Aquest article revisa el progrés de la investigació de la tecnologia de revestiment làser, abastant els principis bàsics de revestiment làser, selecció de material, control de paràmetres de procés, configuració d'equips i aplicació industrial. El revestiment làser té grans perspectives d'aplicació per millorar el rendiment de la superfície dels materials a causa de la seva petita zona afectada per la calor i l'alta força d'unió. L'article descriu els criteris de selecció dels materials de revestiment làser, l'estat de recerca i desenvolupament de materials metàl·lics/ceràmics/composts, analitza l'estratègia d'optimització dels paràmetres de protecció per làser/escaneig/gass, discuteix la direcció de desenvolupament d'equips com ara làsers/broquets/control. sistemes, i enumera exemples d'aplicació en aeroespacial, automòbil, metal·lúrgia i altres camps. La innovació addicional de la tecnologia i equips de revestiment làser promourà el paper important d'aquesta tecnologia en la reducció dels costos del cicle de vida i la millora de la fiabilitat del producte.

La tecnologia de revestiment làser és una tecnologia que utilitza làser d'alta potència com a font de calor per fondre el material de revestiment i després dipositar-lo a la superfície del material de revestiment per generar una capa de revestiment. En comparació amb la tecnologia de revestiment tradicional, el revestiment làser té els avantatges d'una petita zona afectada per la calor, una gran força d'unió i gairebé cap tractament previ del material de revestiment, que pot aconseguir una reparació local de precisió. La capa de revestiment làser té una estructura de gradient amb el substrat, que ajuda a reduir l'estrès tèrmic i l'estrès residual i millorar la força d'unió. Des que la tecnologia de revestiment làser es va proposar a la dècada de 1960, amb el desenvolupament de la tecnologia làser i la ciència dels materials, s'ha convertit en una tecnologia clau àmpliament utilitzada en el camp de l'enginyeria de superfícies.

En comparació amb el revestiment de la torxa de gas, el revestiment làser té una zona afectada per la calor estreta, una petita tensió residual i poc efecte tèrmic sobre el substrat. En comparació amb la polvorització de plasma, la capa de revestiment làser està fermament soldada al substrat i té una gran força d'unió. En comparació amb el revestiment de feix d'electrons, el revestiment làser es pot operar sense buit i és fàcil d'automatitzar. En general, el revestiment làser combina els avantatges d'una alta densitat de potència, una forta col·limació i una gran flexibilitat de control dels làsers durant el procés de revestiment, cosa que fa que tingui avantatges evidents en la modificació de la superfície del material.

La tecnologia de revestiment làser pot formar un recobriment amb composició i propietats específiques a la superfície de materials metàl·lics o no metàl·lics i aconseguir una resistència única al desgast, resistència a la corrosió, resistència a l'oxidació, resistència a altes temperatures, resistència a la fatiga i altres funcions múltiples de la superfície del material. , que amplia molt el rang d'aplicació del material. La tecnologia de revestiment làser s'ha utilitzat àmpliament en molts camps industrials com ara aeroespacial, automòbils, motlles, metal·lúrgia, maquinària, productes químics, fotovoltaics, biomedicina, etc., la qual cosa és de gran importància per millorar el rendiment i la vida útil del producte.

1 Recerca sobre materials de revestiment làser

1.1 Selecció i característiques dels materials de revestiment làser
La selecció de materials de revestiment adequats és crucial per obtenir capes de revestiment d'alta qualitat. En general, es requereix un excel·lent rendiment d'absorció del làser i es tenen en compte paràmetres com ara el punt de fusió, la densitat, la difusivitat i la tensió residual del material. Els materials utilitzats habitualment inclouen pols metàl·liques (a base de cobalt, a base de níquel, etc.), pols ceràmiques (òxid d'alumini, carbur de silici, etc.) i compostos prealiats o mescles fetes amb els materials anteriors. Els materials de gradient funcional també es poden dissenyar amb diferents materials.

A més d'un bon rendiment d'absorció del làser, els materials de revestiment també han de tenir un punt de fusió moderat, alta estabilitat, bona humectabilitat i acoblament metal·lúrgic amb el substrat. Els materials de revestiment metàl·lics poden proporcionar una bona ductilitat i densitat, mentre que els materials de revestiment ceràmics tenen una gran duresa i estabilitat química. En seleccionar els materials de manera racional, es pot obtenir una capa de revestiment composta amb múltiples propietats.

1.2 Funcions i rendiment dels materials de revestiment làser
Mitjançant la selecció de diferents materials de revestiment làser, es pot obtenir una duresa excel·lent, resistència al desgast, resistència a la corrosió, resistència a la fatiga tèrmica, resistència a l'oxidació, resistència a altes temperatures, biocompatibilitat, etc., donant a la superfície del material de revestiment un excel·lent rendiment integral. El rendiment de la capa de revestiment està estretament relacionat amb factors com la composició del material i la magnitud dels components, els paràmetres del procés làser, etc. Per exemple, seleccionant materials compostos metall-ceràmic com WxC-NiCrBSi, una capa de revestiment resistent al desgast. es pot obtenir tant ductilitat metàl·lica com una alta duresa ceràmica. Amb materials de revestiment d'aliatge Inconel 718, es pot obtenir una capa de revestiment resistent a la corrosió i a l'oxidació a alta temperatura. Els materials de revestiment de nitrur de bor poden proporcionar una duresa superficial molt elevada. Els materials de revestiment d'aliatge de titani poden obtenir excel·lents capes de revestiment biocompatibles.

1.3 Estat de la investigació i tendència de desenvolupament dels materials de revestiment làser
La composició del material del revestiment làser és un factor molt important que afecta el rendiment dels recobriments de revestiment. A mesura que l'entorn d'aplicació de les peces d'enginyeria es fa cada cop més complex i dur, les funcions de recobriment han de ser cada cop més diverses i el rendiment és cada cop millor. Per tant, un sol material de recobriment ja no pot complir els requisits d'aplicació. El compost de materials de recobriment s'ha convertit en una manera molt important per a la gent de resoldre aquest problema.

Actualment, les fórmules de material de revestiment làser que s'utilitzen habitualment són: materials d'aliatge autofluixant, dispersió de carburs o materials compostos, materials ceràmics compostos, etc. Aquest tipus de material té una excel·lent resistència al desgast, resistència a la corrosió, resistència a alta temperatura i altres propietats, i s'utilitza àmpliament en la metal·lúrgia, equips marins, aeroespacial, energia nuclear i altres camps. Per tant, la investigació sobre fórmules de materials de revestiment làser ha rebut molta atenció per part dels estudiosos nacionals i estrangers.

A nivell internacional, la investigació sobre materials tradicionals de revestiment metàl·lic, com ara aliatges a base de níquel, cobalt i titani, és relativament madura i actualment està compromesa amb el desenvolupament d'aliatges d'alta temperatura i materials de gradient funcional. Els materials de revestiment ceràmics tradicionals com l'alúmina i el nitrur de silici tenen un rendiment relativament estable. La investigació existent explora compostos ceràmics resistents a l'oxidació a alta temperatura. Hi ha molts estudis sobre materials de revestiment compostos metall-ceràmic, que tenen els avantatges de la duresa del metall i la duresa ceràmica, i també hi ha intents d'utilitzar materials bioactius en l'àmbit mèdic. Països tecnològicament avançats com Europa, Estats Units, Japó i Corea del Sud han realitzat investigacions sobre la tecnologia de revestiment làser anteriorment. Entre ells, l'Institut Fraunhofer de Tecnologia Làser d'Alemanya ha dut a terme investigacions bàsiques sobre el revestiment làser de diversos materials metàl·lics com ara aliatges de titani, aliatges d'alumini, aliatges de crom, etc.; el Laboratori Nacional d'Oakridge als Estats Units està compromès a desenvolupar sistemes de revestiment làser eficients i de baix cost; moltes empreses japoneses, com Sumitomo Heavy Industries i Mitsubishi Heavy Industries, també es dediquen a la investigació, desenvolupament i producció d'equips de fabricació additiva làser.

Els materials de revestiment metàl·lics tradicionals s'utilitzen àmpliament a la Xina. Des del 2010, institucions de recerca i universitats com ara la Universitat d'Aeronàutica i Astronàutica de Pequín, la Universitat Politècnica del Nord-oest i l'Institut d'Automatització de Shenyang de l'Acadèmia Xinesa de Ciències han avançat molt en la tecnologia de revestiment làser. En l'actualitat, l'atenció se centra en les aplicacions industrials i s'ha dut a terme investigacions sobre renovació de pales de motor d'avions, materials de gradient funcional metàl·lic, recobriments de compostos intermetàl·lics, etc., i algunes tecnologies han assolit el nivell avançat internacional. Empreses locals com Shenzhen Guangyun Laser també es desenvolupen constantment. En l'actualitat, la localització de materials de revestiment ceràmic ha avançat cert, però encara hi ha un buit amb els materials d'alt rendiment; la investigació sobre materials de revestiment compostos va començar tard i s'està desenvolupant des de la simulació fins al disseny independent.

De cara al futur, els materials de revestiment làser a casa i a l'estranger estan passant de tradicionals a innovadors. L'enfocament de la investigació es desenvolupa des de materials únics fins a materials compostos, especialment materials compostos metall-ceràmic, per obtenir un millor rendiment integral. Al mateix temps, també s'estan desenvolupant nous materials de revestiment adequats per a entorns especials, com ara aliatges resistents a l'oxidació a altes temperatures, materials biocompatibles, etc.

2 Recerca sobre el procés de revestiment làser

2.1 Principis bàsics del procés de revestiment làser
El làser irradia el material de revestiment per formar una piscina fosa. El material de revestiment fos penetra a la superfície del material de revestiment mitjançant l'acció capil·lar i després es solidifica ràpidament per aconseguir una unió fosa entre els materials. El procés de revestiment es pot dividir en tres etapes: pretractament, revestiment i posttractament. El pretractament inclou la neteja del substrat i la millora de la superfície
rugositat. L'etapa de revestiment és el pas clau per formar la capa de revestiment. El posttractament inclou el tractament tèrmic per eliminar l'estrès residual, etc.

2.2 Factors d'influència i mètodes d'optimització del procés de revestiment làser
Els principals factors d'influència del procés de revestiment làser són els paràmetres del làser, la velocitat d'escaneig, els paràmetres del broquet, la protecció de gas, etc. L'estratègia de regulació i optimització dels paràmetres del procés de revestiment làser és la clau per obtenir capes de revestiment d'alta qualitat. Per als principals paràmetres del procés, els investigadors han proposat moltes estratègies efectives d'ajust i control. Per exemple, pel que fa als paràmetres del làser, optimitzant la potència del làser s'obté una morfologia més estable de la piscina fosa. L'estudi va trobar que fer coincidir la longitud d'ona del làser pot millorar l'eficiència d'absorció del làser de materials de revestiment específics. Pel que fa a la trajectòria d'escaneig, es comparen els efectes de diferents modes d'escaneig sobre la formació de la piscina fosa i els resultats mostren que l'escaneig ortogonal pot tenir en compte tant l'eficiència de l'escaneig com l'estabilitat de la piscina fosa. Pel que fa a la protecció d'injecció de gas, s'aconsegueix un control efectiu de l'atmosfera optimitzant el flux i la pressió del gas. En general, s'ha establert una estratègia d'optimització de paràmetres del procés de revestiment làser relativament sistemàtic. Mitjançant el control coordinat de paràmetres clau com ara el sistema làser, el mode d'escaneig, la protecció de gas, etc., el procés de revestiment es pot ajustar amb precisió i la qualitat i l'estabilitat del revestiment es poden millorar significativament.

3 Recerca en equips de revestiment làser
L'equip de revestiment làser fa referència a equips especials utilitzats per dur a terme la tecnologia de revestiment làser. Inclou font làser, sistema òptic, sistema de polvorització, sistema de posicionament i moviment de la peça, dispositiu de polvorització, banc de treball i sistema de control. Com a equip clau per realitzar el procés de revestiment làser, el desenvolupament tecnològic dels equips de revestiment làser afecta directament la qualitat del revestiment i la capacitat del procés.

Els làsers comuns inclouen làsers CO2, làsers de fibra, làsers semiconductors, etc. Com a font de llum bàsica del revestiment làser, la potència de sortida, el rang de longitud d'ona, la qualitat del feix i l'estabilitat de funcionament del làser són els indicadors tècnics clau per garantir la qualitat del revestiment. En el futur, la investigació i el desenvolupament de làsers se centraran en la millora de la potència de sortida, el perfeccionament de la qualitat del feix, la millora de l'estabilitat de treball i l'ampliació del rang de longitud d'ona per satisfer les necessitats d'un processament de revestiment làser més eficient i refinat.

El sistema de polvorització afecta directament l'eficiència de transport del material de revestiment. El disseny d'optimització de broquets, el seguiment en línia del procés i el control del camp de la temperatura són les tecnologies clau de l'equip. Nous equips, com ara nous capçals d'escaneig i acoblament multi-làser, estan sorgint en un flux interminable. Aquests avenços tecnològics han promogut el desenvolupament de revestiments de precisió làser. En el futur, la investigació sobre el sistema de polvorització se centrarà en el disseny d'optimització de l'estructura interna, l'adopció de materials resistents a la corrosió a alta temperatura i el desenvolupament de mecanismes ràpids de commutació de múltiples broquets per millorar la vida útil i l'adaptabilitat del broquets, millorant així eficaçment l'eficiència d'utilització de les matèries primeres de revestiment.

El nivell d'intel·ligència del sistema de control està relacionat amb l'estabilitat i la qualitat superficial del revestiment. La direcció de desenvolupament del sistema de control en el futur és construir un mecanisme de control de llaç tancat intel·ligent, integrar algorismes d'intel·ligència artificial per a l'optimització de paràmetres, reforçar el disseny d'interfícies d'interacció home-ordinador i realitzar funcions digitals i intel·ligents com la supervisió remota i predicció d'estat, per tal d'aconseguir un control precís i una optimització de qualitat del procés de revestiment.

En resum, la direcció de desenvolupament dels equips de revestiment làser és millorar la potència i l'estabilitat de sortida del làser, realitzar un control de precisió de broquets i desenvolupar sistemes de control intel·ligents per realitzar un revestiment làser d'alta qualitat de formes complexes. La innovació col·laborativa i el desenvolupament de la tecnologia làser, els sistemes de polvorització i els sistemes de control promouran l'evolució dels equips de revestiment làser cap a una alta eficiència, estabilitat i intel·ligència per satisfer les necessitats futures de les aplicacions de revestiment làser amb requisits de rendiment complets més alts.

4 Perspectives d'aplicació i desenvolupament de la tecnologia de revestiment làser en diversos camps
A causa de les seves característiques precises i eficients, la tecnologia de revestiment làser ha mostrat grans avantatges d'aplicació i potencial de desenvolupament en aeroespacial, automòbil, metal·lúrgia i altres camps. En l'àmbit aeroespacial, la tecnologia de revestiment làser es pot aplicar a l'enfortiment de la superfície de components importants com ara pales de turbines de gas, broquets i discos de turbina per generar recobriments d'alta qualitat antidesgast i resistents a la corrosió a alta temperatura, cosa que millora significativament el servei. vida útil dels components. En comparació amb els processos tradicionals, el revestiment làser té les característiques d'una zona afectada per la calor de processament petita i una gran força d'unió, que és molt adequada per a la fabricació d'additius superficials de precisió i reparació de components d'aviació. El desenvolupament posterior d'aquesta tecnologia reduirà considerablement el cost de manteniment en el camp aeroespacial.

En el camp de la fabricació d'automòbils, el revestiment làser es pot utilitzar per reforçar les propietats superficials de components importants com ara vàlvules del motor, bielles, arbres de lleves, etc., i millorar la resistència al desgast i la resistència a la corrosió. La vida útil i la fiabilitat d'aquests components clau es milloraran significativament, cosa que ajudarà a reduir la freqüència de manteniment i reduir el cost del cicle de vida global del vehicle.

En el camp de la indústria metal·lúrgica, la tecnologia de revestiment làser pot aconseguir reparació i protecció de superfícies, reparació i remanufactura de components, tractament d'aliatge superficial, fabricació de materials compostos, tractament de modificació local i transformació de materials tradicionals. Pel que fa a la reparació i protecció de superfícies, la tecnologia de revestiment làser augmenta la resistència al desgast i la resistència a la corrosió dels materials i allarga la vida útil dels equips revestint aliatges especials sobre superfícies danyades. Per a la reparació i la remanufactura de components clau, la tecnologia de revestiment làser pot restaurar l'estructura i la funció originals escalfant i revestint selectivament materials d'aliatge adequats, aconseguint així la reutilització dels components. El tractament d'aliatge superficial utilitza tecnologia de revestiment làser per revestir materials d'aliatge específics a la superfície de materials metàl·lics, millorant així la duresa, la resistència al desgast i la resistència a la corrosió dels materials i complint els requisits específics del procés. L'ús de la tecnologia de revestiment làser per fabricar materials compostos pot aconseguir l'aplicació integral de diferents característiques revestint diferents materials en pols, ampliant així el camp d'aplicació dels materials metal·lúrgics. Al mateix temps, la tecnologia de revestiment làser pot aconseguir tractaments de modificació local, com ara l'enduriment, el recuit i l'extinció, proporcionant un rendiment personalitzat per als materials metal·lúrgics. A més, la reparació i transformació de materials tradicionals també es pot aconseguir mitjançant la tecnologia de revestiment làser, que millora significativament el rendiment i la vida útil dels materials formant una nova capa d'aliatge a la superfície del material.

Amb la maduresa contínua de la tecnologia i equips de revestiment làser, el seu camp d'aplicació també s'ampliarà a altres camps industrials com ara el petroli, la indústria química, l'energia elèctrica, el transport ferroviari, etc., i les perspectives del mercat són àmplies. La innovació contínua d'aquesta tecnologia reduirà significativament els costos de manteniment dels equips en diverses indústries i millorarà l'eficiència de la producció.

5 Conclusió

Com a mètode de modificació de superfícies precís i eficient, la tecnologia de revestiment làser ha mostrat un gran potencial d'aplicació i perspectives de desenvolupament. Els seus avantatges únics són una petita zona afectada per la calor, una gran força d'unió, un control de procés flexible, etc., que pot realitzar una transformació funcional precisa de la superfície del material. Després de dècades de desenvolupament, la tecnologia de revestiment làser s'ha aplicat amb èxit en camps importants com l'aeroespacial, l'automòbil, la metal·lúrgia, etc., millorant considerablement la vida útil i la fiabilitat dels components bàsics.

Amb el desenvolupament de la tecnologia làser i la fabricació d'equips, la tecnologia de revestiment làser encara s'enfronta a reptes per reduir encara més els costos dels equips, realitzar un revestiment d'estructura complexa de múltiples capes i ampliar l'abast dels materials d'aplicació. També cal optimitzar contínuament el problema de la concordança del sistema de materials i el control de qualitat del revestiment estable i repetible. No obstant això, les perspectives d'aplicació d'aquesta tecnologia són molt àmplies, incloent la reparació de components de secció calenta de motors d'aviació, la millora de la superfície dels motors d'automòbils i la renovació d'equips hidroelèctrics. La tecnologia de revestiment làser segurament jugarà un paper important en la millora de la fiabilitat del producte i la reducció dels costos del cicle de vida mitjançant la innovació contínua d'equips i processos.