Tento článok poskytuje prehľad o pokroku vo výskume technológie laserového plátovania, pokrývajúci základné princípy laserového plátovania, výber materiálu, riadenie parametrov procesu, konfiguráciu zariadení a priemyselné aplikácie. Laserové opláštenie má vďaka svojej malej tepelne ovplyvnenej zóne a vysokej pevnosti spoja skvelé možnosti použitia pri zlepšovaní povrchových vlastností materiálov. Článok načrtáva výberové kritériá laserových obkladových materiálov, stav výskumu a vývoja kovových/keramických/kompozitných materiálov, analyzuje stratégiu optimalizácie parametrov ochrany laserom/skenovaním/plynom, rozoberá smer vývoja zariadení ako sú lasery/dýzy/riadenie. systémy a uvádza príklady aplikácií v letectve, automobilovom priemysle, metalurgii a iných oblastiach. Ďalšia inovácia technológie a vybavenia laserového povlaku podporí dôležitú úlohu tejto technológie pri znižovaní nákladov na životný cyklus a zlepšovaní spoľahlivosti produktov.

Laserová obkladová technológia je technológia, ktorá využíva vysokovýkonný laser ako zdroj tepla na roztavenie obkladového materiálu a jeho následné nanesenie na povrch obkladového materiálu na vytvorenie obkladovej vrstvy. V porovnaní s tradičnou technológiou opláštenia má laserové opláštenie výhody malej tepelne ovplyvnenej zóny, vysokej pevnosti spoja a takmer žiadnej predbežnej úpravy obkladového materiálu, čo môže dosiahnuť lokálnu presnosť opravy. Laserová plátovacia vrstva má gradientnú štruktúru so substrátom, čo prispieva k zníženiu tepelného napätia a zvyškového napätia a k zlepšeniu pevnosti spojenia. Keďže technológia laserového plátovania bola navrhnutá v 1960. rokoch XNUMX. storočia, s rozvojom laserovej technológie a materiálovej vedy sa stala kľúčovou technológiou široko používanou v oblasti povrchového inžinierstva.

V porovnaní s plátovaním plynovým horákom má laserové plátovanie úzku tepelne ovplyvnenú zónu, malé zvyškové napätie a malý tepelný účinok na substrát. V porovnaní s plazmovým striekaním je vrstva laserového povlaku pevne privarená k substrátu a má vysokú pevnosť spojenia. V porovnaní s plátovaním elektrónovým lúčom môže byť laserové plátovanie prevádzkované bez vákua a je ľahko automatizovateľné. Vo všeobecnosti laserové plátovanie kombinuje výhody vysokej hustoty výkonu, silnej kolimácie a vysokej flexibility riadenia laserov počas procesu plátovania, vďaka čomu má zjavné výhody pri úprave povrchu materiálu.

Technológia laserového plátovania môže vytvoriť povlak so špecifickým zložením a vlastnosťami na povrchu kovových alebo nekovových materiálov a dosiahnuť jedinečnú odolnosť proti opotrebeniu, odolnosť proti korózii, odolnosť proti oxidácii, odolnosť voči vysokej teplote, odolnosť proti únave a ďalšie multifunkčné funkcie povrchu materiálu. , čo značne rozširuje rozsah použitia materiálu. Technológia laserového plátovania sa široko používa v mnohých priemyselných oblastiach, ako je letecký priemysel, automobily, formy, metalurgia, stroje, chemikálie, fotovoltaika, biomedicína atď., čo má veľký význam pre zlepšenie výkonu a životnosti produktu.

1 Výskum laserových obkladových materiálov

1.1 Výber a vlastnosti laserových obkladových materiálov
Výber vhodných obkladových materiálov je rozhodujúci pre získanie vysokokvalitných obkladových vrstiev. Vo všeobecnosti sa vyžaduje vynikajúci výkon laserovej absorpcie a berú sa do úvahy parametre ako teplota topenia, hustota, difúzivita a zvyškové napätie materiálu. Bežne používané materiály zahŕňajú kovové prášky (na báze kobaltu, niklu atď.), keramické prášky (oxid hlinitý, karbid kremíka atď.) a predlegované zlúčeniny alebo zmesi vyrobené z vyššie uvedených materiálov. Funkčné gradientné materiály môžu byť tiež navrhnuté s použitím rôznych materiálov.

Okrem dobrého výkonu laserovej absorpcie musia mať obkladové materiály mierny bod topenia, vysokú stabilitu, dobrú zmáčavosť a metalurgickú väzbu so substrátom. Kovové obkladové materiály môžu poskytnúť dobrú ťažnosť a hustotu, zatiaľ čo keramické obkladové materiály majú vysokú tvrdosť a chemickú stabilitu. Racionálnym výberom materiálov možno získať kompozitnú obkladovú vrstvu s viacerými vlastnosťami.

1.2 Funkcie a výkon laserových obkladových materiálov
Výberom rôznych laserových obkladových materiálov je možné získať vynikajúcu tvrdosť, odolnosť proti opotrebeniu, odolnosť proti korózii, tepelnú únavu, odolnosť proti oxidácii, odolnosť voči vysokej teplote, biokompatibilitu atď., čo dáva povrchu obkladového materiálu komplexný vynikajúci výkon. Výkon obkladovej vrstvy úzko súvisí s faktormi, ako sú materiálové zloženie a veľkosť komponentov, parametre laserového procesu atď. Napríklad výberom kovokeramických kompozitných materiálov, ako je WxC-NiCrBSi, obkladová vrstva odolná voči opotrebovaniu s kovovou ťažnosťou a vysokou keramickou tvrdosťou. Pomocou zliatinových obkladových materiálov Inconel 718 je možné získať obkladovú vrstvu odolnú voči vysokej teplote a korózii a oxidácii. Obkladové materiály z nitridu bóru môžu poskytnúť veľmi vysokú tvrdosť povrchu. Obkladové materiály zo zliatiny titánu môžu získať vynikajúce biokompatibilné obalové vrstvy.

1.3 Stav výskumu a trend vývoja laserových obkladových materiálov
Materiálové zloženie laserového povlaku je veľmi dôležitým faktorom ovplyvňujúcim výkon povlakových náterov. Keďže aplikačné prostredie strojárskych dielov sa stáva čoraz zložitejším a drsnejším, vyžaduje sa, aby funkcie náteru boli čoraz rozmanitejšie a výkon sa stále zlepšuje. Preto jeden náterový materiál už nemôže spĺňať požiadavky na aplikáciu. Kompozit náterových materiálov sa stal pre ľudí veľmi dôležitým spôsobom riešenia tohto problému.

V súčasnosti sú bežne používané receptúry laserového obkladového materiálu: samotavné zliatinové materiály, karbidové disperzné alebo kompozitné materiály, kompozitné keramické materiály atď. Tento typ materiálu má vynikajúcu odolnosť proti opotrebovaniu, korózii, odolnosť voči vysokým teplotám a ďalšie vlastnosti. je široko používaný v metalurgii, námorných zariadeniach, letectve, jadrovej energetike a iných oblastiach. Výskumu o zložení laserových obkladových materiálov sa preto venuje veľká pozornosť domácich aj zahraničných odborníkov.

V medzinárodnom meradle je výskum tradičných kovových obkladových materiálov, ako sú zliatiny na báze niklu, kobaltu a titánu, relatívne vyspelý av súčasnosti sa venuje vývoju vysokoteplotných zliatin a funkčných gradientových materiálov. Tradičné keramické obkladové materiály, ako je oxid hlinitý a nitrid kremíka, majú relatívne stabilný výkon. Existujúci výskum skúma keramické kompozity odolné voči oxidácii pri vysokej teplote. Existuje mnoho štúdií o kovokeramických kompozitných obkladových materiáloch, ktoré majú výhody kovovej húževnatosti a keramickej tvrdosti, a existujú aj pokusy o využitie bioaktívnych materiálov v oblasti medicíny. Technologicky vyspelé krajiny ako Európa, Spojené štáty americké, Japonsko a Južná Kórea uskutočnili výskum technológie laserového plátovania už skôr. Medzi nimi Fraunhoferov inštitút pre laserové technológie v Nemecku uskutočnil základný výskum laserového plátovania rôznych kovových materiálov, ako sú zliatiny titánu, zliatiny hliníka, zliatiny chrómu atď.; Národné laboratórium Oakridge v Spojených štátoch sa zaviazalo vyvíjať efektívne a lacné laserové obkladové systémy; mnohé japonské spoločnosti, ako napríklad Sumitomo Heavy Industries a Mitsubishi Heavy Industries, sa tiež zaoberajú výskumom, vývojom a výrobou zariadení na výrobu laserových aditív.

Tradičné kovové obkladové materiály sú v Číne široko používané. Od roku 2010 výskumné inštitúcie a univerzity ako Pekinská univerzita pre letectvo a astronautiku, Severozápadná polytechnická univerzita a Inštitút automatizácie Čínskej akadémie vied v Shenyangu urobili veľký pokrok v technológii laserového plátovania. V súčasnosti sa pozornosť sústreďuje na priemyselné aplikácie a výskum sa uskutočňuje v oblasti renovácie lopatiek leteckých motorov, kovových funkčných gradientových materiálov, intermetalických zmesových povlakov atď., pričom niektoré technológie dosiahli medzinárodnú pokročilú úroveň. Miestne spoločnosti ako Shenzhen Guangyun Laser sa tiež neustále rozvíjajú. V súčasnosti zaznamenala lokalizácia keramických obkladových materiálov určitý pokrok, stále však existuje medzera od vysokovýkonných materiálov; výskum kompozitných obkladových materiálov sa začal neskoro a vyvíja sa od simulácie k nezávislému dizajnu.

Pri pohľade do budúcnosti sa laserové obkladové materiály doma aj v zahraničí vyvíjajú z tradičných na inovatívne. Výskum sa zameriava na vývoj od jednotlivých materiálov ku kompozitným materiálom, najmä kovokeramickým kompozitným materiálom, aby sa dosiahol lepší komplexný výkon. Súčasne sa vyvíjajú aj nové obkladové materiály vhodné do špeciálneho prostredia, ako sú zliatiny odolné voči vysokoteplotnej oxidácii, biokompatibilné materiály atď.

2 Výskum procesu laserového plátovania

2.1 Základné princípy procesu laserového plátovania
Laser ožaruje obkladový materiál a vytvára roztavenú nádrž. Roztavený obkladový materiál preniká do povrchu obkladového materiálu kapilárnym pôsobením a potom rýchlo tuhne, aby sa dosiahlo roztavené spojenie medzi materiálmi. Proces opláštenia možno rozdeliť do troch etáp: predúprava, opláštenie a následná úprava. Predúprava zahŕňa čistenie podkladu a zlepšenie povrchu
drsnosť. Fáza obkladu je kľúčovým krokom pri vytváraní obkladovej vrstvy. Dodatočná úprava zahŕňa tepelné spracovanie na odstránenie zvyškového napätia atď.

2.2 Ovplyvňujúce faktory a optimalizačné metódy procesu laserového plátovania
Hlavnými faktormi ovplyvňujúcimi proces laserového plátovania sú parametre lasera, rýchlosť skenovania, parametre trysiek, plynová ochrana atď. Stratégia regulácie a optimalizácie parametrov procesu laserového plátovania je kľúčom k získaniu kvalitných plátovacích vrstiev. Pre hlavné parametre procesu výskumníci navrhli mnoho účinných stratégií úpravy a kontroly. Napríklad z hľadiska parametrov lasera sa optimalizáciou výkonu lasera získa stabilnejšia morfológia roztaveného kúpeľa. Štúdia zistila, že prispôsobenie vlnovej dĺžky lasera môže zlepšiť účinnosť absorpcie lasera špecifických obkladových materiálov. Pokiaľ ide o trajektóriu skenovania, porovnávajú sa účinky rôznych režimov skenovania na tvorbu roztaveného kúpeľa a výsledky ukazujú, že ortogonálne skenovanie môže brať do úvahy účinnosť skenovania aj stabilitu roztaveného kúpeľa. Pokiaľ ide o ochranu vstrekovania plynu, efektívna kontrola atmosféry sa dosahuje optimalizáciou prietoku a tlaku plynu. Celkovo bola zavedená pomerne systematická stratégia optimalizácie parametrov procesu laserového plátovania. Prostredníctvom koordinovaného riadenia kľúčových parametrov, ako je laserový systém, režim skenovania, ochrana plynu atď., je možné presne nastaviť proces opláštenia a výrazne zlepšiť kvalitu a stabilitu opláštenia.

3 Výskum zariadení na laserové plátovanie
Zariadenie na laserové plátovanie sa vzťahuje na špeciálne zariadenie používané na vykonávanie technológie laserového plátovania. Zahŕňa laserový zdroj, optický systém, striekací systém, polohovací a pohyblivý systém obrobku, práškové striekacie zariadenie, pracovný stôl a riadiaci systém. Ako kľúčové zariadenie na realizáciu procesu laserového plátovania technologický vývoj zariadení na laserové plátovanie priamo ovplyvňuje kvalitu plátovania a procesnú schopnosť.

Bežné lasery zahŕňajú CO2 lasery, vláknové lasery, polovodičové lasery atď. Ako hlavný svetelný zdroj laserového plášťa sú výstupný výkon, rozsah vlnových dĺžok, kvalita lúča a prevádzková stabilita lasera kľúčovými technickými ukazovateľmi na zabezpečenie kvality plášťa. V budúcnosti sa výskum a vývoj laserov zameria na zlepšenie výstupného výkonu, spresnenie kvality lúča, zlepšenie pracovnej stability a rozšírenie rozsahu vlnových dĺžok, aby vyhovovali potrebám efektívnejšieho a prepracovanejšieho spracovania laserového plátovania.

Striekací systém priamo ovplyvňuje účinnosť dopravy obkladového materiálu. Návrh optimalizácie dýz, online monitorovanie procesu a riadenie teplotného poľa sú kľúčové technológie zariadenia. V nekonečnom prúde sa objavujú nové zariadenia, ako sú nové skenovacie hlavy a multilaserová spojka. Tieto technologické pokroky podporili vývoj presného laserového obkladu. V budúcnosti sa výskum rozprašovacieho systému zameria na optimalizáciu návrhu vnútornej štruktúry, prijatie vysokoteplotných materiálov odolných voči korózii a vývoj rýchlych spínacích mechanizmov s viacerými tryskami na zlepšenie životnosti a prispôsobivosti. dýzy, čím sa efektívne zlepšuje efektívnosť využitia obkladových surovín.

Úroveň inteligencie riadiaceho systému súvisí so stabilitou a kvalitou povrchu obkladu. Smerom vývoja riadiaceho systému v budúcnosti je vybudovať inteligentný riadiaci mechanizmus s uzavretou slučkou, integrovať algoritmy umelej inteligencie na optimalizáciu parametrov, posilniť dizajn interakčných rozhraní človek-počítač a realizovať digitálne a inteligentné funkcie, ako je vzdialené monitorovanie a predikciu stavu, tak aby sa dosiahla presná kontrola a optimalizácia kvality procesu opláštenia.

Stručne povedané, smer vývoja zariadenia na laserové obklady je zlepšiť výstupný výkon a stabilitu lasera, realizovať presné ovládanie trysiek a vyvinúť inteligentné riadiace systémy na vykonávanie vysokokvalitného laserového obkladu zložitých tvarov. Spoločná inovácia a vývoj laserovej technológie, nástrekových systémov a riadiacich systémov podporí vývoj zariadení na laserové opláštenie smerom k vysokej účinnosti, stabilite a inteligencii, aby sa splnili budúce potreby aplikácií laserového plátovania s vyššími komplexnými požiadavkami na výkon.

4 Perspektívy aplikácie a vývoja technológie laserového plátovania v rôznych oblastiach
Vďaka svojim presným a efektívnym charakteristikám technológia laserového plátovania preukázala veľké aplikačné výhody a rozvojový potenciál v letectve, automobilovom priemysle, metalurgii a iných oblastiach. V oblasti letectva a kozmonautiky možno technológiu laserového plátovania použiť na spevnenie povrchu dôležitých komponentov, ako sú lopatky plynových turbín, dýzy a turbínové disky, aby sa vytvorili vysokokvalitné povlaky odolné voči opotrebeniu a vysokej teplote, čo výrazne zlepšuje služby. životnosť komponentov. V porovnaní s tradičnými procesmi má laserové plátovanie vlastnosti malej spracovateľskej tepelne ovplyvnenej zóny a vysokej pevnosti spoja, čo je veľmi vhodné na presnú výrobu povrchových aditív a opravy leteckých komponentov. Ďalší vývoj tejto technológie výrazne zníži náklady na údržbu v oblasti letectva.

V oblasti výroby automobilov možno laserové opláštenie použiť na posilnenie povrchových vlastností dôležitých komponentov, ako sú ventily motora, ojnice, vačkové hriadele atď., a na zvýšenie odolnosti proti opotrebovaniu a korózii. Životnosť a spoľahlivosť takýchto kľúčových komponentov sa výrazne zlepší, čo pomôže znížiť frekvenciu údržby a znížiť celkové náklady na životný cyklus vozidla.

V oblasti metalurgického priemyslu môže technológia laserového plátovania dosiahnuť opravu a ochranu povrchu, opravu a renováciu komponentov, úpravu povrchového legovania, výrobu kompozitných materiálov, lokálnu úpravu a transformáciu tradičných materiálov. Pokiaľ ide o opravu a ochranu povrchu, technológia laserového plátovania zvyšuje odolnosť materiálov proti opotrebeniu a korózii a predlžuje životnosť zariadení nanášaním špeciálnych zliatin na poškodené povrchy. Pri opravách a renovácii kľúčových komponentov môže technológia laserového plátovania obnoviť pôvodnú štruktúru a funkciu selektívnym ohrevom a plátovaním vhodných zliatinových materiálov, čím sa realizuje opätovné použitie komponentov. Úprava povrchového legovania využíva technológiu laserového plátovania na plátovanie špecifických zliatinových materiálov na povrch kovových materiálov, čím sa zlepšuje tvrdosť, odolnosť proti opotrebeniu a korózii materiálov a spĺňajú špecifické požiadavky procesu. Použitie technológie laserového plátovania na výrobu kompozitných materiálov môže dosiahnuť komplexnú aplikáciu rôznych charakteristík plátovaním rôznych práškových materiálov, čím sa rozširuje oblasť použitia hutníckych materiálov. Súčasne môže technológia laserového plátovania dosiahnuť lokálne modifikačné úpravy, ako je kalenie, žíhanie a kalenie, čím sa poskytuje prispôsobený výkon pre hutnícke materiály. Okrem toho možno opravu a transformáciu tradičných materiálov dosiahnuť aj technológiou laserového plátovania, ktorá výrazne zlepšuje výkon a životnosť materiálov vytvorením novej zliatinovej vrstvy na povrchu materiálu.

Vďaka neustálej zrelosti technológie a vybavenia laserového povlaku sa oblasť jeho použitia rozšíri aj do iných priemyselných oblastí, ako je ropa, chemický priemysel, elektrická energia, železničná doprava atď., A vyhliadky na trhu sú široké. Neustála inovácia tejto technológie výrazne zníži náklady na údržbu zariadení v rôznych priemyselných odvetviach a zlepší efektivitu výroby.

Záver 5

Ako presná a efektívna metóda povrchovej úpravy preukázala technológia laserového plátovania veľký aplikačný potenciál a perspektívy rozvoja. Jeho jedinečnými výhodami sú malá tepelne ovplyvnená zóna, vysoká pevnosť spoja, flexibilné riadenie procesu atď., ktoré dokáže realizovať presnú funkčnú transformáciu povrchu materiálu. Po desaťročiach vývoja bola technológia laserového plátovania úspešne aplikovaná v dôležitých oblastiach, ako je letecký priemysel, automobilový priemysel, metalurgia atď., čím sa výrazne zlepšila životnosť a spoľahlivosť základných komponentov.

S ďalším vývojom laserovej technológie a výroby zariadení, technológia laserového plátovania stále čelí výzvam pri ďalšom znižovaní nákladov na zariadenia, realizácii viacvrstvového komplexného plášťa konštrukcie a rozširovaní rozsahu aplikačných materiálov. Problém zhody materiálového systému a stabilnej a opakovateľnej kontroly kvality opláštenia je tiež potrebné neustále optimalizovať. Aplikačné perspektívy tejto technológie sú však veľmi široké, vrátane opráv horúcich častí leteckých motorov, povrchových úprav automobilových motorov a renovácie hydroenergetických zariadení. Technológia laserového plátovania bude určite hrať dôležitú úlohu pri zlepšovaní spoľahlivosti produktov a znižovaní nákladov na životný cyklus prostredníctvom neustálej inovácie zariadení a procesov.