盖世汽车讯 据外媒报道，剑桥大学（University of Cambridge）制造业研究所（Institute for Manufacturing，IfM）工业光子学中心（Center for Industrial Photonics，CIP）开发出新增材制造技术——激光辅助冷喷涂（LACS）。

图片来源： 剑桥大学

该工艺利用激光局部加热超音速粉末流，沉积金属和金属陶瓷，用于制造、涂层或修复零件，克服了热喷涂等同类技术的高温和材料限制。

CIP团队已证明LACS在航空航天应用中的有效性，在这些应用中，高精度和局部材料沉积至关重要。该技术能够按需制造高质量的涂层和部件维修，从而延长飞机的使用寿命。此外，与传统方法相比，LACS减少了材料浪费和能源消耗，支持该行业向净零排放转型。

增材制造

传统制造技术通常使用减材法去除实体块中多余的材料，以达到所需的形状。相比之下，增材制造则采用逐层构建结构，通常称为3D打印。

LACS工艺可以从零开始制造零件，或在现有组件上添加涂层和特性，尤其适用于高性能涂层、关键组件维修以及航空航天、加工、能源和生物医学行业的增材制造。

这种创新的制造方法相比传统技术具有诸多优势，包括能够快速生产定制的复杂零件，同时最大程度地减少材料浪费。它能够集成多种材料以增强性能，从而能够根据特定应用定制组件。

此外，它无需昂贵的模具或大量的机械加工，这对于需要小批量、高精度零件的行业尤其有价值。通过采用这种方法，制造商可以实现更高的设计灵活性、生产效率和精度。

激光辅助冷喷涂

在Bill O'Neill教授及其激光工程师和制造专家团队的领导下，IfM的CIP正在率先采用冷喷涂和粉末床熔融技术，开发先进的增材制造方法。

“冷喷涂是一种快速熔化粉末金属、金属陶瓷（陶瓷和金属的复合材料）或聚合物而不使其熔化的技术，可用于制造、涂层或修复零件。我在利物浦大学工作期间第一次接触到冷喷涂，并在那里建立了我的第一家专门从事冷喷涂的工厂，”O'Neill说道。“起初，我们专注于使用氮气作为粉末的载气。在处理航空航天领域常用的高强度材料（例如钛和铝合金）时，我们发现氦气对于实现最佳沉积至关重要。这是因为氦气的分子量较低，可以在冷喷涂过程中提高粒子速度，从而增强冲击能量并改善与基材的附着力。”

由于氦气成本高昂，每分钟运行成本约为80英镑，因此氦气的需求构成了重大挑战。即使是最先进的回收技术，也只能回收约85%的氦气。此外，回收所需的设备极大地限制了可制造零件的尺寸，因为它们必须装入专为捕获过量氦气而设计的、尺寸有限的腔室中。

“想象一下，试图在飞机覆层的一部分上喷涂涂层，”CIP实验室高级研究员Andrew Cockburn博士说道。“在氦气回收系统的限制下做到这一点是不现实的。我们需要为这些高强度材料找到更实用的解决方案，于是，我们开始研究使用激光。”

为了消除氦气造成的障碍，该团队发明了一种现在被称为“激光辅助冷喷涂（LACS）”的工艺。LACS通过添加激光局部加热沉积位置（降低基底屈服应力），促进固态材料粉末更有效地沉积，从而导致材料之间更强的结合，而无需熔化。

除了通过去除氦气降低成本外，LACS相比其他冷喷涂方法还具有以下显著优势：

• 增强附着力和沉积效率。局部激光预热可软化基材，从而改善颗粒结合力和沉积效率。这使得涂层比传统冷喷涂和其他热喷涂工艺更坚固，尤其适用于钛和难熔金属等高强度材料。

• 沉积发生在较低的粒子速度下，这意味着粉末的结构能够保留在涂层/零件中。这对于具有特殊性能且易损坏的材料（例如纳米结构涂层和稀土磁体）而言，是一个显著的优势。

• 提升材料兼容性。LACS能够沉积更硬、更具挑战性的材料，而这些材料在标准冷喷涂中通常附着力较差。这包括金属陶瓷、难熔金属和抗氧化合金。

• 降低残余应力和孔隙率。激光的热输入可降低涂层内的残余应力，从而提高机械性能。它还能最大限度地减少孔隙率，增强沉积层的结构完整性和耐久性。

• 最大程度地降低对基材的热影响。与传统的热喷涂方法不同，LACS可将基材保持在熔化温度以下，避免相变或变形。这使其成为热敏材料以及对基材性能至关重要的应用的理想选择。

• 速度快——涂层添加速度高达每小时10公斤。

• 整体工艺温度更低。激光辅助工艺可在较低气体温度下运行，例如400-700°C，而冷喷涂工艺则高达1200°C，从而降低了功耗并简化了系统设计。

• 通过定制粉末来微调涂层性能，可以将磁性、固态润滑和增强的耐磨性等特殊特性引入到镀层中。分级成分可以局部控制性能，并降低异种材料界面处的应力。

“开发具有先进加工能力的新一代创新制造技术，可以显著促进向净零排放的转型，”O'Neill解释说。“定制材料属性的能力是一个真正的游戏规则改变者，并且具有广泛的潜在应用范围；例如，生产电动汽车和航空航天的轻型部件，创建储氢系统，增强风力涡轮机的维护，制造节能电池和燃料电池组件，以及开发用于工业节能的先进热交换器和用于碳捕获的催化剂涂层。”

LACS的实际应用——航空航天

LACS的一大优势在于它能够制造和维修定制部件，这对于航空航天业至关重要。航空航天业通常要求零件的高精度、高强度和相对小批量生产。使用传统制造技术，最具成本效益的解决方案是一次性生产特定型号所需的所有零件，并将其存放在仓库中，直至需要使用。

这会带来两个主要问题：存储占用大量空间且成本高昂；而且，一旦零件使用完毕，就没有剩余的零件可供维修。结果，飞机可能会因为没有替换零件而无法使用。

LACS提供了一种可持续、经济高效且易于维修的解决方案，在更极端的情况下，甚至可以从基础部件进行再制造。传统的维修技术，例如焊接，不适用于高性能应用，例如6000系列铝材。将新旧材料粘合在一起所需的加热会影响维修部件的强度和可靠性。

O'Neill和他的团队已经证明，LACS采用相对低温的局部激光加热技术，可以添加新材料而不会产生任何副作用。此外，与3D打印一样，LACS设备可以通过编程，根据计算机模型进行特定设计构建，从而将复杂的数字设计快速转化为实际产品。

“这对许多行业来说都具有变革意义，它能够在短时间内按需制造和维修定制部件，同时实现低成本、低能耗和高效的材料利用，”CIP实验室首席研究员Martin Sparkes博士说道。“我们很高兴能与行业合作伙伴共同努力，实现这项独特且有影响力的技术的潜力。”

无限潜力

CIP实验室的下一步是增强LACS的“3D打印”形状能力。团队正在探索多种途径来实现这一目标，包括将部件安装在移动臂上，使其能够在3D空间中移动，以及增强对粉末流方向的控制，以产生清晰光滑的边缘。

净形冷喷涂增材制造（NS-CSAM）和冷喷涂（CS）的沉积表面对比，清晰地显示了NS-CSAM提供的可控沉积效果。

“目前，我们几乎无法控制粉末的沉积形状。这对于涂层来说不是问题，但对于部件制造应用来说却是一个重大的限制。我们的下一个目标是找到突破这一限制的解决方案，并且已经取得了一些非常有希望的成果，”O'Neill说道。“LACS的潜在应用是无限的，我们致力于开发一种能够显著促进向净零排放转型的技术，通过更高效、低浪费的制造技术，以及它为可持续产品开发打开的大门。”