超高速激光熔覆技術(shù)： 為中國(guó)綠色制造再添新動(dòng)能

機(jī)械總院與德國(guó)弗勞恩霍夫激光技術(shù)研究所聯(lián)合開(kāi)展技術(shù)開(kāi)發(fā)

　　就像一束光，直直射向噴涂表面，上下兩個(gè)椎體對(duì)稱交織，短短不到兩小時(shí)便迅速完成了20米長(zhǎng)的柱狀鍍層。

　　“和傳統(tǒng)的熔覆激光技術(shù)相比，超高速激光熔覆技術(shù)的工作效率要快上百倍?！笨吹竭@項(xiàng)新技術(shù)時(shí)，機(jī)械科學(xué)研究總院先進(jìn)制造技術(shù)研究中心(CAMTC)所長(zhǎng)王淼輝掩飾不住興奮，在他看來(lái)，如果能將該項(xiàng)技術(shù)引入國(guó)內(nèi)，將極大地解決我國(guó)長(zhǎng)期以來(lái)存在的電鍍污染問(wèn)題，同時(shí)制約傳統(tǒng)熔覆技術(shù)大規(guī)模推廣的最大瓶頸——效率也將迎刃而解?！斑@是最有可能成為替代電鍍等污染型產(chǎn)業(yè)的技術(shù)?！?/p>

　　在很長(zhǎng)一段時(shí)間內(nèi)，我國(guó)傳統(tǒng)的工業(yè)制造加工或者再修復(fù)，往往都需要通過(guò)電鍍技術(shù)。電鍍技術(shù)雖然曾一度在金屬表面防護(hù)、裝飾加工等方面發(fā)揮了很大的作用，并且在電子工業(yè)、通信、軍工航天等領(lǐng)域也有大量的功能性電鍍技術(shù)應(yīng)用，但其長(zhǎng)期以來(lái)帶來(lái)的污染問(wèn)題讓許多制造企業(yè)頭疼不已。

　　“黨的十九大報(bào)告提出，要建立健全綠色低碳循環(huán)發(fā)展的經(jīng)濟(jì)體系。構(gòu)建市場(chǎng)導(dǎo)向的綠色技術(shù)創(chuàng)新體系，推進(jìn)資源全面節(jié)約和循環(huán)利用?！蓖蹴递x說(shuō)，淘汰落后污染產(chǎn)能，是工業(yè)制造企業(yè)必須面對(duì)的一道關(guān)卡，進(jìn)行綠色環(huán)保的技術(shù)轉(zhuǎn)型升級(jí)勢(shì)在必行。

　　環(huán)保問(wèn)責(zé)倒逼技術(shù)轉(zhuǎn)型

　　我國(guó)是世界上最大的煤礦液壓支架生產(chǎn)國(guó)，不僅滿足國(guó)內(nèi)各煤礦使用，而且出口美國(guó)、德國(guó)、澳大利亞、俄羅斯、印度、東南亞等國(guó)。然而液壓支架的核心部件立柱、千斤頂均需要進(jìn)行表面防腐和耐磨等處理，在制造和維修兩個(gè)方面每年需要處理的量就有近百萬(wàn)平方米之多，這對(duì)于企業(yè)成本而言也是一個(gè)極大的負(fù)擔(dān)。

　　“在煤機(jī)液壓支架的再加工方面，傳統(tǒng)電鍍工藝給企業(yè)帶來(lái)的環(huán)保壓力非常大，并且使用電鍍技術(shù)鍍層在質(zhì)量、性能以及大修周期、修理費(fèi)用等使用后期的成本維護(hù)方面也存在許多缺陷。”北京煤礦機(jī)械裝備有限責(zé)任公司工藝研究院院長(zhǎng)杜春海坦言。

　　黨的十九大報(bào)告提出，我國(guó)經(jīng)濟(jì)已由高速增長(zhǎng)階段轉(zhuǎn)向高質(zhì)量發(fā)展階段，正處在轉(zhuǎn)變發(fā)展方式、優(yōu)化經(jīng)濟(jì)結(jié)構(gòu)、轉(zhuǎn)換增長(zhǎng)動(dòng)力的攻關(guān)期。必須堅(jiān)持質(zhì)量第一、效益優(yōu)先，加快建設(shè)制造強(qiáng)國(guó)，加快發(fā)展先進(jìn)制造業(yè)，促進(jìn)我國(guó)產(chǎn)業(yè)邁向全球價(jià)值鏈中高端，培育若干世界級(jí)先進(jìn)制造業(yè)集群。

超高速激光熔覆技術(shù)

　　事實(shí)上，早在多年以前，不斷加大污染企業(yè)、設(shè)備的關(guān)停力度，就已經(jīng)給制造生產(chǎn)商們帶來(lái)了很大的沖擊。與北京煤礦機(jī)械裝備有限責(zé)任公司一樣，近些年在國(guó)家節(jié)能環(huán)保政策的指導(dǎo)下，許多企業(yè)已經(jīng)紛紛著手進(jìn)行技術(shù)轉(zhuǎn)型升級(jí)，不斷加大環(huán)保方面的工作力度，通過(guò)新技術(shù)新工藝的研發(fā)應(yīng)用，從根本上提升制造過(guò)程的環(huán)保水平，實(shí)現(xiàn)智能制造、綠色制造。

　　“盡管有行內(nèi)人士認(rèn)為現(xiàn)階段鍍硬鉻技術(shù)也很成功，但事實(shí)上現(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)，同時(shí)規(guī)定這些物質(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。”最早提出超高速激光熔覆技術(shù)的德國(guó)弗勞恩霍夫激光技術(shù)研究所(Fraunhofer ILT)的孵化企業(yè)亞琛聯(lián)合科技公司(ACunity GmbH)總裁洪臣表示，基于以上考慮，歐盟國(guó)家可能會(huì)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(lái)替代鍍硬鉻。

　　“超高速激光熔覆技術(shù)完成的熔覆涂層冶金質(zhì)量高、稀釋率低、變形小、表面光潔度高，屬于先進(jìn)環(huán)保的再制造加工技術(shù)，在工業(yè)再制造領(lǐng)域能極大地減少企業(yè)的后續(xù)機(jī)加工成本，能有效延長(zhǎng)產(chǎn)品使用周期，為企業(yè)節(jié)省大量后期維修費(fèi)用?！蓖蹴递x表示。

　　中德合作共研熔覆技術(shù)

　　說(shuō)起第一次與德國(guó)弗勞恩霍夫激光技術(shù)研究所和亞琛聯(lián)合科技公司的接觸，王淼輝至今印象深刻。

　　對(duì)于長(zhǎng)期深耕增材制造領(lǐng)域的王淼輝而言，超高速激光熔覆技術(shù)無(wú)疑在他的興趣范圍之內(nèi)?！拔覈?guó)《國(guó)家中長(zhǎng)期科學(xué)和技術(shù)發(fā)展規(guī)劃綱要》(2006—2020年)提出，自主創(chuàng)新可以有3種實(shí)現(xiàn)形式：原始創(chuàng)新、集成創(chuàng)新和引進(jìn)吸收消化再創(chuàng)新?！蓖蹴递x認(rèn)為，超高速激光熔覆技術(shù)屬于先進(jìn)制造、增材制造、綠色制造領(lǐng)域，是“中國(guó)制造2025”的重大戰(zhàn)略規(guī)劃發(fā)展方向之一?！巴ㄟ^(guò)引進(jìn)德國(guó)先進(jìn)工藝技術(shù)，形成研究基礎(chǔ)、研發(fā)資源、市場(chǎng)應(yīng)用等多方面的優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)，并在國(guó)內(nèi)市場(chǎng)中加以驗(yàn)證推廣，形成產(chǎn)業(yè)化、智能化、標(biāo)準(zhǔn)化，繼而進(jìn)行二次研發(fā)改進(jìn)，這對(duì)于我國(guó)實(shí)現(xiàn)‘中國(guó)制造2025規(guī)劃’有很好的實(shí)踐意義?！?/p>

　　據(jù)介紹，該技術(shù)最早由德國(guó)弗勞恩霍夫激光技術(shù)研究所提出，亞琛聯(lián)合科技公司作為其孵化的創(chuàng)新企業(yè)圍繞該技術(shù)開(kāi)展了一系列的市場(chǎng)化拓展性研發(fā)，對(duì)核心裝備進(jìn)行改良與升級(jí)。當(dāng)王淼輝團(tuán)隊(duì)前去考察時(shí)，敏銳的洞察力迅速讓他決定在特定行業(yè)推廣此項(xiàng)技術(shù)，消化吸收再創(chuàng)新，針對(duì)我國(guó)的市場(chǎng)需求，研發(fā)配套的工藝、裝備、材料和應(yīng)用驗(yàn)證，并建立相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)體系。

超高速激光熔覆技術(shù)制備液壓活塞桿耐蝕涂層

　　一個(gè)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(shù)基礎(chǔ)，在關(guān)鍵技術(shù)上處于國(guó)內(nèi)領(lǐng)先國(guó)際先進(jìn)水平；一個(gè)是國(guó)際上最頂尖的應(yīng)用型激光技術(shù)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(jīng)過(guò)深度交流，雙方一拍即合，隨即開(kāi)展了聯(lián)合研究工作。

　　今年，在德國(guó)弗勞恩霍夫應(yīng)用促進(jìn)協(xié)會(huì)年度科學(xué)技術(shù)獎(jiǎng)勵(lì)大會(huì)中，超高速激光熔覆技術(shù)榮獲了Fraunhofer科技創(chuàng)新獎(jiǎng)。這一獎(jiǎng)勵(lì)表明，該技術(shù)在工程產(chǎn)業(yè)中實(shí)現(xiàn)推廣應(yīng)用，是增材制造領(lǐng)域革命性的突破。與此同時(shí)，今年中國(guó)機(jī)械科學(xué)研究總院與德國(guó)弗勞恩霍夫激光技術(shù)研究所共同申請(qǐng)承擔(dān)了國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃戰(zhàn)略性國(guó)際科技創(chuàng)新合作重點(diǎn)專項(xiàng)——“大型金屬構(gòu)件超高速激光熔覆及其粉末制備關(guān)鍵技術(shù)研究與示范應(yīng)用”項(xiàng)目。其中，德方負(fù)責(zé)裝備開(kāi)發(fā)，中方負(fù)責(zé)工藝與材料開(kāi)發(fā)，并分別在國(guó)內(nèi)外典型產(chǎn)品上實(shí)現(xiàn)應(yīng)用。

　　王淼輝表示：“通過(guò)中德合作，我們引進(jìn)吸收德國(guó)先進(jìn)制造裝備與技術(shù)，針對(duì)中國(guó)市場(chǎng)的產(chǎn)品特色開(kāi)發(fā)相應(yīng)的配套材料與工藝，同時(shí)將我們的粉末產(chǎn)品銷往歐洲。這一優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)可進(jìn)一步推動(dòng)超高速激光熔覆技術(shù)在‘一帶一路’沿線國(guó)家的應(yīng)用。”

　　成果轉(zhuǎn)化市場(chǎng)前景廣闊

　　“我們希望用超高速激光熔覆技術(shù)直接對(duì)接中國(guó)的市場(chǎng)需求，實(shí)現(xiàn)綠色先進(jìn)制造，在節(jié)省生產(chǎn)成本的同時(shí)，提高產(chǎn)品的使用周期。”這正是洪臣選擇來(lái)中國(guó)的初衷。他介紹：“普通的激光熔覆技術(shù)速率是0.5—2米/分鐘，而超高速激光熔覆技術(shù)可達(dá)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(shù)的另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是：目前可以在零件表面制備大規(guī)模的同成分涂層，這將有可能生產(chǎn)出在生命周期內(nèi)不會(huì)磨損的創(chuàng)新零件?！?/p>

　　目前，北京煤礦機(jī)械裝備有限責(zé)任公司正計(jì)劃與中國(guó)機(jī)械科學(xué)研究總院以及亞琛聯(lián)合科技公司開(kāi)展三方戰(zhàn)略合作，針對(duì)煤機(jī)液壓支架立柱表面的耐腐蝕涂層制備技術(shù)進(jìn)行工藝研發(fā)。該技術(shù)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(jīng)通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)鹽霧試驗(yàn)測(cè)試(GBT 10125-2012)，耐腐蝕性評(píng)級(jí)達(dá)到國(guó)標(biāo)(GB_T6461-2002)9級(jí)水平。

　　“我們有產(chǎn)品升級(jí)和制造技術(shù)提升、淘汰落后技術(shù)的需要。超高速激光熔覆技術(shù)在高質(zhì)量性能基礎(chǔ)上的高效率、成本適中和制造過(guò)程中的綠色環(huán)保，以及技術(shù)今后的拓展空間讓我們感興趣?！倍糯汉１硎荆捌湓谠霾闹圃?、零件再制造以及復(fù)合性能材料研發(fā)、高端零件價(jià)值性能提升和降低成本等方面都有著廣闊的應(yīng)用前景，將進(jìn)一步提升我國(guó)制造行業(yè)的水平?！?/p>

　　經(jīng)過(guò)半年的奮戰(zhàn)，全球第一臺(tái)超高速激光熔覆設(shè)備已由亞琛聯(lián)合科技公司按照中國(guó)機(jī)械科學(xué)研究總院先進(jìn)制造技術(shù)研究中心的技術(shù)需求交付完成，第一臺(tái)樣機(jī)將用于中德雙邊開(kāi)展大量的可行性研究以及小批量生產(chǎn)。“相信不久大家就可以看到超高速激光熔覆技術(shù)在國(guó)內(nèi)的應(yīng)用實(shí)例?！蓖蹴递x認(rèn)為，超高速激光熔覆技術(shù)的發(fā)明是增材技術(shù)發(fā)展歷程中的革命性一步，它在未來(lái)將會(huì)極大地刺激金屬3D打印技術(shù)的產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用。

　　2015年全球鍍硬鉻市場(chǎng)約為136億4000萬(wàn)美元，而熱噴涂市場(chǎng)達(dá)75億6000萬(wàn)美元。保守計(jì)算，如果超高速激光熔覆技術(shù)可以捕捉到10%份額的市場(chǎng)，這種新工藝就可以擁有20億歐元的年市場(chǎng)容量。

　　“煤機(jī)液壓支架立柱表面涂層的年需求量可達(dá)數(shù)百萬(wàn)平方米，市場(chǎng)需求份額可達(dá)數(shù)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(shù)研發(fā)，在冶金軋輥、海工裝備、汽車制造等行業(yè)繼續(xù)推廣這一綠色再制造技術(shù)，同時(shí)也將進(jìn)一步往智能制造領(lǐng)域拓展，未來(lái)可實(shí)現(xiàn)智能自動(dòng)化生產(chǎn)，從而減少人力成本?！蓖蹴递x說(shuō)。