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激光冷喷涂技术可降低加工成本扩大应用范围
Andrew Cockburn

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基于激光技术，如激光熔覆技术与激光合金化技术，采用激光融熔并混合金属粉末，使其成为涂层，覆盖到材料表面。但是，该加工过程也有不足之处。加工过程的温度很高、凝固时产生收缩现象，以及涂料稀释等等因素都必须予以考虑，以避免材料的变形、残余应力过高和不必要的金属间相的存在。另外，热喷涂已被用于从轻型合金到金属碳化物等不同材料的覆层加工中。然而，热喷涂技术除了存在上述问题之外，它所得到的涂层可能具有氧化物，其结构需要重熔加工以达到目标密度和涂层特性。冷喷涂技术（Cold Spray，缩写为CS）的主要目的就是克服这些困难，该技术无需熔化粉末，直接进行涂覆。在冷喷涂技术中，粉末在一个超声波煤气喷嘴中被加速后，作用在基底材料的表面。在碰撞的过程中，微粒经过严重的塑性变形，这带来了材料表面的局部加热和闪光焊接过程。该技术可以被用在涂覆过程和对三维物体的处理中，它被用来将纯金属，如铝、铜和钽，以及混合涂层，如铝-氧化铝和钴-钨锰铁矿。因为冷沉积的机制不同，与热喷涂或者其它基于激光的加工过程相比，冷喷涂过程中，氧化物的含量较小，不会产生热致应力，而且它能够对许多不同的材料（包括多聚混合物）进行加工，加工速度达每小时5公斤。 “冷”加工过程的机制也有其固有问题。因为大量使用了氦，该系统的运行成本很高。该系统采用了高速的声速设备和气体加热器，为了使粉末微粒的速度达到1000m/s，这些设备耗费了近50kW的电力。此外，当所沉积的材料为硬质材料（如钛）时，接合的强度和密度会有所降低。而且，CS涂层通常有较大的压应力。高的运行成本和有限的加工材料限制了CS技术的应用领域。激光冷喷涂过程研究人员对激光冷喷涂过程（Laser assisted Cold Spray，缩写为LCS）进行不断的研发，拓宽了能以氮气进行沉积的材料范围，减小了对气体加热的需要，大大降低了加工成本，扩大了冷喷涂加工应用领域。此前，人们已经意识到，粒子温度的提高会导致粒子的软化，从而提高沉积效率，降低沉积临界速度。沉积温度的提高也有助于克服在冷喷涂中接合力度不够的问题。接合力度不够的问题是由于接合过程时间太短而造成的。然而，气体温度的提高使得喷嘴在喷射低熔点的金属（如铝）时，有可能产生污垢。这样就需要找到除了喷嘴加热方式外的另一种粉末加热方法。在LCS过程中，激光对沉积处进行加热，加热至微粒熔点的30%-80%。这就大大降低了微粒的强度，使微粒得以变形，并且在材料上形成涂层。这里，微粒作用到基底上的速度仅为CS情况下的一半（<500 m/s）。降低对高速度的要求使得技术人员可以采用冷的氮气作为加工气体，这样就降低了成本，从使用氦气的23美元/分钟降到使用氮气的0.23美元/分钟。同时，能耗也随之降低，因为不再需要气体加热器。资本和运行成本的降低意味着LCS在许多CS略显昂贵的应用领域更为有利，它使得冷喷涂的优势被用于更广的范围中。 LCS系统 LCS系统（如图1）包括了一个高压氮气输送设备（10-30bar），该输送设备被分为两路，送至缩放喷嘴（拉伐尔喷嘴）。两路直接通过高压粉末输送设备产生金属粉末微粒。随后两路重新合并，并且通过喷嘴，在喷嘴中它们被加速到超音速。高速且带有粉末的气体流从喷嘴中射到基底表面。带粉末的气体流作用到基底表面，该表面同时由980nm，1kW的二极管激光器进行辐照。激光功率由一个闭环反馈系统控制，该系统使用了红外高温计来控制沉积区的温度。（图片）在目前使用的测试系统中，拉伐尔喷嘴、激光加工头和高温计被一起固定在一个工作箱的顶部，而基底部分则可以在沉积过程中自由地在电脑数值控制（CNC）的X-Y工作台上活动。通过把激光功率和高温计读数结合到一起，运作时的沉积处温度可以被控制在50℃以内。（图片）涂层涂层已经可由不同的材料得到，包括316L不锈钢、铝、钛和铝-钛混合粉末。其目的是对LCS系统进行微调，对LCS加工过程进行定性分析，并确定工作温度的范围和微粒的速度，以确保更好地进行涂层操作。钛涂层已经得到研究人员详细全面的考察。它们在生物医学领域具有特殊的应用，且具有抗腐蚀的特性以及生物适应性，因此它们成为移植材料的上佳选择。如图3所示，加工典型的2.5mm厚钛涂层的横向速率为1.25m/min。虽然涂层被沉积在冷而薄（1mm）的基底上，但是并没有任何的材料变形，这说明LCS所带来的非熔融加工过程得到的残余应力低，使得薄板材料无需进行基底预热也能进行涂层加工。涂层的附着力随着基底材料和涂层材料的不同而不同。不过，技术人员发现，LCS的涂层接合程度要优于CS的接合程度，在用于附着力测定的拉拔试验中，316L涂层胶着面破裂的应力为 50MPa。（图片）在对抛光的横截面的检查中（如图4），技术人员发现沉积所得的涂层痕迹密度很高（多孔性<0.5%），没有可见的氧化物存在。化学分析结果证实了这个发现。虽然，沉积处经过加热，但是氧化物和氮化物的含量与用来比较的CP2级别钛板是类似的。这里，基底变形的程度比CS涂层过程更为明显，这说明使用激光导致了明显的基底软化。（图片）将混合的粉末喷到材料表面形成涂层的过程（如图5）表明LCS过程能够得到混合的涂层，且涂层中具有硬度不同的各种成分。虽然硬性材料没有太多的变形，但是它周边上的铝材料变形情况越严重，所形成的涂层厚度越高。这个效应可以被用来拓宽可用LCS加工的材料范围，使得应用于耐用性领域的涂层可以得到更好的沉积。（图片）未来发展方向目前的工作集中于检验LCS加工在硬质材料与混合涂层沉积中的适用性，这两种应用目前是由激光熔覆技术来实现的。以目前的技术水平，对薄板材料的加工是比较困难的，因为固化过程的收缩带来材料的变形。但是，使用LCS来进行涂覆，就可以使涂层被应用在薄板材料上。 6/19/2009


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