激光辅助超音速冷喷涂3D打印技术：金属/陶瓷低成本制造

2025年7月6日，南极熊获悉，来自剑桥大学制造业研究所 (IfM)工业光子学中心(CIP)的研究人员开发了一种名为激光辅助冷喷涂（LACS）的新型增材制造技术。LACS工艺将局部激光加热与超音速粉末流相结合，以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中存在的高温和材料限制。

研究团队已证明LACS在航空航天应用中的有效性，其中高精度和局部材料沉积至关重要。这项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还能减少材料浪费和能源消耗，从而支持空天行业向净零排放转型。

激光辅助冷喷涂工艺的应用前景

传统的制造技术通常涉及使用减材方法从实体块中去除多余的材料，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的方式，通常称为 3D 打印。LACS 工艺可以从零开始创建零件，或在现有组件上添加涂层和特性，这在高性能涂层、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中尤为有用。

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，并最大程度地减少材料浪费。它能够整合多种材料以实现增强的性能，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为重要。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。

截至 2023 年，英国占据全球增材制造市场约 7.6% 的份额，而基于增材熔覆体系的份额则更小。全球增材制造市场预计将大幅增长，到2030年将达到700亿美元至880亿美元。取决于各种市场分析。这一预期增长凸显了这一快速发展的行业中蕴藏的巨大创新和发展机遇。

技术原理

制造业研究所 (IfM) 的工业光子学中心 (CIP) 在比尔奥尼尔教授、激光工程师和制造专家团队的领导下，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。

△LACS 加工过程

比尔说道：“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）或聚合物而不熔化它们的技术，可用于制造、涂层或修复零件。我第一次接触冷喷涂是在利物浦大学工作期间，并在那里建立了我的第一家专门从事冷喷涂的工厂。起初，我们专注于使用氮气作为粉末的载气。当处理航空航天领域常用的高强度材料（例如钛合金和铝合金）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，能够提高冷喷涂中的粒子速度，从而增强冲击能量并改善与基材的附着力。“

但是氦气成本高昂，每分钟运行成本约为80英镑，因此氦气的需求构成了一项重大挑战。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部件的尺寸，因为它们必须装入一个专为收集过量氦气而设计的尺寸有限的腔室中。

△LACS 设备设置用于添加涂层以修复飞机机翼面板

CIP实验室高级研究员安德鲁·科克伯恩博士说：“想象一下，尝试将涂层涂在飞机覆层的一部分上。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，比尔团队发明了这种被称为“激光辅助冷喷涂（LACS）”的工艺。LACS通过增加激光对沉积位置进行局部加热（降低基材屈服应力），从而更高效地沉积固态材料粉末，从而使材料之间无需熔化即可形成更牢固的结合。

△LACS 工艺示意图，显示激光束加热粉末沉积区。

除了通过去除氦气来降低成本外，LACS 还比其他冷喷涂方法具有一些显著的优势：

(1) 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。

(2) 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/部件中。这对于具有特殊特性且易受损的材料（例如纳米结构涂层和稀土磁体）而言，是一个显著的优势。

(3) 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。这些材料包括金属陶瓷、难熔金属和抗氧化合金。

(4) 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，从而改善机械性能。它还能最大程度地降低孔隙率，增强沉积层的结构完整性和耐久性。

(5) 对基材的热影响极小。与传统的热喷涂方法不同，LACS 可使基材保持在熔点以下，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。

(6) 速度很快——每小时最多可添加 10 公斤涂料。

(7) 降低整个工艺的温度。激光辅助工艺可在较低的气体温度下运行，例如400-700 ℃，而冷喷涂则需要高达 1200 ℃，从而降低了功耗并简化了系统设计。

(8) 通过定制粉末对涂层性能进行精细调整，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。

比尔教授解释道：“开发具有先进加工能力的新一代创新制造技术可以极大地帮助实现净零排放。定制材料属性的能力是真正的游戏规则改变者，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、加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 的一个特殊优势是它能够制造和维修定制零件，这一能力对航空航天极为有用。航空航天需要制造通常较为复杂的高精度、高强度和相对小批量的零件。使用传统制造技术，最具成本效益的解决方案是一次性制造特定型号所需的所有零件，并将它们存储在仓库中，直到需要时再使用。这带来了两个主要问题：存储占用大量空间且成本高昂；而且，一旦零件用过，就没有剩余的零件可供维修。结果，飞机可能会变得无法使用，因为没有替换零件来修理它们 — — 协和式飞机 G-BBDG 就是一个引人注目的例子，该型号最终于 2003 年退役。

LACS 提供了一种可持续、经济高效的维修方案，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。

比尔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，且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。

Martin Sparkes 博士表示：“这对许多行业来说具有变革意义，它允许在短时间内按需制造和维修定制部件，具有低成本、低能耗和高效利用材料的优势。”CIP实验室首席研究员。“我们很高兴能与行业合作伙伴携手，共同发挥这项独特且影响深远的技术的潜力。”

巨大的应用潜力

CIP 验室的下一步是增强 LACS的“3D 打印”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。

最后，比尔教授说道：“目前，我们几乎无法控制粉末的沉积形状。这对于涂层来说并非问题，但对于零件制造应用而言却是一个重大制约因素。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。LACS 的潜在应用是无限的，我们致力于通过更高效、低浪费的制造技术以及它为可持续产品开发打开的大门，提供一种能够显著帮助实现净零转型的技术。”

南极熊近期热文：