Lapisan laser adalah jenis teknologi pelapisan baru. Teknologi ini merupakan teknologi canggih yang melibatkan berbagai disiplin ilmu seperti optik, permesinan, kelistrikan, material, deteksi, dan kontrol. Teknologi ini merupakan teknologi pendukung terpenting bagi teknologi manufaktur laser canggih. Teknologi ini dapat memecahkan masalah yang tidak dapat dipecahkan oleh metode manufaktur tradisional. Teknologi ini merupakan teknologi canggih yang menjadi fokus dukungan dan promosi negara ini. Saat ini, teknologi pelapisan laser telah menjadi salah satu cara penting untuk penyiapan material baru, manufaktur komponen logam yang cepat dan langsung, serta remanufaktur ramah lingkungan untuk komponen logam yang rusak. Teknologi ini telah banyak digunakan dalam industri penerbangan, perminyakan, otomotif, manufaktur mesin, pembuatan kapal, manufaktur cetakan, dan industri lainnya.

Dalam rangka mendorong industrialisasi teknologi pelapisan laser, para peneliti dari seluruh dunia telah melakukan penelitian sistematis terhadap teknologi-teknologi kunci yang terlibat dalam pelapisan laser dan telah mencapai kemajuan yang signifikan. Terdapat banyak makalah penelitian, konferensi, dan paten di dalam dan luar negeri yang memperkenalkan teknologi pelapisan laser dan aplikasi terbarunya, termasuk peralatan, material, proses, pemantauan dan pengendalian, inspeksi kualitas, simulasi dan emulasi proses, serta konten penelitian lainnya. Namun, sejauh ini, teknologi pelapisan laser belum diterapkan secara industri dalam skala besar. Menganalisis penyebabnya, terdapat faktor-faktor seperti arahan pemerintah, keterbatasan kematangan teknologi peleburan laser itu sendiri, dan tingkat pengakuan teknologi pelapisan laser oleh semua lapisan masyarakat. Oleh karena itu, untuk mencapai aplikasi industri yang komprehensif dari teknologi pelapisan laser, perlu meningkatkan upaya publisitas, berpedoman pada permintaan pasar, berfokus pada terobosan faktor-faktor kunci yang menghambat pengembangan, dan memecahkan masalah teknologi-teknologi kunci yang terlibat dalam aplikasi rekayasa. Diyakini bahwa dalam waktu dekat, bidang aplikasi dan intensitas teknologi pelapisan laser akan terus berkembang. Berikut ini diperkenalkan beberapa tren pengembangan teknologi pelapisan laser untuk para pembaca.

Keuntungan dari pelapisan laser

Kepadatan daya fokus sinar laser dapat mencapai 10^10 hingga 10^12 W/cm², dan laju pemanasannya dapat mencapai 1012K/s saat bekerja pada material. Karakteristik komprehensif ini tidak hanya memberikan fondasi yang kuat bagi perkembangan disiplin ilmu baru dalam ilmu material, tetapi juga menyediakan alat yang belum pernah ada sebelumnya untuk realisasi material baru atau permukaan fungsional baru. Kondisi pendinginan cepat lelehan yang dihasilkan oleh pelapisan laser yang jauh dari keadaan kesetimbangan di bawah gradien suhu tinggi, yang membentuk sejumlah besar larutan padat lewat jenuh, fase metastabil, dan bahkan fase baru dalam struktur padat, telah dikonfirmasi oleh sejumlah besar penelitian. Hal ini memberikan kondisi termodinamika dan kinetik baru untuk pembuatan lapisan komposit yang diperkuat partikel yang dihasilkan sendiri secara in-situ dengan gradien fungsional. Pada saat yang sama, persiapan material baru dengan teknologi pelapisan laser merupakan dasar penting untuk perbaikan dan remanufaktur komponen yang rusak dalam kondisi ekstrem dan manufaktur langsung komponen logam. Teknologi ini telah sangat dihargai dan dipelajari dalam banyak aspek oleh komunitas ilmiah dan perusahaan di berbagai negara di seluruh dunia.

Saat ini, teknologi pelapisan laser dapat digunakan untuk menyiapkan material komposit berbasis logam seperti berbasis besi, berbasis nikel, berbasis kobalt, berbasis aluminium, berbasis titanium, dan berbasis magnesium. Berdasarkan klasifikasi fungsionalnya, pelapis tunggal atau multi-fungsional seperti ketahanan aus, ketahanan korosi, ketahanan suhu tinggi, dan pelapis fungsional khusus dapat disiapkan. Dari perspektif sistem material penyusun pelapis, sistem ini telah berkembang dari sistem paduan biner menjadi sistem multi-elemen. Desain komposisi paduan dan multifungsi sistem multi-elemen merupakan arah pengembangan penting untuk penyiapan material baru dengan pelapisan laser di masa mendatang.

Penelitian terbaru menunjukkan bahwa material logam berbasis baja mendominasi aplikasi teknik di negara saya. Di saat yang sama, kegagalan material logam (seperti korosi, keausan, kelelahan, dll.) sebagian besar terjadi pada permukaan kerja komponen, sehingga permukaan tersebut perlu diperkuat. Penggunaan partikel besar yang dihasilkan sendiri secara in-situ untuk memperkuat material komposit berbasis baja agar memenuhi kondisi layanan benda kerja tidak hanya membuang material, tetapi juga memiliki biaya yang sangat tinggi. Di sisi lain, dari perspektif bionik, biomaterial alami terdiri dari bagian luar yang padat dan bagian dalam yang jarang, dan kinerjanya keras di luar dan kuat di dalam. Kerapatan-kelangkaan, kekerasan-ketangguhan berubah secara bertahap dari luar ke dalam. Struktur khusus biomaterial alami membuatnya memiliki kinerja yang sangat baik. Sesuai dengan kondisi layanan khusus dan persyaratan kinerja material dalam teknik, material komposit matriks logam permukaan baru dengan teknologi yang kuat dan tangguh serta kinerja gradien sangat dibutuhkan. Oleh karena itu, penggunaan pelapis laser untuk menyiapkan material komposit matriks logam yang diperkuat partikel in-situ fungsional gradien yang terikat secara metalurgi pada substrat tidak hanya merupakan kebutuhan mendesak dalam praktik rekayasa, tetapi juga tren yang tak terelakkan dalam pengembangan teknologi modifikasi permukaan laser. Persiapan material komposit matriks logam yang diperkuat partikel in-situ dan material gradien fungsional dengan teknologi pelapis laser telah dilaporkan, tetapi sebagian besar masih dalam tahap pengorganisasian, analisis kinerja, dan kontrol parameter proses. Ukuran, jarak, dan rasio volume fase penguat tidak dapat mencapai tingkat yang terkendali. Fungsi gradien dibentuk oleh pelapisan multi-lapis, dan tak terelakkan terdapat masalah ikatan antarmuka yang lemah antar lapisan, yang masih jauh dari aplikasi praktis. Penggunaan teknologi peleburan laser untuk menyiapkan material komposit permukaan berbasis logam dengan ukuran, kuantitas, dan distribusi partikel yang terkendali, kekuatan dan ketangguhan yang sesuai, serta fungsi gradien yang terintegrasi dan penguat partikel in-situ merupakan arah pengembangan yang penting di masa depan. Konten penelitian meliputi:

• Teknologi, sarana dan prinsip untuk desain komposisi, organisasi, dan kinerja bahan pelapis dan teknologi kontrol untuk implementasi proses.
• Pembentukan model termodinamika dan kinetik untuk presipitasi, pertumbuhan dan penguatan fase penguatan partikel dari komposit berbasis logam yang diperkuat partikel in-situ yang dihasilkan sendiri dengan gradien fungsional yang disiapkan dengan pelapisan laser.
• Desain bionik morfologi fase penguatan partikel, struktur, fungsi dan komposit, serta teknologi kontrol ukuran, kuantitas dan distribusi.
• Penelitian tentang prinsip, faktor kunci dan metode proses komposisi pelapisan, organisasi dan pengendalian gradien kinerja.
• Pengamatan, analisis, kontrol dan karakterisasi antarmuka makro dan mikro; analisis dan deteksi sifat konvensional komposit berbasis logam yang diperkuat partikel yang dihasilkan sendiri secara in-situ dengan gradien fungsional, serta perilaku keausan dan mekanisme kegagalan dalam kondisi kerja yang berbeda.

Terobosan dalam konten penelitian ini dapat memecahkan masalah ketidaksesuaian antara lapisan dan substrat serta mudah retak, dan mendorong perluasan bidang aplikasi teknologi pelapisan laser.

Teknologi pelapis komposit laser

Pelapisan laser menggunakan laser sebagai sumber panas untuk melapisi lapisan paduan dengan kinerja yang sangat baik pada substrat. Kinerjanya akan bergantung pada kebutuhan spesifik komponen yang diproses. Keunggulan metode pelapisan laser adalah struktur lapisan yang halus, kinerja yang sangat baik, tegangan termal yang rendah, deformasi yang kecil, dan bebas polusi. Kelemahannya juga jelas: membutuhkan laser berdaya sangat tinggi, pemindaian tumpang tindih saluran tunggal tidak cocok untuk pemrosesan area yang luas, dan sulit untuk mencapai industrialisasi. Untuk mengatasi masalah ini, penggunaan teknologi pelapisan komposit laser merupakan salah satu cara yang efektif dan merupakan arah penting untuk pengembangan di masa mendatang. Pelapisan komposit laser menggunakan metode pemanasan konvensional dan menambahkan pemanasan komposit laser untuk menyelesaikan proses pelapisan. Metode pemanasan konvensional dapat berupa pemanasan listrik, berbagai jenis pemanasan induksi, dll., sesuai kebutuhan. Singkatnya, teknologi pelapisan komposit laser memiliki karakteristik sebagai berikut:

• Pelapis pemanas komposit "konvensional (seperti induksi) + laser" menggabungkan keunggulan dua proses pemanasan, sekaligus mengatasi kekurangan masing-masing metode, dan sepenuhnya mencerminkan karakteristik keunggulan yang saling melengkapi.
• Metode konvensional digunakan untuk membantu pemanasan laser, sehingga pelapisan area besar yang awalnya sulit diselesaikan dengan daya yang sangat tinggi dapat dicapai dengan laser berdaya relatif rendah, yang sulit dicapai dengan metode tunggal.
• Teknologi pelapisan komposit laser telah memperluas penerapan teknologi konvensional yang baru dan lebih luas, dan penerapan teknologi konvensional selanjutnya telah mendorong penerapan dan industrialisasi teknologi pelapisan laser.
• Teknologi pelapis komposit laser sangat cocok untuk batang ramping, poros dalam kisaran ukuran tertentu, seperti pendorong pompa oli, jenis rol tertentu, dan poros untuk tujuan khusus.

Teknologi pelapisan sumber laser baru

Saat ini, pelapisan laser terutama menggunakan laser gas CO2 untuk pelapisan laser komponen besar, dan sejumlah kecil laser YAG. Pelapisan laser YAG seringkali menggunakan pelapisan laser berdenyut. Aplikasi teknik terkini menunjukkan bahwa pelapisan laser YAG memiliki lebih banyak keunggulan untuk komponen kecil.

Tren perkembangan penting lainnya adalah penggunaan laser semikonduktor berdaya tinggi, menggunakan laser merah atau inframerah dekat dengan rentang panjang gelombang 808-965 μm. Dibandingkan dengan laser CO2, logam mudah diserap, pra-perlakuan dapat dihilangkan, dan praktis serta mudah dioperasikan. Teknologi pelapisan laser semikonduktor berdaya tinggi memiliki keunggulan signifikan dibandingkan metode pelapisan lainnya. Pada saat yang sama, laser semikonduktor dapat mewujudkan kontrol terintegrasi dengan pengumpanan serbuk koaksial dan menggunakan transmisi serat optik serta teknologi ekspansi berkas untuk pengarahan dan pemfokusan cahaya, mewujudkan transmisi tertutup penuh atau transmisi serat optik, serta mewujudkan kontrol cahaya, mesin, listrik, serbuk, dan kontrol yang sangat terintegrasi; dikombinasikan dengan lengan robot (manusia), miniaturisasi, dan layanan daring seluler dapat diwujudkan untuk memenuhi kebutuhan berbagai tingkatan. Dapat diperkirakan bahwa selain teknologi pelapisan laser CO2 dan YAG tradisional, peralatan dan proses pelapisan laser semikonduktor berdaya tinggi yang baru akan berkembang secara bertahap dan memenuhi kebutuhan rekayasa permukaan berkualitas tinggi, menjadi bagian penting dari perawatan permukaan laser.

Teknologi pelapisan laser dalam kondisi ekstrem

Dengan kematangan dan perkembangan teknologi pelapisan laser, teknologi ini telah berhasil diterapkan pada pelapisan laser rol bergelombang, manufaktur pelapisan laser langsung cincin api silinder, dan perbaikan komponen mesin. Teknologi ini telah mencapai pengurangan geometri berbagai komponen logam dengan laser sebagai metode pemrosesan utama, serta memulihkan dimensi geometris dan meningkatkan kinerja sesuai standar manufaktur asli. Seiring perkembangan dan kebutuhan ilmu pengetahuan dan teknologi serta teknologi rekayasa, kondisi kerja komponen logam menjadi semakin keras, dan seringkali bekerja dalam kondisi ekstrem seperti tegangan bolak-balik tinggi, suhu tinggi, kecepatan tinggi, dan korosi tinggi. Oleh karena itu, material yang digunakan untuk memproduksi komponen logam perlu memiliki beberapa sifat sekaligus agar dapat memenuhi kondisi khusus komponen tersebut. Selain itu, biaya dan siklus manufaktur komponen ini panjang, dan jika rusak, kerugian ekonomi dan kecelakaan keselamatan yang besar akan terjadi. Misalnya, pada peralatan turbin, berbagai komponen penting seperti bilah, jurnal rotor, impeller batang katup, katup, dll.; mesin pesawat terbang, komponen mesin pembakaran dalam, dll. Kesulitan teknis rekayasa ini telah menimbulkan tantangan baru bagi teknologi peleburan laser. Oleh karena itu, bagaimana menyelesaikan masalah perbaikan komponen yang rusak dalam kondisi ekstrem sangatlah mendesak dan kompleks. Penting untuk menganalisis bentuk kerusakan komponen dalam kondisi ekstrem, mengevaluasi sisa umur pakai, dan memilih material serta metode pemrosesan yang tepat. Oleh karena itu, dengan berawal dari penguatan dan perbaikan komponen utama dalam kondisi ekstrem, teknologi penguatan dan remanufaktur pelapis laser dipelajari secara sistematis. Melalui penelitian gabungan beberapa teknologi utama, diperoleh teknologi menyeluruh yang sesuai untuk memperkuat dan memperbaiki berbagai komponen dalam kondisi ekstrem. Arahan utama yang perlu ditangani adalah:

• Teknologi penilaian kehidupan sebelum dan sesudah perbaikan (penguatan) komponen yang gagal dalam kondisi ekstrem;
• Penelitian tentang teknologi perbaikan bebas kerusakan pada komponen yang gagal dalam kondisi ekstrem;
• Penelitian tentang bahan paduan khusus untuk perbaikan laser komponen yang rusak dalam kondisi ekstrem;
• Penelitian tentang pengukuran entitas, sistem kontrol perbaikan pemodelan akumulasi entitas tiga dimensi, suhu proses perbaikan, dimensi geometris dan sistem pemantauan cerdas kualitas;
• Penelitian tentang peralatan bantu perbaikan khusus;
• Penelitian tentang teknologi pengujian kinerja lapisan perbaikan dan teknologi pemrosesan.

Prospek teknologi pelapisan laser

Teknologi kelongsong laser Bahasa Indonesia: mengintegrasikan persiapan material dan konfigurasi permukaan, adalah salah satu teknologi pendukung penting dari teknologi remanufaktur hijau, dan sejalan dengan strategi pembangunan berkelanjutan nasional. Berteknologi tinggi. Ilmuwan Tiongkok berada pada tingkat lanjutan internasional dalam penelitian teoritis dasar dan telah memberikan kontribusi besar bagi pengembangan teknologi pelapisan laser. Namun di sisi lain, tingkat aplikasi dan skala teknologi pelapisan laser tidak dapat memenuhi kebutuhan pasar. Perlu untuk memecahkan teknologi kunci dalam aplikasi teknik, meneliti dan mengembangkan sistem bubuk paduan khusus, mengembangkan perangkat dan teknologi pengangkut bubuk khusus, secara sistematis mempelajari metode proses perbaikan bebas kerusakan, membangun sistem jaminan dan evaluasi kualitas, meningkatkan upaya, dan menumbuhkan bakat dalam aplikasi teknik. Saya percaya bahwa di pasar manufaktur yang semakin kompetitif saat ini, teknologi pelapisan laser memiliki potensi besar.