在帶鋼生產(chǎn)時(shí)，部件必須在惡劣的環(huán)境中運(yùn)行，忍受高溫以及腐蝕性的大氣環(huán)境，并承受機(jī)械磨損和頻繁的重型沖擊。傳統(tǒng)上，要承受高磨損或腐蝕的組件的原材料通常來(lái)自于使用了埋弧熔覆馬氏體不銹鋼（MSSs）的堆焊材料，以增加其使用壽命，這樣可以在不影響產(chǎn)品質(zhì)量的前提下來(lái)盡量延長(zhǎng)維護(hù)的間隔時(shí)間，從而最大化量產(chǎn)。

MSS焊接合金通常有著良好的耐磨損和耐腐蝕的特點(diǎn)，然而，它們并不適合于強(qiáng)度大的金屬與金屬間的磨損，而且在高溫環(huán)境中會(huì)失去其耐磨損和耐腐蝕的特性。弧焊MSS合金也會(huì)在熱影響區(qū)（HAZs）的晶界受到焊接增感作用影響，這是因?yàn)闊嵊绊憛^(qū)的碳化鉻沉淀下來(lái)，耗盡了周邊區(qū)域的鉻，這些局部區(qū)域因而變得易受腐蝕。

熱噴涂涂層在整個(gè)鋼鐵行業(yè)有著廣泛的應(yīng)用，這是因?yàn)樗鼈兛梢苑浅ｌ`活地使用范圍廣泛的合金以及金屬基復(fù)合材料（MMCs）。然而，它們的機(jī)械連結(jié)面相對(duì)強(qiáng)度較低（除非使用了噴熔法），這限制了其在重型沖擊環(huán)境下的使用。

2009年，在英國(guó)南威爾士的Port Talbot，TataSteel Strip Products英國(guó)公司嘗試開(kāi)發(fā)激光熔覆涂層的關(guān)鍵工作組件，來(lái)增加其使用壽命（圖1）。在鋼鐵行業(yè)的軋鋼機(jī)中需要不同長(zhǎng)度的輥?zhàn)?，范圍包括?.3至 3.5米。激光熔覆涂層已被證明可以延長(zhǎng)組件的使用壽命最高達(dá)6倍。

自從在Port Talbot安裝了激光熔覆系統(tǒng)后，這一工藝開(kāi)始發(fā)展起來(lái)，許多鈷鎳和鐵基合金在微觀結(jié)構(gòu)、力學(xué)性能、耐磨、耐腐蝕性等方面進(jìn)行了評(píng)估。需要針對(duì)不同的應(yīng)用所需要的涂層特性來(lái)進(jìn)行相應(yīng)的工藝開(kāi)發(fā)。

生產(chǎn)線試驗(yàn)的初步結(jié)果非常鼓舞人心：經(jīng)過(guò)激光熔覆處理的組件獲得了前所未有的耐磨損和耐腐蝕的性能。為此，該公司決定建立生產(chǎn)設(shè)備，以應(yīng)付預(yù)期的需求。

激光熔覆的好處

激光熔覆是一種可以用來(lái)增加金屬組件的耐磨損、耐腐蝕、抗沖擊性能的堆焊方法。這一方法利用精確聚焦大功率的激光束來(lái)形成焊接熔池并將金屬粉末加入到其中。粉末經(jīng)過(guò)一連串的惰性保護(hù)氣體通過(guò)激光束同軸送入。激光束的準(zhǔn)確性使得可以得到稀釋度極低的致密熔覆層（<5%），同時(shí)熔覆層與基體之間具有完美的冶金結(jié)合。涂層可以應(yīng)用于許多地方，并可以根據(jù)不同情況來(lái)設(shè)計(jì)其組成以克服每個(gè)組件相應(yīng)的失效機(jī)制。圖2展示了激光熔覆頭。與激光熔覆相關(guān)的主要好處之一就是能夠很好地控制熱量輸入，從而實(shí)現(xiàn)兩相沉積的金屬基復(fù)合（MMC）結(jié)構(gòu)：

基體通常是一種鎳基合金，具有良好的韌性、延展性和抗沖擊性，同時(shí)在高溫下的耐磨損性能；

增強(qiáng)的硬質(zhì)層通常是碳化鎢或氮化鈦/碳化鈦、碳化鉻等。

熱量輸入的精細(xì)控制使得基體能完全融化以及實(shí)現(xiàn)基體表面的合金化，而同時(shí)陶瓷顆粒沒(méi)有融化并均勻地分布在基體中，從而使得整個(gè)涂層具有很強(qiáng)的耐磨損、耐沖擊性。硬質(zhì)層和基體之間的比例可根據(jù)運(yùn)作的環(huán)境來(lái)調(diào)整，例如，更大的硬質(zhì)層比例具有更好的耐磨損性，較少的硬質(zhì)層則具有更好的抗沖擊性。

其他的好處包括：

由于熱量輸入最小，因而冷卻速度快，且具有極細(xì)的微結(jié)構(gòu)，變形可忽略不計(jì)；

由于稀釋度極低，因而涂層的最上面那層就能實(shí)現(xiàn)所需要的化學(xué)組成；

可以生產(chǎn)特殊表面處理的硬面涂層（可能無(wú)需加工就能進(jìn)行輥涂和安裝）；

與所有其他低熱量輸入的噴涂過(guò)程（超音速火焰HVOF噴涂、冷噴涂、D-Gun爆炸噴涂等）不同，激光熔覆的熔覆層與基體之間具有完美的冶金結(jié)合。

激光熔覆有許多相關(guān)的技術(shù)參數(shù)，其中特別關(guān)鍵的一個(gè)是粉體質(zhì)量流量。對(duì)于一種特定的應(yīng)用來(lái)說(shuō)，一旦確定了最佳的激光光斑直徑、熔覆速度和激光功率，便可利用粉體質(zhì)量流量來(lái)控制熔覆層的厚度、硬度和稀釋度，如圖3所示，我們可以看到，粉體質(zhì)量流量的增高可以有效地控制稀釋度。

對(duì)于單線堆焊焊縫，一旦確定了最佳參數(shù)，大規(guī)模的區(qū)域?qū)⒈恢丿B的軌跡所覆蓋。重疊的量將決定涂層的厚度，包括從0.3毫米至3.0毫米的范圍。

為了演示和量化激光熔覆技術(shù)相對(duì)傳統(tǒng)的堆焊技術(shù)的潛在好處，英國(guó)謝菲爾德大學(xué)（Sheffield University）的Tata Steel研發(fā)中心制造了一些激光熔覆和埋弧熔覆的樣品，然后進(jìn)行磨損測(cè)試，并發(fā)表了在低溫和高溫下進(jìn)行磨損試驗(yàn)的結(jié)果。

激光熔覆生產(chǎn)設(shè)備

雖然可以向歐洲和美國(guó)的供應(yīng)商直接購(gòu)買激光熔覆的加工設(shè)備，然而，Tata Steel的工程師們決定自行生產(chǎn)激光熔覆設(shè)備。該系統(tǒng)包括光纖耦合半導(dǎo)體激光器和Precitec YC52熔覆頭，以及一個(gè)金屬粉末質(zhì)量流量控制喂料機(jī)。該系統(tǒng)由Fanuc機(jī)械手來(lái)控制，這個(gè)機(jī)械手具有額外的第七軸，可以將重達(dá)6噸、長(zhǎng)至3.5米的圓柱體部件進(jìn)行旋轉(zhuǎn)。

通過(guò)人機(jī)界面來(lái)控制機(jī)器的運(yùn)作。該系統(tǒng)被設(shè)計(jì)通過(guò)能自動(dòng)編程的機(jī)器人來(lái)自主操作。此外還需要一個(gè)距離測(cè)量激光器來(lái)確定組件的形狀、開(kāi)始和停止的位置以及激光頭支架距離。這可以確保只需要很少的培訓(xùn)就能實(shí)現(xiàn)這一頂尖的工藝。詳細(xì)的監(jiān)測(cè)可以確保穩(wěn)定的過(guò)程，而自動(dòng)停止和退刀功能可以防止意外中斷時(shí)的損害。

在鋼鐵行業(yè)，激光熔覆加工已經(jīng)展現(xiàn)了其可以提高工作組件的關(guān)鍵使用壽命這一重大優(yōu)勢(shì)，隨著高功率二極管激光系統(tǒng)和專用的激光熔覆噴嘴的到來(lái)，我們可以較為容易地為堆焊應(yīng)用設(shè)計(jì)出一種穩(wěn)健的熔覆工藝，并很好地與之結(jié)合起來(lái)。

Sam Lester和Justin Griffiths來(lái)自Tata Steel公司；John Cocker來(lái)自Laser Trade公司；Christian Staudenmaier來(lái)自Precitec公司；Gary Broadhead來(lái)自Laser Line公司；Nick Longfield博士以前是Tata Steel公司的成員。