按照激光熔覆的材料类型和材料与激光束的耦合形式，可将常见的激光熔覆技术分为超高速激光熔覆技术EHLA、高速丝材激光熔覆技术、同轴送粉激光熔覆技术、旁轴送粉激光熔覆技术。

Fraunhofer ILT的超高速激光熔覆与激光世界。来源：弗劳恩霍夫

 更高的速度，更好的质量

激光熔覆技术家族。来源：欧瑞康

l EHLA超高速激光熔覆

是什么使得EHLA超高速激光熔覆如此令人兴奋？根据发明这项技术的Fraunhofer激光技术研究所，超高速激光材料沉积技术（EHLA）具有替代当前腐蚀和磨损保护方法如硬镀铬和热喷涂的潜力。

EHLA和重熔后的表面质量；欧瑞康metco15E（左侧）和新一代欧瑞康铁基合金的显微组织横截面。来源：欧瑞康

根据Fraunhofer激光研究所，EHLA工艺在效率和速度方面均优于现有的抗腐蚀和耐磨损涂层保护方法。Fraunhofer可以在短时间内使用EHLA技术在大面积的零部件上沉积十分之一毫米的薄层，并且节约资源，加工过程具有经济性。EHLA成为一种有吸引力的技术并通过市场应用推动了进一步的发展。

Fraunhofer ILT开发的EHLA的发展（2013年开发EHLA, 2016年第一台设备，2017年市场化5-10台设备，通快进入EHLA商业化领域，2018年市场化20多台设备，2019年市场化40多台设备，2020年开发面向产业化的多喷头高通量EHLA技术）。来源：欧瑞康

2020年，每个人都已经在谈论大功率EHLA沉积速率超过2m²/ h的加工速度。凭借EHLA工艺，Fraunhofer表示，该工艺对当前抗腐蚀和磨损保护的加工工艺具有改进作用。由于硬铬电镀消耗大量能量并且具有粘合和孔隙率的缺点，而热喷涂在所用材料方面可能相当浪费。相比之下，EHLA方法加工出来的涂层是无孔的，从而改善粘合情况并降低裂纹和孔隙的发生的可能性。除此之外，根据Fraunhofer，EHLA技术比热喷涂节约90％的材料。

商业化方面，德国通快将Fraunhofer的这一技术商业化，批量生产EHLA激光金属涂覆设备。根据TRUMPF，新型EHLA工艺提供了一种快速高效的金属涂层方法，比现有工艺快了100倍。

原形和方形的喷嘴

随着EHLA系统开始批量生产，TRUMPF表示还将该流程整合到其制造系统中。TRUMPF表示，它拥有许多与EHLA兼容的机器，包括TruLaser Cell 3000，TruLaser Cell 7000系列。前者可用于制造中小型零件，而后者更适合大型零件。TruLaser Cell 3000系列适用于中小型二维和三维零件的柔性切割和焊接，满足从原型制造到批量生产的需求。典型的应用领域包括医疗技术，精密工程及电子行业。TruLaser Cell 7000 系列适合需要加工平面或立体部件还是管件。切割、焊接和激光金属沉积可自由切换。机床的模块化结构以及个性化适配与拓展安装方式使 TruLaser Cell 7000 系列适应不断变化的生产环境。

而在国内，作为弗劳恩霍夫激光技术研究所孵化的创新企业，位于天津的德国ACunity公司（亚琛联合科技）围绕EHLA技术开展了一系列的市场化拓展性研发，对核心装备进行改良与升级。ACunity于2018年4月研制成功全球首台EHLA-Grand5000超大型高速激光熔覆设备，并交付中国客户。

通快的TruLaser Cell

这里的最新发展是光斑尺寸，使用原型喷嘴，其直径可覆盖至最大12mm，沉积速度超过1.5 m / min。其背后的逻辑非常简单–更大的光斑和更高的速度由能源的力量补偿。

如今，还可以使用宽度最大为45mm的矩形几何形状的平面喷射粉末喷嘴。高通量的情况下，粉末消耗量也相应增加，可能超过300g / min。同样在这里由于激光点和衬底表面之间的相互作用的面积大，所以需要高功率激光器。

目前最新的进展在Fraunhofer ILT激光研究所的– futureAM –下一代增材制造中进行推动。根据3D科学谷的了解，目前这一技术达到了新的高度，可以提供令人难以置信的好处，总体来说一切确实令人兴奋。到目前为止，EHLA仅用于旋转对称零件。下一步是创建更加随形完成自由曲面加工的能力。为此，在亚琛已经开发了一个自由曲面加工能力的EHLA原型机，在该机中，工件以高度动态的方式运动，在EHLA粉末在喷嘴下的以五倍速重力加速进行表面加工。

l 金属丝激光沉积技术

德国Fraunhofer IPT工业生产技术研究所开发的金属丝激光沉积技术（wire-based laser metal deposition，LMD-W），材料利用率可达100%。基于LMD-W 技术的增材制造设备采用模块化设计，可以经济高效的集成到企业的现有生产线中。其激光打印头适用于常见的激光光学系统，因此不需要复杂的定制光束引导系统。内置传感器可以检测到运行过程中出现的典型错误，因此这些错误能够在加工过程中得到分析，设备的控制系统针对错误进行补偿。

Fraunhofer IPT的金属丝激光沉积技术。来源：弗劳恩霍夫

LMD-W 设备采用横向送丝方式，金属丝与光轴成20度角。打印丝材包括多种钢，以及镍基和钛基合金等金属丝材。根据3D科学谷的市场了解，目前Fraunhofer IPT的此项技术已经在日本拥有技术转让用户。

l 混合增材制造

DMGMORI-德马吉森精机是向市场提供此类系统的先驱之一。DMG MORI的Lasertec 65 3D混合增材制造设备，该设备将激光沉积焊接与五轴铣削相结合。

在应用方面，根据3D科学谷的市场观察，舍弗勒与德马吉森精机合作通过3D打印来制造梯度合金轴承。舍弗勒选择的Lasertec 65 3D混合增材制造设备配备了两个粉末进料器，可以在激光沉积焊接过程中有针对性地控制从一种材料到另一种材料的切换。根据德马吉森精机I的说法，这可以用来制造不同材料特性之间平滑过渡的分级材料。材料的韧性和硬度可以在过度的过程中进行调节，并进行最佳的分配以适合个别应用的特定要求。

通过Lasertec 65 3D混合增材制造设备上使用这种材料渐变还可以创造激动人心的发展机遇。例如，磁性和非磁性材料可以通过渐变来组合，并且根据需要调整组件的性能。

而在混合增材制造设备方面，根据3D科学谷的市场观察，德马吉森精机目前有两种混合型增材制造设备-LASERTEC 65 3D hybrid、LASERTEC 125 3D hybrid和LASERTEC 4300 3D hybrid。LASERTEC 65 3D hybrid和LASERTEC 125 3D hybrid 集成了激光沉积焊增材制造工艺与5轴加工工艺，LASERTEC 4300 3D hybrid 则集成了激光沉积焊增材制造工艺与DMG MORI 的车铣复合加工工艺，可进行六面车铣加工。

白皮书下载，加入3D科学谷产业链QQ群：529965687
网站投稿请发送至2509957133@qq.com
欢迎转载，长期转载授权请留言

激光熔覆技术是一种经济效益高的技术，它可以在廉价金属基材上制备出高性能的合金表面而不影响基体的性质，降低成本，节约贵重稀有金属材料。与堆焊、喷涂、电镀和气相沉积相比，激光熔覆具有稀释度小、组织致密、涂层与基体结合好、适合熔覆材料多、粒度及含量变化大等特点，而且可控性好，可实现三维自动加工，加工质量高。但是在激光熔覆的制造过程中仍存在一些不可预测的失败的情况。

根据3D科学谷的了解，日前有研究人员发表了题为“On the role of capillary and thermo capillary phenomena on microstructure at laser cladding.” (激光熔覆微结构中毛细和热毛细现象的作用) 的论文，提出了一种可用以优化和规划激光熔覆工艺的方法。

 一种预估熔覆层微观结构的模型

研究人员认为激光熔覆过程中热质传递的直接数值模拟（DNS）是该技术中寻求最佳加工参数的经济有效的方法。应用DNS，可以在工艺规划阶段就识别失败区域，提高激光熔覆增材制造的质量和灵活性。

研究人员开发了一种耦合的熔覆模型，可以帮助他们模拟出熔覆层的微观结构，充分研究激光作用后的流体动力学现象，同时研究熔体和基底的已知接触角对其的影响。

根据Kolmogorov-Johnson-Mehl-Avrami（KJMA）方程，动力学过程具有不均匀的成核和生长速率，该模型研究了熔融粉末在具有不同接触角度的基底上的扩散，进而优化激光熔覆工艺。模型也研究了接触角对轨迹宽度，高度和平均晶体尺寸等主要参数的影响。该模型可以解释氧化和基底粗糙度。

接触角度分别为10°(a)和30(b)°时，熔覆液滴横截面的微晶分布情况

为了研究接触角对微结构的影响，研究人员用同轴镍粉进料的非扫描光束模拟激光熔覆，同时使用了具有不同润湿角的基材。粉末随着激光辐射以50ms的速度在冷基底上进料，形成单滴。激光辐射消失，液滴冷却并发生结晶。

两个接触角度下熔覆轨道横截面中微晶平均尺寸的分布

研究人员得出结论，所开发的模型能够使他们预估熔覆层微观结构，同时考虑到轨迹和基底的接触角。在模型中，应考虑到影响接触角的基底参数。

几种情况下粉末喷射的横截面：
高扫描速度（a，c）和低扫描速度（b，d）; 宽粉末射流（a，b）和窄粉末射流（c，d）

在该研究中，研究人员对于各种加工条件，展示了熔覆轨迹的扩散行为。熔池宽度不同，粉末喷射半径不同，对接触角的变化表现出不同的状态。在宽粉末喷射的情况下，接触角的增加减小了轨迹宽度和集流效率，但高度保持恒定。在窄粉末射流的情况下，轨迹宽度减小同时高度增加。确定了具有相同几何参数、不同微观结构的激光熔覆轨迹的可能性。研究论文中指出，熔体接触角度的增加导致沉积层中微晶平均尺寸的增加，该结果可用以规划和优化激光熔覆的工艺方案。

资料下载，请加入3D科学谷3D产业链QQ群：529965687
更多信息或查找往期文章，请登陆www.51shape.com,在首页搜索关键词
网站投稿请发送至2509957133@qq.com