Este artículo revisa el progreso de la investigación de la tecnología de revestimiento láser, cubriendo los principios básicos del revestimiento láser, la selección de materiales, el control de parámetros del proceso, la configuración de equipos y la aplicación industrial. El revestimiento láser tiene grandes perspectivas de aplicación para mejorar el rendimiento superficial de los materiales debido a su pequeña zona afectada por el calor y su alta fuerza de unión. El artículo describe los criterios de selección de materiales de revestimiento láser, el estado de investigación y desarrollo de materiales metálicos/cerámicos/compuestos, analiza la estrategia de optimización de los parámetros de protección láser/escaneo/gas, analiza la dirección de desarrollo de equipos como láseres/boquillas/control. y enumera ejemplos de aplicaciones en los campos aeroespacial, automotriz, metalúrgico y otros. Una mayor innovación en la tecnología y los equipos de revestimiento láser promoverá el importante papel de esta tecnología en la reducción de los costos del ciclo de vida y la mejora de la confiabilidad del producto.

La tecnología de revestimiento láser es una tecnología que utiliza un láser de alta potencia como fuente de calor para fundir el material de revestimiento y luego depositarlo en la superficie del material de revestimiento para generar una capa de revestimiento. En comparación con la tecnología de revestimiento tradicional, el revestimiento láser tiene las ventajas de una pequeña zona afectada por el calor, una alta resistencia de unión y casi ningún tratamiento previo del material de revestimiento, lo que puede lograr una reparación local de precisión. La capa de revestimiento láser tiene una estructura de gradiente con el sustrato, lo que favorece la reducción del estrés térmico y el estrés residual y mejora la resistencia de la unión. Desde que se propuso la tecnología de revestimiento láser en la década de 1960, con el desarrollo de la tecnología láser y la ciencia de los materiales, se ha convertido en una tecnología clave ampliamente utilizada en el campo de la ingeniería de superficies.

En comparación con el revestimiento con soplete de gas, el revestimiento con láser tiene una zona estrecha afectada por el calor, una pequeña tensión residual y poco efecto térmico sobre el sustrato. En comparación con la pulverización por plasma, la capa de revestimiento láser está firmemente soldada al sustrato y tiene una alta fuerza de unión. En comparación con el revestimiento por haz de electrones, el revestimiento por láser puede funcionar sin vacío y es fácil de automatizar. En general, el revestimiento láser combina las ventajas de una alta densidad de potencia, una fuerte colimación y una alta flexibilidad de control de los láseres durante el proceso de revestimiento, lo que lo hace tener ventajas obvias en la modificación de la superficie del material.

La tecnología de revestimiento láser puede formar un recubrimiento con composición y propiedades específicas en la superficie de materiales metálicos o no metálicos, y lograr una resistencia al desgaste, resistencia a la corrosión, resistencia a la oxidación, resistencia a altas temperaturas, resistencia a la fatiga y otras funciones múltiples únicas de la superficie del material. , lo que amplía enormemente el rango de aplicación del material. La tecnología de revestimiento láser se ha utilizado ampliamente en muchos campos industriales, como el aeroespacial, los automóviles, los moldes, la metalurgia, la maquinaria, los productos químicos, la energía fotovoltaica, la biomedicina, etc., lo que es de gran importancia para mejorar el rendimiento y la vida útil del producto.

1 Investigación sobre materiales de revestimiento láser.

1.1 Selección y características de los materiales de revestimiento láser.
La selección de materiales de revestimiento adecuados es crucial para obtener capas de revestimiento de alta calidad. Generalmente, se requiere un excelente rendimiento de absorción del láser y se consideran parámetros como el punto de fusión, la densidad, la difusividad y la tensión residual del material. Los materiales comúnmente utilizados incluyen polvos metálicos (a base de cobalto, níquel, etc.), polvos cerámicos (óxido de aluminio, carburo de silicio, etc.) y compuestos o mezclas prealeados hechos de los materiales anteriores. Los materiales degradados funcionales también se pueden diseñar utilizando diferentes materiales.

Además de un buen rendimiento de absorción del láser, los materiales de revestimiento también deben tener un punto de fusión moderado, alta estabilidad, buena humectabilidad y acoplamiento metalúrgico con el sustrato. Los materiales de revestimiento metálicos pueden proporcionar buena ductilidad y densidad, mientras que los materiales de revestimiento cerámicos tienen alta dureza y estabilidad química. Seleccionando racionalmente los materiales se puede obtener una capa de revestimiento compuesta con múltiples propiedades.

1.2 Funciones y rendimiento de los materiales de revestimiento láser.
Al seleccionar diferentes materiales de revestimiento láser, se puede obtener excelente dureza, resistencia al desgaste, resistencia a la corrosión, resistencia a la fatiga térmica, resistencia a la oxidación, resistencia a altas temperaturas, biocompatibilidad, etc., lo que le da a la superficie del material de revestimiento un excelente rendimiento integral. El rendimiento de la capa de revestimiento está estrechamente relacionado con factores como la composición del material y la magnitud de los componentes, parámetros del proceso láser, etc. Por ejemplo, seleccionando materiales compuestos metal-cerámicos como WxC-NiCrBSi, se obtiene una capa de revestimiento resistente al desgaste. Se pueden obtener tanto ductilidad del metal como alta dureza cerámica. Utilizando materiales de revestimiento de aleación Inconel 718, se puede obtener una capa de revestimiento resistente a la corrosión y a la oxidación a altas temperaturas. Los materiales de revestimiento de nitruro de boro pueden proporcionar una dureza superficial muy alta. Los materiales de revestimiento de aleación de titanio pueden obtener excelentes capas de revestimiento biocompatibles.

1.3 Estado de la investigación y tendencia de desarrollo de los materiales de revestimiento láser.
La composición del material del revestimiento láser es un factor muy importante que afecta el rendimiento de los revestimientos de revestimiento. A medida que el entorno de aplicación de piezas de ingeniería se vuelve cada vez más complejo y severo, se requiere que las funciones de recubrimiento sean cada vez más diversas y el rendimiento sea cada vez mejor. Por lo tanto, un único material de revestimiento ya no puede cumplir los requisitos de aplicación. La combinación de materiales de revestimiento se ha convertido en una forma muy importante para que las personas resuelvan este problema.

En la actualidad, las fórmulas de materiales de revestimiento láser comúnmente utilizadas son: materiales de aleación autofundentes, dispersión de carburo o materiales compuestos, materiales cerámicos compuestos, etc. Este tipo de material tiene excelente resistencia al desgaste, resistencia a la corrosión, resistencia a altas temperaturas y otras propiedades, y Se utiliza ampliamente en metalurgia, equipos marinos, aeroespacial, energía nuclear y otros campos. Por lo tanto, la investigación sobre fórmulas de materiales de revestimiento láser ha recibido mucha atención por parte de académicos nacionales y extranjeros.

A nivel internacional, la investigación sobre materiales de revestimiento metálico tradicionales, como las aleaciones a base de níquel, cobalto y titanio, está relativamente madura y actualmente está comprometida con el desarrollo de aleaciones de alta temperatura y materiales de gradiente funcional. Los materiales de revestimiento cerámico tradicionales, como la alúmina y el nitruro de silicio, tienen un rendimiento relativamente estable. Las investigaciones existentes exploran compuestos cerámicos resistentes a la oxidación a altas temperaturas. Existen muchos estudios sobre materiales de revestimiento compuestos de metal y cerámica, que tienen las ventajas de la tenacidad del metal y la dureza de la cerámica, y también hay intentos de utilizar materiales bioactivos en el campo médico. Países tecnológicamente avanzados como Europa, Estados Unidos, Japón y Corea del Sur han realizado investigaciones sobre tecnología de revestimiento láser anteriormente. Entre ellos, el Instituto Fraunhofer de Tecnología Láser de Alemania ha llevado a cabo investigaciones básicas sobre el revestimiento láser de diversos materiales metálicos como aleaciones de titanio, aleaciones de aluminio, aleaciones de cromo, etc.; el Laboratorio Nacional Oakridge de Estados Unidos está comprometido con el desarrollo de sistemas de revestimiento láser eficientes y de bajo costo; Muchas empresas japonesas, como Sumitomo Heavy Industries y Mitsubishi Heavy Industries, también se dedican a la investigación, el desarrollo y la producción de equipos de fabricación aditiva por láser.

Los materiales tradicionales de revestimiento metálico se utilizan ampliamente en China. Desde 2010, instituciones de investigación y universidades como la Universidad de Aeronáutica y Astronáutica de Beijing, la Universidad Politécnica del Noroeste y el Instituto de Automatización de Shenyang de la Academia de Ciencias de China han logrado grandes avances en la tecnología de revestimiento láser. En la actualidad, la atención se centra en las aplicaciones industriales y se han llevado a cabo investigaciones sobre la restauración de palas de motores de aviones, materiales de gradiente funcional metálico, recubrimientos de compuestos intermetálicos, etc., y algunas tecnologías han alcanzado el nivel avanzado internacional. Empresas locales como Shenzhen Guangyun Laser también se están desarrollando de manera constante. En la actualidad, la localización de materiales de revestimiento cerámico ha logrado ciertos avances, pero todavía existe una brecha con los materiales de alto rendimiento; La investigación sobre materiales compuestos de revestimiento comenzó tarde y está evolucionando desde la simulación hasta el diseño independiente.

De cara al futuro, los materiales de revestimiento láser en el país y en el extranjero están evolucionando desde lo tradicional hasta lo innovador. El objetivo de la investigación es desarrollar desde materiales individuales hasta materiales compuestos, especialmente materiales compuestos metal-cerámicos, para obtener un mejor rendimiento integral. Paralelamente, también se están desarrollando nuevos materiales de revestimiento adecuados para entornos especiales, como aleaciones resistentes a la oxidación a altas temperaturas, materiales biocompatibles, etc.

2 Investigación sobre el proceso de revestimiento por láser.

2.1 Principios básicos del proceso de revestimiento por láser.
El láser irradia el material de revestimiento para formar un charco fundido. El material de revestimiento fundido penetra en la superficie del material de revestimiento mediante acción capilar y luego se solidifica rápidamente para lograr la unión fundida entre los materiales. El proceso de revestimiento se puede dividir en tres etapas: pretratamiento, revestimiento y postratamiento. El pretratamiento incluye la limpieza del sustrato y la mejora de la superficie.
aspereza. La etapa de revestimiento es el paso clave en la formación de la capa de revestimiento. El postratamiento incluye tratamiento térmico para eliminar tensiones residuales, etc.

2.2 Factores que influyen y métodos de optimización del proceso de revestimiento por láser
Los principales factores que influyen en el proceso de revestimiento por láser son los parámetros del láser, la velocidad de escaneo, los parámetros de las boquillas, la protección del gas, etc. La estrategia de regulación y optimización de los parámetros del proceso de revestimiento por láser es la clave para obtener capas de revestimiento de alta calidad. Para los principales parámetros del proceso, los investigadores han propuesto muchas estrategias efectivas de ajuste y control. Por ejemplo, en términos de parámetros del láser, se obtiene una morfología del baño fundido más estable optimizando la potencia del láser. El estudio encontró que igualar la longitud de onda del láser puede mejorar la eficiencia de absorción del láser de materiales de revestimiento específicos. En términos de trayectoria de escaneo, se comparan los efectos de diferentes modos de escaneo en la formación del baño fundido y los resultados muestran que el escaneo ortogonal puede tener en cuenta tanto la eficiencia del escaneo como la estabilidad del baño fundido. En cuanto a la protección de la inyección de gas, el control efectivo de la atmósfera se logra optimizando el flujo y la presión del gas. En general, se ha establecido una estrategia de optimización de parámetros del proceso de revestimiento láser relativamente sistemática. Mediante el control coordinado de parámetros clave como el sistema láser, el modo de escaneo, la protección contra gases, etc., el proceso de revestimiento se puede ajustar con precisión y la calidad y estabilidad del revestimiento se pueden mejorar significativamente.

3 Investigación sobre equipos de revestimiento láser
El equipo de revestimiento láser se refiere a equipos especiales utilizados para realizar tecnología de revestimiento láser. Incluye fuente láser, sistema óptico, sistema de pulverización, sistema de posicionamiento y movimiento de piezas de trabajo, dispositivo de pulverización de polvo, banco de trabajo y sistema de control. Como equipo clave para realizar el proceso de revestimiento láser, el desarrollo tecnológico de los equipos de revestimiento láser afecta directamente la calidad del revestimiento y la capacidad del proceso.

Los láseres comunes incluyen láseres de CO2, láseres de fibra, láseres semiconductores, etc. Como fuente de luz central del revestimiento láser, la potencia de salida, el rango de longitud de onda, la calidad del haz y la estabilidad operativa del láser son los indicadores técnicos clave para garantizar la calidad del revestimiento. En el futuro, la investigación y el desarrollo de láseres se centrarán en la mejora de la potencia de salida, el refinamiento de la calidad del haz, la mejora de la estabilidad de trabajo y la expansión del rango de longitud de onda para satisfacer las necesidades de un procesamiento de revestimiento láser más eficiente y refinado.

El sistema de pulverización afecta directamente la eficiencia del transporte del material de revestimiento. El diseño de optimización de boquillas, el monitoreo en línea del proceso y el control de temperatura en el campo son las tecnologías clave del equipo. Nuevos equipos, como nuevos cabezales de escaneo y acoplamientos multiláser, están surgiendo en un flujo interminable. Estos avances tecnológicos han impulsado el desarrollo de revestimientos de precisión láser. En el futuro, la investigación sobre el sistema de aspersión se centrará en la optimización del diseño de la estructura interna, la adopción de materiales resistentes a la corrosión a altas temperaturas y el desarrollo de mecanismos rápidos de conmutación de múltiples boquillas para mejorar la vida útil y la adaptabilidad del sistema. boquillas, mejorando así efectivamente la eficiencia de utilización de las materias primas del revestimiento.

El nivel de inteligencia del sistema de control está relacionado con la estabilidad y la calidad superficial del revestimiento. La dirección de desarrollo del sistema de control en el futuro es construir un mecanismo de control inteligente de circuito cerrado, integrar algoritmos de inteligencia artificial para la optimización de parámetros, fortalecer el diseño de interfaces de interacción persona-computadora y realizar funciones digitales e inteligentes como monitoreo remoto y Predicción del estado, para lograr un control preciso y una optimización de la calidad del proceso de revestimiento.

En resumen, la dirección de desarrollo de los equipos de revestimiento láser es mejorar la potencia y la estabilidad de salida del láser, lograr un control preciso de las boquillas y desarrollar sistemas de control inteligentes para realizar un revestimiento láser de alta calidad de formas complejas. La innovación colaborativa y el desarrollo de tecnología láser, sistemas de pulverización y sistemas de control promoverán la evolución de los equipos de revestimiento láser hacia una alta eficiencia, estabilidad e inteligencia para satisfacer las necesidades futuras de las aplicaciones de revestimiento láser con requisitos de rendimiento integrales más altos.

4 Aplicaciones y perspectivas de desarrollo de la tecnología de revestimiento láser en diversos campos.
Debido a sus características precisas y eficientes, la tecnología de revestimiento láser ha mostrado grandes ventajas de aplicación y potencial de desarrollo en los campos aeroespacial, automotriz, metalúrgico y otros. En el campo aeroespacial, la tecnología de revestimiento láser se puede aplicar al fortalecimiento de la superficie de componentes importantes como álabes, boquillas y discos de turbinas de gas para generar recubrimientos antidesgaste y resistentes a la corrosión a altas temperaturas de alta calidad, lo que mejora significativamente el servicio. vida de los componentes. En comparación con los procesos tradicionales, el revestimiento láser tiene las características de una pequeña zona afectada por el calor de procesamiento y una alta resistencia de unión, lo que es muy adecuado para la fabricación aditiva de superficies de precisión y la reparación de componentes de aviación. Un mayor desarrollo de esta tecnología reducirá en gran medida el coste de mantenimiento en el campo aeroespacial.

En el campo de la fabricación de automóviles, el revestimiento láser se puede utilizar para fortalecer las propiedades superficiales de componentes importantes como válvulas de motor, bielas, árboles de levas, etc., y mejorar la resistencia al desgaste y a la corrosión. La vida útil y la confiabilidad de dichos componentes clave mejorarán significativamente, lo que ayudará a reducir la frecuencia de mantenimiento y el costo general del ciclo de vida del vehículo.

En el campo de la industria metalúrgica, la tecnología de revestimiento láser puede lograr reparación y protección de superficies, reparación y remanufactura de componentes, tratamiento de aleación de superficies, fabricación de materiales compuestos, tratamiento de modificación local y transformación de materiales tradicionales. En términos de reparación y protección de superficies, la tecnología de revestimiento láser aumenta la resistencia al desgaste y a la corrosión de los materiales y extiende la vida útil de los equipos recubriendo aleaciones especiales en superficies dañadas. Para la reparación y remanufactura de componentes clave, la tecnología de revestimiento láser puede restaurar la estructura y función originales calentando y recubriendo selectivamente materiales de aleación adecuados, logrando así la reutilización de componentes. El tratamiento de aleación de superficies utiliza tecnología de revestimiento láser para revestir materiales de aleación específicos en la superficie de materiales metálicos, mejorando así la dureza, la resistencia al desgaste y la resistencia a la corrosión de los materiales y cumpliendo con los requisitos específicos del proceso. El uso de la tecnología de revestimiento láser para fabricar materiales compuestos puede lograr la aplicación integral de diferentes características al revestir diferentes materiales en polvo, ampliando así el campo de aplicación de los materiales metalúrgicos. Al mismo tiempo, la tecnología de revestimiento láser puede lograr tratamientos de modificación local como endurecimiento, recocido y enfriamiento, proporcionando un rendimiento personalizado para materiales metalúrgicos. Además, la reparación y transformación de materiales tradicionales también se puede lograr mediante la tecnología de revestimiento láser, que mejora significativamente el rendimiento y la vida útil de los materiales al formar una nueva capa de aleación en la superficie del material.

Con la madurez continua de la tecnología y los equipos de revestimiento láser, su campo de aplicación también se expandirá a otros campos industriales como el petróleo, la industria química, la energía eléctrica, el transporte ferroviario, etc., y las perspectivas del mercado son amplias. La innovación continua de esta tecnología reducirá significativamente los costos de mantenimiento de equipos en diversas industrias y mejorará la eficiencia de la producción.

Conclusión 5

Como método de modificación de superficies preciso y eficiente, la tecnología de revestimiento láser ha mostrado un gran potencial de aplicación y perspectivas de desarrollo. Sus ventajas únicas son una pequeña zona afectada por el calor, alta fuerza de unión, control de proceso flexible, etc., que pueden realizar una transformación funcional precisa de la superficie del material. Después de décadas de desarrollo, la tecnología de revestimiento láser se ha aplicado con éxito en campos importantes como el aeroespacial, el automóvil, la metalurgia, etc., mejorando enormemente la vida útil y la confiabilidad de los componentes centrales.

Con el mayor desarrollo de la tecnología láser y la fabricación de equipos, la tecnología de revestimiento láser aún enfrenta desafíos para reducir aún más los costos de los equipos, realizar revestimientos de estructuras complejas multicapa y ampliar el alcance de los materiales de aplicación. También es necesario optimizar continuamente el problema de la combinación del sistema de materiales y el control de calidad estable y repetible del revestimiento. Sin embargo, las perspectivas de aplicación de esta tecnología son muy amplias, incluida la reparación de componentes de la sección caliente de motores de aviación, la mejora de la superficie de motores de automóviles y la renovación de equipos hidroeléctricos. La tecnología de revestimiento láser seguramente desempeñará un papel importante en la mejora de la confiabilidad del producto y la reducción de los costos del ciclo de vida mediante la innovación continua de equipos y procesos.