超音速激光沉積技術(shù),，有望成為一種新的增材制造技術(shù)

來源： 激光薈萃

超音速激光沉積(SLD)技術(shù)是近幾年發(fā)展起來的一種新型的激光復(fù)合制造技術(shù)，在表面改性領(lǐng)域引起了國內(nèi)外學(xué)者的廣泛關(guān)注,，該技術(shù)已被列為中國大百科全書(第三版)機械工程分卷高能束方向的詞條之一,。它在冷噴涂(CS)過程中利用高功率激光同步加熱噴涂顆粒和基體，使兩者得到有效軟化,，以增強顆粒的變形能力,，大大降低顆粒所需的臨界沉積速度。由于臨界沉積速度得以降低,，因此可用價格廉價的氮氣或壓縮空氣替代昂貴的氦氣來加速噴涂顆粒,，實現(xiàn)硬質(zhì)材料的沉積，在降低成本的同時擴大了冷噴涂技術(shù)可沉積材料的范圍,。

1.SLD技術(shù)原理和特征
SLD技術(shù)是基于冷噴涂發(fā)展起來的一種新型的激光復(fù)合制造技術(shù),。英國劍橋大學(xué)的William O'Neill課題組提出將激光加熱與冷噴涂同步耦合的SLD技術(shù)，其原理示意圖如圖1所示,。

在該技術(shù)中,，高壓氣流(壓縮空氣或者氮氣)分為兩路：一路通過送粉器攜帶噴涂顆粒進入混合腔，另一路通過氣體加熱器進行預(yù)熱,，然后在混合腔內(nèi)與攜帶噴涂顆粒的氣流充分混合,，形成氣固兩相流�,；旌虾蟮臍夤虄上嗔鬟M入拉瓦爾噴嘴加速,，噴涂顆粒以超音速撞擊激光同步加熱的基體表面形成沉積層。激光頭與基體表面的法線呈一定的角度,，拉瓦爾噴嘴與基體表面垂直,，激光束與噴涂粉末會有部分重疊，因此激光不僅能對基體表面區(qū)域加熱,，還能對噴涂粉末進行預(yù)熱,，可以對二者起到軟化的作用,。噴涂區(qū)域的沉積溫度可以通過紅外高溫儀實時監(jiān)控，并可以通過閉環(huán)反饋系統(tǒng)實時調(diào)節(jié)激光的輸出功率,，保證沉積層制備過程中的沉積溫度恒定,。

圖1 SLD原理示意圖

SLD技術(shù)與單一冷噴涂或單一激光熔覆(LC)、熱噴涂等技術(shù)相比,，具有如下的技術(shù)特征：
1) SLD技術(shù)是基于冷噴涂技術(shù)發(fā)展起來的材料沉積技術(shù),，不存在熔化凝固引起的冶金相變，可保持原始粉末成分不變; 同時,，沉積效率大幅提升,，有望達到現(xiàn)有單一激光沉積制造的4~10倍。

2) 由于沉積過程中仍然保持了冷噴涂低熱量輸入的沉積特性,，材料的沉積溫度遠低于LC,、熱噴涂等技術(shù)，因此可有效避免高熱輸入中存在的相變,、變形,、開裂等熱致不良影響，尤其是在沉積一些熱敏感材料時,，優(yōu)勢更為明顯,。同時，在SLD過程中,，由于激光的加熱作用,，沉積粉末和基體材料得到有效軟化，增加了粉末和基體材料的塑性變形能力,，因此所制備的沉積層較單一冷噴涂沉積層更致密,，結(jié)合強度更高，有望獲得高性能的沉積層,。

3) SLD技術(shù)由于激光的引入,，沉積粉末的臨界沉積速率較單一冷噴涂大大降低，可以在較低的撞擊速率下形成沉積層,。因此,，可用壓縮空氣或氮氣替代價格昂貴的氦氣作為載氣，從而大大降低制造成本,。此外,，臨界沉積速率的降低可以提高沉積粉末的沉積效率和利用率，從而降低材料成本,。


2.SLD沉積層材料的范圍
SLD技術(shù)由于結(jié)合了冷噴涂與激光技術(shù)的優(yōu)勢,，可在不同的基材上制備單一材料沉積層或復(fù)合材料沉積層。表1是目前文獻報道的利用SLD技術(shù)所制備的沉積層的概況。

作者課題組利用SLD技術(shù)成功制備了無石墨化,、無開裂、高金剛石含量的Diamond/Ni60復(fù)合沉積層,，這是單一LC或單一冷噴涂技術(shù)無法實現(xiàn)的,。金剛石在高溫、氧化氣氛中易發(fā)生石墨化相變和氧化燒蝕,，Ni60在LC過程中具有較高的裂紋敏感性,，因此，采用基于材料高溫熔融過程的LC技術(shù)難以獲得高質(zhì)量的Diamond/Ni60復(fù)合沉積層,。而冷噴涂技術(shù)是依賴材料塑性變形實現(xiàn)沉積的,，難以制備高硬度、低塑性的材料沉積層,。雖然已有人采用冷噴涂技術(shù)成功制備了金屬基金剛石復(fù)合沉積層,，但這些復(fù)合沉積層都以軟質(zhì)金屬作為黏結(jié)相，尚未有人成功制備以高硬度金屬(如Ni60)作為黏結(jié)相的金剛石復(fù)合沉積層,。此外,，SLD技術(shù)可以有效沉積銅、鋁及其復(fù)合材料,，這是單一LC技術(shù)難以實現(xiàn)的,。

由此可見，SLD技術(shù)可以突破一些傳統(tǒng)沉積技術(shù)在沉積材料范圍方面的局限性,，在沉積材料和基體材料的選擇上具有較大的靈活度,，工藝適應(yīng)性好，可滿足寬領(lǐng)域范圍內(nèi)表面改性與再制造的需求,。



3.SLD沉積層的物相及微觀結(jié)構(gòu)
LC技術(shù)利用高能密度的激光束產(chǎn)生的快速熔凝,，在基材表面形成與基體相互熔合且成分與性能完全不同的合金熔覆層，其微觀組織為典型的枝晶結(jié)構(gòu),。冷噴涂技術(shù)是一種基于材料塑性變形在工件表面實現(xiàn)固態(tài)沉積的過程,，可以保持原始粉末材料的物相和微觀組織結(jié)構(gòu)。而SLD技術(shù)則結(jié)合了LC和冷噴涂這兩種技術(shù)的優(yōu)勢,，其沉積層的物相以及微觀組織結(jié)構(gòu)的演變規(guī)律引起了國內(nèi)外許多學(xué)者的關(guān)注,。

4.SLD沉積層的性能表征
SLD沉積層的性能往往與其成分、微觀組織等相關(guān),，因此SLD沉積層的性能也引起了國內(nèi)外研究者的廣泛關(guān)注,。

01沉積層的致密性
對于沉積層的致密性來說，有相關(guān)研究結(jié)果表明激光輔助能夠顯著提高冷噴涂沉積層的致密性,，激光輻照溫度的提高有利于改善復(fù)合沉積層的致密性,。單一冷噴涂沉積層致密性較差的主要原因是噴涂粉末的塑性變形不充分。SLD由于引入了激光對沉積粉末和基體進行加熱，粉末得到有效軟化,，在沉積過程中的塑性變形更充分,，粉末之間的結(jié)合更好，因此沉積層的致密性更高,。此外,，SLD技術(shù)在制備致密的金屬-陶瓷復(fù)合沉積層方面具有極大的優(yōu)勢，激光輻照能有效軟化金屬黏結(jié)相,，脆硬的陶瓷顆粒高速撞擊并嵌入黏結(jié)相中形成致密結(jié)合的復(fù)合沉積層,。

02結(jié)合性能
SLD沉積層的結(jié)合性能(包括沉積層與基體之間的結(jié)合以及沉積層內(nèi)部顆粒之間的結(jié)合)也是國內(nèi)外學(xué)者目前關(guān)注的一個焦點。

除了可以提高沉積層/基體界面的結(jié)合強度以外,，沉積層內(nèi)部的結(jié)合強度也是非常重要的,。在單一的冷噴涂技術(shù)中，噴涂材料發(fā)生絕熱剪切失穩(wěn)并在壓力作用下產(chǎn)生塑性流,，導(dǎo)致顆粒間,、顆粒與基體材料間的混合和機械咬合，沉積層/基體間呈現(xiàn)機械結(jié)合,，結(jié)合強度不高,，當厚度達到一定程度時將導(dǎo)致剝落。SLD在冷噴涂的基礎(chǔ)上引入激光同步輻照,，在激光加熱和絕熱升溫的作用下,，沉積層內(nèi)部和界面處的元素發(fā)生擴散，形成冶金結(jié)合,。SLD沉積層內(nèi)部,、沉積層/基體的結(jié)合機制為機械咬合和冶金結(jié)合共存，沉積層結(jié)合性能遠優(yōu)于冷噴涂沉積層的結(jié)合性能,，因此可以實現(xiàn)任意厚度的有效沉積,。

03耐磨損性能
材料的耐磨損性能往往與其硬度有一定的聯(lián)系，因此國內(nèi)外許多學(xué)者對SLD沉積層的顯微硬度進行了表征,。 相關(guān)研究結(jié)果表明SLD沉積層的顯微硬度高于LC沉積層,，從而表現(xiàn)出較優(yōu)異的耐磨損性能。

除了從顯微硬度的角度來間接反映SLD沉積層的耐磨損性能以外,，國內(nèi)外學(xué)者也通過摩擦磨損實驗來直接表征SLD沉積層的耐磨損性能,。沉積層的耐磨損性能與沉積層的硬度、附著力,、柔韌性等物理性能密切相關(guān),。在SLD過程中，噴涂顆粒與沉積區(qū)域連續(xù)高速撞擊,，使得兩者產(chǎn)生劇烈的塑性變形,。在材料塑性變形過程中,，晶粒發(fā)生滑移，位錯密度不斷增加,，產(chǎn)生固定割階和位錯纏結(jié)等,，阻礙位錯的進一步運動，沉積層產(chǎn)生加工硬化現(xiàn)象,，使得沉積層的硬度增大,。同時，SLD技術(shù)保持了原始材料的成分和精細結(jié)構(gòu),，確保了沉積層的韌性。此外,，由于激光加熱,，沉積層內(nèi)的部分沉積顆粒之間發(fā)生元素互滲，增大了沉積層內(nèi)部的結(jié)合強度,。因此,，SLD特征對沉積層的硬度、附著力,、柔韌性等方面的貢獻導(dǎo)致制備的沉積層的耐磨性能優(yōu)于LC和冷噴涂沉積層,。

04耐腐蝕性能
耐腐蝕性能是材料的一種非常重要的性能，因此SLD沉積層的耐腐蝕性能也是國內(nèi)外研究者關(guān)注的焦點,。SLD過程中,，在激光輻照軟化以及粒子高速沖擊的夯實作用下，沉積層的孔隙率較低,，沉積層表面較為致密,，能有效抵擋腐蝕介質(zhì)的滲入，為基體提供有效的保護作用,。另外,，SLD是一個固態(tài)沉積過程，能避免基體對沉積層的稀釋,，保留原始噴涂材料的成分和相結(jié)構(gòu),，繼承噴涂材料優(yōu)異的耐腐蝕性能。

5SLD的發(fā)展趨勢
SLD技術(shù)結(jié)合了冷噴涂和激光技術(shù)的優(yōu)勢,，在沉積效率,、物相/成分控制、性能調(diào)控等方面較傳統(tǒng)的LC,、熱噴涂,、冷噴涂等材料沉積技術(shù)具有一定的優(yōu)勢，是一種非常有潛力的制造技術(shù),，它不僅是一種新的表面改性與再制造技術(shù),，還有望能成為一種新的增材制造(3D打印)技術(shù),，這將大大突破增材制造的效率、材料范圍和質(zhì)量控制等難題,，是極具發(fā)展前景的增材制造技術(shù)之一,。但若要大范圍推廣該技術(shù)，還需要在以下幾個方面繼續(xù)突破：

1) SLD是一種復(fù)合技術(shù),，涉及的工藝參數(shù)眾多,，若單純依靠實驗手段去優(yōu)化工藝參數(shù)，將會費時費力,。因此,，非常有必要采用數(shù)值模擬與實驗相結(jié)合的方法去探索各參數(shù)之間的相互影響規(guī)律，建立激光與超音速粒子能量場之間的耦合機制,，闡明激光與沉積粒子的相互作用關(guān)系以及沉積機理,，從而為工藝參數(shù)的優(yōu)化和選擇提供理論指導(dǎo)。

2) SLD系統(tǒng)涉及多個關(guān)鍵單元,，絕非是它們之間簡單的疊加,，如何實現(xiàn)多能場之間的協(xié)同耦合與智能化控制將是難點，尤其是如何采用該技術(shù)實現(xiàn)增材制造,，如何有效實施路徑規(guī)劃與分層,。因此，研制專用工藝軟件及成套裝備迫在眉睫,。

SLD技術(shù)是2008年由英國劍橋大學(xué)William O'Neill課題組率先提出的,，他們采用該技術(shù)制備了Stellite-6、鈦,、鎢等材料涂層,，并對其微觀結(jié)構(gòu)、界面結(jié)合情況以及力學(xué)性能進行了表征,，評估了SLD鎢材料在靶材方面的應(yīng)用潛力,。

作者課題組與劍橋大學(xué)在材料沉積及裝備開發(fā)等領(lǐng)域展開合作，將沉積材料的范圍從Stellite-6,、Ni60,、Ti6Al4V等單一材料擴展到了Diamond/Ni60、WC/Stellite-6,、WC/SS316L等高硬度/高耐磨復(fù)合材料,，并重點針對涂層的微觀結(jié)構(gòu)、成分,、界面結(jié)合情況,、耐磨/耐蝕性能進行了表征，探索了該技術(shù)在泵閥表面耐磨/耐蝕涂層,、汽輪機葉片抗汽蝕涂層以及工模具增材再制造方面的應(yīng)用潛力,。在表面改性研究的基礎(chǔ)上,，課題組進一步開展了該技術(shù)在金屬增材制造領(lǐng)域的研究，該技術(shù)可以用于銅合金,、鈦合金以及高溫合金等材料的高效率固態(tài)沉積,。

來源： 激光薈萃