新一代創(chuàng)新制造技術：劍橋大學開發(fā)激光輔助冷噴涂技術，解決重大成本挑戰(zhàn)

2025年7月6日，南極熊獲悉，來自劍橋大學制造業(yè)研究所 (IfM)工業(yè)光子學中心(CIP)的研究人員開發(fā)了一種名為激光輔助冷噴涂（LACS）的新型增材制造技術。LACS工藝將局部激光加熱與超音速粉末流相結合，以沉積金屬和金屬陶瓷，用于制造、涂層或修復零件，克服了熱噴涂等同類技術中存在的高溫和材料限制。

研究團隊已證明LACS在航空航天應用中的有效性，其中高精度和局部材料沉積至關重要。這項技術能夠按需制造高質量的涂層和部件維修，從而延長飛機的使用壽命。此外，與傳統(tǒng)方法相比，LACS還能減少材料浪費和能源消耗，從而支持空天行業(yè)向凈零排放轉型。

激光輔助冷噴涂工藝的應用前景

傳統(tǒng)的制造技術通常涉及使用減材方法從實體塊中去除多余的材料，以達到所需的形狀。相比之下，增材制造則采用逐層構建結構的方式，通常稱為 3D 打印。LACS 工藝可以從零開始創(chuàng)建零件，或在現(xiàn)有組件上添加涂層和特性，這在高性能涂層、關鍵組件維修以及航空航天、加工、能源和生物醫(yī)學行業(yè)的增材制造中尤為有用。

這種創(chuàng)新的制造方法相比傳統(tǒng)技術具有諸多優(yōu)勢，包括能夠快速生產(chǎn)定制的復雜零件，并最大程度地減少材料浪費。它能夠整合多種材料以實現(xiàn)增強的性能，從而能夠根據(jù)特定應用定制組件。此外，它無需昂貴的模具或大量的機械加工，這對于需要小批量、高精度零件的行業(yè)尤為重要。通過采用這種方法，制造商可以實現(xiàn)更高的設計靈活性、生產(chǎn)效率和精度。

截至 2023 年，英國占據(jù)全球增材制造市場約 7.6% 的份額，而基于增材熔覆體系的份額則更小。全球增材制造市場預計將大幅增長，到2030年將達到700億美元至880億美元。取決于各種市場分析。這一預期增長凸顯了這一快速發(fā)展的行業(yè)中蘊藏的巨大創(chuàng)新和發(fā)展機遇。

技術原理

制造業(yè)研究所 (IfM) 的工業(yè)光子學中心 (CIP) 在比爾奧尼爾教授、激光工程師和制造專家團隊的領導下，率先采用冷噴涂和粉末床熔融技術開發(fā)先進的增材制造方法。

比爾說道：“冷噴涂是一種快速熔化粉末金屬、金屬陶瓷（陶瓷和金屬的復合材料）或聚合物而不熔化它們的技術，可用于制造、涂層或修復零件。我第一次接觸冷噴涂是在利物浦大學工作期間，并在那里建立了我的第一家專門從事冷噴涂的工廠。起初，我們專注于使用氮氣作為粉末的載氣。當處理航空航天領域常用的高強度材料（例如鈦合金和鋁合金）時，我們發(fā)現(xiàn)氦氣對于實現(xiàn)最佳沉積至關重要。這是因為氦氣的分子量較低，能夠提高冷噴涂中的粒子速度，從而增強沖擊能量并改善與基材的附著力?！?/div>

但是氦氣成本高昂，每分鐘運行成本約為80英鎊，因此氦氣的需求構成了一項重大挑戰(zhàn)。即使是最先進的回收技術，也只能回收約85%的氦氣。此外，回收所需的設備極大地限制了可制造部件的尺寸，因為它們必須裝入一個專為收集過量氦氣而設計的尺寸有限的腔室中。

△LACS 設備設置用于添加涂層以修復飛機機翼面板

CIP實驗室高級研究員安德魯·科克伯恩博士說：“想象一下，嘗試將涂層涂在飛機覆層的一部分上。在氦氣回收系統(tǒng)的限制下做到這一點是不現(xiàn)實的。我們需要為這些高強度材料找到更實用的解決方案，于是我們開始研究使用激光?！?/div>

為了消除氦氣造成的障礙，比爾團隊發(fā)明了這種被稱為“激光輔助冷噴涂（LACS）”的工藝。LACS通過增加激光對沉積位置進行局部加熱（降低基材屈服應力），從而更高效地沉積固態(tài)材料粉末，從而使材料之間無需熔化即可形成更牢固的結合。

△LACS 工藝示意圖，顯示激光束加熱粉末沉積區(qū)。

除了通過去除氦氣來降低成本外，LACS 還比其他冷噴涂方法具有一些顯著的優(yōu)勢：

(1)   增強附著力和沉積效率。局部激光預熱可軟化基材，從而改善顆粒結合力和沉積效率。這使得涂層比傳統(tǒng)冷噴涂和其他熱噴涂工藝更堅固，尤其適用于鈦和難熔金屬等高強度材料。

(2)   沉積發(fā)生在較低的粒子速度下，這意味著粉末的結構能夠保留在涂層/部件中。這對于具有特殊特性且易受損的材料（例如納米結構涂層和稀土磁體）而言，是一個顯著的優(yōu)勢。

(3)   提升材料兼容性。LACS 能夠沉積更硬、更具挑戰(zhàn)性的材料，而這些材料在標準冷噴涂中通常附著力較差。這些材料包括金屬陶瓷、難熔金屬和抗氧化合金。

(4)   降低殘余應力和孔隙率。激光的熱輸入可降低涂層內(nèi)的殘余應力，從而改善機械性能。它還能最大程度地降低孔隙率，增強沉積層的結構完整性和耐久性。

(5)   對基材的熱影響極小。與傳統(tǒng)的熱噴涂方法不同，LACS 可使基材保持在熔點以下，避免相變或變形。這使其成為熱敏材料以及對基材性能至關重要的應用的理想選擇。

(6)   速度很快——每小時最多可添加 10 公斤涂料。

(7)   降低整個工藝的溫度。激光輔助工藝可在較低的氣體溫度下運行，例如400-700 ℃，而冷噴涂則需要高達 1200 ℃，從而降低了功耗并簡化了系統(tǒng)設計。

(8)   通過定制粉末對涂層性能進行精細調(diào)整，可以將磁性、固態(tài)潤滑和增強的耐磨性等特殊特性引入到鍍層中。分級成分可以局部控制性能，并降低異種材料界面處的應力。

比爾教授解釋道：“開發(fā)具有先進加工能力的新一代創(chuàng)新制造技術可以極大地幫助實現(xiàn)凈零排放。定制材料屬性的能力是真正的游戲規(guī)則改變者，具有廣泛的潛在應用范圍；例如，生產(chǎn)電動汽車和航空航天的輕型部件、創(chuàng)建儲氫系統(tǒng)、加強風力渦輪機的維護、制造節(jié)能電池和燃料電池組件，以及開發(fā)用于工業(yè)節(jié)能的先進熱交換器和用于碳捕獲的催化劑涂層?！?/div>

LACS 的實際應用 — 航空航天

LACS 的一個特殊優(yōu)勢是它能夠制造和維修定制零件，這一能力對航空航天極為有用。航空航天需要制造通常較為復雜的高精度、高強度和相對小批量的零件。使用傳統(tǒng)制造技術，最具成本效益的解決方案是一次性制造特定型號所需的所有零件，并將它們存儲在倉庫中，直到需要時再使用。這帶來了兩個主要問題：存儲占用大量空間且成本高昂；而且，一旦零件用過，就沒有剩余的零件可供維修。結果，飛機可能會變得無法使用，因為沒有替換零件來修理它們 — — 協(xié)和式飛機 G-BBDG 就是一個引人注目的例子，該型號最終于 2003 年退役。

LACS 提供了一種可持續(xù)、經(jīng)濟高效的維修方案，在更極端的情況下，甚至可以從基礎部件進行再制造。傳統(tǒng)的維修技術（例如焊接）不適用于高性能應用，例如 6000 系列鋁材。將新舊材料粘合在一起所需的加熱會影響維修部件的強度和可靠性。

△LACS 加工過程

比爾和他的團隊已經(jīng)證明，LACS 采用相對低溫的局部激光加熱技術，可以添加新材料，且不會產(chǎn)生任何副作用。此外，與 3D 打印一樣，LACS 設備可以通過編程，根據(jù)計算機模型進行特定設計構建，從而將復雜的數(shù)字設計快速轉化為實際產(chǎn)品。

Martin Sparkes 博士表示：“這對許多行業(yè)來說具有變革意義，它允許在短時間內(nèi)按需制造和維修定制部件，具有低成本、低能耗和高效利用材料的優(yōu)勢?！盋IP實驗室首席研究員?！拔覀兒芨吲d能與行業(yè)合作伙伴攜手，共同發(fā)揮這項獨特且影響深遠的技術的潛力?！?/div>

巨大的應用潛力

CIP 實驗室的下一步是增強 LACS的“3D 打印”能力。團隊正在探索多種途徑來實現(xiàn)這一目標，包括將部件安裝在移動臂上，使其能夠在 3D 空間中移動，以及增強對粉末流方向的控制，以產(chǎn)生清晰、光滑的邊緣。

最后，比爾教授說道：“目前，我們幾乎無法控制粉末的沉積形狀。這對于涂層來說并非問題，但對于零件制造應用而言卻是一個重大制約因素。我們的下一個目標是找到突破這一限制的解決方案，并且已經(jīng)取得了一些非常有希望的成果。LACS 的潛在應用是無限的，我們致力于通過更高效、低浪費的制造技術以及它為可持續(xù)產(chǎn)品開發(fā)打開的大門，提供一種能夠顯著幫助實現(xiàn)凈零轉型的技術?！?/div>