Šajā rakstā ir apskatīts lāzera apšuvuma tehnoloģijas izpētes progress, aptverot lāzera apšuvuma pamatprincipus, materiālu izvēli, procesa parametru kontroli, iekārtu konfigurāciju un rūpniecisko pielietojumu. Lāzera apšuvumam ir lielas pielietojuma iespējas materiālu virsmas veiktspējas uzlabošanā, pateicoties tā mazajai siltuma ietekmes zonai un augstajai savienojuma stiprībai. Rakstā ir izklāstīti lāzera apšuvuma materiālu atlases kritēriji, metāla/keramikas/kompozītmateriālu izpētes un izstrādes statuss, analizēta lāzera/skenēšanas/gāzes aizsardzības parametru optimizācijas stratēģija, apskatīts iekārtu, piemēram, lāzeru/sprauslu/vadības, attīstības virziens. sistēmas, un uzskaitīti pielietojuma piemēri kosmosa, automobiļu, metalurģijas un citās jomās. Lāzera apšuvuma tehnoloģiju un iekārtu turpmāka inovācija veicinās šīs tehnoloģijas nozīmīgo lomu dzīves cikla izmaksu samazināšanā un produktu uzticamības uzlabošanā.

Lāzera apšuvuma tehnoloģija ir tehnoloģija, kas izmanto lieljaudas lāzeru kā siltuma avotu, lai izkausētu apšuvuma materiālu un pēc tam uzklātu to uz apšuvuma materiāla virsmas, lai izveidotu apšuvuma slāni. Salīdzinājumā ar tradicionālo apšuvuma tehnoloģiju, lāzera apšuvumam ir nelielas siltuma ietekmētās zonas priekšrocības, augsta savienojuma izturība un gandrīz nekādas apšuvuma materiāla pirmapstrādes, kas var nodrošināt lokālu precizitāti. Lāzera apšuvuma slānim ir gradienta struktūra ar substrātu, kas samazina termisko spriegumu un atlikušo spriegumu un uzlabo savienojuma izturību. Kopš 1960. gados tika ierosināta lāzera apšuvuma tehnoloģija, attīstoties lāzertehnoloģijai un materiālu zinātnei, tā ir kļuvusi par galveno tehnoloģiju, ko plaši izmanto virsmu inženierijas jomā.

Salīdzinot ar gāzes degļa apšuvumu, lāzera apšuvumam ir šaura siltuma ietekmes zona, neliels atlikušais spriegums un neliela termiskā ietekme uz pamatni. Salīdzinot ar plazmas izsmidzināšanu, lāzera apšuvuma slānis ir stingri piemetināts pie pamatnes un tam ir augsta savienojuma izturība. Salīdzinot ar elektronu staru apšuvumu, lāzera apšuvumu var darbināt bez vakuuma, un to ir viegli automatizēt. Kopumā lāzera apšuvums apvieno priekšrocības, ko sniedz liela jaudas blīvums, spēcīga kolimācija un lāzeru augsta vadības elastība apšuvuma procesā, padarot tai acīmredzamas priekšrocības materiāla virsmas modifikācijā.

Lāzera apšuvuma tehnoloģija var veidot pārklājumu ar īpašu sastāvu un īpašībām uz metāla vai nemetāla materiālu virsmas un sasniegt unikālu nodilumizturību, izturību pret koroziju, izturību pret oksidēšanu, izturību pret augstu temperatūru, noguruma izturību un citas materiāla virsmas daudzfunkcijas. , kas ievērojami paplašina materiāla pielietojuma diapazonu. Lāzera apšuvuma tehnoloģija ir plaši izmantota daudzās rūpniecības jomās, piemēram, aviācijā, automobiļos, veidnēs, metalurģijā, mašīnās, ķimikālijās, fotoelementā, biomedicīnā utt., kam ir liela nozīme produktu veiktspējas un kalpošanas laika uzlabošanā.

1 Pētījumi par lāzera apšuvuma materiāliem

1.1. Lāzera apšuvuma materiālu izvēle un īpašības
Lai iegūtu augstas kvalitātes apšuvuma slāņus, ir ļoti svarīgi izvēlēties piemērotus apšuvuma materiālus. Parasti ir nepieciešama lieliska lāzera absorbcijas veiktspēja, un tiek ņemti vērā tādi parametri kā materiāla kušanas temperatūra, blīvums, difūzija un atlikušais spriegums. Parasti izmantotie materiāli ir metālu pulveri (uz kobalta, niķeļa utt.), keramikas pulveri (alumīnija oksīds, silīcija karbīds utt.) un iepriekš sakausēti savienojumi vai maisījumi, kas izgatavoti no iepriekšminētajiem materiāliem. Funkcionālos gradienta materiālus var veidot arī, izmantojot dažādus materiālus.

Papildus labajai lāzera absorbcijas veiktspējai apšuvuma materiāliem jābūt arī ar mērenu kušanas temperatūru, augstu stabilitāti, labu mitrināmību un metalurģisku savienojumu ar pamatni. Metāla apšuvuma materiāli var nodrošināt labu elastību un blīvumu, savukārt keramikas apšuvuma materiāliem ir augsta cietība un ķīmiskā stabilitāte. Racionāli izvēloties materiālus, var iegūt kompozītmateriālu apšuvuma slāni ar vairākām īpašībām.

1.2. Lāzera apšuvuma materiālu funkcijas un veiktspēja
Izvēloties dažādus lāzera apšuvuma materiālus, var iegūt izcilu cietību, nodilumizturību, izturību pret koroziju, termisko noguruma izturību, oksidācijas izturību, augstas temperatūras izturību, bioloģisko saderību utt., kas nodrošina apšuvuma materiāla virsmai visaptverošu izcilu veiktspēju. Apšuvuma slāņa veiktspēja ir cieši saistīta ar tādiem faktoriem kā materiāla sastāvs un komponentu lielums, lāzera procesa parametri utt. Piemēram, izvēloties metālkeramikas kompozītmateriālus, piemēram, WxC-NiCrBSi, nodilumizturīgu apšuvuma slāni. var iegūt gan ar metāla lokanību, gan ar augstu keramikas cietību. Izmantojot Inconel 718 sakausējuma apšuvuma materiālus, var iegūt augstas temperatūras korozijizturīgu un oksidāciju izturīgu apšuvuma slāni. Bora nitrīda apšuvuma materiāli var nodrošināt ļoti augstu virsmas cietību. Titāna sakausējuma apšuvuma materiāli var iegūt izcilus bioloģiski saderīgus apšuvuma slāņus.

1.3. Lāzera apšuvuma materiālu izpētes statuss un attīstības tendence
Lāzera apšuvuma materiāla sastāvs ir ļoti svarīgs faktors, kas ietekmē apšuvuma pārklājumu veiktspēju. Tā kā inženiertehnisko detaļu pielietojuma vide kļūst arvien sarežģītāka un skarbāka, pārklājuma funkcijām ir jābūt arvien daudzveidīgākām un veiktspēja kļūst arvien labāka. Tāpēc viens pārklājuma materiāls vairs neatbilst uzklāšanas prasībām. Pārklājuma materiālu kompozīts ir kļuvis par ļoti svarīgu veidu, kā cilvēki var atrisināt šo problēmu.

Pašlaik plaši izmantotās lāzera apšuvuma materiālu formulas ir: pašplūstoši sakausējuma materiāli, karbīda dispersijas vai kompozītmateriāli, kompozītmateriāli keramikas materiāli utt. Šim materiāla veidam ir lieliska nodilumizturība, izturība pret koroziju, izturība pret augstu temperatūru un citas īpašības, un tiek plaši izmantots metalurģijā, jūras iekārtās, kosmosa, kodolenerģijas un citās jomās. Tāpēc pētījumi par lāzera apšuvuma materiālu formulām ir saņēmuši lielu vietējo un ārvalstu zinātnieku uzmanību.

Starptautiski pētījumi par tradicionālajiem metāla apšuvuma materiāliem, piemēram, uz niķeļa bāzes, uz kobalta bāzes un uz titāna bāzes izgatavotiem sakausējumiem, ir salīdzinoši nobrieduši, un pašlaik tie ir apņēmušies izstrādāt augstas temperatūras sakausējumus un funkcionālus gradienta materiālus. Tradicionāliem keramikas apšuvuma materiāliem, piemēram, alumīnija oksīdam un silīcija nitrīdam, ir salīdzinoši stabila veiktspēja. Esošie pētījumi pēta augstas temperatūras oksidācijas izturīgus keramikas kompozītmateriālus. Ir daudz pētījumu par metālkeramikas kompozītmateriālu apšuvuma materiāliem, kuru priekšrocības ir metāla stingrība un keramikas cietība, un ir arī mēģinājumi izmantot bioaktīvos materiālus medicīnas jomā. Tehnoloģiski attīstītās valstis, piemēram, Eiropa, ASV, Japāna un Dienvidkoreja, jau agrāk ir veikušas pētījumus par lāzera apšuvuma tehnoloģiju. Tostarp Fraunhofera Lāzertehnoloģiju institūts Vācijā ir veicis fundamentālos pētījumus par dažādu metāla materiālu, piemēram, titāna sakausējumu, alumīnija sakausējumu, hroma sakausējumu u.c., lāzera apšuvumu; Oakridge National Laboratory Amerikas Savienotajās Valstīs ir apņēmusies izstrādāt efektīvas un zemu izmaksu lāzerapšuvuma sistēmas; daudzi Japānas uzņēmumi, piemēram, Sumitomo Heavy Industries un Mitsubishi Heavy Industries, arī nodarbojas ar lāzera piedevu ražošanas iekārtu izpēti un izstrādi un ražošanu.

Tradicionālie metāla apšuvuma materiāli tiek plaši izmantoti Ķīnā. Kopš 2010. gada pētniecības iestādes un universitātes, piemēram, Pekinas Aeronautikas un astronautikas universitāte, Ziemeļrietumu Politehniskā universitāte un Ķīnas Zinātņu akadēmijas Šenjanas Automatizācijas institūts, ir panākušas lielu progresu lāzera apšuvuma tehnoloģijā. Šobrīd galvenā uzmanība tiek pievērsta rūpnieciskiem lietojumiem, un ir veikti pētījumi par lidmašīnu dzinēju lāpstiņu atjaunošanu, metāla funkcionālo gradientu materiāliem, intermetālisku savienojumu pārklājumiem utt., un dažas tehnoloģijas ir sasniegušas starptautisku progresīvu līmeni. Vietējie uzņēmumi, piemēram, Shenzhen Guangyun Laser, arī pastāvīgi attīstās. Pašlaik keramikas apšuvuma materiālu lokalizācija ir guvusi zināmu progresu, taču joprojām ir atstarpe no augstas veiktspējas materiāliem; Kompozītmateriālu apšuvuma materiālu izpēte sākās vēlu un attīstās no simulācijas uz neatkarīgu dizainu.

Raugoties nākotnē, lāzera apšuvuma materiāli gan mājās, gan ārzemēs attīstās no tradicionāliem uz inovatīviem. Pētniecības mērķis ir attīstība no atsevišķiem materiāliem uz kompozītmateriāliem, īpaši metālkeramikas kompozītmateriāliem, lai iegūtu labāku visaptverošu veiktspēju. Vienlaikus tiek izstrādāti arī jauni apšuvuma materiāli, kas piemēroti īpašām vidēm, piemēram, augstas temperatūras oksidēšanās izturīgi sakausējumi, bioloģiski saderīgi materiāli u.c.

2 Lāzerapšuvuma procesa pētījumi

2.1 Lāzera apšuvuma procesa pamatprincipi
Lāzers apstaro apšuvuma materiālu, veidojot izkausētu baseinu. Izkausētais apšuvuma materiāls iekļūst apšuvuma materiāla virsmā, izmantojot kapilāru darbību, un pēc tam ātri sacietē, lai panāktu izkausētu savienojumu starp materiāliem. Apšuvuma procesu var iedalīt trīs posmos: pirmapstrāde, apšuvums un pēcapstrāde. Iepriekšējā apstrāde ietver pamatnes tīrīšanu un virsmas uzlabošanu
raupjums. Apšuvuma posms ir galvenais solis apšuvuma slāņa veidošanā. Pēcapstrāde ietver termisko apstrādi, lai novērstu atlikušo stresu utt.

2.2. Lāzerapšuvuma procesa ietekmējošie faktori un optimizācijas metodes
Galvenie lāzerapšuvuma procesu ietekmējošie faktori ir lāzera parametri, skenēšanas ātrums, sprauslu parametri, gāzes aizsardzība uc Lāzerapšuvuma procesa parametru regulēšanas un optimizācijas stratēģija ir atslēga kvalitatīvu apšuvuma slāņu iegūšanai. Galvenajiem procesa parametriem pētnieki ir ierosinājuši daudzas efektīvas regulēšanas un kontroles stratēģijas. Piemēram, lāzera parametru ziņā stabilāku izkausētā baseina morfoloģiju iegūst, optimizējot lāzera jaudu. Pētījumā konstatēts, ka lāzera viļņa garuma saskaņošana var uzlabot konkrētu apšuvuma materiālu lāzera absorbcijas efektivitāti. Runājot par skenēšanas trajektoriju, tiek salīdzināta dažādu skenēšanas režīmu ietekme uz kausējuma baseina veidošanos, un rezultāti parāda, ka ortogonālā skenēšana var ņemt vērā gan skenēšanas efektivitāti, gan kausējuma baseina stabilitāti. Attiecībā uz gāzes iesmidzināšanas aizsardzību efektīva atmosfēras kontrole tiek panākta, optimizējot gāzes plūsmu un spiedienu. Kopumā ir izveidota salīdzinoši sistemātiska lāzera apšuvuma procesa parametru optimizācijas stratēģija. Koordinējot galveno parametru kontroli, piemēram, lāzera sistēmu, skenēšanas režīmu, gāzes aizsardzību utt., Apšuvuma procesu var precīzi pielāgot, kā arī ievērojami uzlabot apšuvuma kvalitāti un stabilitāti.

3 Lāzera apšuvuma iekārtu izpēte
Lāzera apšuvuma aprīkojums attiecas uz īpašu aprīkojumu, ko izmanto lāzera apšuvuma tehnoloģiju veikšanai. Tas ietver lāzera avotu, optisko sistēmu, izsmidzināšanas sistēmu, sagataves pozicionēšanas un pārvietošanas sistēmu, pulvera izsmidzināšanas ierīci, darbagaldu un vadības sistēmu. Kā galvenais aprīkojums lāzera apšuvuma procesa realizācijai, lāzera apšuvuma iekārtu tehnoloģiskā attīstība tieši ietekmē apšuvuma kvalitāti un procesa iespējas.

Parastie lāzeri ir CO2 lāzeri, šķiedru lāzeri, pusvadītāju lāzeri utt. Kā lāzera apšuvuma galvenais gaismas avots lāzera izejas jauda, ​​viļņu garuma diapazons, staru kūļa kvalitāte un darbības stabilitāte ir galvenie tehniskie rādītāji, lai nodrošinātu apšuvuma kvalitāti. Nākotnē lāzeru pētniecība un attīstība būs vērsta uz izejas jaudas uzlabošanu, staru kūļa kvalitātes uzlabošanu, darba stabilitātes uzlabošanu un viļņu garuma diapazona paplašināšanu, lai apmierinātu efektīvākas un rafinētākas lāzera apšuvuma apstrādes vajadzības.

Smidzināšanas sistēma tieši ietekmē apšuvuma materiāla transportēšanas efektivitāti. Sprauslu optimizācijas dizains, procesa tiešsaistes kontrole un temperatūras lauka kontrole ir iekārtas galvenās tehnoloģijas. Jauns aprīkojums, piemēram, jaunas skenēšanas galviņas un vairāku lāzeru savienojums, parādās bezgalīgā plūsmā. Šie tehnoloģiskie sasniegumi ir veicinājuši lāzera precizitātes apšuvuma attīstību. Nākotnē izsmidzināšanas sistēmas pētījumi koncentrēsies uz iekšējās struktūras optimizācijas dizainu, augstas temperatūras korozijizturīgu materiālu pieņemšanu un ātru daudzu sprauslu pārslēgšanas mehānismu izstrādi, lai uzlabotu ierīces kalpošanas laiku un pielāgošanās spēju. sprauslas, tādējādi efektīvi uzlabojot apšuvuma izejvielu izmantošanas efektivitāti.

Vadības sistēmas intelekta līmenis ir saistīts ar apšuvuma stabilitāti un virsmas kvalitāti. Vadības sistēmas attīstības virziens nākotnē ir inteliģenta slēgta cikla vadības mehānisma izveidošana, mākslīgā intelekta algoritmu integrēšana parametru optimizācijai, cilvēka un datora mijiedarbības saskarņu dizaina stiprināšana un digitālo un viedo funkciju, piemēram, tālvadības uzraudzība un stāvokļa prognozēšana, lai panāktu precīzu apšuvuma procesa kontroli un kvalitātes optimizāciju.

Rezumējot, lāzera apšuvuma iekārtu attīstības virziens ir uzlabot lāzera izvades jaudu un stabilitāti, realizēt precīzu sprauslu vadību un izstrādāt inteliģentas vadības sistēmas, lai veiktu augstas kvalitātes sarežģītu formu lāzera apšuvumu. Lāzertehnoloģiju, smidzināšanas sistēmu un vadības sistēmu sadarbības inovācija un attīstība veicinās lāzera apšuvuma iekārtu attīstību, lai sasniegtu augstu efektivitāti, stabilitāti un inteliģenci, lai apmierinātu lāzera apšuvuma lietojumu nākotnes vajadzības ar augstākām visaptverošām veiktspējas prasībām.

4 Lāzerapšuvuma tehnoloģijas pielietojums un attīstības perspektīvas dažādās jomās
Pateicoties savām precīzajām un efektīvajām īpašībām, lāzera apšuvuma tehnoloģija ir parādījusi lielas pielietojuma priekšrocības un attīstības potenciālu kosmosa, automobiļu, metalurģijas un citās jomās. Aviācijas un kosmosa jomā lāzera apšuvuma tehnoloģiju var izmantot svarīgu komponentu, piemēram, gāzturbīnu lāpstiņu, sprauslu un turbīnu disku virsmas stiprināšanai, lai radītu augstas kvalitātes pretnodiluma un augstas temperatūras korozijas izturīgus pārklājumus, kas ievērojami uzlabo pakalpojumu. komponentu kalpošanas laiks. Salīdzinot ar tradicionālajiem procesiem, lāzera apšuvumam ir nelielas apstrādes siltuma ietekmes zonas īpašības un augsta savienojuma izturība, kas ir ļoti piemērota precīzai virsmas piedevu ražošanai un aviācijas komponentu remontam. Šīs tehnoloģijas turpmākā attīstība ievērojami samazinās uzturēšanas izmaksas aviācijas un kosmosa jomā.

Automobiļu ražošanas jomā lāzera apšuvumu var izmantot, lai stiprinātu svarīgu komponentu, piemēram, dzinēja vārstu, klaņi, sadales vārpstas utt., virsmas īpašības un uzlabotu nodilumizturību un izturību pret koroziju. Tiks ievērojami uzlabots šādu galveno komponentu kalpošanas laiks un uzticamība, kas palīdzēs samazināt apkopes biežumu un samazināt kopējās transportlīdzekļa dzīves cikla izmaksas.

Metalurģijas nozarē lāzera apšuvuma tehnoloģija var sasniegt virsmu remontu un aizsardzību, detaļu remontu un atkārtotu ražošanu, virsmu sakausējumu apstrādi, kompozītmateriālu ražošanu, lokālu modifikāciju apstrādi un tradicionālo materiālu pārveidošanu. Virsmas remonta un aizsardzības ziņā lāzerapšuvuma tehnoloģija paaugstina materiālu nodilumizturību un izturību pret koroziju un pagarina iekārtu kalpošanas laiku, apšujot bojātās virsmas ar speciāliem sakausējumiem. Galveno komponentu remontam un atkārtotai ražošanai lāzera apšuvuma tehnoloģija var atjaunot sākotnējo struktūru un funkcijas, selektīvi karsējot un apšujot piemērotus sakausējumu materiālus, tādējādi realizējot komponentu atkārtotu izmantošanu. Virsmas sakausējuma apstrādē tiek izmantota lāzera apšuvuma tehnoloģija, lai uz metāla materiālu virsmas pārklātu īpašus sakausējumu materiālus, tādējādi uzlabojot materiālu cietību, nodilumizturību un izturību pret koroziju un izpildot specifiskas procesa prasības. Lāzera apšuvuma tehnoloģijas izmantošana kompozītmateriālu ražošanā var nodrošināt dažādu īpašību visaptverošu pielietojumu, apšuvujot dažādus pulvera materiālus, tādējādi paplašinot metalurģijas materiālu pielietojuma jomu. Tajā pašā laikā lāzera apšuvuma tehnoloģija var nodrošināt lokālas modifikācijas apstrādi, piemēram, sacietēšanu, atkausēšanu un rūdīšanu, nodrošinot pielāgotu veiktspēju metalurģijas materiāliem. Turklāt tradicionālo materiālu remontu un pārveidošanu var panākt arī ar lāzerapšuvuma tehnoloģiju, kas būtiski uzlabo materiālu veiktspēju un kalpošanas laiku, veidojot uz materiāla virsmas jaunu sakausējuma slāni.

Ar nepārtrauktu lāzera apšuvuma tehnoloģiju un iekārtu briedumu tās pielietojuma joma paplašināsies arī citās rūpniecības jomās, piemēram, naftas, ķīmiskās rūpniecības, elektroenerģijas, dzelzceļa transporta utt., Un tirgus izredzes ir plašas. Šīs tehnoloģijas nepārtraukta inovācija ievērojami samazinās iekārtu uzturēšanas izmaksas dažādās nozarēs un uzlabos ražošanas efektivitāti.

5 Secinājums

Kā precīza un efektīva virsmas modifikācijas metode lāzera apšuvuma tehnoloģija ir parādījusi lielu pielietojuma potenciālu un attīstības perspektīvas. Tās unikālās priekšrocības ir maza siltuma ietekmētā zona, augsta savienojuma izturība, elastīga procesa vadība utt., kas var realizēt precīzu materiāla virsmas funkcionālo transformāciju. Pēc gadu desmitiem ilgas izstrādes lāzera apšuvuma tehnoloģija ir veiksmīgi izmantota tādās svarīgās jomās kā kosmosa, automobiļu, metalurģija utt., ievērojami uzlabojot galveno komponentu kalpošanas laiku un uzticamību.

Turpinot attīstīties lāzertehnoloģijām un iekārtu ražošanai, lāzerapšuvuma tehnoloģija joprojām saskaras ar izaicinājumiem vēl vairāk samazināt iekārtu izmaksas, realizēt daudzslāņu sarežģītu struktūru apšuvumu un paplašināt pielietojuma materiālu klāstu. Nepārtraukti jāoptimizē arī materiālu sistēmu saskaņošanas un stabilas un atkārtojamas apšuvuma kvalitātes kontroles problēma. Tomēr šīs tehnoloģijas pielietojuma perspektīvas ir ļoti plašas, ieskaitot aviācijas dzinēju karsto sekciju komponentu remontu, automašīnu dzinēju virsmas uzlabošanu un hidroenerģijas iekārtu atjaunošanu. Lāzera apšuvuma tehnoloģijai noteikti būs svarīga loma produktu uzticamības uzlabošanā un aprites cikla izmaksu samazināšanā, nepārtraukti jauninot iekārtas un procesus.