01技术背景介绍

超高速激光熔覆技术起源于德国弗劳恩霍夫激光技术研究所（Fraunhofer ILT），在2017年德国弗劳恩霍夫应用促进协会年度科学技术奖励大会中，超高速激光熔覆技术荣获了Fraunhofer科技创新奖。传统的电镀硬铬技术普遍使用的三氧化铬（CrO₃），又称六价铬（Cr⁶⁺），连同其他有铬成分的物质被欧盟委员会于2013 年定义为对人体有害物质，同时规定这些物质只能在获得欧洲化学品总署的特殊且有限期认证后才能使用。基于以上考虑，欧盟国家可能会不允许在金属部件中使用镀硬铬，由此便迫切需要另一种工艺来替代镀硬铬。在我国，近年来传统电镀工艺给企业带来的环保压力非常大，并且使用电镀技术的镀层在质量、性能以及大修周期、修理费用等使用后期的成本维护方面也存在许多缺陷。2016年，工业和信息化部和环境保护部关于印发《水污染防治重点行业清洁生产技术推行方案》，明确建议了激光熔覆技术在取代电镀方面的应用。

超高速激光熔覆技术完成的熔覆涂层冶金质量高、稀释率低、变形小、表面光洁度高，属于先进环保的再制造加工技术，在工业再制造领域能极大地减少企业的后续机加工成本，能有效延长产品使用周期，为企业节省大量后期维修费用。和传统的熔覆激光技术相比，超高速激光熔覆技术的工作效率要快上百倍。普通的激光熔覆技术速率是0.5—2 米/分钟，而超高速激光熔覆技术可达到50—200 米/分钟，镀层速度至少提高了100 倍。超过1平方米/小时的涂层高效率可以使激光熔覆的成本降低到与镀硬铬成本相当。超高速激光熔覆技术的另一个优点是：目前可以在零件表面制备大规模的不同成分涂层，这将有可能生产出在生命周期内不会磨损的创新零件。

  2015 年全球镀硬铬市场约为136 亿4000 万美元，而热喷涂市场达75 亿6000 万美元。保守计算，如果超高速激光熔覆技术可以捕捉到10%份额的市场，这种新工艺就可以拥有20 亿欧元的年市场容量。在我国，煤机液压支架立柱表面涂层的年需求量可达数百万平方米，市场需求份额可达数十亿元。

图1.应用于煤矿液压立柱表面强化

现有涂层技术比较

分类	电镀铬	等离子体喷涂	火焰超音速喷涂	传统激光熔覆	超高速激光熔覆
材料	铬	合金粉末	合金粉末	合金粉末	合金粉末
厚度（mm）	<0.1	3-4	0.1-0.4	1-2	0.02-0.40
硬度 (HV)	>700	Cr-Fe 300	WC-Cr涂层>1000	Cr-Fe 500-600	Cr-Fe 500-600
耐磨性	较差	良好	良好	良好	良好
与母材结合	物理结合	冶金结合	冶金结合	冶金结合	冶金结合
基材热输入	无	大	较小	较小	很小
环保性	差	较好	较差	好	好
使用寿命（年）	1-1.5	2-3	2-3	>5	>3
生产成本	低	中	中	高	低

*镀铬表面的高硬度没有实质作用．是工艺过程自然形成的特点。

02辉锐超高速熔覆设备

辉锐公司在全部国产化设备基础上，自主研发的激光超高速熔覆技术取得了突破性进展。超高速熔覆属于先进环保的再制造加工技术，针对替代镀硬铬轴类件，辉锐公司已成功开发了超高速熔覆设备和工艺方法，该设备可实现车削熔覆一体化加工。

辉锐研发的车削与超高速熔覆相结合的混合制造可以充分发挥效率优势，使零件在一次装夹定位后，增材与减材多种工艺结合一次加工出成品，避免了因重新定位产生的不必要的同轴度、圆跳动误差，大幅提高涂层的质量和生产效率。

图2.车削熔覆一体复合加工设备

   设备参数：

   国产固体激光器

   运动机构：5轴数控

   最大可回转直径:640mm

   加工长度1.5m

   重复定位精度:0.012mm

   可实现层厚：50–400μm

   沉积效率：可达500cm2/min

   基材稀释率：<1%

03   辉锐研发的超高速熔覆工艺

  辉锐研发的激光超高速熔覆技术通过一系列试验和工艺优化，获得了可用于实际生产的稳定涂层工艺。

视频01 超高速激光熔覆

   传统激光熔覆粉末进入熔池后被熔化，层厚>500μm，激光扫描速率<1 m/min，沉积面效率10–50cm2/ min。

超高速激光熔覆工艺，激光与粉流充分交互作用，粉末在进入熔池前被激光充分加热至熔融状态，粉末利用率高。熔覆层特点如下：

• 可实现单层厚50–350μm

• 沉积面效率最高可达500cm²/ min

• 稀释率<1%

应用举例：取代电镀硬铬，热敏感材料上的熔覆，铝基材料修复。

04    结果展示

某煤矿客户的超高速熔覆测试样品制作：

• 基材为客户提供，粉末材料为马氏体不锈钢

• 测试件总长1000mm，外径217mm，壁厚13.5mm，熔覆长度940mm

• 连续熔覆时长45min，熔覆面效率0.84平米/小时

• 熔覆前后圆跳动变化<0.10mm

• 熔覆前后直线度变化<0.12mm

• 单层熔覆层厚度：370±15µm，粉末利用率：93.7%

• 图8-9：熔覆后样品直接精磨，得到表面粗糙度Ra<0.8µm

图10：显微硬度测量结果

图11： 超高速熔覆涂层试样盐雾试验结果 -熔覆表面未出现锈迹

平面超高速熔覆样品展示

通过设备与工艺的进一步改进与开发，辉锐集团已实现了平面基材上的超高速熔覆。

视频02 平面超高速激光熔覆

图12： 平面超高速熔覆样品

• 熔覆尺寸150mm x 65mm

• 基板厚度5mm