Ta članek obravnava napredek raziskav tehnologije laserskih oblog, ki zajema osnovna načela laserskih oblog, izbiro materiala, nadzor procesnih parametrov, konfiguracijo opreme in industrijsko uporabo. Lasersko oplaščenje ima velike možnosti za uporabo pri izboljšanju površinske učinkovitosti materialov zaradi majhnega območja toplotnega vpliva in visoke trdnosti lepljenja. Članek opisuje merila izbire materialov za laserske obloge, status raziskav in razvoja kovinskih/keramičnih/kompozitnih materialov, analizira strategijo optimizacije parametrov laserske/skenirne/plinske zaščite, razpravlja o smeri razvoja opreme, kot so laserji/šobe/krmiljenje. sistemov in navaja primere uporabe v vesoljstvu, avtomobilizmu, metalurgiji in drugih področjih. Nadaljnje inovacije tehnologije in opreme za lasersko oblaganje bodo spodbujale pomembno vlogo te tehnologije pri zmanjševanju stroškov življenjskega cikla in izboljšanju zanesljivosti izdelkov.

Tehnologija laserske obloge je tehnologija, ki uporablja visoko zmogljiv laser kot vir toplote za taljenje materiala obloge in ga nato nanese na površino materiala obloge, da ustvari plast obloge. V primerjavi s tradicionalno tehnologijo obloge ima laserska obloga prednosti majhne toplotno prizadete cone, visoke trdnosti lepljenja in skoraj brez predhodne obdelave materiala obloge, kar lahko doseže lokalno natančno popravilo. Plast laserske obloge ima gradientno strukturo s substratom, kar vodi k zmanjšanju toplotne obremenitve in preostale napetosti ter izboljšanju trdnosti lepljenja. Odkar je bila tehnologija laserske obloge predlagana v šestdesetih letih prejšnjega stoletja, je z razvojem laserske tehnologije in znanosti o materialih postala ključna tehnologija, ki se pogosto uporablja na področju površinskega inženirstva.

V primerjavi z oblogo s plinskim gorilnikom ima laserska obloga ozko toplotno prizadeto območje, majhno preostalo napetost in majhen toplotni učinek na podlago. V primerjavi s plazemskim brizganjem je sloj laserske obloge trdno privarjen na podlago in ima visoko trdnost lepljenja. V primerjavi z oplaščenjem z elektronskim žarkom lahko lasersko oplaščenje upravljate brez vakuuma in ga je enostavno avtomatizirati. Na splošno lasersko oblaganje združuje prednosti visoke gostote moči, močne kolimacije in visoke prilagodljivosti nadzora laserjev med postopkom oblaganja, zaradi česar ima očitne prednosti pri spreminjanju površine materiala.

Tehnologija laserske obloge lahko oblikuje prevleko s specifično sestavo in lastnostmi na površini kovinskih ali nekovinskih materialov in doseže edinstveno odpornost proti obrabi, odpornost proti koroziji, odpornost proti oksidaciji, odpornost na visoke temperature, odpornost proti utrujenosti in druge večnamenske lastnosti površine materiala. , kar močno razširi obseg uporabe materiala. Tehnologija laserske obloge se pogosto uporablja na številnih industrijskih področjih, kot so vesoljska industrija, avtomobili, kalupi, metalurgija, stroji, kemikalije, fotovoltaika, biomedicina itd., kar je zelo pomembno za izboljšanje delovanja in življenjske dobe izdelkov.

1 Raziskave materialov za laserske obloge

1.1 Izbira in značilnosti materialov za laserske obloge
Izbira primernih materialov za oblaganje je ključnega pomena za pridobitev visokokakovostnih obložnih slojev. Na splošno je zahtevana odlična zmogljivost laserske absorpcije, pri čemer se upoštevajo parametri, kot so tališče, gostota, difuzivnost in preostala napetost materiala. Običajno uporabljeni materiali vključujejo kovinske prahove (na osnovi kobalta, niklja itd.), keramične prahove (aluminijev oksid, silicijev karbid itd.) in predhodno legirane spojine ali mešanice iz zgornjih materialov. Funkcionalne gradientne materiale je mogoče oblikovati tudi z uporabo različnih materialov.

Poleg dobre absorpcije laserja morajo imeti materiali za obloge tudi zmerno tališče, visoko stabilnost, dobro omočljivost in metalurško spajanje s podlago. Kovinski materiali za obloge lahko zagotovijo dobro duktilnost in gostoto, medtem ko imajo keramični materiali za obloge visoko trdoto in kemično stabilnost. Z racionalno izbiro materialov lahko pridobimo kompozitno oblogo z več lastnostmi.

1.2 Funkcije in zmogljivost laserskih materialov za obloge
Z izbiro različnih materialov za lasersko oblogo je mogoče doseči odlično trdoto, odpornost proti obrabi, odpornost proti koroziji, odpornost proti toplotni utrujenosti, odpornost proti oksidaciji, odpornost na visoke temperature, biokompatibilnost itd., kar daje površini materiala za oblogo celovito odlično delovanje. Učinkovitost obloge je tesno povezana z dejavniki, kot so materialna sestava in velikost komponent, laserski procesni parametri itd. Na primer, z izbiro kovinsko-keramičnih kompozitnih materialov, kot je WxC-NiCrBSi, na obrabo odporna obloga s kovinsko duktilnostjo in visoko trdoto keramike je mogoče dobiti. Z uporabo materialov za obloge iz zlitine Inconel 718 je mogoče pridobiti plast obloge, ki je odporna na visoko temperaturno korozijo in oksidacijo. Materiali za obloge iz borovega nitrida lahko zagotovijo zelo visoko trdoto površine. Obloge iz titanove zlitine lahko pridobijo odlične biokompatibilne prevleke.

1.3 Stanje raziskav in trend razvoja materialov za laserske obloge
Materialna sestava laserske obloge je zelo pomemben dejavnik, ki vpliva na učinkovitost obloge. Ker okolje uporabe inženirskih delov postaja vse bolj zapleteno in ostro, morajo biti funkcije premazov vedno bolj raznolike in zmogljivost postaja vse boljša in boljša. Zato en sam premazni material ne more več izpolnjevati zahtev uporabe. Kompozit materialov za prevleke je za ljudi postal zelo pomemben način reševanja tega problema.

Trenutno so običajno uporabljene formule materialov za laserske oplaščenje: materiali iz samofluksne zlitine, karbidna disperzija ali kompozitni materiali, kompozitni keramični materiali itd. Ta vrsta materiala ima odlično odpornost proti obrabi, odpornost proti koroziji, odpornost na visoke temperature in druge lastnosti ter se pogosto uporablja v metalurgiji, pomorski opremi, vesoljski industriji, jedrski energiji in drugih področjih. Zato so raziskave o formulah materialov za laserske obloge prejele veliko pozornost znanstvenikov doma in v tujini.

Na mednarodni ravni so raziskave tradicionalnih materialov za kovinske obloge, kot so zlitine na osnovi niklja, kobalta in titana, razmeroma zrele in so trenutno zavezane razvoju visokotemperaturnih zlitin in materialov s funkcionalnim gradientom. Tradicionalni materiali za keramične obloge, kot sta aluminijev oksid in silicijev nitrid, imajo razmeroma stabilno delovanje. Obstoječe raziskave raziskujejo visokotemperaturne keramične kompozite, odporne na oksidacijo. Obstaja veliko študij o kovinsko-keramičnih kompozitnih materialih za obloge, ki imajo prednosti kovinske žilavosti in keramične trdote, obstajajo pa tudi poskusi uporabe bioaktivnih materialov na medicinskem področju. Tehnološko napredne države, kot so Evropa, ZDA, Japonska in Južna Koreja, so že prej izvedle raziskave o tehnologiji laserskih oblog. Med njimi je Fraunhoferjev inštitut za lasersko tehnologijo v Nemčiji izvedel temeljne raziskave laserskega oplaščanja različnih kovinskih materialov, kot so titanove zlitine, aluminijeve zlitine, kromove zlitine itd.; Oakridge National Laboratory v Združenih državah se zavzema za razvoj učinkovitih in poceni laserskih sistemov obloge; številna japonska podjetja, kot sta Sumitomo Heavy Industries in Mitsubishi Heavy Industries, se prav tako ukvarjajo z raziskavami in razvojem ter proizvodnjo opreme za lasersko aditivno proizvodnjo.

Tradicionalni materiali za kovinske obloge se pogosto uporabljajo na Kitajskem. Od leta 2010 so raziskovalne ustanove in univerze, kot so Univerza za aeronavtiko in astronavtiko v Pekingu, Severozahodna politehnična univerza in Inštitut za avtomatizacijo Shenyang Kitajske akademije znanosti, dosegle velik napredek v tehnologiji laserskih oblog. Trenutno je poudarek na industrijskih aplikacijah, raziskave pa so bile izvedene na področju obnove lopatic letalskih motorjev, materialov s kovinskim funkcionalnim gradientom, intermetalnih spojin itd., nekatere tehnologije pa so dosegle mednarodno napredno raven. Tudi lokalna podjetja, kot je Shenzhen Guangyun Laser, se vztrajno razvijajo. Trenutno je lokalizacija materialov za keramične obloge dosegla določen napredek, vendar še vedno obstaja vrzel do visoko zmogljivih materialov; raziskave kompozitnih materialov za obloge so se začele pozno in se razvijajo iz simulacije v samostojno načrtovanje.

S pogledom v prihodnost se laserski materiali za obloge doma in v tujini razvijajo iz tradicionalnih v inovativne. Raziskovalni poudarek se razvija od posameznih materialov do kompozitnih materialov, zlasti kovinsko-keramičnih kompozitnih materialov, da bi dosegli boljšo celovito učinkovitost. Hkrati se razvijajo tudi novi materiali za obloge, primerni za posebna okolja, kot so zlitine, odporne na visoko temperaturno oksidacijo, biokompatibilni materiali itd.

2 Raziskave postopka laserskega oplaščanja

2.1 Osnovni principi postopka laserskega oplaščanja
Laser obseva material obloge, da se oblikuje staljeni bazen. Staljeni material za oblogo prodre v površino materiala za oblogo s kapilarnim delovanjem in se nato hitro strdi, da se doseže staljena vez med materiali. Postopek obloge lahko razdelimo na tri stopnje: predobdelavo, oblogo in naknadno obdelavo. Predobdelava vključuje čiščenje podlage in izboljšanje površine
hrapavost. Faza obloge je ključni korak pri oblikovanju sloja obloge. Naknadna obdelava vključuje toplotno obdelavo za odpravo preostale napetosti itd.

2.2 Vplivni dejavniki in metode optimizacije postopka laserskega oplaščanja
Glavni vplivni dejavniki postopka laserskega oplaščanja so laserski parametri, hitrost skeniranja, parametri šob, zaščita plina itd. Strategija regulacije in optimizacije procesnih parametrov laserskega oplaščanja je ključna za pridobivanje visokokakovostnih slojev oplaščenja. Za glavne procesne parametre so raziskovalci predlagali številne učinkovite prilagoditvene in nadzorne strategije. Na primer, v smislu laserskih parametrov je stabilnejša morfologija bazena staline dosežena z optimizacijo laserske moči. Študija je pokazala, da lahko ujemanje laserske valovne dolžine izboljša učinkovitost laserske absorpcije določenih materialov obloge. Kar zadeva trajektorijo skeniranja, se primerjajo učinki različnih načinov skeniranja na nastanek bazena staline, rezultati pa kažejo, da lahko pravokotno skeniranje upošteva tako učinkovitost skeniranja kot stabilnost bazena staline. Kar zadeva zaščito pred vbrizgavanjem plina, je učinkovit nadzor atmosfere dosežen z optimizacijo pretoka in tlaka plina. Na splošno je bila vzpostavljena razmeroma sistematična strategija optimizacije parametrov procesa laserske obloge. Z usklajenim nadzorom ključnih parametrov, kot so laserski sistem, način skeniranja, plinska zaščita itd., je mogoče natančno prilagoditi postopek obloge in bistveno izboljšati kakovost in stabilnost obloge.

3 Raziskave opreme za lasersko oblaganje
Oprema za lasersko oblaganje se nanaša na posebno opremo, ki se uporablja za izvedbo tehnologije laserskega oblaganja. Vključuje laserski vir, optični sistem, razpršilni sistem, sistem za pozicioniranje in premikanje obdelovanca, napravo za razprševanje prahu, delovno mizo in krmilni sistem. Tehnološki razvoj opreme za lasersko oblaganje je ključna oprema za izvedbo postopka laserskega oblaganja neposredno vpliva na kakovost oblaganja in zmogljivost postopka.

Običajni laserji vključujejo laserje CO2, laserje z vlakni, polprevodniške laserje itd. Kot glavni vir svetlobe laserske obloge so izhodna moč, razpon valovnih dolžin, kakovost žarka in stabilnost delovanja laserja ključni tehnični indikatorji za zagotavljanje kakovosti obloge. V prihodnosti se bodo raziskave in razvoj laserjev osredotočili na izboljšanje izhodne moči, izboljšanje kakovosti žarka, izboljšanje delovne stabilnosti in razširitev razpona valovnih dolžin, da bi zadostili potrebam učinkovitejše in rafinirane obdelave laserskih oblog.

Pršilni sistem neposredno vpliva na transportno učinkovitost materiala obloge. Zasnova optimizacije šob, spletno spremljanje procesa in nadzor temperaturnega polja so ključne tehnologije opreme. Nova oprema, kot so nove glave za skeniranje in večlasersko spajanje, se pojavlja v neskončnem toku. Ta tehnološki napredek je spodbudil razvoj laserskih natančnih oblog. V prihodnosti se bodo raziskave razpršilnega sistema osredotočile na optimizacijsko zasnovo notranje strukture, uporabo materialov, odpornih na visoko temperaturno korozijo, in razvoj hitrih mehanizmov preklapljanja več šob za izboljšanje življenjske dobe in prilagodljivosti šobe, s čimer se učinkovito izboljša izkoristek surovin za obloge.

Raven inteligence krmilnega sistema je povezana s stabilnostjo in kakovostjo površine obloge. Smer razvoja krmilnega sistema v prihodnosti je izgradnja inteligentnega krmilnega mehanizma z zaprto zanko, integracija algoritmov umetne inteligence za optimizacijo parametrov, krepitev zasnove vmesnikov za interakcijo med človekom in računalnikom ter realizacija digitalnih in inteligentnih funkcij, kot sta daljinsko spremljanje in napovedovanje stanja, da bi dosegli natančen nadzor in optimizacijo kakovosti procesa oblaganja.

Če povzamemo, smer razvoja opreme za lasersko oblaganje je izboljšati izhodno moč in stabilnost laserja, uresničiti natančno krmiljenje šob in razviti inteligentne krmilne sisteme za izvedbo visokokakovostnega laserskega oblaganja zapletenih oblik. Skupna inovacija in razvoj laserske tehnologije, razpršilnih sistemov in nadzornih sistemov bosta spodbujala razvoj opreme za lasersko oblaganje v smeri visoke učinkovitosti, stabilnosti in inteligence za izpolnjevanje prihodnjih potreb aplikacij laserskega oblaganja z višjimi celovitimi zahtevami glede zmogljivosti.

4 Možnosti uporabe in razvoja tehnologije laserskih oblog na različnih področjih
Zaradi svojih natančnih in učinkovitih lastnosti je tehnologija laserskih oblog pokazala velike prednosti uporabe in razvojni potencial v letalstvu, avtomobilizmu, metalurgiji in drugih področjih. Na letalskem in vesoljskem področju je mogoče uporabiti tehnologijo laserske obloge za površinsko ojačitev pomembnih komponent, kot so lopatice plinske turbine, šobe in turbinski diski, da ustvarite visokokakovostne premaze proti obrabi in visokotemperaturno korozijsko odpornost, kar bistveno izboljša storitev življenjska doba komponent. V primerjavi s tradicionalnimi postopki ima lasersko oplaščenje značilnosti majhnega območja, ki je izpostavljeno toploti obdelave, in visoko trdnost lepljenja, kar je zelo primerno za natančno površinsko aditivno proizvodnjo in popravilo letalskih komponent. Nadaljnji razvoj te tehnologije bo močno znižal stroške vzdrževanja na področju letalstva.

Na področju avtomobilske proizvodnje lahko lasersko oblogo uporabimo za krepitev površinskih lastnosti pomembnih komponent, kot so ventili motorja, ojnice, odmične gredi itd., ter izboljšanje odpornosti proti obrabi in odpornosti proti koroziji. Življenjska doba in zanesljivost takšnih ključnih komponent bosta znatno izboljšani, kar bo pomagalo zmanjšati pogostost vzdrževanja in zmanjšalo skupne stroške življenjskega cikla vozila.

Na področju metalurške industrije lahko tehnologija laserskega oplaščenja doseže površinsko popravilo in zaščito, popravilo in predelavo komponent, površinsko legirano obdelavo, proizvodnjo kompozitnih materialov, obdelavo z lokalno modifikacijo in preoblikovanje tradicionalnih materialov. Kar zadeva površinsko popravilo in zaščito, tehnologija laserskega oplaščanja poveča odpornost materialov proti obrabi in koroziji ter podaljša življenjsko dobo opreme z oblaganjem posebnih zlitin na poškodovane površine. Za popravilo in predelavo ključnih komponent lahko tehnologija laserske obloge obnovi prvotno strukturo in funkcijo s selektivnim segrevanjem in oblogo ustreznih zlitin, s čimer se izvede ponovna uporaba komponent. Površinska legirana obdelava uporablja tehnologijo laserskega oplaščanja za oblaganje specifičnih zlitin na površini kovinskih materialov, s čimer izboljša trdoto, odpornost proti obrabi in odpornost proti koroziji materialov ter izpolnjuje posebne zahteve postopka. Uporaba tehnologije laserskega oplaščanja za izdelavo kompozitnih materialov lahko doseže celovito uporabo različnih lastnosti z oblaganjem različnih praškastih materialov, s čimer se razširi področje uporabe metalurških materialov. Hkrati lahko laserska tehnologija oplaščenja doseže lokalne modifikacijske obdelave, kot so kaljenje, žarjenje in kaljenje, kar zagotavlja prilagojeno delovanje za metalurške materiale. Poleg tega je popravilo in preoblikovanje tradicionalnih materialov mogoče doseči tudi s tehnologijo laserske obloge, ki bistveno izboljša delovanje in življenjsko dobo materialov z oblikovanjem nove plasti zlitine na površini materiala.

Z nenehnim napredovanjem tehnologije in opreme za laserske obloge se bo njeno področje uporabe razširilo tudi na druga industrijska področja, kot so nafta, kemična industrija, električna energija, železniški promet itd., tržni obeti pa so široki. Stalne inovacije te tehnologije bodo znatno zmanjšale stroške vzdrževanja opreme v različnih panogah in izboljšale učinkovitost proizvodnje.

Zaključek 5

Kot natančna in učinkovita metoda površinske modifikacije je tehnologija laserske obloge pokazala velik potencial uporabe in razvojne možnosti. Njegove edinstvene prednosti so majhna toplotno prizadeta cona, visoka trdnost lepljenja, prilagodljiv procesni nadzor itd., ki lahko uresničijo natančno funkcionalno transformacijo površine materiala. Po desetletjih razvoja je bila tehnologija laserske obloge uspešno uporabljena na pomembnih področjih, kot so vesoljska industrija, avtomobili, metalurgija itd., s čimer se je močno izboljšala življenjska doba in zanesljivost osnovnih komponent.

Z nadaljnjim razvojem laserske tehnologije in izdelave opreme se tehnologija laserskih oblog še vedno sooča z izzivi pri nadaljnjem zmanjševanju stroškov opreme, realizaciji večslojnih oblog s kompleksno strukturo in razširitvi obsega materialov za uporabo. Nenehno je treba optimizirati tudi problem ujemanja materialnega sistema ter stabilnega in ponovljivega nadzora kakovosti obloge. Vendar pa so možnosti uporabe te tehnologije zelo široke, vključno s popravilom komponent vročih delov letalskih motorjev, površinsko izboljšavo avtomobilskih motorjev in obnovo opreme za hidroelektrarne. Tehnologija laserske obloge bo zagotovo igrala pomembno vlogo pri izboljšanju zanesljivosti izdelkov in zmanjševanju stroškov življenjskega cikla z nenehnimi inovacijami opreme in procesov.