第一篇：激光熔覆技术分析与展望讲解
激光熔覆技术分析与展望
作者：张庆茂激光熔覆是一种新型的涂层技术，是涉及到光、机、电、材料、检测与控制等多学科的高新技术，是激光先进制造技术最重要的支撑技术，可以解决传统制造方法不能完成的难题，是国家重点支持和推动的一项高新技术。目前，激光熔覆技术已成为新材料制备、金属零部件快速直接制造、失效金属零部件绿色再制造的重要手段之一，已广泛应用于航空、石油、汽车、机械制造、船舶制造、模具制造等行业。为推动激光熔覆技术的产业化，作者：张庆茂
激光熔覆是一种新型的涂层技术，是涉及到光、机、电、材料、检测与控制等多学科的高新技术，是激光先进制造技术最重要的支撑技术，可以解决传统制造方法不能完成的难题，是国家重点支持和推动的一项高新技术。目前，激光熔覆技术已成为新材料制备、金属零部件快速直接制造、失效金属零部件绿色再制造的重要手段之一，已广泛应用于航空、石油、汽车、机械制造、船舶制造、模具制造等行业。
为推动激光熔覆技术的产业化，世界各国的研究人员针对激光熔覆涉及到的关键技术进行了系统的研究，已取得了重大的进展。国内外有大量的研究和会议论文、专利介绍激光熔覆技术及其最新的应用：包括激光熔覆设备、材料、工艺、监测与控制、质量检测、过程的模拟与仿真等研究内容。但到目前为止，激光熔覆技术还不能大面积工业化应用。分析其原因，这里有政府导向的因素、激光熔覆技术本身成熟程度的限制、社会各界对激光熔覆技术的认可程度等因素。因此，激光熔覆技术欲实现全面的工业化应用，必须加大宣传力度，以市场需求为导向，重点突破制约发展的关键因素，解决工程应用中涉及到的关键技术，相信在不远的将来，激光熔覆技术的应用领域及其强度将不断的扩大。下面介绍激光熔覆技术几个发展的动态，以飨读者。
激光熔覆的优势
激光束的聚焦功率密度可达1010~12W/cm2，作用于材料能获得高达1012K/s的冷却速度，这种综合特性不仅为材料科学新学科的生长提供了强有力的基础，同时也为新型材料或新型功能表面的实现提供了一种前所未有的工具。激光熔覆所创造的熔体在高温度梯度下远离平衡态的快速冷却条件，使凝固组织中形成大量过饱和固溶体、介稳相甚至新相，已经被大量研究所证实。它提供了制造功能梯度原位自生颗粒增强复合层全新的热力学和动力学条件。同时激光熔覆技术制备新材料是极端条件下失效零部件的修复与再制造、金属零部件的直接制造的重要基础，受到世界各国科学界和企业的高度重视和多方面的研究。
目前，利用激光熔覆技术可以制备铁基、镍基、钴基、铝基、钛基、镁基等金属基复合材料。从功能上分类：可以制备单一或同时兼备多种功能的涂层如：耐磨损、耐腐蚀、耐高温等以及特殊的功能性涂层。从构成涂层的材料体系看，从二元合金体系发展到多元体系。多元体系的合金成分设计以及多功能性是今后激光熔覆制备新材料的重要发展方向。
最新的研究表明，在我国工程应用中钢铁基的金属材料占主导地位。同时，金属材料的失效（诸如腐蚀、磨损、疲劳等）大多发生零部件的工作表面，需要对表面进行强化。为满足工件的服役条件而采用大块的原位自生颗粒增强钢铁基复合材料制造，不仅浪费材料，而且成本极高。另一方面，从仿生学的角度考察天然生物材料，其组成为外密内疏，性能为外硬内韧，且密—疏、硬—韧从外到内是梯度变化的，天然生物材料的特殊结构使其具有优良的使用性能。根据工程上材料特殊的服役条件和性能的要求，迫切需要开发强韧结合、性能梯度变化的新型表层金属基复合材料。因此，利用激光熔覆的方法制备与基材呈冶金结合的梯度功能原位自生颗粒增强金属基复合材料不仅是工程实践的迫切需要，也是激光表面改性技术发展的必然趋势。激光熔覆技术制备原位自生颗粒增强金属基复合材料、功能梯度材料已有报道，但大部分停留在组织、性能分析，工艺参数的控制阶段，增强相的尺寸、间距和所占的体积比还不能达到可控制的水平，梯度功能是通过多层涂覆形成的，不可避免地在层与层之间存在界面弱结合的问题，距离实用还有相当长的路。利用激光熔覆技术制备颗粒大小、数量、分布可控，强韧性适当匹配，集梯度功能和原位自生颗粒增强为一体的金属基表层复合材料是今后重要的发展方向。研究内容涉及到：
● 熔覆材料成分、组织、性能设计的技术、手段和原理及其工艺实现的控制技术。
● 激光熔覆制备功能梯度原位自生颗粒增强金属基复合材料颗粒增强相析出、长大和强化的热力学和动力学模型的建立。
● 颗粒增强相形态、结构、功能和复合的仿生设计和尺寸、数量、分布的控制技术。
● 涂层成分、组织和性能梯度控制的原理、关键因素和工艺方法的研究。
● 宏观、微观界面的观察、分析控制和表征；功能梯度原位自生颗粒增强金属基复合材料常规性能的分析和检测以及不同工况下的磨损行为及失效机制。
这些研究内容的突破，有可能解决涂层与基体相容性不匹配，易于产生裂纹的问题，促进激光熔覆技术应用领域的拓宽。
激光复合熔覆技术
激光熔覆是由激光作为热源，在基底上包覆一层性能极为优良的合金层，其性能将依照所处理零件的具体要求而定。激光熔覆方法的优点是覆层组织细密、性能优异、热应力小、变形小以及无污染等。其缺点也是很明显的：需要很高功率的激光器、单道搭接扫描不适宜大面积处理，难于实现产业化等。为解决这些难题，采用激光复合熔覆技术是有效的途径之一，也是今后发展的重要方向。激光复合熔覆就是采用普通加热方法，再加上激光复合加热来完成熔覆处理工作。普通加热方法根据需要可以是电加热、各类感应加热等。归纳起来，激光复合熔覆技术具有如下的特点：
●“常规（如感应）＋激光”二者复合加热熔覆是集两种加热工艺的优点，同时克服了各自单一方法的不足，充分体现了优势互补的特点。
● 用常规方法辅佐了激光加热，从而可以实现用较小功率的激光器完成由原来必需很高功率也不易完成的大面积熔覆，是单一方法无论如何也不易做到的。
● 激光复合熔覆技术扩大了常规技术的新的更广应用，而对常规技术的采纳又进一步促进了激光熔覆技术的应用和产业化的进程。
● 激光复合熔覆技术特别适用于细长杆类，尺寸在一定范围内的轴类等零件，如抽油泵柱塞、某些类型的轧辊及特殊用途的轴等。
新型激光源的熔覆技术
目前，激光熔覆主要采用的是CO2气体激光器，用于大型零件的激光熔覆，见图2和图3，少部分采用YAG激光器。YAG激光熔覆常采用脉冲激光熔覆。最近的工程应用表明，采用YAG激光熔覆在小型零部件方面更有优势。
发展的另一个重要的趋势是采用高功率半导体激光器，利用波长范围808-965μm的红光或近红外激光，较CO2 激光器来看金属易吸收，可省去前期预处理，方便易操作。大功率半导体激光熔覆技术较其他熔覆方法具有显著的优势，见表1。同时，半导体激光可以实现与同轴送粉一体化控制及应用光纤传输与扩束技术进行导光聚焦，实现全封闭传输或光纤传输，实现光、机、电、粉、控一体化高度集成控制；与机器手（人）结合，小型化，可实现移动在线服务，满足不同层次的需求。可以预见，在传统CO2、YAG激光熔覆技术之外，新型的大功率半导体激光熔覆设备与工艺，必将逐步发展起来并满足高质量表面工程的需要，成为激光表面处理的重要组成部分。
极端条件下的激光熔覆技术
随着激光熔覆技术的成熟与发展，陆续成功的应用于瓦楞辊的激光熔覆见图4，缸套火焰环的激光熔覆直接制造见图5，发动机部件修复见图6等。实现了以激光为主要加工手段对各种金属部件的几何缺失，按照原制造标准进行几何尺寸的回复、性能的提升。随着科学技术和工程技术的发展与需要，金属部件工作的条件愈来愈苛刻，经常工作在高交变应力、高温、高速、高腐蚀等极端条件下。因此，制造金属部件的材料需要同时具有多种性能才能满足零件特殊的服役条件。而且这些部件的制造成本、制造周期长，一旦失效产生巨大的经济损失和安全事故。如轮机装备中，各类重要的部件如：叶片、转子轴颈、阀杆、叶轮、阀门等；飞机发动机、内燃机部件等。这些工程上的技术难题，为激光熔覆技术提出了新的挑战。因此，如何解决极端条件下失效零部件的修复问题是十分迫切和复杂的，需要对极端条件下，零部件的失效形式分析，剩余寿命进行评估，选择合适的材料、工艺方法。因此，以极端条件下关键零部件的强化与修复为切入点，系统研究激光熔覆强化与再制造技术，通过若干关键技术的联合攻关，获得适合于极端条件下，各种零部件强化与修复的总体技术。重点需要攻关的方向：
● 极端条件下，失效零部件修复（强化）前后，寿命评估技术；
● 极端条件下，失效零部件无损伤修复技术的研究；
● 极端条件下，失效零部件激光修复专用合金材料的研究；
● 实体测量、三维实体堆积造型修复控制系统、修复过程温度、几何尺寸和质量智能监控系统的研究；
● 专用的修复附属装备的研究；
● 修复层性能测试技术及其加工技术的研究。
激光熔覆技术的展望
激光熔覆技术是集材料制备和表面构型为一体，是绿色再制造技术的重要支撑技术之一，符合国家可持续发展战略的高新技术。我国科学工作者在基础理论研究方面处在国际先进水平，为激光熔覆技术的发展做出了巨大的贡献。但另一方面，激光熔覆技术的应用水平和规模还不能适应市场的需求。需要解决工程应用中的关键技术，研究开发专用的合金粉末体系，开发专用的粉末输送装置与技术，系统研究无损伤修复的工艺方法，建立质量保证和评价体系，加大力度，培养工程应用方面的人才，相信在制造业市场竞争日趋激烈的今天，激光熔覆技术大有可为。
作者简介
张庆茂，男，工学博士，教授，广东激光加工技术产学研结合示范基地主任，广东省光学学会激光加工专业委员会秘书长。
近年来，主持或参与了国家“九五”、广东、广州、吉林等省市、企业多项课题。主要的研究方向：激光加工过程的数值模拟；激光制备原位析出颗粒增强梯度功能金属基复合材料强化、韧化机理的研究；基于高能激光束的关键金属零件表面强化、修复技术；激光微加工系统集成与工艺技术的研究；非金属材料的光束处理技术。先后在国内外期刊和重要的学术会议发表研究论文近六十余篇。
第二篇：20081182098-激光熔覆技术的应用
激光熔覆技术在航空领域中的应用
激光熔覆技术可显著改善金属表面的耐磨、耐腐、耐热水平及抗氧化性等。目前有关激光熔覆的研究主要集中在工艺开发、熔覆层材料体系、激光熔覆的快速凝固组织及与基体的界面结合和性能测试等方面。
航空领域是关系到国家安全的重要领域，也是国家重点支持的战略行业。如何将激光熔覆技术更好的运用于我国的航空制造具有极为重要的战略意义。航空材料是武器装备研发与生产的重要物质基础和科技先导，强化航空材料基体硬度和耐磨性能对于航空材料的改进具有极为重要的意义。如大功率激光器的开发和应用，为航空材料表面改性提供了新的手段，也为材料表面强化技术的发展开辟了一条新的途径。陶瓷材料具有金属材料不可比拟的高硬度和高化学稳定性，因此可以针对零件的不同服役条件，选择合适的陶瓷材料，利用高能密度激光束加热温度高和加热速度快的特点，在金属材料（如钛合金）表面熔覆一层陶瓷涂层，从而将陶瓷材料优异的耐磨、耐蚀性能与金属材料的高塑性、高韧性有机地结合起来，可大幅度提高航空零件的使用寿命。
激光熔覆技术在飞机零件制造中的应用
飞机机体和发动机钛合金构件除了在工作状态下承受载荷外，还会因发动机的启动/停车循环形成热疲劳载荷，在交变应力和热疲劳双重作用下，产生不同程度的裂纹，严重影响机体或发动机的使用寿命，甚至危及飞行安全。因此，需要研究航空钛合金结构的表面强化方式，发挥其性能优势，使之得以更广泛的应用。
陶瓷分为氧化物陶瓷和碳化物陶瓷，氧化铝、氧化钛、氧化钴、氧化铬及其复合化合物是应用广泛的氧化物陶瓷，也是制备陶瓷涂层的主要材料。碳化物陶瓷难以单独制备涂层，一般与具有钴、镍基的自熔合金制备成金属陶瓷，该金属陶瓷具有很高的硬度和优异的高温性能，可用作耐磨、耐擦伤、耐腐蚀涂层，常用的有碳化钨、碳化钛和碳化铬等[7]。采用激光熔覆制备陶瓷涂层可先在材料表面添加过渡层材料（如NiCr、NiAl、NiCrAl、Mb等），然后用脉冲激光熔覆，使过渡层中的Ni、Cr合金与陶瓷中Al2O3、ZrO2等材料熔覆在基体的表面，形成多孔性，基体中的金属分子也能扩散到陶瓷层中，进而改善涂层的结构和性能。将陶瓷涂层激光熔覆用于航空发动机涡轮叶片是一项很有应用价值的高新技术，常用的激光熔覆材料见表1。
飞机制造中较多采用钛合金，如Ti-6Al-4V钛合金用于制造高强度/重量比率、耐热、耐疲劳和耐腐蚀的零部件。但在这些钛合金的加工制造中，传统工艺方法有许多难以克服的弱点，如生产隔板是由数英寸厚和数十千克重的齿形合金板加工而成的，而获得这些合金板成品需要一年以上。因为难以加工，加工这种零件需要花费加工中心数百小时的工作量，磨损大量的刀具。而激光熔覆技术在这方面具有较大优势，可以强化钛合金表面、减少制造时间。
激光熔覆是现代工业应用潜力最大的表面改性技术之一，具有显著的经济价值。20世纪80年代初，英国Rolls·Royce公司采用激光熔覆技术对RB211涡轮发动机壳体结合部位进行硬面熔覆，取得了良好效果。表2所示是激光熔覆在航空制造中应用的几个实例。
近年来，美国AeroMet公司的研发有了实质性的进展，他们生产的多个系列Ti-6Al-4V钛合金激光熔覆成形零件已获准在实际飞行中使用。其中F-22战机上的2个全尺寸接头满足疲劳寿命2倍的要求，F/A-18E/F的翼根吊环满足疲劳寿命4倍的要求，而升降用的连接杆满足飞行要求、寿命超出原技术要求30%[9]。采用激光熔覆技术表面强化制造的钛合金零部件不仅性能上超出传统工艺制造的零件，同时由于材料及加工的优势，生产成本降低20%～40%，生产周期也缩短了约80%。激光熔覆在航空零部件修复中的应用
激光熔覆技术对飞机的修复产生了直接的影响，优点包括修复工艺自动化、低的热应力和热变形等。由于人们期待飞机寿命不断延长，需要更加复杂的修复和检修工艺。涡轮发动机叶片、叶轮和转动空气密封垫等零部件，可以通过表面激光熔覆强化得到修复。例如，用激光熔覆技术修复飞机零部件中裂纹，一些非穿透性裂纹通常发生在厚壁零部件中，裂纹深度无法直接测量，其他修复技术无法发挥作用。可采用激光熔覆技术，根据裂纹情况多次打磨、探伤，将裂纹逐步清除，打磨后的沟槽用激光熔覆添加粉末的多层熔覆工艺填平，即可重建损伤结构，恢复其使用性能[10]。
激光熔覆发动机涡轮叶片用到的基体材料和合金粉末见表3。用于熔覆的粉末粒子成球状，尺寸小于150μm。不同合金粉末的熔覆层要选用不同的工艺参数，以获得最佳的熔覆效果。
把受损涡轮叶片顶端修覆到原先的高度。激光熔覆过程中，激光束在叶片顶端形成很浅的熔深，同时金属粉末沉积到叶片顶端形成焊道。在计算机数值控制下，焊道层叠使熔覆层增长。与激光熔覆受损叶片不同的是，手工钨极氩弧堆焊的叶片堆焊后的叶片必须进行额外的后处理。叶片顶端要进行精密加工以露出冷却过程中形成的空隙，而激光熔覆省去了这些加工过程，大大缩减了时间和成本。
在航空领域，航空发动机的备件价格很高，因此在很多情况下备件维修是比较合算的。但是修复后零部件的质量必须满足飞行安全要求。例如，航空发动机螺旋桨叶片表面出现损伤时，必须通过一些表面处理技术进行修复。激光熔覆技术可以很好的用于飞机螺旋桨叶片激光三维表面熔覆修复。
图1所示的航空发动机叶片是经过激光修复的。熔覆材料（合金粉末）为Inconel 625（Cr-Ni-Fe 625合金粉末），叶片材料为Inconel 713。通过金相方法检测熔覆层的截面可以发现，激光熔覆后在叶片基体材料和熔覆层之间形成了一个冶金结合的熔覆过渡区[11]。
激光熔覆可以强化材料表面的合金熔覆层、提升合金表面的力学和化学性能。堆焊合金粉末是较理想的激光熔覆材料，具有很高的应用价值。堆焊合金粉末可以在激光束照射下快速地熔化，而后熔覆在航空零部件的表面。这个过程可以采用预置涂层法，预置材料可以是丝材、板材、粉末等，最常用的材料为合金粉末。激光熔覆先将熔覆材料预置于基体表面的待熔覆部分，然后用激光束扫描熔化熔覆材料和基体表面来实现表面强化。
熔覆区在激光束和送粉系统的作用下形成，基体材料和合金粉末决定了表面熔覆层的性质。激光直接照射在基体表面形成了一个熔池，同时合金粉末被送到熔池表面。氩气在激光熔覆的过程中也被送入熔池处以防止基体表面发生氧化。形成的熔池在基体表面，如果合金粉末和基体表面都是固态，合金粉末粒子接触到基体表面时会被弹出，不会黏着在基体表面发生熔覆；如果基体表面是熔池状态，合金粉末粒子在接触到基体表面时就会被黏着，同时在激光束作用下发生激光熔覆现象，形成熔覆带。图2所示是用激光熔覆技术修复的涡轮叶片。
激光熔覆层的耐磨性与硬度成正比。熔覆层的硬度、耐磨性、耐腐蚀性和抗疲劳性能一般难以兼顾。通过激光熔覆工艺可以改善基体表层的显微组织和化学成分。
激光熔覆工艺与钨极氩弧焊（TIG）熔覆工艺相比有很大的优势。激光熔覆层的性质取决于熔覆合金元素的比例。为了达到最好的预期效果，须尽可能地避免基体材料的稀释作用，因为熔覆层的硬度和基体材料的稀释成反比。在Inconel 792合金表面，分别采用激光熔覆和钨极氩弧焊熔覆Rene142合金粉末，显微硬度的比较如图3所示。
从图3中可见，激光熔覆产生的强化表层硬度比钨极氩弧焊熔覆的表面硬度要高，其原因在于激光熔覆层的高凝固速度以及在溶池中产生的强对流效应。因此，激光熔覆技术相对钨极氩弧焊熔覆在航空领域更具有应用价值。
相关资料表明，采用激光熔覆技术修复后的航空部件强度可达到原强度的90％以上，更重要的是缩短了修复时间，解决了重要装备连续可靠运行所必须解决的转动部件快速抢修难题。
激光熔覆在航空材料表面改性中的应用
激光熔覆高硬度、耐磨和耐高温涂层
为了防止在高速、高温、高压和腐蚀环境下工作的零部件因表面局部损坏而报废，提高零部件的使用寿命，世界各国都在致力于研发各种提高零件表面性能的技术[12]。传统的表面改性技术（如喷涂、喷镀、堆焊等）由于层间结合力差和受固态扩散差的限制，应用效果并不理想。大功率激光器和宽带扫描装置的出现，为材料表面改性提供了一种新的有效手段。激光熔覆是经济效益高的新型表面改性技术，它可以在廉价、低性能基材上制备出高性能的熔覆层，从而降低材料成本，节约贵重的稀有金属，提高金属零件的使用寿命[13]。
现代飞机制造中大量使用钛合金和铝合金，例如美国的第四代战机F-22机体钛合金的使用量已达到41%，而美国先进的V2500发动机钛合金的用量也达到了30%左右。钛及钛合金具有高比强度、优良的耐腐蚀、良好的耐高温性能，可以减轻机体重量、提高推重比。钛合金的缺点是硬度低、耐磨性差。纯钛的硬度为150～200HV，钛合金通常不超过350HV。在很多情况下，由于钛及钛合金表面会生成一层致密的氧化膜从而起到防腐蚀的作用，但是在氧化膜破裂、环境恶劣或发生缝隙腐蚀时，钛合金的耐腐蚀性能将大大降低。
2000年首飞的美国F-35战机上铝合金总用量在30%以上[14]。但是铝合金的强度不够高，使用时易生产塑性变形，特别是铝合金表面硬度低、耐磨性很差，在某种程度上制约了它的应用。
经过激光熔覆的钛合金表面显微硬度为800-3000HV。用激光熔覆技术对铝合金表面进行表面强化是解决铝合金表面耐磨性差、易塑性变形等问题的有效方法。与其他表面强化方法相比，该方法强化层与铝基体之间具有冶金结合特点，结合强度高。熔覆层的厚度达到1～3mm，组织非常细小，熔覆层的硬度高、耐磨性好，并具有较强的承载能力，从而避免了软基体与强化层之间应变不协调而产生裂纹。另外，在钛合金、铝合金表面熔覆高性能的陶瓷涂层，材料的耐磨性、耐高温性能等可以得到大幅度提高。
激光熔覆获得热障涂层
近年来，航空发动机燃气涡轮机向高流量比、高推重比、高进口温度的方向发展，燃烧室的燃气温度和燃气压力不断提高，例如军用飞机发动机涡轮前温度已达1800℃，燃烧室温度达到2000℃～2200℃，这样高的温度已超过现有高温合金的熔点。除了改进冷却技术外，在高温合金热端部件表面制备热障涂层（Thermal Bamer Coating，TBCs）也是很有效的手段，它可达到1700℃或更高的隔热效果，以满足高性能航空发动机降低温度梯度、热诱导应力和基体材料服役稳定性的要求[15-16]。20世纪70年代陶瓷热障涂层（TBCs）被成功用于J-75型燃气轮机叶片，世界各国投入巨资对其从材料到制备工艺展开了深入的研究。
20世纪80年代以来，在材料表面激光熔覆陶瓷层获得了致密的柱体晶组织，提高了应变容限；致密、均匀的激光重熔组织以及较低的气孔率可降低粘结层的氧化率，阻止腐蚀介质的渗透。可利用大功率激光器直接辐射陶瓷或金属粉末，将其熔化后在金属表面形成冶金结合，得到垂直于表面的柱状晶组织。由于熔覆层凝固的次序由表到里，表层组织相对细小，这样的结构有利于缓和热应力，例如用激光熔敷方法得到了8%（质量分数）氧化钇部分稳定氧化锆（YPSZ）热障涂层。也可将混合均匀的粉末置于基体上，利用大功率激光器辐射混合粉末，通过调节激光功率、光斑尺寸和扫描速度使粉末熔化良好、形成熔池，在此基础上进一步通过改变成分向熔池中不断加入合金粉末，重复上述过程，即可获得梯度涂层。
关键部件表面通过激光熔覆超耐磨抗蚀合金，可以在零部件表面不变形的情况下提高零部件的使用寿命、缩短制造周期。激光熔覆生产的热障涂层有良好的隔热效果，可以满足高性能航空发动机降低温度梯度、热诱导应力和基体材料服役稳定的要求。
结束语
激光熔覆技术对航空工业的发展有着举足轻重的作用。激光熔覆技术可以提高飞机零部件表面的硬度、耐磨性、耐腐蚀和抗疲劳等性能,提高材料的使用寿命，还可以用于磨损零部件的修复处理,节约加工成本。激光溶覆技术应用于飞机零部件的制造,可以减少工件制造工序、提高零部件质量。随着当今科技的进步，飞机整体性能将进一步提高，对材料的要求也越来越高。激光熔覆技术的进一步完善和发展对航空业的技术进步具有重要的作用，航空材料将随着激光熔覆技术的发展呈现崭新的面貌。
第三篇：激光熔覆技术研究的论文
介绍了激光熔覆技术的发展、应用、设备及工艺特点，简述了激光熔覆技术的国内外研究现状，指出了激光表面改性技术存在的问题，展望了激光熔覆技术的发展前景。
0引言
激光熔覆技术是20世纪70年代随着大功率激光器的发展而兴起的一种新的表面改性技术，是指激光表面熔敷技术是在激光束作用下将合金粉末或陶瓷粉末与基体表面迅速加热并熔化,光束移开后自激冷却形成稀释率极低,与基体材料呈冶金结合的表面涂层,从而显著改善基体表面耐磨、耐蚀、耐热、抗氧化及电气特性等的一种表面强化方法[1~3]。如对60#钢进行碳钨激光熔覆后，硬度最高达2200HV以上，耐磨损性能为基体60#钢的20倍左右。在Q235钢表面激光熔覆CoCrSiB合金后，将其耐磨性与火焰喷涂的耐蚀性进行了对比，发现前者的耐蚀性明显高于后者[4]。
激光熔覆技术是一种经济效益很高的新技术,它可以在廉价金属基材上制备出高性能的合金表面而不影响基体的性质，降低成本,节约贵重稀有金属材料，因此,世界上各工业先进国家对激光熔覆技术的研究及应用都非常重视[1-2、5-7]。
1激光熔覆技术的设备及工艺特点
目前应用于激光熔覆的激光器主要有输出功率为1~10kW的CO2激光器和500W左右的YAG激光器。对于连续CO2激光熔覆,国内外学者已做了大量研究[1]。近年来高功率YAG激光器的研制发展迅速,主要用于有色合金表面改性。据文献报道,采用CO2激光进行铝合金激光熔覆,铝合金基体在CO2激光辐照条件下容易变形,甚至塌陷[1]。YAG激光器输出波长为1.06μm,较CO2激光波长小1个数量级,因而更适合此类金属的激光熔覆。
同步注粉式激光表面熔覆处理示意图[8]
激光熔覆按送粉工艺的不同可分为两类:粉末预置法和同步送粉法。两种方法效果相似,同步送粉法具有易实现自动化控制,激光能量吸收率高,无内部气孔,尤其熔覆金属陶瓷,可以显著提高熔覆层的抗开裂性能,使硬质陶瓷相可以在熔覆层内均匀分布等优点。
激光熔覆具有以下特点[2、9]：
(1)冷却速度快(高达106K/s),属于快速凝固过程,容易得到细晶组织或产生平衡态所无法得到的新相,如非稳相、非晶态等。
(2)涂层稀释率低(一般小于5%),与基体呈牢固的冶金结合或界面扩散结合，通过对激光工艺参数的调整,可以获得低稀释率的良好涂层,并且涂层成分和稀释度可控;
(3)热输入和畸变较小,尤其是采用高功率密度快速熔覆时,变形可降低到零件的装配公差内。
(4)粉末选择几乎没有任何限制,特别是在低熔点金属表面熔敷高熔点合金;
(5)熔覆层的厚度范围大,单道送粉一次涂覆厚度在0.2~2.0mm,(6)能进行选区熔敷,材料消耗少,具有卓越的性能价格比;
(7)光束瞄准可以使难以接近的区域熔敷;
(8)工艺过程易于实现自动化。
很适合油田常见易损件的磨损修复。
2激光熔覆技术的发展现状
激光熔覆技术是—种涉及光、机、电、计算机、材料、物理、化学等多门学科的跨学科高新技术。它由上个世纪60年代提出,并于1976年诞生了第一项论述高能激光熔覆的专利。进入80年代,激光熔覆技术得到了迅速的发展,近年来结合CAD技术兴起的快速原型加工技术,为激光熔覆技术又添了新的活力。
目前已成功开展了在不锈钢、模具钢、可锻铸铁、灰口铸铁、铜合金、钛合金、铝合金及特殊合金表面钴基、镍基、铁基等自熔合金粉末及陶瓷相的激光熔覆。激光熔覆铁基合金粉末适用于要求局部耐磨而且容易变形的零件。镍基合金粉末适用于要求局部耐磨、耐热腐蚀及抗热疲劳的构件。钴基合金粉末适用于要求耐磨、耐蚀及抗热疲劳的零件。陶瓷涂层在高温下有较高的强度,热稳定性好,化学稳定性高,适用于要求耐磨、耐蚀、耐高温和抗氧化性的零件。在滑动磨损、冲击磨损和磨粒磨损严重的条件下,纯的镍基、钴基和铁基合金粉末已经满足不了使用工况的要求,因此在合金表面激光熔覆金属陶瓷复合涂层已经成为国内外学者研究的热点,目前已经进行了钢、钛合金及铝合金表面激光熔覆多种陶瓷或金属陶瓷涂层的研究[1、10]。
3激光熔覆存在的问题
评价激光熔覆层质量的优劣,主要从两个方面来考虑。一是宏观上,考察熔覆道形状、表面不平度、裂纹、气孔及稀释率等;二是微观上,考察是否形成良好的组织,能否提供所要求的性能。此外,还应测定表面熔覆层化学元素的种类和分布,注意分析过渡层的情况是否为冶金结合,必要时要进行质量寿命检测。
目前研究工作的重点是熔覆设备的研制与开发、熔池动力学、合金成分的设计、裂纹的形成、扩展和控制方法、以及熔覆层与基体之间的结合力等。
目前激光熔敷技术进一步应用面临的主要问题是:
①激光熔覆技术在国内尚未完全实现产业化的主要原因是熔覆层质量的不稳定性。激光熔覆过程中,加热和冷却的速度极快,最高速度可达1012℃/s。由于熔覆层和基体材料的温度梯度和热膨胀系数的差异,可能在熔覆层中产生多种缺陷,主要包括气孔、裂纹、变形和表面不平度[1]。
②光熔敷过程的检测和实施自动化控制。
③激光熔覆层的开裂敏感性，仍然是困扰国内外研究者的一个难题，也是工程应用及产业化的障碍[1、11]。目前，虽然已经对裂纹的形成扩进行了研究[1]，但控制方法方面还不成熟。
4激光熔覆技术的应用和发展前景展望
进入20世纪80年代以来,激光熔敷技术得到了迅速的发展,目前已成为国内外激光表面改性研究的热点。激光熔敷技术具有很大的技术经济效益,广泛应用于机械制造与维修、汽车制造、纺织机械、航海[12]与航天和石油化工等领域。
目前激光熔覆技术已经取得一定的成果,正处于逐步走向工业化应用的起步阶段。今后的发展前景主要有以下几个方面:
(1)激光熔覆的基础理论研究。
(2)熔覆材料的设计与开发。
(3)激光熔覆设备的改进与研制。
(4)理论模型的建立。
(5)激光熔覆的快速成型技术。
(6)熔覆过程控制的自动化。
第四篇：激光技术在多个领域的应用与研究进展讲解
激光技术在多个领域的应用与研究进展(广东 **大学 理学院,广东
【摘要】 自 1960年第一台红宝石激光器问世以来,激光器和激光放大器的发展 非常迅速。激光工作物质已包括晶体、玻璃、光纤、气体、半导体、液体及自由电 子等数百种之多。激光器诞生后 , 以激光器为基础的激光技术得到了广泛的应用 , 对 军事、经济、工农业产生了很大的影响 , 取得了很好的经济效益和社会效益。本文简 单的列出了激光在在多个方面和领域的应用和激光现在的发展技术。随着激光技术 的不断发展和成熟,必将对我们的生活生产和科技起到不可估量的作用。
【关键词】 激光技术 激光应用 激光进展 激光通信 激光医学 激光工程
一、引言
激光原理发现和激光器的诞生是 20 世纪科学技术的一项重大成就。是与原子 能、半导体、算机齐名的四项重大发明之一。激光的发明 , 是光学发展并与其他科 学技术领域紧密结合和相互渗透的产物。激光的出现不但引起了光学革命性的发展, 冲击了整个物理学,并且对其它学科如化学、生物学和技术及应用学科如电机工程 学、材料科学、通信、医学等都产生了巨大的影响。
二、激光在通信领域的应用与研究进展
激光通信依传输介质的不同,分为四种:光纤通信、大气通信、空间通信、水 下通信。
激光器在通信领域的应用 , 发展了光纤通信业 , 光纤通信在军、民用方面都得到 快速发展,它可工作在几十兆赫的短波、超短波波段,也可工作在微波波段一改过 去通信容量有限的面貌。基于 MEMS 技术的波长可调谐激光器被认为是光纤接入网的 最佳选择 【 1】 ,因其具有快速、低功耗、大调节范围的优点,现已逐步得到国内各重 要光通信研究机构的认同和追逐 【 2】。数字光纤通信用激光器代替模拟光纤通信用激 光器, 通过温度控制、预失真补偿电路等线性补偿方法, 以及在输入
端采用 AGC、固 定衰减器等动态范围补偿的方法,使数字光纤通信用激光器在线性度以及动态范围 两方面得到很大的提高,达到模拟光纤通信用激光器的水平,可以应用于短波、超 短波以及微波波段的模拟光纤通信中 【 3】。
大气激光通信是以大气作为传输介质的通信,是激光出现后最先研制的一种通 信方式。虽然大气的吸收、色散使得利用激光在地面上通信具有某种界限,但是目 前已利用气体激光器制造出能在良好气候的晚上传输信息达几百公里,在良好气候 的白天传输信息达几十公里的设备。光通信不但可以传送电话, 而且可以传送数据、传真、电视和可视电话等。现在研究工作主要集中在增大通信距离,提高全天候性 能和传输速率以及实现移动通信等方面 【 4】。21世纪是光电技术突飞猛进的年代, 大气激光通信技术势必将有较大的提高和发展,尤其是在电磁频谱复杂,电子干扰 日益强烈的战场环境,光通信显得尤为重要。因此研究和发展激光通信,加大通信 距离,实现全天候移动通信,是电子对抗和通信对抗的需要,也是未来发展的趋势 之一。
自由空间激光通信是利用激光作为载体在外空间进行高速率、大容量、高保密
性能的空问通信。其中包括深空、同步轨道、低轨道、中轨道卫星问的光通信,有 GEO(geosyn— chronous earth orbit, GEO 一 GEO、GEO — LEO(10w— earth orbit, LEO、LEO — LEO、LEO 一地面等多种形式,同时还包括卫星与地面站之间的通信 ⋯。空间机群指挥也是空间光通信的军事应用目标。由于不受大气粒子的影响,又具有 无损耗、无干扰、成本低、体积小、重量轻等优点,空间卫星光通信受到了相当的 关注 【 5】。空间激光通信系统从功能上分为通信分系统和捕获、跟踪、对准(ATP分系 统。通信分系统除实现高速率、高功率发射和宽带高灵敏度接收外,还将通信 束散角以非常狭窄的光束发射(近衍射极限,一般为十几微弧度量级。这是使空间 激光通信具有远距离、轻小型、高速率通信能力的基础 【 6】。空间激光通信系统经过近20年的快速发展.系统中的诸多关键技术已经取得了突破。目前,国际上已经成 功开展了多个链路的演示验证, 但是距离实际 T 程应用尚有距离。一方面是其丁程性、成熟度、可靠性还需要进一步提高.另一方面
是其通信速率尚没有充分发挥光通信 的技术优势.还需要不断提高以满足现代信息化的需求。
随着高新技术的发展,水下捕捞、探测、控制等的需要,逐渐形成了水下通信 这一个特殊的应用领域。由于海水对频率较高的电磁波的强吸收作用,电磁波在水 中的能量衰减很严重,几乎无法穿过海水传播,以致造成了传统电波在水下通信应 用中的无效性。激光器的发明和应用促进了光通信的发展, 更为水下 光通信带来了 福音,因此对具有高数据传输速率、优良的保密性和抗干扰性的水下通信研究有重 大的战略意义。美国在多次海上激光对潜通信试验的基础上,开展了星载对潜通信 的全面论证,计划采用装有大功率固体激光器的离地面仅有几百千米的廉价、低轨 道卫星, 代替先前计划采用的地球同步卫星, 以开展双工卫星-潜艇激光通信系统的
研究 【 7】。
三、激光在医学领域的应用与研究进展
激光是一方向性强, 单色性能好和能高度集中的相干光束, 利用透镜能聚焦成 非常小的光点,在光点上其能量密度非常高,并且可以在几个微秒或几个毫秒之内 发生作用,激光的光点经聚焦以后其直径可达几十个微米,因而在治疗时可以精确 地选择病变部位 【 8】。激光以其特有的优越性能解决了许多传统医学的难题。激光治 疗最早应用于眼科,对视网膜剥离、眼底血管
病变、虹膜切开、青光眼等一大批眼科疾患均能用激光治疗。激光手术刀具有术中 出血少, 可减少细菌感染等优点。激光与中医针灸术结合而形成的 “光针” , 对镇痛、哮喘、遗尿、高血压等有一定疗效。激光技术为现代医学提供了一种“神力” ,能够 治疗内科、外科、眼科、皮肤、肿瘤和耳鼻喉科的 100多种疾病 【 9】。
低强度医用激光器利用光生物调节作用(photobiomodulation, PBM 调节细胞、器官或组织的功能。PBM 是低强度单色光或激光(10w intensity monochromatic lightor laser irradiation , LIL 对生物系统的一种非损伤非热的光化学调节作用。与
分子发生共振作用的激光波长称为分子的特征波长。内源性光敏剂的特征波长在 可见光区域。细胞膜蛋白的特征波长比长波紫外(320~400nm(ultraviolet A.UVA 短。uL 作用对象的基本单位是细胞, 介导细胞 PBM 有两条通路:内源性光敏剂介导 PBM 的特异性通路,主要通过适量活性氧(reactive oxygenspecies , ROS 进行调节;细 胞膜上蛋白质分子介导 PBM 的非特异性通路,主要通过信号转导和基因表达进行调 节,服从 PBM 的生物信息模型。
高强度医用激光器利用高强度激光(tugh intensity laserirradiation.HIL 的光热效应、冲击波和光声效应等进行手术。HIL 手术和 PBM 在医学中的应用几乎总 是各自独立发展。HIL 光束中心强度非常高,可能损伤损伤半径以内的细胞,但光束在损伤半径以外的平均强度属于低强度范围,可以对损伤半径以外的细胞产生 PBM。HIL 光束损伤半径以 外的部分对没有损伤的细胞所产生的 PBM 可以简单地称为高强度激光生物调节作用(HILbiomodulation, HBM。所以 HIL 光束在损伤半径以内可以切除组织;损伤半径 以外的 HBM 依赖于 HIL 在损伤半径以外的平均剂量,可促进剩余器官的生长乃至恢复 器官的正常功能,或抑制剩余组织的生长 【 10】。
四、激光在工业领域的应用与研究进展
激光因具有单色性、相干性、和平行性三大优点,将此应用于材料加工,形成 一门新型的加工工业——激光工业。激光的空间控制性和时间控制性很好,对加工 对象的材质、形状、尺寸和加工环境的自由度都很大,与计算机数控技术相结合, 可构成高效自动化加工设备。广泛应用于汽车、电子、电器、航空、冶金、机械制 造等重要部门,对提高劳动生产率、产品质
量、自动化、无污染、减少材料消耗等起重要作用 【 11】。经过不断的研究开发,激光 已经广泛应用于切削加工、焊接、表面工程技术、非金属材料和硬质合金加工等方 面。
激光熔覆是通过在基材表面添加熔覆材料,并利用高能密度激光束辐照加热, 使熔覆材料和基材表面薄层发生熔化,并快速凝固,从而在基材表面形成与其为冶 金结合的添料熔覆层田。激光熔覆具有如下优点:激光束的能量密度高,加热速度 快,对基材的热影响较小,引起工件的变形小;控制激光的输入能量,可将基材的
稀释作用限制在极低的程度(一般为2％～8％，从而保持了原熔覆材料的优异性能； 激光熔覆层与基材之间结合牢固(冶金结合，且熔覆层组织细小。这些特点使得激 光熔覆技术近十年来在材料表面改性方面受到高度的重视 【12】。激光堆焊可以获得高性能(如耐磨性、耐腐蚀性能、抗氧化性能、热障性能等 的合金堆焊层，而且具有激光堆焊层与基体的结合为冶金结合，组织极细，覆层成 分及稀释率可控，覆层厚度大，热变形小，易实现选区堆焊，工艺过程易实现自动 化等特点。因此激光堆焊技术在材料的表面处理方面倍受关注，并在工业易损件修 复、双金属零件的制造等方面应用上已经取得了一定的成果。激光堆焊材料的成分 直接决定了堆焊层的使用性能，为了适应复杂的应用环境，人们研究出了多种成分、多种形态的堆焊材料。目前常用的堆焊材料为铁基合金、钴基合金、镍基合金。它 们共同的特点是较低的应力磨粒磨损能力，优良的耐磨蚀、耐热和抗高温氧化性能。其中铁基合金不仅因其价格低廉、而且由于通过调整成分、组织。可以在很大范围 内改变堆焊层的强度、硬度、韧性、耐磨、耐蚀、耐热和抗冲击性。是应用最为广。泛的一种堆焊合金【13】 激光对金属材料的表面处理，是近十年来发展起来的一项新技术。无论是对黑 色金属还是有色金属，在实践的应用中它都显示了独特的优越性，并在工业生产上 得到了广泛的应用。用激光处理金属，一般是以一定模式的激光光束对准工件需处 理的部位，由工件随工作台的移动（转动或平移）来实现激光扫描。为防止表面氧 化及等离子体的生成，常采用惰性气体保护系统，一般工件的处理均为空冷，有些 特殊要求件也可采用液氮冷却 【14】。由于激光加工显示出明显的质量和效益上的优越 性，使其应用得到迅速发展。6 激光打标可以按激光与材料作用的方式分为表面打标(如雕刻和材料转化(如 漂白。激光表面打标作为较早的一种方法，它是利用蒸发或烧蚀材料表面的一个浅
层来产生所需的标记。近年来，越来越盛行在塑料的亚表面打标。这种方法通常添 加某种敏感的颜料，激光经光化学作用改变塑料或所加颜料的颜色 【15】。未来的世纪，激光技术的新应用将不断使奇迹变得平凡，激光发展的历史证 明了这一点。激光技术将更深人地与人类的发展相联系，她会默默地服务于我们的 生活而不为我们所感知。参考文献： 【1】 牛燕炜，朱守正，陈燕仙，等.MEMS 开关可重构矩形缝隙环天线的设计[J].通信技术 2008(12：55-60.【2】 苏福根，金经莉.光纤通信中的 MEMS 外腔可调谐激光器技术 【J】.通信技术，2009，42（7）：393-396.【3】 王景国，曾奕衡.数字激光器在模拟光纤通信中的应用【J】.光纤与电缆及 其应用技术，2008（1）：38-40.【4】 王海先.大气中的激光通信技术 【J】.红外与激光工程，2001，（1）45-49.30 ： 【5】 陈娅冰，赵尚弘，朱蕊蘋，等.自由空间卫星激光通信【J】.系统工程与电 子技术，2003，25（9）：1173-1175.【6】 佟首峰，姜会林，张立中.高速率空间激光通信系统及其应用【J】.红外与 激光工程，2010，39（4）:649-654.【7】 邓小芳，周胜源，林基明.水下光通信系统的建模与仿真【J】.光通信技术，7 2009，33（6）：41-42.【8】 朱菁.激光医学【M】.上海：上海科学技术出版社，2003.【9】 王晓敏，陈培昕，李怡勇.激光在临床医学中的若干应用与进展【J】.医疗设 备信息，2006，21（6）：42-44.【10】 刘承宜，刘江，张燕，等.激光医学原理与医用激光器【J】.激光与光电子 进展，2006，43（9）：31-35.【11】 戴波.激光技术与工业应用【J】.装备制造技术，2009（2）：127-128.。在医学领域,建立了激光医疗产业, 【12】 刘录录，孙荣禄.激光熔覆技术及工业应用研究进展 【J】.热加工工艺，2007，36（11）：58-60.【13】 王小范，姚建华，张群莉.激光表面堆焊技术的应用及展望【J】.兵器材料 科学与工程，2005，28（4: 67-70.【14】姚建华，苏宝蓉.金属表面激光处理技术及其工业应用【J】.电力机车技术，2002，25（5）：28-30.【15】苏红新.激光打标的应用趋势【J】.光电子技术与信息，1998,11(3:32-35.8
第五篇：激光设备控制技术教材——第一章第八节讲解
第八节 他励直流电动机的制动
欲使电力拖动系统停车，对反抗性负载来说最简单的方法是断开电枢电源，这时电动机的电磁转矩为零，在空载损耗阻转矩的作用下，系统转速就会逐渐减小至零，这叫做自由停车法。停车过程中阻转矩通常都很小，这种停车方法一般较慢，特别是空载自由停车，更需要较长的时间。许多生产机械希望能快速减速或停车，或使位能负载能稳定匀速下放，这就需要拖动系统产生一个与旋转方向相反的转矩，这个起着反抗运动作用的转矩称制动转矩。
产生制动转矩的方法有两种：一是利用机械摩擦获得，称为机械制动，例如常见的抱闸装置；二是在电动机的旋转轴上施加一个与旋转方向相反的电磁转矩，称为电磁制动。判断电动机是否处于电磁制动状态的条件是：电磁转矩T的方向和转速n的方向是否相反。是，则为制动状态；否则为电动状态。
与机械制动相比，电磁制动的制动转矩大、操作方便、没有机械磨损，容易实现自动控制，所以在电动机拖动系统中得到广泛应用。本节主要介绍他励直流电动机的能耗制动、反接制动和回馈制动。
一、能耗制动
能耗制动原理图如图1-32所示。原来KM接通，电动机工作于电动运行状态；制动时KM断开，保持励磁电流不变，将电枢两端从电网断开，并立即接到一个制动电阻Rz上。能耗制动对应的机械特性如图1-33所示。这时从机械特性上看，电动机工作点从A点切换到B点，在B点因为U=0，所以Ia=-Ea/(Ra+Rz)，电枢电流为负值，由此产生的电磁转矩T也随之反向，由原来与n同方向变为与n反方向，进入制动状态，起到制动作用，使电动机减速，工作点沿特性曲线下降，由B点移至O点。当n=0，T=0时，若是反抗性负载，则电动机停转。
在这过程中，电动机由生产机械的惯性作用拖动，输入机械能而发电，发出的能量消耗在电阻Ra+Rz上，直到电动机停止转动，故称为能耗制动。
为了避免过大的制动电流对系统带来不利影响，应合理选择Rz，通常限制最大制动电流不超过额定电流的2～2.5倍。
EaUNRaRz（1-18）(22.5)IN(22.5)IN如果能耗制动时拖动的是位能性负载，电动机可能被拖向反转，工作点从O点移至C点才能稳定运行。能耗制动操作简单，制动平稳，但在低速时制动转矩变小。若为了使电动机更快地停转，可以在转速降到较低时，再加上机械制动相配合。
图1-33 能耗制动机械特性
二、反接制动
他励直流电动机的电枢电压U和电枢电动势Ea中的任何一个量在外部条件作用下改变方向，即两者由原来方向相反变为一致时，电动机即进入反接制动状态。因此反接制动可用两种方法实现，即电压反接（一般用于反抗性负载）与电动势反接（用于位能性负载）。
1.电压反接制动
电压反接制动原理图如图1-34所示，电动机原来工作于电动状态下，为使电动机迅速停车，现维持励磁电流不变，突然改变电枢两端外加电压U的极性，此时n、Ea的方向还没有变化，电枢电流Ia为负值，由其产生的电磁转矩的方向也随之改变，进入制动状态。由于加在电枢回路的电压为-(U+Ea)≈-2U，因此，在电源反接的同时，必须串接较大的制动电阻Rz，Rz的大小应使反接制动时电枢电流Ia≤2.5IN。
Rz
图1-35 反接制动时的机械特性
机械特性曲线见图1-35中的直线bc。从图中可以看出，反接制动时电动机由原来的工作点。沿水平方向移到b点，并随着转速的下降，沿直线bc下降。通常在c点处若不切除电源，电动机很可能反向启动，加速到d点。
所以电压反接制动停车时，一般情况下，当电动机转速n接近于零时，必须立即切断电
源，否则电动机反转。
电压反接制动效果强烈，电网供给的能量和生产机械的动能都消耗在电阻Ra+Rz上。
2.电动势反接制动
如图1-36所示，电动机原先提升重物，工作于a点，若在电枢回路中串接足够大的电阻，特性变得很软，转速下降，当n=0时(c点)，电动机的T仍然小于TL，在位能性负载倒拉作用下，电动机继续减速进入反转，最终稳定地运行在d点。此时n<0，T方向不变，即进入制动状态，工作点位于第四象限，Ea方向变为与U相同。电动势反接制动的机械特性方程和电枢串电阻电动运行状态时相同。
电动势反接制动时，电动机从电源及负载处吸收电功率和机械功率，全部消耗在电枢回路电阻Ra+Rz上。电动势反接制动常用于起重机低速下放重物，电动机串入的电阻越大，最后稳定的转速越高。
三、回馈制动
若电动机在电动状态运行中，由于某种因素(如电动机车下坡)而使电动机的转速高于理想空载转速时，电动机便处于回馈制动状态。n>n0是回馈制动的一个重要标志。因为当n>n0时，电枢电流Ia与原来n 回馈制动的机械特性方程式和电动状态时完全一样，由于Ia为负值，所以在第二象限，如图1-37所示。电枢电路若串入电阻，可使特性曲线的斜率增加。 例1.7 一台他励直流电动机，PN=5.6kW，UN=220V，IN=31A，nN=1000r/min，Ra=0.4Ω，负载转矩TL=49N.m，电枢电流不得超过2倍额定电流（忽略空载转矩T0）,试计算： ①电动机拖动反抗性负载，采用能耗制动停车，电枢回路应串入的制动电阻最小值是多少？ ②若采用电枢反接制动停车，电阻最小值是多少？ 解：①计算能耗制动电阻 CeNUNIaRa220310.40.208 nN1000电动状态的稳定转速 nUNRa2200.4T491010r/min CeNCeCTN20.2089.550.2082能耗制动电阻 RbkEaCeNn0.2081010RaRa0.42.99 IbkIbk231UNEa2200.2081010Ra0.46.54 Ibk231②Rbk
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