文/Laserline

在強調保護氣候和環(huán)境的背景下，除了減少碳排放，減少細微顆粒物排放也很重要。有一部分細微顆粒排放是剎車磨損造成的。剎車盤和剎車片之間的摩擦不僅產(chǎn)生熱量，而且還會產(chǎn)生無數(shù)細微顆粒，附著于車輛輪轂和道路上。道路交通上的細微顆粒不斷揚起，其中很大一部分之后會散布在空氣中。

造成這種細微顆粒的主要原因，是市面上常見的灰鑄鐵剎車盤和與之摩擦的剎車片。剎車盤經(jīng)受嚴重磨損，因此在車輛使用期間必須多次更換應用。利用二極管激光器的新型激光熔覆技術，可以制造出耐磨損的灰鑄鐵剎車盤，從而大幅減少細微顆粒的排放。剎車盤經(jīng)過此激光熔覆工藝處理后，其摩擦產(chǎn)生的粒徑達10 µ m (PM10) 或2.5 µ m (PM2.5)的有害健康的細微顆粒，可以減少90%。

熔覆應用以及與競爭工藝的對比

灰鑄鐵剎車盤的激光涂層，無需改變基材或生產(chǎn)工藝。耐磨性有限的灰色鑄鐵部件，通過硬材熔覆層升級，這種熔覆層結合了長效耐腐蝕保護和長效耐磨損保護。其他競爭工藝無法實現(xiàn)這種效果。

例如，熱噴涂工藝雖然可以確保高度耐磨損保護，但僅能實現(xiàn)有限的耐腐蝕保護保護。熱噴涂熔覆層具有較高的碳化物含量，因此容易開裂，這會導致濕氣的滲透。另一方面，氮化處理確實能夠提供耐腐蝕和耐磨損保護，但都僅限于有限的時間內。

激光熔覆，通過兩層熔覆層相結合，實現(xiàn)耐腐蝕和耐磨損保護。第一步是熔覆緩沖層 (通常是不銹鋼)。在此緩沖層上，再熔覆第二層碳化物，其含量可以單獨確定；這一層能夠起到有力的耐磨保護作用 (見圖1)。具體的材料組成，可以根據(jù)客戶需求進行調整。碳化物含量的高低可以調整，也可能采用不同的材料。目前常用的材料是碳化鎢和碳化鈦。由于新技術的發(fā)展，在某些情況下，也可以通過單層熔覆層實現(xiàn)耐腐蝕和耐磨損保護。此外，可以使用碳化物成型材料，只有當粉末在剎車盤上熔化時才會形成碳化物。

用于經(jīng)濟加工的高速工藝

為了實現(xiàn)經(jīng)濟的熔覆加工，剎車盤激光熔覆通常使用高速加工工藝。與傳統(tǒng)激光熔覆工藝一樣，熔覆粉末和基材之間形成金相結合，但基材僅受到非常小的熱應力影響。事實上，由于加工速度高，可以使用較高的激光功率，而不會引起工件明顯變形。這種工藝可以生產(chǎn)出低至約50μ m的非常薄的熔覆層。與之相比，傳統(tǒng)的激光熔覆層的厚度通常在500~1000μ m之間。

圖1：灰鑄鐵剎車盤橫切面，包含緩沖層和含碳化物的頂層。

設備方案和粉末加工

高速加工不僅能夠實現(xiàn)非常薄的熔覆層，還為工業(yè)批量生產(chǎn)創(chuàng)造了先決條件。每層熔覆層的加工時間小于20s。為了在未來進一步提高生產(chǎn)率，可以測試不同的設備方案。經(jīng)典的解決方案是使用略微傾斜的圓盤進行單面熔覆（見圖2，右）。這種工藝的優(yōu)勢在于，加工的反射被引導到熔覆噴嘴和鏡組上，從而盡可能降低零件承受的應力。也可以同時對兩面進行熔覆 (見圖2，中)。

圖2: 剎車盤的激光熔覆工藝。

熔覆層和基材之間的金相結合至關重要，因為只有這種熔池才能形成一個封閉的耐腐蝕保護層，阻止水分進入中間層。與此同時，灰鑄鐵需要向材料輸入盡可能低的熱量。高速熔覆的目的，是在粉末顆粒飛行時盡可能多地將其熔化。這樣一來，大部分的能量沉積在粉末顆粒中，而只有必要的能量才會沉積在基材中。

精確調整和排列的粉末，以及二極管激光束的勻化能量分布（見圖3），才能實現(xiàn)對基材的低熱量輸入。

二極管激光器作為熔覆工具的主要優(yōu)勢

通過使用多通道噴嘴，粉末飛行軌跡可以非常精確地排列，從而使粉末顆粒獲得足夠多的能量，同時又不會過熱。正確的飛行角度 (由噴嘴的幾何形狀決定) 和正確的飛行速度都非常重要。此外，粉末的顆粒大小和載氣量，決定了粉末在激光束中是否有足夠的停留時間。工件上的能量強度也起著重要作用。使用二極管激光器可以輕松生產(chǎn)一個光斑尺寸在3~8mm之間的勻化光束。目標能量在1~2kW/mm² 之間。如果滿足了先決條件，就可以避免激光束中心的粉末過熱，并且基材和熔覆層稀釋率很低。

批量生產(chǎn)中的過程監(jiān)測

然而，在激光熔覆剎車盤的工業(yè)化批量生產(chǎn)中，重要的不僅是熔覆工藝，還有加工過程和零件的監(jiān)測。傳統(tǒng)的熔覆工藝通常在沒有監(jiān)控的情況下進行，而汽車制造商則要求進行無縫監(jiān)控。這方面早有可靠的解決方案。例如，攝像系統(tǒng)可以集成于二極管激光器的高功率鏡組中，以便監(jiān)測熔池。對鏡組本身的監(jiān)測，可以通過保護鏡片和溫度監(jiān)測傳感器來實現(xiàn)。此外，還可以通過二極管激光器的OPC UA接口收集熔覆加工過程的綜合數(shù)據(jù)。

圖3：二極管激光束能量強度分布均勻。

圖4: 高速熔覆的目的，是在粉末顆粒飛行時，盡可能多地將其熔化。

面向大眾市場的材料成本控制

通過選擇合適的材料和粉末利用率高達90%的工藝，剎車盤熔覆層的成本可以有針對性的適應不同的細分市場。對于成本敏感的車輛，能夠以經(jīng)濟的成本實現(xiàn)厚度較低或碳化物含量較少的熔覆層。另一方面，對于高要求的高端汽車市場來說，可以選用壽命更長的熔覆層和較昂貴的材料。

總結

激光熔覆的剎車盤使用壽命更長，可以減少制動時產(chǎn)生的粉塵，對環(huán)境保護和可持續(xù)發(fā)展做出了重要貢獻。其抗腐蝕和耐磨損的表面減少了細塵污染，提高了生活質量，尤其是在城市區(qū)域。熔覆工藝快速而有效，以需求為導向的材料成本控制，使得大眾市場對激光熔覆剎車盤產(chǎn)生興趣，并且在不同價格細分市場中也是明智的選擇。當然，激光熔覆方案并不僅僅適用于有內燃機的車輛，因為電動汽車也會用到剎車盤，其耐腐蝕保護更為重要。