激光束补焊：精密修复、表面熔覆、3D金属沉积
激光束补焊：精密修复、表面熔覆、3D金属沉积Steffen Nowotny, Siegfried Scharek, Eckhard Beyer, and Karl-Hermann Richter
(Submitted April 28, 2006; in revised form February 9, 2007)
摘要高价值的部件和工具的表面熔覆、修复、快速设计更改对当今的制造技术提出了挑战。在这一领域，先进的激光技术在模具制造、航空航天、以及汽车工业等相关领域具有突出的重要性。近几年，许多激光熔覆方案已经被转化为一系列的工业产品。这一技术越来越受关注，这主要是源自于其几个显著特色：基于完整的CAD/CAM产业链，可以对于复杂形状和高受力部件的快速合全面的建模。和TIG或者PTA焊接相比，在保证与基体形成冶金结合的条件下，对工件的热输入较少。而且，还有一个很好的优点就是即使在小工件上也可以实现精确定位。熔覆材料包括金属合金（如Co、Ni、Ti、钢），高硬度材料（如WC/Co、TiC、带有金属粘结剂的VC），氧化物陶瓷（Al2O3/TiO2）。典型的基体材料为钢、铸铁、轻合金（如铝合金、钛合金、镁合金）。生产出的三维构件的精度可以达到0.1mm，这几乎是现在所有焊接技术中最高的。另一方面，目前可利用的系统（激光、送粉和喷嘴、CAD/CAM系统）保证了可以很容易的把激光技术集成到其他制造系统中。其典型的应用有：轻型汽车发动组件的表面防护，金属工具的快速修复，以及修复航空发动机或燃气轮机受损的叶片和盘片。
关键词航空发动机修复，直接金属沉积，激光熔覆，表面防护，系统技术
Laser Beam Build-Up Welding: Precision in Repair, Surface Cladding, and Direct 3DMetal Deposition Steffen Nowotny, Siegfried Scharek, Eckhard Beyer, and Karl-Hermann Richter
(Submitted April 28, 2006; in revised form February 9, 2007)
Abstract
Surface coating, repair, and rapid design changes of high-value components and tools are demanding challenges of modern manufacturing technology. In this field, advanced laser-based techniques are of outstanding importance for the related applications in mould and tool, aircraft and aerospace, as well as automotive industry. Many laser cladding solutions have been transferred into industrial series production within the last years. The motivations for the raising interest are given by the typical features of the technology: on the base of closed CAD/CAM chains, a quick and comprehensive treatment even of complex shaped and highly stressed components is possible. The heat input into the workpiece is less compared to TIG or PTA welding, although a metallurgical bonding to the substrate is guaranteed. Furthermore, the precise material deposition even at small partial areas is an advantageous characteristic. The coating materials include metal alloys (Co, Ni, Cu basis, Titanium, and steel), hard metals (e.g., WC/Co, TiC, and VC with metallic binders), and oxide ceramics (Al2O3/TiO2). Typical base materials are steel, cast iron, and lightweight metal alloys based on Aluminum, Titanium, and Magnesium. The accuracy of the produced 3D structures in the range of 0.1 mm is the highest possible in the group of welding techniques. On the other hand, the available system technology (lasers, powder feeders and nozzles, CAD/CAM systems) permits a very easy and successful integration of the laser technology into manufacturing systems. Examples of application are the surface protection of lightweight automotive motor components, repair and quick modifications of metal forming tools as well as the complete restoration of damaged blades and disks of aero engines and gas turbines.
Keywords aero engine repair, direct metal deposition, laser cladding, surface protection, system technology
1.工艺规范
廉价激光源如高功率半导体激光的发展大大的促进了材料加工技术的进步。紧凑的结构、高效能、适中的价格让这一技术成为了最具经济效益的选择。因此，在过去10年中，激光硬化、激光合金化、激光熔覆被越来越多的应用到工业当中，并且仍在增长。基于激光熔覆的技术被用在需要对复杂形状的工具和零件表面进行精确涂覆的场合。这种方法作为等离子束焊（PTA）和TIG补焊这两种方法的补充，在对基体的热输入以及变形和混合都要小。这种方法的经济效益取决于以下特征，例如：材料的利用率，焊接速度，所需最少的前后处理，让整个过程完全自动化一体化的可能性，激光处理的工件的性能优势。
图1 为整个过程的原理图。激光束在工件表面生成局部熔池。补焊材料以粉或者丝的形式送入，并且在穿过激光束的时候被加热。然而这些材料只有在熔池中时是熔化的。冶金结合的形成需要基材轻微的熔化，这可以通过热传导来实现。热量通过热传导进入冷的基体也是造成填充材料快速冷却的原因，并产生了典型的沉淀轨迹。这些轨迹的典型宽度一般在0.2mm到6mm。高度和应用有关，一般在0.1mm到2mm之间。这些轨迹还可以重叠并覆盖整个区域。多个熔覆层可以通过叠加形成3D结构。典型的沉积速率为0.1-1.5kg/h。自然的，高的沉积速率会降低其精度。
图1 使用同轴送粉的激光熔覆技术
目前用于熔覆的最总要的光源是高功率半导体激光。这种类型的激光可使用的功率最高可达6KW。和其他的光源相比，半导体激光具有最高的能量利用效率，可高达35-50%。设备的花费是相对较低的。因为半导体激光器结构非常紧凑，它可以直接和机床或机器人系统融为一体而不需要通过光纤来传输光束。然而，这种激光较低的光束质量通常限制了其最小光斑尺寸，从而影响了沉积的精度。因此，这种激光并不适合高精度以及显微加工。
光纤激光，是一种特殊的固体激光器，它代表了用于材料加工的新一代激光器。用Yb掺杂的钇铝石榴石玻璃纤维被作为光纤激光的活性介质。因此，它是一种玻璃激光器，同时还可以传导光。其光束质量相比对流Nd:YAG盘式激光器提高了四倍。这导致了光束聚焦性能的极大的提高，在有利的工作距离上其焦点可以小到约10-100μm。使用光纤激光让我们的激光熔覆精度提高到了一个全新的尺度，这个尺度使用其他任何光源都无法达到。
2.系统技术
很多当前易于使用的并得到实践检验的系统组件都很好的支持了这一应用。所有必须的系统技术都可以被当成一个附加组件轻易的添加进数控机床和机器人系统中。除了激光源，熔覆头在整个生产系统中起关键作用。为了得到稳定的方向自由的送粉流，同轴送粉喷嘴是最普遍的选择。
图2为典型的同轴送粉激光熔覆头。它包括激光聚焦光学组件，可选的过程监视器，xyz-调整系统和同轴喷嘴。粉末喷嘴可以通过安装不同的喷嘴体和尖端来满足特定加工过程的需求，这需要根据工件的几何形状、可行性、熔覆材料等来进行优化。
图2、熔覆头，由光学组件、管道、同轴喷嘴组成
在实际应用中，越来越流行使用机器人系统，并让其与高功率半导体激光器或者光线激光器结合。这样的系统很灵活价格也不高，并且一般机器人的精度足够满足激光运动轨迹的需求。图3为一个机器人单元的典型实例，其装备了3KW的半导体激光器、同轴熔覆头、标准送粉器。这个系统可用激光熔覆、激光硬化来对金属工件进行修复和表面处理。
图3 进行激光熔覆、硬化的多功能机器人系统，用于工件的修复和表面处理
3、材料
很多种材料，如金属、碳化物、陶瓷都可以作为填充材料来构成满足某一应用需求的熔覆表面。一般熔覆层是直接在操作面上堆积熔覆材料形成的，并和基体材料形成较少混合的明显界面。例如，在钢铁表面的镍基钴基熔覆层中的铁含量一般只有5%。
无裂纹的Co基和Ni基熔覆层的硬度可以达到48HRC。图4展示了一个典型的使用Co基合金Stellite 21制造的多层熔覆层。使用同时感应加热设备可以让其硬度达到63HRC。
图4 多层结构的Stellite 21熔覆层的横截面
硬质金属熔覆时可以在熔覆层中形成体积分数高达60%的粗大硬质金属颗粒（图5）或者是在均质熔覆层中弥散分布细小的碳化物颗粒（图6）。激光熔覆技术的一个改变是在预沉积熔覆之后进行重熔。例如在制造耐磨耐蚀的单相Fe2B熔覆层时，使用激光束熔化硼化物沉淀促进其扩散。
陶瓷熔覆是激光熔覆技术的一个特殊应用。通过沉积含有高百分比α-Al2O3 的强附着能力陶瓷来来提高轻型铝合金构件的耐磨性能。
图5 WC/W2C-NiCrBSi熔覆层中包含60 vol.%的粗大碳化物颗粒
图6 (Ti,Mo)(C,N)-28Co熔覆层以及细小的碳化物沉淀
4.工业应用
修粗磨损的构件和工具是目前激光熔覆最重要的应用。其首要目标是恢复工件的原有尺寸和性能。使用激光进行加工，更有可能进一步改变沉积材料结构和性能。因此，即使是非常复杂的Ni基单晶材料可以被用于制造过程。
图7展示了一个航空发动机完整的转子，这就是通常所说的，叶盘系统或者整体叶盘。这些转子是用钛合金做成的，且局部叶片而不是大面积的叶片受到了损伤。其修复工作是非常具有挑战性的，因为不仅需要精确重建其空气动力学特征，而且其动态机械强度需要和新的部分完全相等。一个不好的副作用就是就是Ti和空气中的氧气和氮气具有很高的反应活性，这会导致在凝固
后的微观结构中引入不期望的硬质相。解决办法就是让补焊过程在一个充满惰性气体的气室中进行，这样那些不希望发生的反应可以被有效的抑制。图8为一个用激光制造的压缩机叶片的横截面图。从图中可以清晰的看到稠密细小的晶粒微观结构以及焊层之间没有缺陷的链接层。还可以看见外观粗糙的超结构指向了一层一层熔覆材料凝固时外延生长的方向。
图7 修复受损的钛合金叶盘
图8 激光熔覆Ti6242层的微观结构
通过选择合适的过程参数和焊接方法，可以让拉伸和疲劳强度尽可能的与原材料相等。图9展示了一个高周循环疲劳试验（HCF）的结构。其中最大应力的单位没有指明。图上带有箭头的数据点相当于试样经历了1000万次应力循环。所有试样的断裂都发生在激光照射区域以外的基体上。这说明，激光沉积结构的疲劳强度显然超过了基体材料。这也可以从图表中看出，用于熔覆试验的Ti6242合金的疲劳强度要稍微高于先前测试的用于参照的Ti6242合金。
图9 激光熔覆Ti6242试样和等量基体材料的HCF试验结果比较
基于这个原因，这一技术转变为“直接金属沉积”，而且不止用于修复用途。在所有的激光熔覆应用中，直接金属沉积是基于2D和3D的CAD数据模型的。可以在一个很简单的平台上创建金属的三维结构，就像真实的工件一样。通过使用激光束，材料的沉积可以被精确的控制，其精度可以达到一毫米几十分之一，这样生产的零件可以做到近净成形。焊接过程非常稳定，因此可以连续完成数百条独立的焊道。使用传感器可以进一步的提高过程的稳定性。例如，光学的高度控制系统可以监视每一层熔覆层的生长。一般而言，生长出的结构是完全致密的并且能够承受较高的机械负载。工业上使用这一方法来修复高价值的构件，修复工具，直接制造金属原型，在很难达到的内轮廓或者表面生成构造物。
表面防护也是激光的一个很重要的应用。它被用于那些不适合采用其他喷涂、焊接技术的场合。这可能是由于其特殊的几何构型，特殊的载荷条件或者经济条件的限制。典型的例子是石油工业上的构件以及轻型发动机上的阀门座。
5.展望
在航空发动机和汽轮机修复领域，激光熔覆已经成为了一个完善的精密加工方法。而且，这一灵活的技术也被引入工具、模具的修复和快速设计修改。这一技术最早的应用，如汽车轻型发动机保护性涂层以及高应力热作工具，也已经被投入生产。激光技术是强大、可靠、经济的，其商业效益和系统技术相互促进相互增长。目前发展的焦点集中在如何将激光技术和机械工具、制造过程集成在一起。在这里，高集成度的CNC加工中心对于激光熔覆和精加工的结合是革命性的技术成果。激光技术和PTA焊接以及感应加热技术的结合允许我们把每个加工过程的技术优势和经济优势结合起来。新型的光纤激光器展示了在完全不同的新尺度上进行激光熔覆的可能性。这一激光器具有极高的光束质量，快速的光束震荡速度，较小的尺寸，良好的适应性以及适中的价格。因此，当前的研究应该注重发展医学技术上的新应用，发动机、工具的修复，以及微观材料加工过程。
参考文献
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