Тази статия прави преглед на напредъка на изследванията на технологията за лазерно облицоване, като обхваща основните принципи на лазерното облицоване, избор на материал, контрол на параметрите на процеса, конфигурация на оборудването и индустриално приложение. Лазерното облицоване има големи перспективи за приложение при подобряване на повърхностните характеристики на материалите поради малката зона на топлинно въздействие и високата якост на свързване. Статията очертава критериите за избор на материали за лазерна облицовка, състоянието на изследванията и разработките на метални/керамични/композитни материали, анализира стратегията за оптимизиране на параметрите за защита на лазер/сканиране/газ, обсъжда посоката на развитие на оборудване като лазери/дюзи/контрол системи и изброява примери за приложение в космическата промишленост, автомобилостроенето, металургията и други области. По-нататъшните иновации на технологията и оборудването за лазерно облицоване ще насърчат важната роля на тази технология за намаляване на разходите през жизнения цикъл и подобряване на надеждността на продукта.

Технологията за лазерно облицоване е технология, която използва високомощен лазер като източник на топлина за разтопяване на облицовъчния материал и след това го отлага върху повърхността на облицовъчния материал, за да генерира облицовъчен слой. В сравнение с традиционната технология за облицовка, лазерната облицовка има предимствата на малка зона, засегната от топлина, висока якост на свързване и почти никаква предварителна обработка на облицовъчния материал, което може да постигне локален прецизен ремонт. Лазерният облицовъчен слой има градиентна структура със субстрата, което е благоприятно за намаляване на топлинния стрес и остатъчното напрежение и подобряване на здравината на свързване. Тъй като технологията за лазерно облицоване беше предложена през 1960-те години на миналия век, с развитието на лазерната технология и науката за материалите, тя се превърна в ключова технология, широко използвана в областта на повърхностното инженерство.

В сравнение с облицовката с газова горелка, лазерната облицовка има тясна зона на топлинно въздействие, малко остатъчно напрежение и малко топлинно въздействие върху субстрата. В сравнение с плазменото пръскане, лазерният облицовъчен слой е здраво заварен към субстрата и има висока якост на свързване. В сравнение с облицовката с електронен лъч, лазерната облицовка може да работи без вакуум и е лесна за автоматизиране. Като цяло лазерното облицоване съчетава предимствата на висока плътност на мощността, силна колимация и висока гъвкавост на контрола на лазерите по време на процеса на облицовка, което го прави очевидни предимства при модификация на повърхността на материала.

Технологията за лазерно облицоване може да формира покритие със специфичен състав и свойства върху повърхността на метални или неметални материали и да постигне уникална устойчивост на износване, устойчивост на корозия, устойчивост на окисление, устойчивост на висока температура, устойчивост на умора и други многофункционални функции на повърхността на материала. , което значително разширява обхвата на приложение на материала. Технологията за лазерно облицоване е широко използвана в много промишлени области като космическата индустрия, автомобилостроенето, формите, металургията, машините, химикалите, фотоволтаиците, биомедицината и др., което е от голямо значение за подобряване на производителността и живота на продукта.

1 Изследване на лазерни облицовъчни материали

1.1 Избор и характеристики на лазерни облицовъчни материали
Изборът на подходящи облицовъчни материали е от решаващо значение за получаване на висококачествени облицовъчни слоеве. Като цяло се изисква отлична производителност на лазерно поглъщане и се вземат предвид параметри като точка на топене, плътност, коефициент на дифузия и остатъчно напрежение на материала. Често използваните материали включват метални прахове (на база кобалт, никел и др.), керамични прахове (алуминиев оксид, силициев карбид и др.) и предварително легирани съединения или смеси, направени от горните материали. Функционалните градиентни материали също могат да бъдат проектирани с помощта на различни материали.

В допълнение към добрата ефективност на лазерно поглъщане, облицовъчните материали също трябва да имат умерена точка на топене, висока стабилност, добра омокряемост и металургично свързване със субстрата. Металните облицовъчни материали могат да осигурят добра пластичност и плътност, докато керамичните облицовъчни материали имат висока твърдост и химическа стабилност. Чрез рационален избор на материали може да се получи композитен облицовъчен слой с множество свойства.

1.2 Функции и характеристики на лазерните облицовъчни материали
Чрез избор на различни материали за лазерна облицовка може да се получи отлична твърдост, устойчивост на износване, устойчивост на корозия, устойчивост на термична умора, устойчивост на окисляване, устойчивост на висока температура, биосъвместимост и т.н., което дава на повърхността на облицовъчния материал цялостна отлична производителност. Ефективността на облицовъчния слой е тясно свързана с фактори като състава на материала и големината на компонентите, параметрите на лазерния процес и т.н. Например, чрез избор на металокерамични композитни материали като WxC-NiCrBSi, устойчив на износване облицовъчен слой с метална пластичност и висока керамична твърдост могат да бъдат получени. Използвайки облицовъчни материали от сплав Inconel 718, може да се получи устойчив на висока температура корозия и устойчив на окисление облицовъчен слой. Облицовъчните материали от борен нитрид могат да осигурят много висока повърхностна твърдост. Облицовъчните материали от титанова сплав могат да получат отлични биосъвместими облицовъчни слоеве.

1.3 Състояние на научните изследвания и тенденция на развитие на лазерните облицовъчни материали
Съставът на материала на лазерното облицоване е много важен фактор, влияещ върху ефективността на облицовъчните покрития. Тъй като средата на приложение на инженерните части става все по-сложна и сурова, функциите на покритието трябва да бъдат все по-разнообразни и производителността става все по-добра и по-добра. Следователно, единичен покривен материал вече не може да отговори на изискванията за приложение. Композитът от покривни материали се превърна в много важен начин за хората да решат този проблем.

Понастоящем често използваните формули на материалите за лазерна облицовка са: самофлюсиращи се легирани материали, карбидни дисперсионни или композитни материали, композитни керамични материали и др. Този тип материал има отлична устойчивост на износване, устойчивост на корозия, устойчивост на висока температура и други свойства, и се използва широко в металургията, морското оборудване, космическата промишленост, ядрената енергетика и други области. Ето защо изследването на формулите на материалите за лазерна облицовка е получило голямо внимание от учени в страната и чужбина.

В международен план изследванията върху традиционните метални облицовъчни материали като сплави на основата на никел, кобалт и титан са относително зрели и понастоящем се ангажират с разработването на високотемпературни сплави и материали с функционален градиент. Традиционните керамични облицовъчни материали като двуалуминиев оксид и силициев нитрид имат относително стабилна производителност. Съществуващите изследвания изследват керамични композити, устойчиви на високотемпературно окисление. Има много изследвания върху металокерамични композитни облицовъчни материали, които имат предимствата на метална издръжливост и керамична твърдост, а също така има опити за използване на биоактивни материали в областта на медицината. Технологично напреднали страни като Европа, Съединените щати, Япония и Южна Корея са провели изследвания върху технологията за лазерно облицоване по-рано. Сред тях Институтът за лазерни технологии Фраунхофер в Германия е извършил основни изследвания върху лазерното покритие на различни метални материали като титанови сплави, алуминиеви сплави, хромови сплави и др.; Националната лаборатория в Оукридж в Съединените щати се ангажира с разработването на ефективни и евтини лазерни системи за облицовка; много японски компании, като Sumitomo Heavy Industries и Mitsubishi Heavy Industries, също са ангажирани в изследването, разработването и производството на оборудване за лазерно адитивно производство.

Традиционните метални облицовъчни материали са широко използвани в Китай. От 2010 г. насам изследователски институции и университети като Пекинския университет по аеронавтика и астронавтика, Северозападния политехнически университет и Института по автоматизация на Шенянг към Китайската академия на науките постигнаха голям напредък в технологията за лазерни облицовки. Понастоящем фокусът е върху промишлените приложения и са проведени изследвания върху обновяването на лопатките на авиационни двигатели, материалите с функционален градиент на метала, покритията с интерметални съединения и т.н., а някои технологии са достигнали международно напреднало ниво. Местни компании като Shenzhen Guangyun Laser също се развиват стабилно. Понастоящем локализирането на керамичните облицовъчни материали е постигнало известен напредък, но все още има празнина от високоефективни материали; изследванията върху композитните облицовъчни материали започнаха късно и се развиват от симулация към независим дизайн.

С поглед към бъдещето, лазерните облицовъчни материали у нас и в чужбина се развиват от традиционни към иновативни. Фокусът на изследването се развива от отделни материали към композитни материали, особено металокерамични композитни материали, за да се получи по-добра цялостна производителност. В същото време се разработват и нови облицовъчни материали, подходящи за специални среди, като сплави, устойчиви на високотемпературно окисляване, биосъвместими материали и др.

2 Изследване на процеса на лазерно облицоване

2.1 Основни принципи на процеса на лазерно напластяване
Лазерът облъчва облицовъчния материал, за да образува разтопен басейн. Разтопеният облицовъчен материал прониква в повърхността на облицовъчния материал чрез капилярно действие и след това се втвърдява бързо, за да се постигне разтопено свързване между материалите. Процесът на облицовка може да бъде разделен на три етапа: предварителна обработка, облицовка и последваща обработка. Предварителната обработка включва почистване на основата и подобряване на повърхността
грапавост. Етапът на облицовка е ключовата стъпка при формирането на облицовъчния слой. Последващата обработка включва топлинна обработка за премахване на остатъчното напрежение и др.

2.2 Влияещи фактори и методи за оптимизиране на процеса на лазерно напластяване
Основните влияещи фактори на процеса на лазерно облицоване са параметрите на лазера, скоростта на сканиране, параметрите на дюзата, газовата защита и др. Стратегията за регулиране и оптимизиране на параметрите на процеса на лазерно облицоване е ключът към получаването на висококачествени облицовъчни слоеве. За основните параметри на процеса изследователите са предложили много ефективни стратегии за регулиране и контрол. Например, по отношение на лазерните параметри, по-стабилна морфология на разтопения басейн се получава чрез оптимизиране на мощността на лазера. Проучването установи, че съпоставянето на дължината на лазерната вълна може да подобри ефективността на лазерно поглъщане на специфични облицовъчни материали. По отношение на траекторията на сканиране се сравняват ефектите от различните режими на сканиране върху образуването на разтопен басейн и резултатите показват, че ортогоналното сканиране може да вземе предвид както ефективността на сканиране, така и стабилността на разтопения басейн. По отношение на защитата при впръскване на газ, ефективният контрол на атмосферата се постига чрез оптимизиране на газовия поток и налягане. Като цяло е установена сравнително систематична стратегия за оптимизиране на параметрите на процеса на лазерно облицоване. Чрез координирания контрол на ключови параметри като лазерна система, режим на сканиране, газова защита и т.н., процесът на облицовка може да бъде точно регулиран и качеството и стабилността на облицовката могат да бъдат значително подобрени.

3 Изследване на оборудване за лазерно облицоване
Оборудването за лазерно облицоване се отнася до специално оборудване, използвано за извършване на технология за лазерно облицоване. Той включва лазерен източник, оптична система, система за пръскане, система за позициониране и преместване на детайла, устройство за пръскане на прах, работна маса и система за управление. Като ключово оборудване за реализиране на процеса на лазерно облицоване, технологичното развитие на оборудването за лазерно облицоване пряко влияе върху качеството на облицовката и способността на процеса.

Обичайните лазери включват CO2 лазери, лазери с влакна, полупроводникови лазери и др. Като основен източник на светлина на лазерната облицовка, изходната мощност, обхватът на дължината на вълната, качеството на лъча и стабилността на работа на лазера са ключовите технически показатели за осигуряване на качеството на облицовката. В бъдеще изследванията и развитието на лазерите ще се фокусират върху подобряването на изходната мощност, усъвършенстването на качеството на лъча, подобряването на работната стабилност и разширяването на обхвата на дължината на вълната, за да се отговори на нуждите от по-ефективна и усъвършенствана обработка на лазерни облицовки.

Системата за пръскане влияе пряко върху ефективността на транспортиране на облицовъчния материал. Дизайнът за оптимизиране на дюзите, онлайн мониторинг на процесите и контрол на температурното поле са ключовите технологии на оборудването. Ново оборудване като нови сканиращи глави и многолазерно свързване се появяват в безкраен поток. Тези технологични постижения насърчиха развитието на лазерно прецизно облицоване. В бъдеще изследванията на системата за пръскане ще се съсредоточат върху оптимизирането на дизайна на вътрешната структура, приемането на материали, устойчиви на корозия при висока температура, и разработването на бързи механизми за превключване на множество дюзи за подобряване на живота и адаптивността на дюзи, като по този начин ефективно подобрява ефективността на използване на суровините за облицовка.

Нивото на интелигентност на системата за управление е свързано със стабилността и качеството на повърхността на облицовката. Посоката на развитие на системата за управление в бъдеще е да се изгради интелигентен механизъм за управление със затворен цикъл, да се интегрират алгоритми за изкуствен интелект за оптимизиране на параметрите, да се укрепи дизайнът на интерфейсите за взаимодействие човек-компютър и да се реализират цифрови и интелигентни функции като дистанционно наблюдение и предвиждане на състоянието, така че да се постигне прецизен контрол и качествена оптимизация на процеса на облицовка.

В обобщение, посоката на развитие на оборудването за лазерно облицоване е подобряване на лазерната изходна мощност и стабилност, реализиране на прецизно управление на дюзите и разработване на интелигентни системи за управление за извършване на висококачествено лазерно облицоване на сложни форми. Съвместната иновация и развитие на лазерна технология, системи за пръскане и системи за управление ще насърчи еволюцията на оборудването за лазерно облицоване към висока ефективност, стабилност и интелигентност, за да отговори на бъдещите нужди на приложенията за лазерно облицоване с по-високи всеобхватни изисквания за производителност.

4 Приложение и перспективи за развитие на технологията за лазерно покритие в различни области
Благодарение на своите прецизни и ефективни характеристики, технологията за лазерно облицоване показа големи предимства в приложението и потенциал за развитие в космическата индустрия, автомобилостроенето, металургията и други области. В космическата сфера технологията за лазерно облицоване може да се приложи за повърхностно укрепване на важни компоненти като лопатки на газови турбини, дюзи и турбинни дискове за генериране на висококачествени покрития против износване и устойчиви на корозия при висока температура, което значително подобрява обслужването живот на компонентите. В сравнение с традиционните процеси, лазерното облицоване има характеристиките на малка засегната от топлина зона и висока якост на свързване, което е много подходящо за прецизно производство на повърхностни добавки и ремонт на авиационни компоненти. По-нататъшното развитие на тази технология значително ще намали разходите за поддръжка в космическата сфера.

В областта на автомобилостроенето лазерното покритие може да се използва за укрепване на повърхностните свойства на важни компоненти като двигателни клапани, свързващи пръти, разпределителни валове и др., и за подобряване на устойчивостта на износване и корозия. Експлоатационният живот и надеждността на такива ключови компоненти ще бъдат значително подобрени, което ще помогне за намаляване на честотата на поддръжка и намаляване на общите разходи за жизнения цикъл на превозното средство.

В областта на металургичната промишленост технологията за лазерно облицоване може да постигне ремонт и защита на повърхността, ремонт и повторно производство на компоненти, повърхностно легиране, производство на композитни материали, локално модифициране и трансформация на традиционни материали. По отношение на ремонта и защитата на повърхността, технологията за лазерно облицоване повишава устойчивостта на износване и устойчивостта на корозия на материалите и удължава експлоатационния живот на оборудването чрез облицоване на специални сплави върху повредени повърхности. За ремонта и повторното производство на ключови компоненти технологията за лазерно облицоване може да възстанови оригиналната структура и функция чрез селективно нагряване и облицовка на подходящи сплавни материали, като по този начин се реализира повторната употреба на компонентите. Повърхностното легиране използва технология за лазерно облицоване за плакиране на специфични сплавни материали върху повърхността на метални материали, като по този начин подобрява твърдостта, устойчивостта на износване и устойчивостта на корозия на материалите и отговаря на специфичните изисквания на процеса. Използването на технология за лазерно облицоване за производство на композитни материали може да постигне цялостно прилагане на различни характеристики чрез облицоване на различни прахообразни материали, като по този начин разширява приложното поле на металургичните материали. В същото време технологията за лазерно облицоване може да постигне локални модификационни обработки като втвърдяване, отгряване и закаляване, осигурявайки персонализирана производителност за металургични материали. В допълнение, ремонтът и трансформацията на традиционните материали могат да бъдат постигнати и чрез технология за лазерно облицоване, която значително подобрява производителността и живота на материалите чрез образуване на нов слой от сплав върху повърхността на материала.

С непрекъснатото усъвършенстване на технологията и оборудването за лазерно облицоване, неговото приложение ще се разшири и в други промишлени области като петрол, химическа промишленост, електроенергия, железопътен транспорт и др., а пазарните перспективи са широки. Непрекъснатото обновяване на тази технология значително ще намали разходите за поддръжка на оборудването в различни отрасли и ще подобри ефективността на производството.

5 Заключение

Като прецизен и ефективен метод за модифициране на повърхността, технологията за лазерно облицоване показа голям потенциал за приложение и перспективи за развитие. Неговите уникални предимства са малка топлинно засегната зона, висока якост на свързване, гъвкав контрол на процеса и т.н., които могат да реализират прецизна функционална трансформация на повърхността на материала. След десетилетия на развитие технологията за лазерно облицоване е успешно приложена във важни области като космическата промишленост, автомобилостроенето, металургията и др., като значително подобрява експлоатационния живот и надеждността на основните компоненти.

С по-нататъшното развитие на лазерната технология и производството на оборудване, технологията за лазерно облицоване все още е изправена пред предизвикателства за по-нататъшно намаляване на разходите за оборудване, реализиране на многослойна облицовка със сложна структура и разширяване на обхвата на материалите за приложение. Проблемът със съвпадението на материалната система и стабилния и повтарящ се контрол на качеството на облицовката също трябва непрекъснато да се оптимизира. Въпреки това, перспективите за приложение на тази технология са много широки, включително ремонт на компоненти на гореща секция на авиационни двигатели, подобряване на повърхността на автомобилни двигатели и обновяване на хидроенергийно оборудване. Технологията за лазерно облицоване със сигурност ще играе важна роля за подобряване на надеждността на продуктите и намаляване на разходите през жизнения цикъл чрез непрекъснато обновяване на оборудването и процесите.