截止到今年9月份，歐盟國(guó)家可能會(huì)不允許在金屬部件中使用鍍硬鉻，基于這種情況，需要另一種工藝來(lái)替代鍍硬鉻。熱噴涂經(jīng)過(guò)測(cè)試，具有很高的靈活性，然而測(cè)試的結(jié)果往往欠佳。另一個(gè)非常不錯(cuò)的代替鍍硬鉻的選擇是由德國(guó)亞琛Fraunhofer ILT的科學(xué)家最新研發(fā)的超高速激光熔覆，采用的設(shè)備由德國(guó)Laserline公司提供。
在發(fā)電廠或者其他工業(yè)制造工廠，機(jī)械設(shè)備的金屬部分在磨損方面常常經(jīng)受著巨大的考驗(yàn)，工藝參數(shù)和一般的生產(chǎn)環(huán)境常常很糟糕，導(dǎo)致一些最重要的金屬部件的腐蝕和磨損。為了應(yīng)對(duì)這些情況和延長(zhǎng)一些特別昂貴的生產(chǎn)設(shè)備的使用壽命， 這些設(shè)備的金屬部分外表鍍上特殊的涂層。旋轉(zhuǎn)部件、管和其他功能性部件的整個(gè)表面都帶有金屬或者是陶瓷涂層。
這增加了工件對(duì)熱度、潮濕、侵蝕性化學(xué)物質(zhì)以及金屬碎屑和飛濺物的抗腐蝕性。常常使用的加工是早期被稱為硬鉻電鍍方式。它是一種電鍍方法，把工件浸入鉻電解質(zhì)中，因此被鉻層覆蓋。如果有特殊部分不需要涂層，那部分在浸入電解液溶液前會(huì)被包裹起來(lái)。特別適用于大幅面與體型大的部件，緊挨著的選擇區(qū)域也是可能進(jìn)行涂層。
鍍鉻或?qū)⒈唤?，新的涂層技術(shù)勢(shì)在必行
鍍硬鉻未來(lái)的發(fā)展尚未定論，盡管在現(xiàn)階段鍍硬鉻非常成功，但是現(xiàn)在普遍使用的三氧化鉻(CrO3)， 又稱六價(jià)鉻(Cr6+)，連同其他有鉻成分的物質(zhì)被歐盟委員會(huì)于2013年定義為對(duì)人體有害物質(zhì)，并被列入《關(guān)于化學(xué)品注冊(cè)、評(píng)估、許可和限制的法規(guī)》附件的第14條中，這一常常討論到條例是用來(lái)規(guī)范附件里列入的“高度關(guān)注的物質(zhì)”（SVHC）的化學(xué)品使用。從2017年9月開(kāi)始，這些物質(zhì)只能在獲得歐洲化學(xué)品總署的特殊且有限期認(rèn)證后才能使用。獲得這些認(rèn)證的程序非常復(fù)雜，甚至在申請(qǐng)過(guò)程中會(huì)遇到一些棘手的問(wèn)題。比方說(shuō)，必須證明和保證任何SVHC（高度關(guān)注物質(zhì)）將會(huì)在絕對(duì)安全的情況下使用并且沒(méi)有其他物質(zhì)可以代替該SVHC。如果真是這樣，對(duì)于技術(shù)成熟的鍍硬鉻的使用，尤其是含有六價(jià)鉻，可能會(huì)存在爭(zhēng)議。因此，鍍硬鉻的行業(yè)已經(jīng)高度警惕，并且已經(jīng)在歐盟法院一場(chǎng)關(guān)于允許使用鉻材料的官司上敗下陣來(lái)。
基于上述事實(shí)，沒(méi)有任何選擇，只能找替代方法，以及為使用以上技術(shù)的任何企業(yè)提供新技術(shù)。任何人或企業(yè)普遍依靠鍍鉻技術(shù)都是把整個(gè)商業(yè)模式至于危險(xiǎn)之境。大家共同面對(duì)的問(wèn)題是替代技術(shù)有限，在技術(shù)上可用和在成本上經(jīng)濟(jì)實(shí)惠。工業(yè)中使用的熱噴涂，輔料以粉末的形式使用，粉末被燃燒器和‘火焰’熔化，并通過(guò)熱氣體噴射器噴射到需要涂層部件表面。，熔融材料通過(guò)機(jī)械粘合附著在表面上。由于各種不同的材料都可以用作涂料，這種方式的高度靈活性的巨大優(yōu)勢(shì)就體現(xiàn)出來(lái)了，而這種工藝的主要缺點(diǎn)在于有限的最大機(jī)械應(yīng)力水平。這是由于基材和涂層材料之間的機(jī)械結(jié)合，與電鍍工藝產(chǎn)生的結(jié)合相比，粘合有著更少的“負(fù)重力”。因此，用熱噴涂產(chǎn)生的涂層會(huì)更快地磨損。此外，熱噴涂還會(huì)產(chǎn)生多孔的表面和材料層，容易導(dǎo)致破裂，并且往往還不能通過(guò)初始的方法修復(fù)。接下來(lái)的結(jié)果通常是一個(gè)部分透射的層，其不能與硬鉻鍍層相當(dāng)。為了達(dá)到1-2%范圍內(nèi)的孔隙率，涂層的厚度會(huì)增加，而這又對(duì)工藝成本產(chǎn)生影響，因此相信熱噴涂將最大限度的部分替代電鍍。
高速激光熔覆是另一個(gè)選擇
一個(gè)對(duì)未來(lái)更好的預(yù)測(cè)是以粉末為材料，激光為熱源的熔覆工藝。該激光熔覆使用涂料作為粉末，通常為金屬粉末。激光輻射同時(shí)熔化金屬粉末以及基底材料并產(chǎn)生冶金結(jié)合，兩鐘熔融材料在稀釋區(qū)域中連接在一起。這些冶金粘結(jié)層相比熱噴涂層要耐磨得多，甚至可以增強(qiáng)電鍍涂層部件的耐磨性。此外，激光熔覆能產(chǎn)生致密層，沒(méi)有孔隙和裂縫，并還增加了一些優(yōu)點(diǎn)。然而，激光熔覆在工業(yè)中的應(yīng)用的成功案例有限，主要基于兩個(gè)原因。 首先，激光熔覆層的厚度限制在0.5mm或更厚，結(jié)果就是激光熔覆在某些需要更薄涂層（石油和天然氣，農(nóng)業(yè)和發(fā)電廠應(yīng)用）的應(yīng)用中被排除了。第二點(diǎn)，激光熔覆的速度（平方厘米/分鐘）被限制在了10至50平方厘米/分鐘，這是對(duì)超出尺寸的部件以米而不是厘米為單位的限制。同時(shí)，在一些旋轉(zhuǎn)的應(yīng)用中這一缺點(diǎn)被Fraunhofer激光技術(shù)研究所 (ILT)消除掉了。在特殊升級(jí)過(guò)的車床上進(jìn)行的許多基礎(chǔ)試驗(yàn)中，使用了Laserline LDF 4000-8，具有光束轉(zhuǎn)換器的二極管激光器，顯示出了鎳鉻合金Inconel 625的防腐蝕層可以極快的應(yīng)用，速度可達(dá)200米/分鐘。這有助于將涂層厚度減小到20μm，并且可以同時(shí)將涂布面積增加到500cm2/ min。總而言之，超高速激光熔覆的專利工藝可以達(dá)到10到250μm之間的厚度。
成功的關(guān)鍵在于增加焦平面的強(qiáng)度。盡管標(biāo)準(zhǔn)的激光熔覆使用2-3mm甚至更大的光斑尺寸，但這種新方法是基于1mm的光斑尺寸。 此外，有必要對(duì)激光光斑定位，粉末供應(yīng)和保護(hù)氣體進(jìn)行研究。
常規(guī)的激光熔覆是熔化基體材料和粉末，然后在此基礎(chǔ)上產(chǎn)生熔池-它們僅在該平面中熔合。而超高速激光熔覆是將粉末顆粒加熱到接近熔化溫度，這既增強(qiáng)速度又有助于降低涂層厚度。兩個(gè)過(guò)程原理如圖1所示。粉末顆粒在高溫下產(chǎn)生或多或少的熔融顆粒，而其僅需要與基材的熔池短暫接觸就可以產(chǎn)生所需的冶金結(jié)合。相比傳統(tǒng)工藝在熔池里熔化顆粒，這種方法帶來(lái)了速度提升。相比之下基材中的熔池所需能量少了很多。在一些情況中，使用等量粉末的條件下，所需的激光功率可達(dá)到20KW，而高速激光熔覆工藝只需要2~4kW的激光功率。因此基于這種效率，同時(shí)減少購(gòu)買資金投入以及運(yùn)營(yíng)成本，這種工藝更加經(jīng)濟(jì)實(shí)惠。最后，這種激光熔覆產(chǎn)生的是無(wú)孔涂層，表面具有非常低的粗糙度的，在涂覆后也僅需一些小小的處理。
有了這種高速激光工藝，就有了比熱噴涂工藝更優(yōu)的選擇，這也是最有可能代替鍍硬鉻的方案。
早在2016年，首個(gè)客戶項(xiàng)目就在ILT發(fā)展的專利技術(shù)的基礎(chǔ)上，通過(guò)使用Laserline GmgH激光器成功地實(shí)現(xiàn)了。由于此項(xiàng)技術(shù)在全球引起了廣泛的強(qiáng)烈的興趣，很多合作伙伴在開(kāi)展更多的項(xiàng)目，高速激光熔覆也會(huì)在行業(yè)中越來(lái)越多的被安裝投入使用。
雖然該工藝最初僅適用于旋轉(zhuǎn)中的部件涂層，但是現(xiàn)在有更多的想法與方法來(lái)建立更多選擇，在不同形狀工件上實(shí)現(xiàn)涂層。
Laserline和ILT將因此從事更多的開(kāi)發(fā)，并將超高速激光熔覆應(yīng)用于更多應(yīng)用和目的。
Source: Fraunhofer ILT, Aachen, Germany在發(fā)電廠或者其他工業(yè)制造工廠，機(jī)械設(shè)備的金屬部分在磨損方面常常經(jīng)受著巨大的考驗(yàn)，工藝參數(shù)和一般的生產(chǎn)環(huán)境常常很糟糕，導(dǎo)致一些最重要的金屬部件的腐蝕和磨損。為了應(yīng)對(duì)這些情況和延長(zhǎng)一些特別昂貴的生產(chǎn)設(shè)備的使用壽命， 這些設(shè)備的金屬部分外表鍍上特殊的涂層。旋轉(zhuǎn)部件、管和其他功能性部件的整個(gè)表面都帶有金屬或者是陶瓷涂層。
這增加了工件對(duì)熱度、潮濕、侵蝕性化學(xué)物質(zhì)以及金屬碎屑和飛濺物的抗腐蝕性。常常使用的加工是早期被稱為硬鉻電鍍方式。它是一種電鍍方法，把工件浸入鉻電解質(zhì)中，因此被鉻層覆蓋。如果有特殊部分不需要涂層，那部分在浸入電解液溶液前會(huì)被包裹起來(lái)。特別適用于大幅面與體型大的部件，緊挨著的選擇區(qū)域也是可能進(jìn)行涂層。
鍍鉻或?qū)⒈唤?，新的涂層技術(shù)勢(shì)在必行
鍍硬鉻未來(lái)的發(fā)展尚未定論，盡管在現(xiàn)階段鍍硬鉻非常成功，但是現(xiàn)在普遍使用的三氧化鉻(CrO3)， 又稱六價(jià)鉻(Cr6+)，連同其他有鉻成分的物質(zhì)被歐盟委員會(huì)于2013年定義為對(duì)人體有害物質(zhì)，并被列入《關(guān)于化學(xué)品注冊(cè)、評(píng)估、許可和限制的法規(guī)》附件的第14條中，這一常常討論到條例是用來(lái)規(guī)范附件里列入的“高度關(guān)注的物質(zhì)”（SVHC）的化學(xué)品使用。從2017年9月開(kāi)始，這些物質(zhì)只能在獲得歐洲化學(xué)品總署的特殊且有限期認(rèn)證后才能使用。獲得這些認(rèn)證的程序非常復(fù)雜，甚至在申請(qǐng)過(guò)程中會(huì)遇到一些棘手的問(wèn)題。比方說(shuō)，必須證明和保證任何SVHC（高度關(guān)注物質(zhì)）將會(huì)在絕對(duì)安全的情況下使用并且沒(méi)有其他物質(zhì)可以代替該SVHC。如果真是這樣，對(duì)于技術(shù)成熟的鍍硬鉻的使用，尤其是含有六價(jià)鉻，可能會(huì)存在爭(zhēng)議。因此，鍍硬鉻的行業(yè)已經(jīng)高度警惕，并且已經(jīng)在歐盟法院一場(chǎng)關(guān)于允許使用鉻材料的官司上敗下陣來(lái)。
基于上述事實(shí)，沒(méi)有任何選擇，只能找替代方法，以及為使用以上技術(shù)的任何企業(yè)提供新技術(shù)。任何人或企業(yè)普遍依靠鍍鉻技術(shù)都是把整個(gè)商業(yè)模式至于危險(xiǎn)之境。大家共同面對(duì)的問(wèn)題是替代技術(shù)有限，在技術(shù)上可用和在成本上經(jīng)濟(jì)實(shí)惠。工業(yè)中使用的熱噴涂，輔料以粉末的形式使用，粉末被燃燒器和‘火焰’熔化，并通過(guò)熱氣體噴射器噴射到需要涂層部件表面。，熔融材料通過(guò)機(jī)械粘合附著在表面上。由于各種不同的材料都可以用作涂料，這種方式的高度靈活性的巨大優(yōu)勢(shì)就體現(xiàn)出來(lái)了，而這種工藝的主要缺點(diǎn)在于有限的最大機(jī)械應(yīng)力水平。這是由于基材和涂層材料之間的機(jī)械結(jié)合，與電鍍工藝產(chǎn)生的結(jié)合相比，粘合有著更少的“負(fù)重力”。因此，用熱噴涂產(chǎn)生的涂層會(huì)更快地磨損。此外，熱噴涂還會(huì)產(chǎn)生多孔的表面和材料層，容易導(dǎo)致破裂，并且往往還不能通過(guò)初始的方法修復(fù)。接下來(lái)的結(jié)果通常是一個(gè)部分透射的層，其不能與硬鉻鍍層相當(dāng)。為了達(dá)到1-2%范圍內(nèi)的孔隙率，涂層的厚度會(huì)增加，而這又對(duì)工藝成本產(chǎn)生影響，因此相信熱噴涂將最大限度的部分替代電鍍。
高速激光熔覆是另一個(gè)選擇
一個(gè)對(duì)未來(lái)更好的預(yù)測(cè)是以粉末為材料，激光為熱源的熔覆工藝。該激光熔覆使用涂料作為粉末，通常為金屬粉末。激光輻射同時(shí)熔化金屬粉末以及基底材料并產(chǎn)生冶金結(jié)合，兩鐘熔融材料在稀釋區(qū)域中連接在一起。這些冶金粘結(jié)層相比熱噴涂層要耐磨得多，甚至可以增強(qiáng)電鍍涂層部件的耐磨性。此外，激光熔覆能產(chǎn)生致密層，沒(méi)有孔隙和裂縫，并還增加了一些優(yōu)點(diǎn)。然而，激光熔覆在工業(yè)中的應(yīng)用的成功案例有限，主要基于兩個(gè)原因。 首先，激光熔覆層的厚度限制在0.5mm或更厚，結(jié)果就是激光熔覆在某些需要更薄涂層（石油和天然氣，農(nóng)業(yè)和發(fā)電廠應(yīng)用）的應(yīng)用中被排除了。第二點(diǎn)，激光熔覆的速度（平方厘米/分鐘）被限制在了10至50平方厘米/分鐘，這是對(duì)超出尺寸的部件以米而不是厘米為單位的限制。同時(shí)，在一些旋轉(zhuǎn)的應(yīng)用中這一缺點(diǎn)被Fraunhofer激光技術(shù)研究所 (ILT)消除掉了。在特殊升級(jí)過(guò)的車床上進(jìn)行的許多基礎(chǔ)試驗(yàn)中，使用了Laserline LDF 4000-8，具有光束轉(zhuǎn)換器的二極管激光器，顯示出了鎳鉻合金Inconel 625的防腐蝕層可以極快的應(yīng)用，速度可達(dá)200米/分鐘。這有助于將涂層厚度減小到20μm，并且可以同時(shí)將涂布面積增加到500cm2/ min。總而言之，超高速激光熔覆的專利工藝可以達(dá)到10到250μm之間的厚度。
成功的關(guān)鍵在于增加焦平面的強(qiáng)度。盡管標(biāo)準(zhǔn)的激光熔覆使用2-3mm甚至更大的光斑尺寸，但這種新方法是基于1mm的光斑尺寸。 此外，有必要對(duì)激光光斑定位，粉末供應(yīng)和保護(hù)氣體進(jìn)行研究。
常規(guī)的激光熔覆是熔化基體材料和粉末，然后在此基礎(chǔ)上產(chǎn)生熔池-它們僅在該平面中熔合。而超高速激光熔覆是將粉末顆粒加熱到接近熔化溫度，這既增強(qiáng)速度又有助于降低涂層厚度。兩個(gè)過(guò)程原理如圖1所示。粉末顆粒在高溫下產(chǎn)生或多或少的熔融顆粒，而其僅需要與基材的熔池短暫接觸就可以產(chǎn)生所需的冶金結(jié)合。相比傳統(tǒng)工藝在熔池里熔化顆粒，這種方法帶來(lái)了速度提升。相比之下基材中的熔池所需能量少了很多。在一些情況中，使用等量粉末的條件下，所需的激光功率可達(dá)到20KW，而高速激光熔覆工藝只需要2~4kW的激光功率。因此基于這種效率，同時(shí)減少購(gòu)買資金投入以及運(yùn)營(yíng)成本，這種工藝更加經(jīng)濟(jì)實(shí)惠。最后，這種激光熔覆產(chǎn)生的是無(wú)孔涂層，表面具有非常低的粗糙度的，在涂覆后也僅需一些小小的處理。
有了這種高速激光工藝，就有了比熱噴涂工藝更優(yōu)的選擇，這也是最有可能代替鍍硬鉻的方案。
早在2016年，首個(gè)客戶項(xiàng)目就在ILT發(fā)展的專利技術(shù)的基礎(chǔ)上，通過(guò)使用Laserline GmgH激光器成功地實(shí)現(xiàn)了。由于此項(xiàng)技術(shù)在全球引起了廣泛的強(qiáng)烈的興趣，很多合作伙伴在開(kāi)展更多的項(xiàng)目，高速激光熔覆也會(huì)在行業(yè)中越來(lái)越多的被安裝投入使用。
雖然該工藝最初僅適用于旋轉(zhuǎn)中的部件涂層，但是現(xiàn)在有更多的想法與方法來(lái)建立更多選擇，在不同形狀工件上實(shí)現(xiàn)涂層。
Laserline和ILT將因此從事更多的開(kāi)發(fā)，并將超高速激光熔覆應(yīng)用于更多應(yīng)用和目的。
圖片2和3 ：用超高速激光熔覆涂覆液壓柱塞(source: Fraunhofer ILT, Aachen/Germany)
圖片4：液壓柱塞通過(guò)超高速激光熔覆涂層，并通過(guò)激光器進(jìn)行加工(Source: Fraunhofer ILT, Aachen/Germany)
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