超高速激光熔覆技術: 為中國綠色制造再添新動能

來源:材料與工程    關鍵詞:超高速激光, 激光熔覆, 環保,    發布時間:2019-01-24

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就像一束光,直直射向噴涂表面,上下兩個椎體對稱交織,短短不到兩小時便迅速完成了20米長的柱狀鍍層。

“和傳統的熔覆激光技術相比,超高速激光熔覆技術的工作效率要快上百倍。”看到這項新技術時,機械科學研究總院先進制造技術研究中心(CAMTC)所長王淼輝掩飾不住興奮,在他看來,如果能將該項技術引入國內,將極大地解決我國長期以來存在的電鍍污染問題,同時制約傳統熔覆技術大規模推廣的最大瓶頸——效率也將迎刃而解。“這是最有可能成為替代電鍍等污染型產業的技術。”

在很長一段時間內,我國傳統的工業制造加工或者再修復,往往都需要通過電鍍技術。電鍍技術雖然曾一度在金屬表面防護、裝飾加工等方面發揮了很大的作用,并且在電子工業、通信、軍工航天等領域也有大量的功能性電鍍技術應用,但其長期以來帶來的污染問題讓許多制造企業頭疼不已。

“黨的十九大報告提出,要建立健全綠色低碳循環發展的經濟體系。構建市場導向的綠色技術創新體系,推進資源全面節約和循環利用。”王淼輝說,淘汰落后污染產能,是工業制造企業必須面對的一道關卡,進行綠色環保的技術轉型升級勢在必行。

環保問責倒逼技術轉型

我國是世界上最大的煤礦液壓支架生產國,不僅滿足國內各煤礦使用,而且出口美國、德國、澳大利亞、俄羅斯、印度、東南亞等國。然而液壓支架的核心部件立柱、千斤頂均需要進行表面防腐和耐磨等處理,在制造和維修兩個方面每年需要處理的量就有近百萬平方米之多,這對于企業成本而言也是一個極大的負擔。

“在煤機液壓支架的再加工方面,傳統電鍍工藝給企業帶來的環保壓力非常大,并且使用電鍍技術鍍層在質量、性能以及大修周期、修理費用等使用后期的成本維護方面也存在許多缺陷。”北京煤礦機械裝備有限責任公司工藝研究院院長杜春海坦言。

黨的十九大報告提出,我國經濟已由高速增長階段轉向高質量發展階段,正處在轉變發展方式、優化經濟結構、轉換增長動力的攻關期。必須堅持質量第一、效益優先,加快建設制造強國,加快發展先進制造業,促進我國產業邁向全球價值鏈中高端,培育若干世界級先進制造業集群。

超高速激光熔覆技術

事實上,早在多年以前,不斷加大污染企業、設備的關停力度,就已經給制造生產商們帶來了很大的沖擊。與北京煤礦機械裝備有限責任公司一樣,近些年在國家節能環保政策的指導下,許多企業已經紛紛著手進行技術轉型升級,不斷加大環保方面的工作力度,通過新技術新工藝的研發應用,從根本上提升制造過程的環保水平,實現智能制造、綠色制造。

“盡管有行內人士認為現階段鍍硬鉻技術也很成功,但事實上現在普遍使用的三氧化鉻(CrO3),又稱六價鉻(Cr6+),連同其他有鉻成分的物質被歐盟委員會于2013年定義為對人體有害物質,同時規定這些物質只能在獲得歐洲化學品總署的特殊且有限期認證后才能使用。”最早提出超高速激光熔覆技術的德國弗勞恩霍夫激光技術研究所(Fraunhofer ILT)的孵化企業亞琛聯合科技公司(ACunity GmbH)總裁洪臣表示,基于以上考慮,歐盟國家可能會不允許在金屬部件中使用鍍硬鉻,由此便迫切需要另一種工藝來替代鍍硬鉻。

超高速激光熔覆技術完成的熔覆涂層冶金質量高、稀釋率低、變形小、表面光潔度高,屬于先進環保的再制造加工技術,在工業再制造領域能極大地減少企業的后續機加工成本,能有效延長產品使用周期,為企業節省大量后期維修費用。”王淼輝表示。

中德合作共研熔覆技術

說起第一次與德國弗勞恩霍夫激光技術研究所和亞琛聯合科技公司的接觸,王淼輝至今印象深刻。

對于長期深耕增材制造領域的王淼輝而言,超高速激光熔覆技術無疑在他的興趣范圍之內。“我國《國家中長期科學和技術發展規劃綱要》(2006—2020年)提出,自主創新可以有3種實現形式:原始創新、集成創新和引進吸收消化再創新。”王淼輝認為,超高速激光熔覆技術屬于先進制造、增材制造、綠色制造領域,是“中國制造2025”的重大戰略規劃發展方向之一。“通過引進德國先進工藝技術,形成研究基礎、研發資源、市場應用等多方面的優勢互補,并在國內市場中加以驗證推廣,形成產業化、智能化、標準化,繼而進行二次研發改進,這對于我國實現‘中國制造2025規劃’有很好的實踐意義。”

據介紹,該技術最早由德國弗勞恩霍夫激光技術研究所提出,亞琛聯合科技公司作為其孵化的創新企業圍繞該技術開展了一系列的市場化拓展性研發,對核心裝備進行改良與升級。當王淼輝團隊前去考察時,敏銳的洞察力迅速讓他決定在特定行業推廣此項技術,消化吸收再創新,針對我國的市場需求,研發配套的工藝、裝備、材料和應用驗證,并建立相應的標準體系。

超高速激光熔覆技術制備液壓活塞桿耐蝕涂層

一個是在高性能3D打印用金屬粉末材料方面有著雄厚的理論研究和技術基礎,在關鍵技術上處于國內領先國際先進水平;一個是國際上最頂尖的應用型激光技術研究所之一,在激光增材制造、激光熔覆、激光材料加工等方向取得了杰出成果。2013年,經過深度交流,雙方一拍即合,隨即開展了聯合研究工作。

今年,在德國弗勞恩霍夫應用促進協會年度科學技術獎勵大會中,超高速激光熔覆技術榮獲了Fraunhofer科技創新獎。這一獎勵表明,該技術在工程產業中實現推廣應用,是增材制造領域革命性的突破。與此同時,今年中國機械科學研究總院與德國弗勞恩霍夫激光技術研究所共同申請承擔了國家重點研發計劃戰略性國際科技創新合作重點專項——“大型金屬構件超高速激光熔覆及其粉末制備關鍵技術研究與示范應用”項目。其中,德方負責裝備開發,中方負責工藝與材料開發,并分別在國內外典型產品上實現應用。

王淼輝表示:“通過中德合作,我們引進吸收德國先進制造裝備與技術,針對中國市場的產品特色開發相應的配套材料與工藝,同時將我們的粉末產品銷往歐洲。這一優勢互補可進一步推動超高速激光熔覆技術在‘一帶一路’沿線國家的應用。”

成果轉化市場前景廣闊

“我們希望用超高速激光熔覆技術直接對接中國的市場需求,實現綠色先進制造,在節省生產成本的同時,提高產品的使用周期。”這正是洪臣選擇來中國的初衷。他介紹:“普通的激光熔覆技術速率是0.5—2米/分鐘,而超高速激光熔覆技術可達到50—200米/分鐘,鍍層速度至少提高了100倍。超高速激光熔覆技術的另一個優點是:目前可以在零件表面制備大規模的同成分涂層,這將有可能生產出在生命周期內不會磨損的創新零件。”

目前,北京煤礦機械裝備有限責任公司正計劃與中國機械科學研究總院以及亞琛聯合科技公司開展三方戰略合作,針對煤機液壓支架立柱表面的耐腐蝕涂層制備技術進行工藝研發。該技術以10倍以上的效率在零件基體上制備了不同厚度的耐腐蝕涂層,已經通過標準鹽霧試驗測試(GBT 10125-2012),耐腐蝕性評級達到國標(GB_T6461-2002)9級水平。

“我們有產品升級和制造技術提升、淘汰落后技術的需要。超高速激光熔覆技術在高質量性能基礎上的高效率、成本適中和制造過程中的綠色環保,以及技術今后的拓展空間讓我們感興趣。”杜春海表示,“其在增材制造、零件再制造以及復合性能材料研發、高端零件價值性能提升和降低成本等方面都有著廣闊的應用前景,將進一步提升我國制造行業的水平。”

經過半年的奮戰,全球第一臺超高速激光熔覆設備已由亞琛聯合科技公司按照中國機械科學研究總院先進制造技術研究中心的技術需求交付完成,第一臺樣機將用于中德雙邊開展大量的可行性研究以及小批量生產。“相信不久大家就可以看到超高速激光熔覆技術在國內的應用實例。”王淼輝認為,超高速激光熔覆技術的發明是增材技術發展歷程中的革命性一步,它在未來將會極大地刺激金屬3D打印技術的產業化應用。

2015年全球鍍硬鉻市場約為136億4000萬美元,而熱噴涂市場達75億6000萬美元。保守計算,如果超高速激光熔覆技術可以捕捉到10%份額的市場,這種新工藝就可以擁有20億歐元的年市場容量。

“煤機液壓支架立柱表面涂層的年需求量可達數百萬平方米,市場需求份額可達數十億元。今后中德合作雙方還將著眼于高耐磨性涂層的超高速激光熔覆技術研發,在冶金軋輥、海工裝備、汽車制造等行業繼續推廣這一綠色再制造技術,同時也將進一步往智能制造領域拓展,未來可實現智能自動化生產,從而減少人力成本。”王淼輝說。

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