨损和冷焊效应。另外，在航空发动机压缩端的叶片的顶端采用激光钎焊的方式喷涂 c- BN 和铜基、镍基合金混合涂层以获得最小的间隙[5]。最后，对于那些在高热环境下工作的动叶片和静叶片以及燃烧室，一般采用HVOF 超 音 速 或 真 空 等 离 子 喷 涂 工 艺 喷 涂MCrAlY (M := Ni, Co) 材料来生产抗热气腐蚀涂层，并且，部分工件还要采用大气等离子喷涂工艺来喷涂 YSZ 热障涂层[6- 7]。图 2 是上文所述的部分涂层的金相图片。
2.2 热喷涂和激光组合设备的延伸应用
除了在工件表面生产防护和功能涂层方面的应用以外，还可以对已生产的涂层进行改性，以获得更加优异的涂层性能。例如，对传统的火焰粉末喷涂的镍基自熔合金涂层进行重熔等[8- 9]。与传统的感应重熔和氧乙炔火焰重熔相比，激光重熔对工件所施加的热量更小。一般情况下，如果在重熔时对工件施加的热量过大，则往往会使工件产生变形，那么就需要对所喷涂的工件的形状和轴承等公差带进行校准。这样增加了一道工序，提高了生产费用。某些时候，这一道工序的费用甚至超过了喷涂和重熔的费用总和，因为，工件的校准需要经验丰富的技工和特殊的校准设备，而且需要很长的时间来完成。此外，校准时还需要配备相应设备对工件进行加热，这又会增加费用。
对于那些对温度特别敏感的基体来讲，选用激光喷涂工艺，其显微结构和机械性能要比其它的堆焊方式更加容易控制。由于激光光源的精确分配，可以获得更加均匀的涂层[10]。在喷涂过程中通过远红外温控仪持续地对工件表面的温度进行闭环控制，使得工件的表面的温度由始至终保持一致，这样就保证了激光光束在熔化工件时始终保持均匀的熔池深度[11]。此外，在对涂层进行重熔时可使基体获得更加理想的防腐蚀效果。若采用合适的工艺方案，在重熔时可保证涂层不会产生裂纹，从而获得比涂层更高的气密性和更高的防腐蚀性能 (见图 3)。与传统的在涂层表面覆盖一层封孔剂[12]的方法相比，由于它在涂层的表面不会产生层间效应，并且不像封孔剂那样受限于使用环境的温度，因而，采用该方法加工的涂层范围更广。
在对粉末火焰喷涂的 NiCrBSi 涂层进行重熔时，涂层与基体的冶金熔合和重熔层与基体的冶金熔合对涂层在虫后的防腐蚀和耐磨性能是没有多大的影响的，但是对于 NiCrAl 涂层或钛合金涂层来说情况则恰恰相反：一旦涂层与碳钢基体上的铁产生细微的冶金熔融效应，则会使涂层的防腐蚀性能大大降低，而且会增加钛合金涂层的脆性。为了使涂层与基体获得更好的冶金熔融效果，同时又不会影响涂层重熔后的防腐蚀和耐磨性能，可以采用脉冲激光工艺来进行重熔 (见图 4).
此外，在选择合适的基体材料和涂层材料的基础上，采用优化的工艺程序，可以在不对整个涂层进行重熔的情况下使涂层以基体之间获得理想的冶金熔融结合（见图 5）。还以在碳钢基体上喷涂钛涂层为例，由于钛的熔点为 1670℃，而且在温度为1065℃时，钛和铁可以产生共晶反应，因此，对涂层的部分重熔是可以实现的 。
2.3 热喷涂与激光喷涂的组合生产工艺
当前，尽管在激光领域对光纤、固态、半导体等各种激光器的开发和研究还在不断地进行，但是，激光光源的利用率还始终徘徊在 30%～45% 之间。另外，即使将激光波长与所喷涂的材料的匹配调整到最理想的状态下，也有至少 30%的光源被反射掉。因此，传统的激光工艺的能效相对还是较低的。 在剩余的激光能源中，其中的大部分都被所加工工件内部所吸收掉。最终，在传统的激光喷涂工艺中，所喷涂的材料也通过激光光源进行熔化，尽管相对于工艺过程来说根本是不必要的。基于这种原因，人们采用了各种各样集成工艺方法把能量合理地分配工件和所喷涂的材料上，并实现在不影响工艺的精确性和涂层性能的基础上来提高生产。例如，将大气等离子喷涂与激光设备组合在一起来生产 ZrO2热障涂层[13- 15]。 与热喷涂的涂层相比，由于涂层经过激光处理后密度更高，裂纹更少，因而其防腐蚀性能更高。然而，由于涂层内裂纹更少，其抗热震性能却大大地降低了。但是，对于热障涂层来说，其抗热震性能却是最核心的指标。对于喷涂金属材料来说，这种方法的应用范围更广、效果更佳[16- 18]。不过，不论是从技术的角度还是从经济的角度，以及从故障率来看，这两种设备的成本都是相对较高的。
针对丝材材料来看，可以采用电阻加热的方式对丝材进行预热，这样就可以用很少的激光能源来熔化丝材[19]。由于激光能源的相对稳定和均匀，这样就可以获得更高的喷涂沉积效率。目前，通过采用改进过的 MIG 喷枪（氩弧焊）从侧面将丝材送入激光熔池内的方法。虽然这种方法不能任意调整喷涂的方向，但是非常适合于简单工件的激光熔覆生产。目前正在进行的“ Spraynergy”项目的宗旨是，将预热过的丝材从径向送入通过空心锥筒导入的激光光束中，将其熔化后喷涂在工件表面[20]。
还有的方法是将集成的激光加工头与感应加热装置组合在一起来实现喷涂粉末状的材料。由所喷涂粉末和工件的光谱的不同，所以要获得无裂纹的涂层，其难度还是较大的。此外，由于激光功率的稳定性和均匀性更高，所以喷涂的沉积效率得到很大的改善[21- 23]。有报告称，在喷涂镍基的防腐涂层时，其沉积效率可以提高 4 倍。
上文提到的“Spraynergy”研发项目将采用氧乙炔火焰来对粉末材料进行预热，这样也节省了激光功率的利用。在首期的试验中，采用改进过的粉末火焰喷枪将粉末预热后从侧面送入激光熔池中（见图6）。在喷涂硬度为 40 HRC 的 NiCrBSi 涂层时，只需要采用 3KW的激光功率就可以实现 70 克 / 分钟的送粉量，而喷涂的沉积效率可达 85%（见图 7）。
采用火焰预热粉末然后进行激光熔覆的工艺与等离子和激光组合工艺相比，其工艺稳定性和重复生产能力要高得多。本项目下一步要研发的通过将预热过的粉末从轴向送入经过空心锥筒导出的激光光束中，这样在喷涂时可以从任意方向上进行，更加适合于复杂形状工件的加工，同时可以获得更高的沉积效率[20]。
3. 综述
不论是热喷涂工艺还是激光表面处理工艺都具有广泛的工业应用。最新的要求在于能够应用一套控制系统来控制各种热喷涂和激光表面处理集成设备。这样，就可以大大地提高设备的利用率，特别是对于那些既要通过不同的热喷涂工艺又要通过激光进行表面改性的工件来说尤为重要。通过对热喷涂涂层采用激光工艺进行表面改性所能达到的效果是其它任何工艺都无法实现的。最终，采用对所喷涂的材料进行预热的方法（粉末材料用火焰预热，丝材采用电阻加热）对设备进行集成和组合，将预热过的粉末或丝材送入激光熔池内，可以大大地提高设备的生产效率，并可节约生产成本。有此可以预见，激光表面处理设备的应用领域将会越来越广泛。
4. 答谢
本文所提到的所有研究结论和参数都来自公开的研究项目。文中所提到的正在运作的研发项目为 BMBF（德国教育和研发部）所资助的项目，项目名称是“资源和能源利用效率研究”，项目编号为：02PK2127，合作方是卡尔斯鲁厄大学。本文作者对文章的内容负有责任。
参考文献略
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