Artikel ini mengulas kemajuan penelitian teknologi laser cladding, meliputi prinsip dasar laser cladding, pemilihan material, kontrol parameter proses, konfigurasi peralatan dan aplikasi industri. Pelapisan laser memiliki prospek penerapan yang bagus dalam meningkatkan kinerja permukaan material karena zona kecil yang terpengaruh panas dan kekuatan ikatan yang tinggi. Artikel ini menguraikan kriteria pemilihan bahan pelapis laser, status penelitian dan pengembangan bahan logam/keramik/komposit, menganalisis strategi optimalisasi parameter perlindungan laser/pemindaian/gas, membahas arah pengembangan peralatan seperti laser/nozel/kontrol sistem, dan mencantumkan contoh aplikasi di bidang luar angkasa, mobil, metalurgi, dan bidang lainnya. Inovasi lebih lanjut pada teknologi dan peralatan kelongsong laser akan mendorong peran penting teknologi ini dalam mengurangi biaya siklus hidup dan meningkatkan keandalan produk.

Teknologi laser cladding merupakan teknologi yang menggunakan laser berkekuatan tinggi sebagai sumber panas untuk melelehkan material cladding kemudian menyimpannya pada permukaan material cladding untuk menghasilkan lapisan cladding. Dibandingkan dengan teknologi kelongsong tradisional, kelongsong laser memiliki keunggulan berupa zona kecil yang terpengaruh panas, kekuatan ikatan yang tinggi, dan hampir tidak ada perlakuan awal pada bahan kelongsong, yang dapat mencapai perbaikan presisi lokal. Lapisan kelongsong laser memiliki struktur gradien dengan substrat, yang kondusif untuk mengurangi tekanan termal dan tegangan sisa serta meningkatkan kekuatan ikatan. Sejak teknologi kelongsong laser diusulkan pada tahun 1960-an, seiring dengan perkembangan teknologi laser dan ilmu material, teknologi ini telah menjadi teknologi utama yang banyak digunakan di bidang rekayasa permukaan.

Dibandingkan dengan pelapis obor gas, pelapis laser memiliki zona terkena panas yang sempit, tegangan sisa yang kecil, dan efek termal yang kecil pada substrat. Dibandingkan dengan penyemprotan plasma, lapisan kelongsong laser dilas dengan kuat ke substrat dan memiliki kekuatan ikatan yang tinggi. Dibandingkan dengan pelapis berkas elektron, pelapis laser dapat dioperasikan tanpa vakum dan mudah diotomatisasi. Secara umum, pelapisan laser menggabungkan keunggulan kepadatan daya tinggi, kolimasi yang kuat, dan fleksibilitas kontrol laser yang tinggi selama proses pelapisan, sehingga memiliki keunggulan nyata dalam modifikasi permukaan material.

Teknologi kelongsong laser dapat membentuk lapisan dengan komposisi dan sifat tertentu pada permukaan bahan logam atau non-logam, dan mencapai ketahanan aus yang unik, ketahanan korosi, ketahanan oksidasi, ketahanan suhu tinggi, ketahanan lelah, dan multi-fungsi permukaan material lainnya. , yang sangat memperluas jangkauan penerapan material. Teknologi pelapisan laser telah banyak digunakan di banyak bidang industri seperti dirgantara, mobil, cetakan, metalurgi, permesinan, bahan kimia, fotovoltaik, biomedis, dll., yang sangat penting untuk meningkatkan kinerja dan masa pakai produk.

1 Penelitian tentang bahan pelapis laser

1.1 Pemilihan dan karakteristik bahan pelapis laser
Memilih bahan pelapis yang sesuai sangat penting untuk mendapatkan lapisan pelapis berkualitas tinggi. Umumnya, diperlukan kinerja penyerapan laser yang sangat baik, dan parameter seperti titik leleh, kepadatan, difusivitas, dan tegangan sisa material juga dipertimbangkan. Bahan yang umum digunakan meliputi bubuk logam (berbahan dasar kobalt, berbahan dasar nikel, dll.), bubuk keramik (aluminium oksida, silikon karbida, dll.), dan senyawa pra-paduan atau campuran yang terbuat dari bahan-bahan di atas. Bahan gradien fungsional juga dapat dirancang menggunakan bahan yang berbeda.

Selain kinerja penyerapan laser yang baik, bahan pelapis juga harus memiliki titik leleh sedang, stabilitas tinggi, keterbasahan yang baik, dan penggabungan metalurgi dengan substrat. Bahan pelapis logam dapat memberikan keuletan dan kepadatan yang baik, sedangkan bahan pelapis keramik memiliki kekerasan dan stabilitas kimia yang tinggi. Dengan memilih material secara rasional, lapisan kelongsong komposit dengan berbagai sifat dapat diperoleh.

1.2 Fungsi dan kinerja bahan pelapis laser
Dengan memilih bahan pelapis laser yang berbeda, kekerasan yang sangat baik, ketahanan aus, ketahanan korosi, ketahanan lelah termal, ketahanan oksidasi, ketahanan suhu tinggi, biokompatibilitas, dll. dapat diperoleh, memberikan permukaan bahan pelapis kinerja luar biasa yang komprehensif. Kinerja lapisan kelongsong sangat erat kaitannya dengan faktor-faktor seperti komposisi material dan besaran komponen, parameter proses laser, dll. Misalnya, dengan memilih material komposit logam-keramik seperti WxC-NiCrBSi, lapisan kelongsong tahan aus dengan keuletan logam dan kekerasan keramik yang tinggi dapat diperoleh. Dengan menggunakan bahan kelongsong paduan Inconel 718, lapisan kelongsong yang tahan korosi dan oksidasi suhu tinggi dapat diperoleh. Bahan pelapis boron nitrida dapat memberikan kekerasan permukaan yang sangat tinggi. Bahan kelongsong paduan titanium dapat memperoleh lapisan kelongsong biokompatibel yang sangat baik.

1.3 Status penelitian dan tren pengembangan bahan pelapis laser
Komposisi bahan kelongsong laser merupakan faktor yang sangat penting yang mempengaruhi kinerja pelapis kelongsong. Karena lingkungan penerapan suku cadang teknik menjadi semakin kompleks dan keras, fungsi pelapisan harus semakin beragam dan kinerjanya menjadi semakin baik. Oleh karena itu, satu bahan pelapis tidak lagi dapat memenuhi persyaratan aplikasi. Komposit bahan pelapis telah menjadi cara yang sangat penting bagi manusia untuk mengatasi masalah ini.

Saat ini, formula bahan kelongsong laser yang umum digunakan adalah: bahan paduan fluks sendiri, bahan dispersi karbida atau komposit, bahan keramik komposit, dll. Jenis bahan ini memiliki ketahanan aus yang sangat baik, ketahanan korosi, ketahanan suhu tinggi dan sifat lainnya, dan banyak digunakan dalam metalurgi, peralatan kelautan, dirgantara, tenaga nuklir dan bidang lainnya. Oleh karena itu, penelitian formula bahan laser cladding mendapat perhatian besar dari para sarjana di dalam dan luar negeri.

Secara internasional, penelitian tentang bahan pelapis logam tradisional seperti paduan berbasis nikel, berbasis kobalt, dan berbasis titanium sudah relatif matang, dan saat ini berkomitmen untuk pengembangan paduan suhu tinggi dan bahan gradien fungsional. Bahan pelapis keramik tradisional seperti alumina dan silikon nitrida memiliki kinerja yang relatif stabil. Penelitian yang ada mengeksplorasi komposit keramik tahan oksidasi suhu tinggi. Telah banyak penelitian mengenai material cladding komposit logam-keramik yang memiliki keunggulan pada ketangguhan logam dan kekerasan keramik, serta terdapat juga upaya penggunaan material bioaktif dalam bidang medis. Negara-negara berteknologi maju seperti Eropa, Amerika Serikat, Jepang, dan Korea Selatan telah melakukan penelitian tentang teknologi laser cladding lebih awal. Diantaranya, Institut Teknologi Laser Fraunhofer di Jerman telah melakukan penelitian dasar tentang pelapisan laser dari berbagai bahan logam seperti paduan titanium, paduan aluminium, paduan kromium, dll.; Laboratorium Nasional Oakridge di Amerika Serikat berkomitmen untuk mengembangkan sistem pelapisan laser yang efisien dan berbiaya rendah; banyak perusahaan Jepang, seperti Sumitomo Heavy Industries dan Mitsubishi Heavy Industries, juga terlibat dalam penelitian dan pengembangan serta produksi peralatan manufaktur aditif laser.

Bahan pelapis logam tradisional banyak digunakan di Tiongkok. Sejak tahun 2010, lembaga penelitian dan universitas seperti Universitas Aeronautika dan Astronautika Beijing, Universitas Politeknik Northwestern, dan Institut Otomasi Shenyang dari Akademi Ilmu Pengetahuan Tiongkok telah mencapai kemajuan besar dalam teknologi pelapisan laser. Saat ini, fokusnya adalah pada aplikasi industri, dan penelitian telah dilakukan pada perbaikan bilah mesin pesawat, material gradien fungsional logam, pelapis senyawa intermetalik, dll., dan beberapa teknologi telah mencapai tingkat mahir internasional. Perusahaan lokal seperti Shenzhen Guangyun Laser juga terus berkembang. Saat ini, lokalisasi material pelapis keramik telah mengalami kemajuan tertentu, namun masih terdapat kesenjangan dari material berkinerja tinggi; penelitian tentang material kelongsong komposit dimulai terlambat dan berkembang dari simulasi hingga desain independen.

Ke depan, bahan pelapis laser di dalam dan luar negeri berkembang dari tradisional menjadi inovatif. Fokus penelitiannya adalah mengembangkan material tunggal menjadi material komposit, khususnya material komposit logam-keramik, untuk memperoleh kinerja komprehensif yang lebih baik. Pada saat yang sama, bahan pelapis baru yang cocok untuk lingkungan khusus juga sedang dikembangkan, seperti paduan tahan oksidasi suhu tinggi, bahan biokompatibel, dll.

2 Penelitian tentang proses pelapisan laser

2.1 Prinsip dasar proses pelapisan laser
Laser menyinari bahan pelapis untuk membentuk kolam cair. Bahan pelapis cair menembus ke dalam permukaan bahan pelapis melalui aksi kapiler, dan kemudian mengeras dengan cepat untuk mencapai ikatan cair antar bahan. Proses cladding dapat dibagi menjadi tiga tahap: pretreatment, cladding, dan post-treatment. Perlakuan awal meliputi pembersihan media dan perbaikan permukaan
kekasaran. Tahap cladding merupakan langkah kunci dalam pembentukan lapisan cladding. Pasca perawatan termasuk perlakuan panas untuk menghilangkan sisa stres, dll.

2.2 Faktor yang mempengaruhi dan metode optimasi proses pelapisan laser
Faktor utama yang mempengaruhi proses pelapisan laser adalah parameter laser, kecepatan pemindaian, parameter nosel, perlindungan gas, dll. Strategi pengaturan dan optimalisasi parameter proses pelapisan laser adalah kunci untuk mendapatkan lapisan pelapisan berkualitas tinggi. Untuk parameter proses utama, peneliti telah mengusulkan banyak strategi penyesuaian dan pengendalian yang efektif. Misalnya, dalam hal parameter laser, morfologi kolam cair yang lebih stabil diperoleh dengan mengoptimalkan kekuatan laser. Studi tersebut menemukan bahwa mencocokkan panjang gelombang laser dapat meningkatkan efisiensi penyerapan laser pada bahan pelapis tertentu. Dalam hal lintasan pemindaian, efek dari mode pemindaian yang berbeda pada pembentukan kumpulan lelehan dibandingkan, dan hasilnya menunjukkan bahwa pemindaian ortogonal dapat memperhitungkan efisiensi pemindaian dan stabilitas kumpulan lelehan. Mengenai perlindungan injeksi gas, pengendalian atmosfer yang efektif dicapai dengan mengoptimalkan aliran dan tekanan gas. Secara keseluruhan, strategi optimasi parameter proses kelongsong laser yang relatif sistematis telah ditetapkan. Melalui kontrol terkoordinasi dari parameter utama seperti sistem laser, mode pemindaian, perlindungan gas, dll., proses pelapisan dapat disesuaikan secara akurat, dan kualitas serta stabilitas pelapisan dapat ditingkatkan secara signifikan.

3 Penelitian tentang peralatan kelongsong laser
Peralatan pelapisan laser mengacu pada peralatan khusus yang digunakan untuk melakukan teknologi pelapisan laser. Ini mencakup sumber laser, sistem optik, sistem semprotan, sistem pemosisian dan pergerakan benda kerja, perangkat semprotan bubuk, meja kerja dan sistem kontrol. Sebagai peralatan utama untuk mewujudkan proses kelongsong laser, perkembangan teknologi peralatan kelongsong laser secara langsung mempengaruhi kualitas kelongsong dan kemampuan proses.

Laser yang umum termasuk laser CO2, laser serat, laser semikonduktor, dll. Sebagai sumber cahaya inti kelongsong laser, daya keluaran, rentang panjang gelombang, kualitas sinar, dan stabilitas pengoperasian laser adalah indikator teknis utama untuk memastikan kualitas kelongsong. Di masa depan, penelitian dan pengembangan laser akan fokus pada peningkatan daya keluaran, penyempurnaan kualitas sinar, peningkatan stabilitas kerja, dan perluasan jangkauan panjang gelombang untuk memenuhi kebutuhan pemrosesan kelongsong laser yang lebih efisien dan halus.

Sistem penyemprotan secara langsung mempengaruhi efisiensi pengangkutan material kelongsong. Desain pengoptimalan nosel, pemantauan proses online, dan kontrol suhu lapangan adalah teknologi utama peralatan ini. Peralatan baru seperti kepala pemindai baru dan kopling multi-laser bermunculan tanpa henti. Kemajuan teknologi ini telah mendorong pengembangan pelapisan presisi laser. Di masa depan, penelitian tentang sistem penyemprotan akan fokus pada desain optimalisasi struktur internal, penerapan bahan tahan korosi suhu tinggi, dan pengembangan mekanisme peralihan multi-nosel yang cepat untuk meningkatkan masa pakai dan kemampuan beradaptasi. nozel, sehingga secara efektif meningkatkan efisiensi pemanfaatan bahan baku pelapis.

Tingkat kecerdasan sistem kendali berhubungan dengan stabilitas dan kualitas permukaan kelongsong. Arah pengembangan sistem kendali di masa depan adalah membangun mekanisme kendali loop tertutup yang cerdas, mengintegrasikan algoritma kecerdasan buatan untuk optimalisasi parameter, memperkuat desain antarmuka interaksi manusia-komputer, dan mewujudkan fungsi digital dan cerdas seperti pemantauan jarak jauh dan prediksi keadaan, sehingga mencapai kontrol yang tepat dan optimalisasi kualitas proses cladding.

Singkatnya, arah pengembangan peralatan pelapis laser adalah untuk meningkatkan daya dan stabilitas keluaran laser, mewujudkan kontrol nosel yang presisi, dan mengembangkan sistem kontrol cerdas untuk melakukan pelapisan laser berkualitas tinggi dengan bentuk kompleks. Inovasi kolaboratif dan pengembangan teknologi laser, sistem semprotan, dan sistem kontrol akan mendorong evolusi peralatan kelongsong laser menuju efisiensi, stabilitas, dan kecerdasan tinggi untuk memenuhi kebutuhan aplikasi kelongsong laser di masa depan dengan persyaratan kinerja komprehensif yang lebih tinggi.

4 Prospek penerapan dan pengembangan teknologi laser cladding di berbagai bidang
Karena karakteristiknya yang tepat dan efisien, teknologi kelongsong laser telah menunjukkan keuntungan penerapan dan potensi pengembangan yang besar di bidang kedirgantaraan, otomotif, metalurgi, dan bidang lainnya. Di bidang kedirgantaraan, teknologi kelongsong laser dapat diterapkan pada penguatan permukaan komponen penting seperti bilah turbin gas, nozel, dan cakram turbin untuk menghasilkan lapisan anti aus dan tahan korosi suhu tinggi berkualitas tinggi, yang secara signifikan meningkatkan layanan. umur komponen. Dibandingkan dengan proses tradisional, pelapisan laser memiliki karakteristik zona pengaruh panas pemrosesan yang kecil dan kekuatan ikatan yang tinggi, yang sangat cocok untuk pembuatan aditif permukaan presisi dan perbaikan komponen penerbangan. Perkembangan lebih lanjut dari teknologi ini akan sangat mengurangi biaya pemeliharaan di bidang kedirgantaraan.

Di bidang manufaktur mobil, pelapisan laser dapat digunakan untuk memperkuat sifat permukaan komponen penting seperti katup mesin, batang penghubung, poros bubungan, dll., serta meningkatkan ketahanan aus dan ketahanan korosi. Masa pakai dan keandalan komponen-komponen utama tersebut akan ditingkatkan secara signifikan, yang akan membantu mengurangi frekuensi perawatan dan mengurangi biaya siklus hidup kendaraan secara keseluruhan.

Di bidang industri metalurgi, teknologi kelongsong laser dapat mencapai perbaikan dan perlindungan permukaan, perbaikan dan manufaktur ulang komponen, perlakuan paduan permukaan, pembuatan material komposit, perawatan modifikasi lokal, dan transformasi material tradisional. Dalam hal perbaikan dan perlindungan permukaan, teknologi pelapisan laser meningkatkan ketahanan aus dan ketahanan korosi material serta memperpanjang masa pakai peralatan dengan melapisi paduan khusus pada permukaan yang rusak. Untuk perbaikan dan produksi ulang komponen-komponen utama, teknologi pelapisan laser dapat mengembalikan struktur dan fungsi asli dengan memanaskan dan melapisi bahan paduan yang sesuai secara selektif, sehingga mewujudkan penggunaan kembali komponen. Perlakuan paduan permukaan menggunakan teknologi kelongsong laser untuk melapisi bahan paduan tertentu pada permukaan bahan logam, sehingga meningkatkan kekerasan, ketahanan aus, dan ketahanan korosi pada bahan serta memenuhi persyaratan proses tertentu. Penggunaan teknologi kelongsong laser untuk memproduksi material komposit dapat mencapai penerapan komprehensif dari karakteristik yang berbeda dengan melapisi bahan bubuk yang berbeda, sehingga memperluas bidang penerapan bahan metalurgi. Pada saat yang sama, teknologi kelongsong laser dapat mencapai perawatan modifikasi lokal seperti pengerasan, anil, dan pendinginan, sehingga memberikan kinerja yang disesuaikan untuk bahan metalurgi. Selain itu, perbaikan dan transformasi material tradisional juga dapat dicapai melalui teknologi pelapisan laser, yang secara signifikan meningkatkan kinerja dan masa pakai material dengan membentuk lapisan paduan baru pada permukaan material.

Dengan semakin matangnya teknologi dan peralatan kelongsong laser, bidang penerapannya juga akan meluas ke bidang industri lain seperti minyak bumi, industri kimia, tenaga listrik, transportasi kereta api, dll., dan prospek pasarnya luas. Inovasi berkelanjutan dari teknologi ini akan mengurangi biaya pemeliharaan peralatan di berbagai industri secara signifikan dan meningkatkan efisiensi produksi.

5 Kesimpulan

Sebagai metode modifikasi permukaan yang tepat dan efisien, teknologi pelapisan laser telah menunjukkan potensi penerapan dan prospek pengembangan yang besar. Keunggulan uniknya adalah zona kecil yang terkena panas, kekuatan ikatan tinggi, kontrol proses yang fleksibel, dll., yang dapat mewujudkan transformasi fungsional permukaan material yang tepat. Setelah pengembangan selama beberapa dekade, teknologi kelongsong laser telah berhasil diterapkan di bidang-bidang penting seperti dirgantara, otomotif, metalurgi, dll., sehingga sangat meningkatkan masa pakai dan keandalan komponen inti.

Dengan semakin berkembangnya teknologi laser dan manufaktur peralatan, teknologi kelongsong laser masih menghadapi tantangan dalam mengurangi biaya peralatan, mewujudkan kelongsong struktur kompleks multi-lapis, dan memperluas cakupan material aplikasi. Masalah pencocokan sistem material dan pengendalian kualitas kelongsong yang stabil dan berulang juga perlu terus dioptimalkan. Namun prospek penerapan teknologi ini sangat luas, antara lain perbaikan komponen bagian panas mesin penerbangan, peningkatan permukaan mesin mobil, dan renovasi peralatan pembangkit listrik tenaga air. Teknologi pelapisan laser tentunya akan memainkan peran penting dalam meningkatkan keandalan produk dan mengurangi biaya siklus hidup melalui inovasi peralatan dan proses yang berkelanjutan.