新一代創(chuàng)新制造技術(shù)：劍橋大學(xué)開(kāi)發(fā)激光輔助冷噴涂技術(shù)，解決重大成本挑戰(zhàn)

2025年7月6日，南極熊獲悉，來(lái)自劍橋大學(xué)制造業(yè)研究所 (IfM)工業(yè)光子學(xué)中心(CIP)的研究人員開(kāi)發(fā)了一種名為激光輔助冷噴涂（LACS）的新型增材制造技術(shù)。LACS工藝將局部激光加熱與超音速粉末流相結(jié)合，以沉積金屬和金屬陶瓷，用于制造、涂層或修復(fù)零件，克服了熱噴涂等同類技術(shù)中存在的高溫和材料限制。

研究團(tuán)隊(duì)已證明LACS在航空航天應(yīng)用中的有效性，其中高精度和局部材料沉積至關(guān)重要。這項(xiàng)技術(shù)能夠按需制造高質(zhì)量的涂層和部件維修，從而延長(zhǎng)飛機(jī)的使用壽命。此外，與傳統(tǒng)方法相比，LACS還能減少材料浪費(fèi)和能源消耗，從而支持空天行業(yè)向凈零排放轉(zhuǎn)型。

激光輔助冷噴涂工藝的應(yīng)用前景

傳統(tǒng)的制造技術(shù)通常涉及使用減材方法從實(shí)體塊中去除多余的材料，以達(dá)到所需的形狀。相比之下，增材制造則采用逐層構(gòu)建結(jié)構(gòu)的方式，通常稱為 3D 打印。LACS 工藝可以從零開(kāi)始創(chuàng)建零件，或在現(xiàn)有組件上添加涂層和特性，這在高性能涂層、關(guān)鍵組件維修以及航空航天、加工、能源和生物醫(yī)學(xué)行業(yè)的增材制造中尤為有用。

這種創(chuàng)新的制造方法相比傳統(tǒng)技術(shù)具有諸多優(yōu)勢(shì)，包括能夠快速生產(chǎn)定制的復(fù)雜零件，并最大程度地減少材料浪費(fèi)。它能夠整合多種材料以實(shí)現(xiàn)增強(qiáng)的性能，從而能夠根據(jù)特定應(yīng)用定制組件。此外，它無(wú)需昂貴的模具或大量的機(jī)械加工，這對(duì)于需要小批量、高精度零件的行業(yè)尤為重要。通過(guò)采用這種方法，制造商可以實(shí)現(xiàn)更高的設(shè)計(jì)靈活性、生產(chǎn)效率和精度。

截至 2023 年，英國(guó)占據(jù)全球增材制造市場(chǎng)約 7.6% 的份額，而基于增材熔覆體系的份額則更小。全球增材制造市場(chǎng)預(yù)計(jì)將大幅增長(zhǎng)，到2030年將達(dá)到700億美元至880億美元。取決于各種市場(chǎng)分析。這一預(yù)期增長(zhǎng)凸顯了這一快速發(fā)展的行業(yè)中蘊(yùn)藏的巨大創(chuàng)新和發(fā)展機(jī)遇。

技術(shù)原理

制造業(yè)研究所 (IfM) 的工業(yè)光子學(xué)中心 (CIP) 在比爾奧尼爾教授、激光工程師和制造專家團(tuán)隊(duì)的領(lǐng)導(dǎo)下，率先采用冷噴涂和粉末床熔融技術(shù)開(kāi)發(fā)先進(jìn)的增材制造方法。

比爾說(shuō)道：“冷噴涂是一種快速熔化粉末金屬、金屬陶瓷（陶瓷和金屬的復(fù)合材料）或聚合物而不熔化它們的技術(shù)，可用于制造、涂層或修復(fù)零件。我第一次接觸冷噴涂是在利物浦大學(xué)工作期間，并在那里建立了我的第一家專門從事冷噴涂的工廠。起初，我們專注于使用氮?dú)庾鳛榉勰┑妮d氣。當(dāng)處理航空航天領(lǐng)域常用的高強(qiáng)度材料（例如鈦合金和鋁合金）時(shí)，我們發(fā)現(xiàn)氦氣對(duì)于實(shí)現(xiàn)最佳沉積至關(guān)重要。這是因?yàn)楹�氣的分子量較低，能夠提高冷噴涂中的粒子速度，從而增強(qiáng)沖擊能量并改善與基材的附著力。“

但是氦氣成本高昂，每分鐘運(yùn)行成本約為80英鎊，因此氦氣的需求構(gòu)成了一項(xiàng)重大挑戰(zhàn)。即使是最先進(jìn)的回收技術(shù)，也只能回收約85%的氦氣。此外，回收所需的設(shè)備極大地限制了可制造部件的尺寸，因?yàn)樗鼈儽仨氀b入一個(gè)專為收集過(guò)量氦氣而設(shè)計(jì)的尺寸有限的腔室中。

△LACS 設(shè)備設(shè)置用于添加涂層以修復(fù)飛機(jī)機(jī)翼面板

CIP實(shí)驗(yàn)室高級(jí)研究員安德魯·科克伯恩博士說(shuō)：“想象一下，嘗試將涂層涂在飛機(jī)覆層的一部分上。在氦氣回收系統(tǒng)的限制下做到這一點(diǎn)是不現(xiàn)實(shí)的。我們需要為這些高強(qiáng)度材料找到更實(shí)用的解決方案，于是我們開(kāi)始研究使用激光。”

為了消除氦氣造成的障礙，比爾團(tuán)隊(duì)發(fā)明了這種被稱為“激光輔助冷噴涂（LACS）”的工藝。LACS通過(guò)增加激光對(duì)沉積位置進(jìn)行局部加熱（降低基材屈服應(yīng)力），從而更高效地沉積固態(tài)材料粉末，從而使材料之間無(wú)需熔化即可形成更牢固的結(jié)合。

△LACS 工藝示意圖，顯示激光束加熱粉末沉積區(qū)。

除了通過(guò)去除氦氣來(lái)降低成本外，LACS 還比其他冷噴涂方法具有一些顯著的優(yōu)勢(shì)：

(1)   增強(qiáng)附著力和沉積效率。局部激光預(yù)熱可軟化基材，從而改善顆粒結(jié)合力和沉積效率。這使得涂層比傳統(tǒng)冷噴涂和其他熱噴涂工藝更堅(jiān)固，尤其適用于鈦和難熔金屬等高強(qiáng)度材料。

(2)   沉積發(fā)生在較低的粒子速度下，這意味著粉末的結(jié)構(gòu)能夠保留在涂層/部件中。這對(duì)于具有特殊特性且易受損的材料（例如納米結(jié)構(gòu)涂層和稀土磁體）而言，是一個(gè)顯著的優(yōu)勢(shì)。

(3)   提升材料兼容性。LACS 能夠沉積更硬、更具挑戰(zhàn)性的材料，而這些材料在標(biāo)準(zhǔn)冷噴涂中通常附著力較差。這些材料包括金屬陶瓷、難熔金屬和抗氧化合金。

(4)   降低殘余應(yīng)力和孔隙率。激光的熱輸入可降低涂層內(nèi)的殘余應(yīng)力，從而改善機(jī)械性能。它還能最大程度地降低孔隙率，增強(qiáng)沉積層的結(jié)構(gòu)完整性和耐久性。

(5)   對(duì)基材的熱影響極小。與傳統(tǒng)的熱噴涂方法不同，LACS 可使基材保持在熔點(diǎn)以下，避免相變或變形。這使其成為熱敏材料以及對(duì)基材性能至關(guān)重要的應(yīng)用的理想選擇。

(6)   速度很快——每小時(shí)最多可添加 10 公斤涂料。

(7)   降低整個(gè)工藝的溫度。激光輔助工藝可在較低的氣體溫度下運(yùn)行，例如400-700 ℃，而冷噴涂則需要高達(dá) 1200 ℃，從而降低了功耗并簡(jiǎn)化了系統(tǒng)設(shè)計(jì)。

(8)   通過(guò)定制粉末對(duì)涂層性能進(jìn)行精細(xì)調(diào)整，可以將磁性、固態(tài)潤(rùn)滑和增強(qiáng)的耐磨性等特殊特性引入到鍍層中。分級(jí)成分可以局部控制性能，并降低異種材料界面處的應(yīng)力。

比爾教授解釋道：“開(kāi)發(fā)具有先進(jìn)加工能力的新一代創(chuàng)新制造技術(shù)可以極大地幫助實(shí)現(xiàn)凈零排放。定制材料屬性的能力是真正的游戲規(guī)則改變者，具有廣泛的潛在應(yīng)用范圍；例如，生產(chǎn)電動(dòng)汽車和航空航天的輕型部件、創(chuàng)建儲(chǔ)氫系統(tǒng)、加強(qiáng)風(fēng)力渦輪機(jī)的維護(hù)、制造節(jié)能電池和燃料電池組件，以及開(kāi)發(fā)用于工業(yè)節(jié)能的先進(jìn)熱交換器和用于碳捕獲的催化劑涂層。”

LACS 的實(shí)際應(yīng)用 — 航空航天

LACS 的一個(gè)特殊優(yōu)勢(shì)是它能夠制造和維修定制零件，這一能力對(duì)航空航天極為有用。航空航天需要制造通常較為復(fù)雜的高精度、高強(qiáng)度和相對(duì)小批量的零件。使用傳統(tǒng)制造技術(shù)，最具成本效益的解決方案是一次性制造特定型號(hào)所需的所有零件，并將它們存儲(chǔ)在倉(cāng)庫(kù)中，直到需要時(shí)再使用。這帶來(lái)了兩個(gè)主要問(wèn)題：存儲(chǔ)占用大量空間且成本高昂；而且，一旦零件用過(guò)，就沒(méi)有剩余的零件可供維修。結(jié)果，飛機(jī)可能會(huì)變得無(wú)法使用，因?yàn)闆](méi)有替換零件來(lái)修理它們 — — 協(xié)和式飛機(jī) G-BBDG 就是一個(gè)引人注目的例子，該型號(hào)最終于 2003 年退役。

LACS 提供了一種可持續(xù)、經(jīng)濟(jì)高效的維修方案，在更極端的情況下，甚至可以從基礎(chǔ)部件進(jìn)行再制造。傳統(tǒng)的維修技術(shù)（例如焊接）不適用于高性能應(yīng)用，例如 6000 系列鋁材。將新舊材料粘合在一起所需的加熱會(huì)影響維修部件的強(qiáng)度和可靠性。

△LACS 加工過(guò)程

比爾和他的團(tuán)隊(duì)已經(jīng)證明，LACS 采用相對(duì)低溫的局部激光加熱技術(shù)，可以添加新材料，且不會(huì)產(chǎn)生任何副作用。此外，與 3D 打印一樣，LACS 設(shè)備可以通過(guò)編程，根據(jù)計(jì)算機(jī)模型進(jìn)行特定設(shè)計(jì)構(gòu)建，從而將復(fù)雜的數(shù)字設(shè)計(jì)快速轉(zhuǎn)化為實(shí)際產(chǎn)品。

Martin Sparkes 博士表示：“這對(duì)許多行業(yè)來(lái)說(shuō)具有變革意義，它允許在短時(shí)間內(nèi)按需制造和維修定制部件，具有低成本、低能耗和高效利用材料的優(yōu)勢(shì)。”CIP實(shí)驗(yàn)室首席研究員。“我們很高興能與行業(yè)合作伙伴攜手，共同發(fā)揮這項(xiàng)獨(dú)特且影響深遠(yuǎn)的技術(shù)的潛力。”

巨大的應(yīng)用潛力

CIP 實(shí)驗(yàn)室的下一步是增強(qiáng) LACS的“3D 打印”能力。團(tuán)隊(duì)正在探索多種途徑來(lái)實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，包括將部件安裝在移動(dòng)臂上，使其能夠在 3D 空間中移動(dòng)，以及增強(qiáng)對(duì)粉末流方向的控制，以產(chǎn)生清晰、光滑的邊緣。

最后，比爾教授說(shuō)道：“目前，我們幾乎無(wú)法控制粉末的沉積形狀。這對(duì)于涂層來(lái)說(shuō)并非問(wèn)題，但對(duì)于零件制造應(yīng)用而言卻是一個(gè)重大制約因素。我們的下一個(gè)目標(biāo)是找到突破這一限制的解決方案，并且已經(jīng)取得了一些非常有希望的成果。LACS 的潛在應(yīng)用是無(wú)限的，我們致力于通過(guò)更高效、低浪費(fèi)的制造技術(shù)以及它為可持續(xù)產(chǎn)品開(kāi)發(fā)打開(kāi)的大門，提供一種能夠顯著幫助實(shí)現(xiàn)凈零轉(zhuǎn)型的技術(shù)。”