機械總院與(yu) 德國弗勞恩霍夫激光技術研究所聯合開展技術開發

　　超高速激光熔覆技術

　　超高速激光熔覆技術製備液壓活塞杆耐蝕塗層

　　就像一束光，直直射向噴塗表麵，上下兩(liang) 個(ge) 椎體(ti) 對稱交織，短短不到兩(liang) 小時便迅速完成了20米長的柱狀鍍層。

　　“和傳(chuan) 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製造技術研究中心（CAMTC）所長王淼輝掩飾不住興(xing) 奮，在他看來，如果能將該項技術引入國內(nei) ，將極大地解決(jue) 我國長期以來存在的電鍍汙染問題，同時製約傳(chuan) 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(wei) 替代電鍍等汙染型產(chan) 業(ye) 的技術。”

　　在很長一段時間內(nei) ，我國傳(chuan) 統的工業(ye) 製造加工或者再修複，往往都需要通過電鍍技術。電鍍技術雖然曾一度在金屬表麵防護、裝飾加工等方麵發揮了很大的作用，並且在電子工業(ye) 、通信、軍(jun) 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汙染問題讓許多製造企業(ye) 頭疼不已。

　　“黨(dang) 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(ti) 係。構建市場導向的綠色技術創新體(ti) 係，推進資源全麵節約和循環利用。”王淼輝說，淘汰落後汙染產(chan) 能，是工業(ye) 製造企業(ye) 必須麵對的一道關(guan) 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(chan) 國，不僅(jin) 滿足國內(nei) 各煤礦使用，而且出口美國、德國、澳大利亞(ya) 、俄羅斯、印度、東(dong) 南亞(ya) 等國。然而液壓支架的核心部件立柱、千斤頂均需要進行表麵防腐和耐磨等處理，在製造和維修兩(liang) 個(ge) 方麵每年需要處理的量就有近百萬(wan) 平方米之多，這對於(yu) 企業(ye) 成本而言也是一個(ge) 極大的負擔。

　　“在煤機液壓支架的再加工方麵，傳(chuan) 統電鍍工藝給企業(ye) 帶來的環保壓力非常大，並且使用電鍍技術鍍層在質量、性能以及大修周期、修理費用等使用後期的成本維護方麵也存在許多缺陷。”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(dang) 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(you) 化經濟結構、轉換增長動力的攻關(guan) 期。必須堅持質量第一、效益優(you) 先，加快建設製造強國，加快發展先進製造業(ye) ，促進我國產(chan) 業(ye) 邁向全球價(jia) 值鏈中高端，培育若幹世界級先進製造業(ye) 集群。

　　事實上，早在多年以前，不斷加大汙染企業(ye) 、設備的關(guan) 停力度，就已經給製造生產(chan) 商們(men) 帶來了很大的衝(chong) 擊。與(yu) 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(ye) 已經紛紛著手進行技術轉型升級，不斷加大環保方麵的工作力度，通過新技術新工藝的研發應用，從(cong) 根本上提升製造過程的環保水平，實現智能製造、綠色製造。

　　“盡管有行內(nei) 人士認為(wei) 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(jia) 鉻（Cr6+），連同其他有鉻成分的物質被歐盟委員會(hui) 於(yu) 2013年定義(yi) 為(wei) 對人體(ti) 有害物質，同時規定這些物質隻能在獲得歐洲化學品總署的特殊且有限期認證後才能使用。”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(ye) 亞(ya) 琛聯合科技公司（ACunity GmbH）總裁洪臣表示，基於(yu) 以上考慮，歐盟國家可能會(hui) 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塗層冶金質量高、稀釋率低、變形小、表麵光潔度高，屬於(yu) 先進環保的再製造加工技術，在工業(ye) 再製造領域能極大地減少企業(ye) 的後續機加工成本，能有效延長產(chan) 品使用周期，為(wei) 企業(ye) 節省大量後期維修費用。”王淼輝表示。

　　中德合作共研熔覆技術

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

　　對於(yu) 長期深耕增材製造領域的王淼輝而言，超高速激光熔覆技術無疑在他的興(xing) 趣範圍之內(nei) 。“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(wei) ，超高速激光熔覆技術屬於(yu) 先進製造、增材製造、綠色製造領域，是“中國製造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、市場應用等多方麵的優(you) 勢互補，並在國內(nei) 市場中加以驗證推廣，形成產(chan) 業(ye) 化、智能化、標準化，繼而進行二次研發改進，這對於(yu) 我國實現‘中國製造2025規劃’有很好的實踐意義(yi) 。”

　　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(ya) 琛聯合科技公司作為(wei) 其孵化的創新企業(ye) 圍繞該技術開展了一係列的市場化拓展性研發，對核心裝備進行改良與(yu) 升級。當王淼輝團隊前去考察時，敏銳的洞察力迅速讓他決(jue) 定在特定行業(ye) 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，並建立相應的標準體(ti) 係。

　　一個(ge) 是在高性能3D打印用金屬粉末材料方麵有著雄厚的理論研究和技術基礎，在關(guan) 鍵技術上處於(yu) 國內(nei) 領先國際先進水平；一個(ge) 是國際上最頂尖的應用型激光技術研究所之一，在激光增材製造、激光熔覆、激光材料加工等方向取得了傑出成果。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(hui) 年度科學技術獎勵大會(hui) 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(chan) 業(ye) 中實現推廣應用，是增材製造領域革命性的突破。與(yu) 此同時，今年中國機械科學研究總院與(yu) 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(zhuan) 項——“大型金屬構件超高速激光熔覆及其粉末製備關(guan) 鍵技術研究與(yu) 示範應用”項目。其中，德方負責裝備開發，中方負責工藝與(yu) 材料開發，並分別在國內(nei) 外典型產(chan) 品上實現應用。

　　王淼輝表示：“通過中德合作，我們(men) 引進吸收德國先進製造裝備與(yu) 技術，針對中國市場的產(chan) 品特色開發相應的配套材料與(yu) 工藝，同時將我們(men) 的粉末產(chan) 品銷往歐洲。這一優(you) 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(men) 希望用超高速激光熔覆技術直接對接中國的市場需求，實現綠色先進製造，在節省生產(chan) 成本的同時，提高產(chan) 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/分鍾，而超高速激光熔覆技術可達到50—200米/分鍾，鍍層速度至少提高了100倍。超高速激光熔覆技術的另一個(ge) 優(you) 點是：目前可以在零件表麵製備大規模的同成分塗層，這將有可能生產(chan) 出在生命周期內(nei) 不會(hui) 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(yu) 中國機械科學研究總院以及亞(ya) 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麵的耐腐蝕塗層製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(ti) 上製備了不同厚度的耐腐蝕塗層，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(men) 有產(chan) 品升級和製造技術提升、淘汰落後技術的需要。超高速激光熔覆技術在高質量性能基礎上的高效率、成本適中和製造過程中的綠色環保，以及技術今後的拓展空間讓我們(men) 感興(xing) 趣。”杜春海表示，“其在增材製造、零件再製造以及複合性能材料研發、高端零件價(jia) 值性能提升和降低成本等方麵都有著廣闊的應用前景，將進一步提升我國製造行業(ye) 的水平。”

　　經過半年的奮戰，全球第一台超高速激光熔覆設備已由亞(ya) 琛聯合科技公司按照中國機械科學研究總院先進製造技術研究中心的技術需求交付完成，第一台樣機將用於(yu) 中德雙邊開展大量的可行性研究以及小批量生產(chan) 。“相信不久大家就可以看到超高速激光熔覆技術在國內(nei) 的應用實例。”王淼輝認為(wei) ，超高速激光熔覆技術的發明是增材技術發展曆程中的革命性一步，它在未來將會(hui) 極大地刺激金屬3D打印技術的產(chan) 業(ye) 化應用。

　　2015年全球鍍硬鉻市場約為(wei) 136億(yi) 4000萬(wan) 美元，而熱噴塗市場達75億(yi) 6000萬(wan) 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(yi) 歐元的年市場容量。

　　“煤機液壓支架立柱表麵塗層的年需求量可達數百萬(wan) 平方米，市場需求份額可達數十億(yi) 元。今後中德合作雙方還將著眼於(yu) 高耐磨性塗層的超高速激光熔覆技術研發，在冶金軋輥、海工裝備、汽車製造等行業(ye) 繼續推廣這一綠色再製造技術，同時也將進一步往智能製造領域拓展，未來可實現智能自動化生產(chan) ，從(cong) 而減少人力成本。”王淼輝說。