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激光熔覆技术产业的应用及发展前景

2022-09-23 09:26:04 15
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在工业、能源、军工、机械相关工厂和再制造等领域,生产环境恶劣,使用负荷重,导致一些重要的金属零件发生腐蚀和磨损。为了延长昂贵的生产设备的使用寿命,需要预先对这些设备的金属部件的外观进行处理或修复,于是激光熔覆作为修复金属表面改性的技术应运而生。

  什么是激光熔覆技术?激光熔覆是指将选定的涂层材料以不同的填充方式置于被涂覆的基体表面,经激光照射后与基体表面的薄层同时熔化,并迅速凝固形成稀释度极低的表面涂层,与基体材料形成冶金结合,从而显著提高基体材料表面的耐磨性、耐腐蚀性、耐热性、抗氧化性和电学特性,从而达到表面改性或修复的目的。



  通俗地说,包覆就是对破损的零配件进行“整容”,从而达到焕然一新的目的。如果要用三个字来形容我们的熔覆水平,那么“长寿命、高精度、低价格”再合适不过了。

  与其他激光加工技术相比,激光熔覆技术在多样性、延展性和适应性等方面具有其他技术无法比拟的优势。激光熔覆技术既满足了材料表面特定性能的要求,又节省了大量的贵重元素,因此在市场上很受欢迎。目前,经过几十年的发展,激光熔覆技术已经得到了广泛的应用,尤其是在工业应用方面,如航空航天、石油、造船、工程机械和核电等行业。

  激光熔覆技术的应用

  01  航空航天领域

  大型铝合金的激光熔覆在国内高校已经实现,是目前激光熔覆技术最显著的成果之一。航空发动机叶片再制造市场巨大。叶片材料种类多,技术含量高。切割修复后,需要在修复材料、探伤技术、寿命评估等方面做大量工作。这样可以尽量避免花费巨资从国外购买新零件进行后期维护。

  02  石油勘探领域

  在石油化工行业,由于设备长期处于恶劣的工作环境中,容易造成零部件的严重腐蚀和严重磨损,从而导致大型、贵重零件的彻底报废,如钻铤、无磁钻铤、扶正器、震击器等。因此,在激光熔覆技术的复制作用下,可以恢复这些零件的原有性能,强化这些零件的使用寿命。

  03  煤矿井田

  在煤矿行业,由于工作环境恶劣,对煤矿机械零部件的性能要求更高。液压立柱的主要失效形式是涂层划伤和涂层剥落,这将严重影响产品的性能和使用寿命,需要整体修复。采用高污染的电镀工艺,电镀是我国逐步禁止的传统工艺之一。立柱防腐表面采用激光熔覆不锈钢层技术。激光熔覆液压支架立柱是一项高端技术产品,有效提高了立柱的防腐性能,延长了其使用寿命。因此,激光熔覆技术对液压立柱的强化有很大的市场,也是国家支持的环保、可循环利用的高新技术,可以替代传统的电镀工艺。

  04  电力工业

  汽轮机转子运行时,转子轴颈磨损。此外,汽轮机末级和次末级叶片在长期高温工况下经常出现空气混浊。汽轮机是不便于运输的大型设备,需要高可靠性的激光原位修复技术。

  随着我国核电事业的快速发展,对核反应堆结构材料的要求越来越高。核电行业中的结构件由于其工作环境和介质的原因,会受到高温、腐蚀、氧化等诸多不利影响,因此一些核心部件一直依赖国外进口。目前,中国核电产业发展正处于快车道,对核心部件国产化的要求越来越强烈。

  激光熔覆技术面临的挑战

  目前国内激光熔覆领域存在的问题诸多,高校实验室不断实验新工艺,却找不到合适的平台实现真正的应用验证。工厂和公司的激光熔覆工艺更新慢,没有尖端科研做后盾。这种产、学、研的严重脱节制约了我国激光熔覆产业的快速发展。

  激光熔覆的成本一直是制约其发展的关键因素。设备投入,研发投入,人员成本,粉末成本等。激光熔覆产品价格高与单品成本高、大部分激光加工企业加工成本高密切相关。一两套设备加工效率低,应付不了大规模加工。十几台设备的加工效率很高,但是前期设备投入太大,没有工作量的时候很多设备闲置,超出了一般企业的承受能力。激光熔覆合金粉的成本是除设备成本外的另一大开支。小规模生产,粉体制造和采购成本占产品成本的很大一部分。只有大量采购和使用,才能降低整个产品的成本。同时,由于激光熔覆后的各种机械加工,实际熔覆层没有初始熔覆层厚,所以必然要通过提高后续加工的精度和降低初始熔覆层的厚度来降低成本。山东能源机械集团购买了高速车床加工熔覆产品,在不降低产品性能的情况下,有效降低了熔覆层厚度。同时,研磨后的粉末和机械加工切屑可以回收再制成粉末,有效降低了熔覆成本。

  虽然激光熔覆有很多优点,最终会成为主流技术,但是目前市场上激光熔覆产品的价格并不能被大多数客户接受,用户对产品性能的怀疑也大大阻碍了激光熔覆柱对电镀柱的替代。

  激光熔覆技术的发展前景

  激光熔覆技术是一项具有高科技含量的表面改性技术与装备维修技术,它是集材料制备和表面构型为一体,是绿色再制造技术的重要支撑技术之一,符合国家可持续发展战略的高新技术,其研究和发展具有重要的理论意义和经济价值。


  目前国内有国盛激光等众多企业都在研发激光熔覆技术,并且在技术研究上已经取得一定的成果,正处于逐步走向工业化应用的起步阶段。随着基础研究工作的不断深入,激光再制造技术的应用范围也将不断扩大。我国有几万亿元的设备资产,每年因磨损和腐蚀而使设备停产、报废所造成的损失都愈千亿元,这为激光再制造技术带来了广阔的市场应用前景。

  此外,激光熔覆还可以应用与钢铁冶金、汽车、工程机械、模具制造及船舶等其他行业,具有非常广泛的应用前景。随着“中国制造2025”发展规划的不断推进,激光熔覆技术必将为广大工业用户所接受,将产生巨大的经济效益。
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