See artikkel annab ülevaate laserkatmistehnoloogia uurimistöö edusammudest, hõlmates laserkatmismeetodi põhiprintsiipe, materjalide valikut, protsessiparameetrite juhtimist, seadmete konfiguratsiooni ja tööstuslikku rakendamist. Laserkatmisel on tänu väikesele kuummõjutsoonile ja suurele nakketugevusele suurepärased rakendusvõimalused materjalide pinnaomaduste parandamisel. Artiklis kirjeldatakse laserkatmismaterjalide valikukriteeriume, metall-/keraamika-/komposiitmaterjalide uurimis- ja arendustegevuse staatust, analüüsitakse laser-/skaneerimis-/gaasikaitse parameetrite optimeerimisstrateegiat, arutatakse selliste seadmete nagu laserid/düüsid/juhtimissüsteemid arengusuundi ning loetletakse rakendusnäiteid lennunduses, autotööstuses, metallurgias ja muudes valdkondades. Laserkatmistehnoloogia ja -seadmete edasine innovatsioon edendab selle tehnoloogia olulist rolli elutsükli kulude vähendamisel ja toote töökindluse parandamisel.

Laserkatmistehnoloogia on tehnoloogia, mis kasutab soojusallikana suure võimsusega laserit, mis sulatab katematerjali ja seejärel sadestab selle katematerjali pinnale, et tekitada katekiht. Võrreldes traditsioonilise katetehnoloogiaga on laserkatmisel eelised väikese kuummõjutsooni, suure nakketugevuse ja peaaegu ilma katematerjali eeltöötluseta, mis võimaldab saavutada lokaalset täppisparandust. Laserkatmiskihil on aluspinnaga gradientstruktuur, mis soodustab termilise pinge ja jääkpingete vähendamist ning nakketugevuse parandamist. Alates laserkatmistehnoloogia väljatöötamisest 1960. aastatel on lasertehnoloogia ja materjaliteaduse arenguga sellest saanud pinnatöötluse valdkonnas laialdaselt kasutatav võtmetehnoloogia.

Võrreldes gaasipõletiga katmisega on laserkatmisel kitsas kuummõjutsoon, väike jääkpinge ja vähene termiline mõju aluspinnale. Võrreldes plasmapihustiga on laserkatmiskiht aluspinnaga kindlalt keevitatud ja sellel on kõrge nakketugevus. Võrreldes elektronkiirkatmisega saab laserkatmist teha ilma vaakumita ja seda on lihtne automatiseerida. Üldiselt ühendab laserkatmine laserkatmise eelised suure võimsustiheduse, tugeva kollimatsiooni ja laserite suure juhtimispaindlikkuse katmisprotsessi ajal, mistõttu on sellel ilmsed eelised materjali pinna modifitseerimisel.

Laserkatte tehnoloogia abil saab metalli või mittemetalli pinnale moodustada spetsiifilise koostise ja omadustega katte ning saavutada materjali pinnal ainulaadse kulumiskindluse, korrosioonikindluse, oksüdatsioonikindluse, kõrge temperatuurikindluse, väsimuskindluse ja muud mitmeotstarbelised omadused, mis laiendab oluliselt materjali kasutusala. Laserkatte tehnoloogiat on laialdaselt kasutatud paljudes tööstusvaldkondades, nagu lennundus, autotööstus, vormid, metallurgia, masinad, keemiatööstus, fotogalvaanika, biomeditsiin jne, millel on suur tähtsus toote toimivuse ja eluea parandamisel.

1 Laserkattematerjalide uuring

1.1 Laserkattematerjalide valik ja omadused
Sobivate kattematerjalide valimine on kvaliteetsete kattekihtide saamiseks ülioluline. Üldiselt on nõutav suurepärane laserkiire neeldumisvõime ning arvesse võetakse selliseid parameetreid nagu materjali sulamistemperatuur, tihedus, difusioonivõime ja jääkpinge. Tavaliselt kasutatavate materjalide hulka kuuluvad metallipulbrid (koobaltipõhised, niklipõhised jne), keraamilised pulbrid (alumiiniumoksiid, ränikarbiid jne) ja eellegeeritud ühendid või ülaltoodud materjalide segud. Funktsionaalseid gradientmaterjale saab samuti kujundada, kasutades erinevaid materjale.

Lisaks heale laserkiire neeldumisvõimele peavad kattematerjalidel olema ka mõõdukas sulamistemperatuur, kõrge stabiilsus, hea märguvus ja metallurgiline side aluspinnaga. Metallist kattematerjalidel on hea venivus ja tihedus, samas kui keraamilistel kattematerjalidel on kõrge kõvadus ja keemiline stabiilsus. Materjalide ratsionaalse valiku abil on võimalik saada mitmete omadustega komposiitkattekiht.

1.2 Laserkattematerjalide funktsioonid ja jõudlus
Erinevate laserkattematerjalide valimisega on võimalik saavutada suurepärane kõvadus, kulumiskindlus, korrosioonikindlus, termiline väsimuskindlus, oksüdatsioonikindlus, kõrge temperatuuritaluvus, bioühilduvus jne, mis annab kattematerjali pinnale igakülgselt suurepärase jõudluse. Kattekihi jõudlus on tihedalt seotud selliste teguritega nagu materjali koostis ja komponentide suurus, laserprotsessi parameetrid jne. Näiteks metall-keraamiliste komposiitmaterjalide, näiteks WxC-NiCrBSi, valimisega on võimalik saada kulumiskindel kattekiht, millel on nii metalli venivus kui ka kõrge keraamiline kõvadus. Inconel 718 sulamist kattematerjalide kasutamisel on võimalik saada kõrge temperatuuriga korrosioonikindel ja oksüdatsioonikindel kattekiht. Boornitriidist kattematerjalid võivad pakkuda väga suurt pinnakõvadust. Titaanisulamist kattematerjalid võivad saada suurepäraseid bioühilduvaid kattekihte.

1.3 Laserkattematerjalide uurimisseisund ja arengusuund
Laserkattekihi materjali koostis on väga oluline tegur, mis mõjutab kattekihtide toimivust. Kuna inseneridetailide rakenduskeskkond muutub üha keerukamaks ja karmimaks, peavad kattekihi funktsioonid olema üha mitmekesisemad ja toimivus paraneb. Seetõttu ei saa üks kattematerjal enam rakendusnõuetele vastata. Kattematerjalide komposiit on muutunud väga oluliseks viisiks selle probleemi lahendamiseks.

Praegu on laserkattematerjalide valemite seas levinumad järgmised: isevoolavad sulammaterjalid, karbiidist dispersioon- või komposiitmaterjalid, komposiitkeraamilised materjalid jne. Seda tüüpi materjalil on suurepärane kulumiskindlus, korrosioonikindlus, kõrge temperatuuritaluvus ja muud omadused ning seda kasutatakse laialdaselt metallurgias, laevavarustuses, lennunduses, tuumaenergias ja muudes valdkondades. Seetõttu on laserkattematerjalide valemite uurimine pälvinud nii kodu- kui ka välismaiste teadlaste suurt tähelepanu.

Rahvusvahelisel tasandil on traditsiooniliste metallkattematerjalide, näiteks nikli-, koobalti- ja titaanipõhiste sulamite uuringud suhteliselt küpsed ning praegu keskendutakse kõrgtemperatuuriliste sulamite ja funktsionaalsete gradientmaterjalide väljatöötamisele. Traditsioonilistel keraamilistel kattematerjalidel, nagu alumiiniumoksiid ja räninitriid, on suhteliselt stabiilne jõudlus. Olemasolevad uuringud uurivad kõrgtemperatuurilisi oksüdatsioonikindlaid keraamilisi komposiite. On palju uuringuid metall-keraamiliste komposiitkattematerjalide kohta, millel on metalli sitkus ja keraamiline kõvadus, ning on ka katseid kasutada bioaktiivseid materjale meditsiinivaldkonnas. Tehnoloogiliselt arenenud riigid, nagu Euroopa, Ameerika Ühendriigid, Jaapan ja Lõuna-Korea, on varem läbi viinud laserkattetehnoloogia uuringuid. Nende hulgas on Saksamaal asuv Fraunhoferi Lasertehnoloogia Instituut läbi viinud baasuuringuid erinevate metallmaterjalide, näiteks titaanisulamite, alumiiniumisulamite, kroomisulamite jne laserkatte kohta; Oakridge'i riiklik labor Ameerika Ühendriikides on pühendunud tõhusate ja odavate laserkattesüsteemide väljatöötamisele; paljud Jaapani ettevõtted, näiteks Sumitomo Heavy Industries ja Mitsubishi Heavy Industries, tegelevad samuti laserlisandite tootmisseadmete uurimise ja arendamise ning tootmisega.

Traditsioonilisi metallkattematerjale kasutatakse Hiinas laialdaselt. Alates 2010. aastast on teadusasutused ja ülikoolid, näiteks Pekingi Aeronautika ja Astronautika Ülikool, Loode Polütehniline Ülikool ja Hiina Teaduste Akadeemia Shenyangi Automatiseerimisinstituut, teinud laserkattetehnoloogia valdkonnas suuri edusamme. Praegu keskendutakse tööstuslikele rakendustele ning uuringuid on tehtud lennukimootorite labade renoveerimise, metallfunktsionaalsete gradientmaterjalide, metallidevaheliste ühendkatete jms kohta ning mõned tehnoloogiad on jõudnud rahvusvahelisele kõrgtasemele. Ka kohalikud ettevõtted, näiteks Shenzhen Guangyun Laser, arenevad pidevalt. Praegu on keraamiliste kattematerjalide lokaliseerimine teinud teatavaid edusamme, kuid kõrgjõudlusega materjalidest on endiselt puudujääke; komposiitkattematerjalide uuringud algasid hilja ja arenevad simulatsioonist iseseisva disainini.

Tulevikku vaadates arenevad laserkattematerjalid nii kodu- kui ka välismaal traditsioonilistest uuenduslikeks. Uurimistöö keskmes on areng üksikutelt materjalidelt komposiitmaterjalidele, eriti metall-keraamilistele komposiitmaterjalidele, et saavutada parem terviklik jõudlus. Samal ajal töötatakse välja ka uusi kattematerjale, mis sobivad spetsiaalsetesse keskkondadesse, näiteks kõrge temperatuuriga oksüdatsioonikindlad sulamid, bioühilduvad materjalid jne.

2 Laserplaadistusprotsessi uuring

2.1 Laserplakaadi protsessi põhiprintsiibid
Laser kiiritab kattematerjali, moodustades sulavanni. Sula kattematerjal tungib kapillaaride toimel kattematerjali pinda ja seejärel tahkub kiiresti, saavutades materjalide vahelise sula sideme. Katteprotsessi saab jagada kolmeks etapiks: eeltöötlus, katmine ja järeltöötlus. Eeltöötlus hõlmab aluspinna puhastamist ja pinna viimistlemist.
karedus. Kattekihi moodustamise põhietapp on kattekihi paigaldamine. Järeltöötlus hõlmab kuumtöötlust jääkpingete jms kõrvaldamiseks.

2.2 Laserkatmisprotsessi mõjutavad tegurid ja optimeerimismeetodid
Laserkatmisprotsessi peamised mõjutavad tegurid on laserparameetrid, skaneerimiskiirus, düüsi parameetrid, gaasikaitse jne. Laserkatmisprotsessi parameetrite reguleerimis- ja optimeerimisstrateegia on kvaliteetsete katmiskihtide saamise võti. Peamiste protsessiparameetrite jaoks on teadlased pakkunud välja palju tõhusaid reguleerimis- ja juhtimisstrateegiaid. Näiteks laserparameetrite osas saavutatakse stabiilsem sulavanni morfoloogia laseri võimsuse optimeerimise teel. Uuring näitas, et laserlainepikkuse sobitamine võib parandada konkreetsete katmismaterjalide laseri neeldumise efektiivsust. Skaneerimise trajektoori osas võrreldakse erinevate skaneerimisrežiimide mõju sulavanni moodustumisele ja tulemused näitavad, et ortogonaalne skaneerimine saab arvestada nii skaneerimise efektiivsuse kui ka sulavanni stabiilsusega. Gaasi sissepritsekaitse osas saavutatakse efektiivne atmosfääri kontroll gaasivoolu ja rõhu optimeerimise teel. Üldiselt on loodud suhteliselt süstemaatiline laserkatmisprotsessi parameetrite optimeerimise strateegia. Põhiparameetrite, näiteks lasersüsteemi, skaneerimisrežiimi, gaasikaitse jne, koordineeritud juhtimise abil saab katmisprotsessi täpselt reguleerida ning katmiskvaliteedi ja stabiilsuse oluliselt parandada.

3 Laserplaadistusseadmete uuring
Laserkatmisseadmed on spetsiaalsed seadmed, mida kasutatakse laserkatmistehnoloogia teostamiseks. Need hõlmavad laserallikat, optilist süsteemi, pihustussüsteemi, tooriku positsioneerimis- ja liigutamissüsteemi, pulbripihustusseadet, töölauda ja juhtimissüsteemi. Laserkatmisseadmete tehnoloogiline areng on laserkatmisprotsessi teostamise võtmeseade ning mõjutab otseselt katmiskvaliteeti ja protsessi võimekust.

Levinud laserite hulka kuuluvad CO2-laserid, kiudlaserid, pooljuhtlaserid jne. Laserkatte põhivalgusallikana on laseri väljundvõimsus, lainepikkuste vahemik, kiire kvaliteet ja tööstabiilsus peamised tehnilised näitajad, mis tagavad katte kvaliteedi. Tulevikus keskendutakse laserite uurimis- ja arendustegevuses väljundvõimsuse parandamisele, kiire kvaliteedi täiustamisele, tööstabiilsuse parandamisele ja lainepikkuste vahemiku laiendamisele, et rahuldada tõhusama ja täiustatud laserkatte töötlemise vajadusi.

Pihustussüsteem mõjutab otseselt kattematerjali transpordi efektiivsust. Seadmete põhitehnoloogiad on düüside optimeerimine, protsessi reaalajas jälgimine ja temperatuurivälja juhtimine. Uued seadmed, nagu uued skaneerimispead ja mitme laseriga sidestus, tekivad pidevalt. Need tehnoloogilised edusammud on soodustanud laseriga täppiskattekihi arengut. Tulevikus keskendutakse pihustussüsteemi uurimisel sisestruktuuri optimeerimisele, kõrge temperatuuriga korrosioonikindlate materjalide kasutuselevõtule ja kiirete mitme düüsiga lülitusmehhanismide väljatöötamisele, et parandada düüside eluiga ja kohanemisvõimet, parandades seeläbi tõhusalt kattematerjalide kasutamise efektiivsust.

Juhtimissüsteemi intelligentsuse tase on seotud fassaadi stabiilsuse ja pinnakvaliteediga. Juhtimissüsteemi tuleviku arengusuund on luua intelligentne suletud ahelaga juhtimismehhanism, integreerida tehisintellekti algoritme parameetrite optimeerimiseks, tugevdada inimese ja arvuti interaktsiooniliideste disaini ning realiseerida digitaalseid ja intelligentseid funktsioone, nagu kaugseire ja oleku ennustamine, et saavutada fassaadiprotsessi täpne juhtimine ja kvaliteedi optimeerimine.

Kokkuvõttes on laserkatteseadmete arendussuund laseri väljundvõimsuse ja stabiilsuse parandamine, täpse düüsi juhtimise teostamine ning intelligentsete juhtimissüsteemide väljatöötamine keerukate kujundite kvaliteetseks laserkatteks. Lasertehnoloogia, pihustussüsteemide ja juhtimissüsteemide ühine innovatsioon ja arendus soodustab laserkatteseadmete arengut suure efektiivsuse, stabiilsuse ja intelligentsuse suunas, et rahuldada laserkatterakenduste tulevasi vajadusi, millel on kõrgemad terviklikud jõudlusnõuded.

4 Laserkatte tehnoloogia rakendus- ja arenguväljavaated erinevates valdkondades
Tänu oma täpsetele ja tõhusatele omadustele on laserkatmistehnoloogia näidanud suuri rakenduslikke eeliseid ja arengupotentsiaali lennunduses, autotööstuses, metallurgias ja muudes valdkondades. Lennunduses saab laserkatmistehnoloogiat rakendada oluliste komponentide, näiteks gaasiturbiinide labade, düüside ja turbiiniketaste pinna tugevdamiseks, et luua kvaliteetseid kulumisvastaseid ja kõrge temperatuuriga korrosioonikindlaid katteid, mis parandab oluliselt komponentide kasutusiga. Võrreldes traditsiooniliste protsessidega on laserkatmistehnoloogial väike töötlemissoojusmõjutsoon ja kõrge nakketugevus, mis sobib väga hästi lennunduskomponentide täppispindade lisandite valmistamiseks ja parandamiseks. Selle tehnoloogia edasiarendamine vähendab oluliselt hoolduskulusid lennunduses.

Autotööstuses saab laserkatmist kasutada oluliste komponentide, näiteks mootori ventiilide, ühendusvardade, nukkvõllide jms pinnaomaduste tugevdamiseks ning kulumiskindluse ja korrosioonikindluse suurendamiseks. Selliste võtmekomponentide kasutusiga ja töökindlus paranevad märkimisväärselt, mis aitab vähendada hoolduse sagedust ja sõiduki kogu elutsükli kulusid.

Metallurgiatööstuses võimaldab laserkatmistehnoloogia saavutada pinna parandamist ja kaitsmist, komponentide parandamist ja taastamist, pinna legeerimist, komposiitmaterjalide tootmist, lokaalset modifitseerimist ja traditsiooniliste materjalide ümberkujundamist. Pinna parandamise ja kaitsmise osas suurendab laserkatmistehnoloogia materjalide kulumiskindlust ja korrosioonikindlust ning pikendab seadmete kasutusiga, kattes kahjustatud pindadele spetsiaalseid sulameid. Põhikomponentide parandamiseks ja taastamiseks saab laserkatmistehnoloogia taastada algse struktuuri ja funktsiooni, valikuliselt kuumutades ja kattes sobivaid sulammaterjale, realiseerides seeläbi komponentide taaskasutamise. Pinna legeerimine kasutab laserkatmistehnoloogiat, et katta metallmaterjalide pinnale spetsiifilisi sulammaterjale, parandades seeläbi materjalide kõvadust, kulumiskindlust ja korrosioonikindlust ning vastates konkreetsetele protsessinõuetele. Laserkatmistehnoloogia kasutamine komposiitmaterjalide tootmisel võimaldab saavutada erinevate omaduste tervikliku rakendamise erinevate pulbermaterjalide katmise teel, laiendades seeläbi metallurgiamaterjalide rakendusala. Samal ajal võimaldab laserkatmistehnoloogia saavutada lokaalset modifitseerimist, nagu karastamine, lõõmutamine ja kustutamine, pakkudes metallurgiamaterjalidele kohandatud jõudlust. Lisaks saab traditsiooniliste materjalide parandamist ja ümberkujundamist saavutada ka laserplakaaditehnoloogia abil, mis parandab oluliselt materjalide jõudlust ja eluiga, moodustades materjali pinnale uue sulamikihi.

Laserkatte tehnoloogia ja seadmete pideva küpsusega laieneb selle rakendusvaldkond ka teistele tööstusharudele, nagu nafta, keemiatööstus, elektrienergia, raudteetransport jne, ning turuväljavaated on laiad. Selle tehnoloogia pidev innovatsioon vähendab oluliselt seadmete hoolduskulusid erinevates tööstusharudes ja parandab tootmise efektiivsust.

5i kokkuvõte

Täpse ja tõhusa pinna modifitseerimise meetodina on laserkatmistehnoloogia näidanud suurt rakenduspotentsiaali ja arenguväljavaateid. Selle ainulaadseteks eelisteks on väike kuummõjutsoon, kõrge nakketugevus, paindlik protsessijuhtimine jne, mis võimaldab saavutada materjali pinna täpse funktsionaalse muundamise. Pärast aastakümneid kestnud arendustegevust on laserkatmistehnoloogiat edukalt rakendatud olulistes valdkondades nagu lennundus, autotööstus, metallurgia jne, parandades oluliselt põhikomponentide kasutusiga ja töökindlust.

Lasertehnoloogia ja seadmete tootmise edasise arenguga seisab laserkatte tehnoloogia endiselt silmitsi väljakutsetega seadmete maksumuse edasisel vähendamisel, mitmekihiliste keerukate struktuuridega katte valmistamisel ja materjalide rakendusala laiendamisel. Samuti tuleb pidevalt optimeerida materjalisüsteemide sobivuse ning stabiilse ja korratava katte kvaliteedikontrolli probleemi. Selle tehnoloogia rakendusväljavaated on aga väga laiad, hõlmates lennukimootorite kuumade sektsioonide komponentide remonti, automootorite pinnatöötlust ja hüdroenergiaseadmete renoveerimist. Laserkatte tehnoloogia mängib kindlasti olulist rolli toodete töökindluse parandamisel ja elutsükli kulude vähendamisel seadmete ja protsesside pideva uuendamise kaudu.