一种绿色环保液压支柱制造新技术
一、技术背景
我国是世界上最大的液压支柱（应用于起重机、挖掘机、模块液 压支架等）生产国，不仅满足国内各种工程机械、煤矿支柱等使用， 而且出口美国、德国、澳大利亚、俄罗斯、印度、东南亚等国。然而 液压支柱的核心部件立柱、千斤顶均需要进行表面防腐和耐磨等处 理，在制造和维修两个方面每年需要处理的量就有近百万平方米之 多。
近几年政府极力倡导构建绿色智能制造产业，不断加大污染企 业、设备的关停力度，许多企业纷纷着手进行技术转型升级，通过新 技术新工艺的研发应用，从根本上提升制造过程的环保水平，实现智 能制造、绿色制造。比如在煤机液压支柱的再加工方面，传统电镀工 艺给企业带来的环保压力非常大，并且使用电镀技术镀层在质量、性 能以及大修周期、修理费用等使用后期的成本维护方面也存在许多缺 陷。其他热喷涂及堆焊工艺同电镀类似，也属于传统型污染制造，对 工人健康及环境影响都较大。既要金山银山，更要绿水青山，因此， 必须寻找新型的能源技术逐步替代传统电镀、喷涂及堆焊，该先进工 艺需满足一效率高、二节能环保无污染。
二、超高速激光熔覆技术
超高速激光熔覆
超高速激光熔覆技术制备液压活塞杆耐蚀涂层
超高速激光熔覆技术是将粉末颗粒加热到接近熔化温度，以高速 度喷至基体表面，金属粉末在高温下形成熔融颗粒，仅需和基材的熔 池短暂接触就可以产生冶金结合。
超高速激光熔覆技术完成的熔覆涂 层冶金质量高、稀释率低、变形小、表面光洁度高，属于先进环保的 再制造加工技术，在工业再制造领域能极大地减少企业的后续机加工 成本，能有效延长产品使用周期，为企业节省大量后期维修费用。
超高速激光熔覆与电镀相比，一是更环保，二是更符合国家现在 提出的再制造、能源再生、资源再生、资源节约型社会的政策，三是 结合强度高，变形小、精度高，四是修复的厚度可以根据需求进行调节，也可以多次进行。五是从电费等成本低于电镀会。最关键是国家 现在严格控制电镀，环保方面过不了关，与国家政策背道而驰。
超高速激光熔覆与喷涂相比，一是喷涂是一种热熔现象，它只是 让喷涂上的粉末附着在工件表面，基材并没有融化，故粉末与基材没 有合二为一，而熔覆是基材和粉末两者同时融化的，然后两者结合在 一起，所以结合力更强，二是激光熔覆合金层更致密、组织更细小、 成分更均匀、耐蚀性和耐磨性更好。
相比传统激光熔覆技术，普通的激光熔覆技术速率是 0.5—1 米/ 分钟，而超高速激光熔覆技术可达到 5—200 米/分钟，镀层速度至少 提高了 100 倍。能量利用率高、加工速度效率高并可实现较低涂层厚 度涂层 20um-200um，节省了昂贵的粉末材料，并且在激光束的快速 照射下，机制材料的失真率很低，使用范围广。超高速激光熔覆技术的另一个优点是：目前可以在零件表面制备大规模的同成分涂层，可 生产出在生命周期内不会磨损的创新零件。
超高速激光熔覆设备主要包括高功率激光器（核心）、金属粉喷 头、机械加工机床。高功率激光器是整套装备的核心部件，占全套设 备成本的 95%，提供高能量激光光源。金属粉喷头主要用于金属粉输 送，超高速激光熔覆要求金属粉快速速喷至基体表面，因此对光束与 金属粉喷管匹配度、金属粉送粉稳定性有着较高要求。机械加工机床 目前国内已发展的十分成熟。
三、超高速激光熔覆技术优势
（1）替代硬铬电镀技术
硬铬电镀是当前耐蚀、耐磨涂层制备最常用的技术之一，但是耗 能较大。此外，铬(VI)对环境有污染，这也是为什么自 2017 年 9 月 起，铬(VI)只能在特殊批准下方可使用。超高速激光熔覆技术工过程 无需应用化学原料，非常环保。不同于电镀铬层，该技术制备的涂层 与基体之间为冶金结合，涂层不易剥落。并且，超高速激光熔覆技术 制备的表面涂层中没有硬铬层里常见的气孔和裂纹缺陷，其防护作用 更持久、有效。
（2）取代传统热喷涂技术
比热喷涂更有效利用资源，热喷涂技术同样也有不足之处，其加 工过程粉末材料与气体消耗较大，材料利用率最大只有 50%左右; 并 且涂层和基体的结合力较弱。由于热喷涂制备的涂层 气孔较多，必 须采用多层沉积方式制备(每层大约 25-50 μm 厚)。相比于热喷涂方法，新开发的超高速激光熔覆技术材料利用率高达 90%以上，明显 提高了金属粉的 利用率与经济性。单层涂层中不仅没有气孔，而且 与基体结合牢靠。
（3）处理敏感材料代替传统激光熔覆
超高速激光熔覆速度比传统激光熔覆快 100-250 倍，使得激光 对基体的热影响 达到最小。因此，超高速激光熔覆可实现热敏感材 料零件的涂层制备，传统方法因热输过高，这在之前是不可能实现的。 同时，这种新工艺还可用于全新的材料组合，例如铝基材料或铸铁材 料上涂层的制备。
四、国内外技术发展介绍
超高速激光熔覆技术是 2017 年由德国弗劳恩霍夫激光技术研究 所 ILT 和亚琛工业大学的研究者共同开发出。德国于今年年初推出全 球首台超高速熔覆激光熔覆，采用的激光光源为德国 laserline 公司 提供。该设备让寻求新技术代替电镀的人们惊喜不已。全世界最知名 的应用科学机构 Fraunhofer 定制化开发一定会配套工业应用场景。 荷兰的海洋平台管件生产商 IHC 率先采用超高速激光熔覆来替代原 有电镀工艺。该设备于 2017 年 6 月参展亮相德国慕尼黑，在技术表 面处理行业有着较大的反响。今年 9 月份，欧盟国家开始禁止在金属 部件中使用镀硬铬，超高速熔覆激光技术预计在欧洲市场能得到快速 推广，可逐步代替原有电镀工艺。
我国激光研究起步较晚，激光工业应用较国外发展滞后，尤其是 激光熔覆，近几年才逐渐在国内得到认可和推广。我国是工业超级大 国，现阶段国家提出低污染高效能的新型工业转型号召，作为一项可 以取代传统电镀工艺的新型绿色技术，对于我国工业转型后期发展重 要性不言而喻。今年年初中国机械科学研究总院先进制造技术研究中 心于德国订购一台超高速激光熔覆设备，设备售价高达 100 多万美 金。技术不能受制于人，核心必须自主攻关，凭借敏锐的市场洞察力 和多年激光行业技术积累，中科中美与山能重装联手针对超高速激光 熔覆设备进行技术攻关，并于 2017 年 10 月 20 日成功推出我国首台 2KW 超高速激光熔覆装备，该装备标志着我国拥有了并掌握了超高速 熔覆装备核心技术和工艺，同时中科中美预期于今年年底推出 6KW 超高速激光熔覆装备，可满 80%的市场加工需求。
中科中美激光科技有限公司 2012 年孵化于中科院西安光学精密 机械研究院，致力于高功率工业激光器及激光工艺的研发、生产及制 造。企业 2014 年推出我国首台 2KW 高功率熔覆激光器，2017 年推出 我国首台 6KW 高功率熔覆激光器，先后被中国经济网、陕西日报等多 家媒体报道。与华北电力大学、河北再制造协会开展激光熔覆项目研 究，针对矿产截齿修复、电力锅炉管熔覆、发动机叶片，进行高功率 激光器定制开发，瞄准我国激光产业再制造发展应用，为高功率激光 熔覆制造提供最核心的激光器部件。
山能重工为是世界 500 强企业山东能源集团的二级单位，是在整 合重组原新矿集团、枣矿集团、临矿集团矿山装备制造企业的基础上 设立的。是国内首家将激光熔覆工艺应用于煤矿设备的修复与改性， 针对激光设备尤其是煤矿设备的激光修复，有着丰富的经验积累和较 高的工艺水平。
2016 年底中科中美依托核心的高功率激光器技术与山能重装集 团签署战略合作协议，目标针对煤矿装备进行激光熔覆全套装备的研 发与生产。2017 年 10 月 10 日，中科中美正式推出我国首台可用于 煤矿液压立柱等设备修复的超高速激光熔覆设备。
中科中美 8KW 高速熔覆激光器