在現(xiàn)代制造業(yè)中，材料表面的優(yōu)化和修復(fù)技術(shù)對于提高產(chǎn)品壽命和性能至關(guān)重要。激光熔覆技術(shù)，作為一種高效的表面改性和修復(fù)手段，因其能夠精確控制材料沉積和冶金結(jié)合的特性，受到工業(yè)界的廣泛關(guān)注。美能光子灣3D共聚焦顯微鏡：可應(yīng)對各種精密器件及材料表面以及多樣化的測量場景，超寬視野范圍、高精細彩色圖像觀察和多種分析功能，可為激光熔覆工藝后的表面形貌進行精準測量，為工藝質(zhì)量監(jiān)測提供有力支持。

#Part.01

激光熔覆工藝介紹

激光熔覆，也稱為激光金屬沉積，是一種將材料添加到另一種材料表面的技術(shù)。激光熔覆的基本原理是將金屬粉末或金屬絲送入高能量激光束，使基體材料和添加材料同時熔化，并在快速凝固的過程中形成一種新型的冶金結(jié)合層。激光熔覆技術(shù)可以精確、有選擇性地沉積材料，并且將熱量輸入到底層基材中。

粉末激光涂覆示意圖

應(yīng)用廣泛的激光熔覆材料主要有：鎳基、鈷基、鐵基、鈦合金、銅合金、顆粒型金屬基復(fù)合材料，陶瓷材料等。

與傳統(tǒng)涂層工藝相比，激光熔覆具有多項優(yōu)勢。激光熔覆的特點主要有：熔覆層稀釋度低但結(jié)合力強，與基體呈冶金結(jié)合，可顯著改善基體材料表面的耐磨、耐蝕、耐熱、抗氧化或電氣特性，從而達到表面改性或修復(fù)的目的，滿足材料表面特定性能要求的同時可節(jié)約大量的材料成本。

與堆焊、噴涂、電鍍和氣相沉積相比，激光熔覆具有稀釋度小、組織致密、涂層與基體結(jié)合好、適合熔覆材料多、粒度及含量變化大等特點，因此激光熔覆技術(shù)應(yīng)用前景十分廣闊。

激光熔覆技術(shù)分為以下多種：

#Part.02

激光熔覆的應(yīng)用

激光熔覆技術(shù)廣泛應(yīng)用于多個領(lǐng)域，包括：

• 航空航天：用于修復(fù)和強化飛機發(fā)動機葉片、渦輪盤等關(guān)鍵部件。

• 汽車制造：用于提高汽車發(fā)動機零部件的耐磨性和耐腐蝕性，延長使用壽命。

• 冶金行業(yè)：用于修復(fù)和強化軋機牌坊、軋輥等設(shè)備，提高其耐磨性和使用壽命。

• 煤機行業(yè)：用于修復(fù)和強化液壓立柱等設(shè)備，提高其耐磨性和耐腐蝕性。

船舶制造：用于修復(fù)和強化推進器芯軸等部件，提高其耐磨性和耐腐蝕性。

#工藝參數(shù)對表面形貌影響分析.01

激光功率

下圖為不同激光功率下制備的EHLA涂層的宏觀形貌。

不同激光功率下EHLA涂層的宏觀形貌

當(dāng)激光功率為3000W時，由于能量密度較低，導(dǎo)致基體表面局部區(qū)域附著有半熔融的粉末。隨著激光功率增加至3500W，沉積在基體表面的材料體積增加，但熔覆層仍然不完整。但隨著激光功率的增加，EHLA涂層的完整性得到明顯改善，成形質(zhì)量不斷提高。其原因可能是激光功率的增加可以升高熔池溫度，同時降低熔池的冷卻速度，導(dǎo)致熔池內(nèi)形成較大的溫度梯度。隨后，較大的溫度梯度有利于形成較強的Marangoni流，最終形成平整、光滑的熔覆層。

#工藝參數(shù)對表面形貌影響分析.02

沉積速度

下圖為不同沉積速度下EHLA涂層的宏觀形貌。

不同沉積速度下EHLA涂層的宏觀形貌

可以觀察到，當(dāng)沉積速度≤11m/min時，表面形貌隨著沉積速度的增加變化不明顯。但當(dāng)速度≥13m/min時，隨著沉積速度的進一步增加，熔覆層成型不穩(wěn)定性愈加嚴重，表面凹坑數(shù)量逐漸增多，最終在沉積速度為25m/min時，EHLA涂層表面呈隨機分布且凹坑較多。

#工藝參數(shù)對表面形貌影響分析.03

送粉速度

送粉速度會影響基體對激光能量的吸收，影響粉末顆粒在沉積到基體之前熔化的程度，最終影響加工過程中熔池的形狀和穩(wěn)定性。

不同送粉速度下 EHLA 涂層的宏觀形貌

如上圖所示，隨著送粉速度從20g/min增加到40g/min，表面宏觀形貌變化不大，但隨著送粉速度繼續(xù)增加到45g/min、50g/min、55g/min，涂層表面逐漸形成凹坑，且高低差越來越大。眾所周知，當(dāng)送粉速度較低時，粉末僅吸收少量的激光能量，而大量的激光能量直接照射在基體表面，增加了熔池寬度，降低了涂層厚度。

#工藝參數(shù)對表面形貌影響分析.04

重疊率

在EHLA過程中，粉末熔融產(chǎn)生的液態(tài)熔體受到表面張力和重力的作用。表面張力傾向于將液態(tài)熔體收縮成球體以獲得最小的表面積，阻礙液態(tài)鋪展。重力降低了液態(tài)熔體的重心高度，傾向于將熔體鋪展。最后，兩種力的共同作用使單道涂層的表面形貌呈現(xiàn)出中心高、邊緣低的特點。因此，當(dāng)重疊率較低時，下一層熔覆層無法填充上一層熔覆層邊緣的凹陷區(qū)域，最終在重疊區(qū)域形成凹槽，如下圖a~d所示。

不同重疊率下EHLA涂層的宏觀形貌

隨著重疊率的增加，兩相鄰熔覆層之間的距離逐漸減小，下一層熔覆層可以填充上一層熔覆層邊緣的凹陷區(qū)域，明顯改善了熔覆層的平整度（圖e~g）。但當(dāng)搭接率增加到90%時，涂層表面平整度嚴重降低，部分區(qū)域分布著深坑（圖h）。其原因是搭接率過大導(dǎo)致單位面積熱輸入急劇增加，導(dǎo)致粉末過燒，熔池內(nèi)液態(tài)金屬運動劇烈，熔覆層嚴重氧化，甚至剝落，最終導(dǎo)致熔覆層成形質(zhì)量急劇下降。另外，還可以觀察到熔覆尾部發(fā)藍，進一步證明熔池溫度急劇上升。

#Part.03

激光熔覆工藝檢測

基于上述內(nèi)容可以得出結(jié)論，涂層的表面形貌變化可以有效反應(yīng)激光熔覆工藝質(zhì)量。準確監(jiān)測涂層質(zhì)量，嚴格控制工藝參數(shù)，有助于提升部件的耐磨性和耐腐蝕性。

美能光子灣3D顯微鏡激光加工材料（左）、激光熔覆（右）形貌

#ME-PT3000

美能光子灣3D共聚焦顯微鏡

美能光子灣3D共聚焦顯微鏡是一款用于對各種精密器件及材料表面，可應(yīng)對多樣化測量場景，能夠快速高效完成亞微米級形貌和表面粗糙度的精準測量任務(wù)，提供值得信賴的高質(zhì)量數(shù)據(jù)。

• 超寬視野范圍，高精細彩色圖像觀察

• 提供粗糙度、幾何輪廓、結(jié)構(gòu)、頻率、功能等五大分析功能

• 采用針孔共聚焦光學(xué)系統(tǒng)，高穩(wěn)定性結(jié)構(gòu)設(shè)計

提供調(diào)整位置、糾正、濾波、提取四大模塊的數(shù)據(jù)處理功能

綜上所述，激光熔覆技術(shù)憑借其低稀釋度、高結(jié)合力、組織致密等優(yōu)勢，在材料表面改性和修復(fù)方面展現(xiàn)出了巨大的潛力。通過對激光功率、沉積速度、送粉速度和重疊率等工藝參數(shù)的精確控制，可以有效優(yōu)化熔覆層的表面形貌，從而提升部件的耐磨性和耐腐蝕性。美能光子灣3D共聚焦顯微鏡作為一種先進的檢測工具，其超寬視野范圍、高精細彩色圖像觀察和多種分析功能，為激光熔覆工藝的質(zhì)量監(jiān)測提供了有力支持。未來，隨著技術(shù)的不斷進步和創(chuàng)新，激光熔覆技術(shù)結(jié)合先進的檢測手段，必將在更廣泛的領(lǐng)域發(fā)揮重要作用，推動相關(guān)產(chǎn)業(yè)的持續(xù)發(fā)展。

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