Den här artikeln granskar forskningens framsteg inom laserbeklädnadsteknik, och täcker de grundläggande principerna för laserbeklädnad, materialval, processparameterkontroll, utrustningskonfiguration och industriell tillämpning. Laserbeklädnad har stora tillämpningsmöjligheter för att förbättra ytprestandan hos material på grund av dess lilla värmepåverkade zon och höga bindningsstyrka. Artikeln beskriver urvalskriterierna för laserbeklädnadsmaterial, forsknings- och utvecklingsstatusen för metall/keramik/kompositmaterial, analyserar optimeringsstrategin för parametrar för laser/skanning/gasskydd, diskuterar utvecklingsriktningen för utrustning såsom lasrar/munstycken/styrning system och listar applikationsexempel inom flyg-, bil-, metallurgi och andra områden. Ytterligare innovation av laserbeklädnadsteknik och utrustning kommer att främja denna teknologis viktiga roll för att minska livscykelkostnaderna och förbättra produkternas tillförlitlighet.

Laserbeklädnadsteknik är en teknik som använder högeffektlaser som värmekälla för att smälta beklädnadsmaterialet och sedan avsätta det på ytan av beklädnadsmaterialet för att generera ett beklädnadsskikt. Jämfört med traditionell beklädnadsteknik har laserbeklädnad fördelarna med liten värmepåverkad zon, hög bindningsstyrka och nästan ingen förbehandling av beklädnadsmaterialet, vilket kan uppnå lokal precisionsreparation. Laserbeklädnadsskiktet har en gradientstruktur med substratet, vilket bidrar till att minska termisk spänning och kvarvarande spänning och förbättra bindningsstyrkan. Sedan laserbeklädnadstekniken föreslogs på 1960-talet, med utvecklingen av laserteknik och materialvetenskap, har den blivit en nyckelteknologi som används i stor utsträckning inom ytteknik.

Jämfört med gasbrännarbeklädnad har laserbeklädnad en smal värmepåverkad zon, liten restspänning och liten termisk effekt på substratet. Jämfört med plasmasprutning är laserbeklädnadsskiktet fast svetsat mot underlaget och har hög bindningsstyrka. Jämfört med elektronstrålebeklädnad kan laserbeklädnad användas utan vakuum och är lätt att automatisera. I allmänhet kombinerar laserbeklädnad fördelarna med hög effekttäthet, stark kollimering och hög kontrollflexibilitet hos lasrar under beklädnadsprocessen, vilket gör att den har uppenbara fördelar vid modifiering av materialyta.

Laserbeklädnadsteknik kan bilda en beläggning med specifik sammansättning och egenskaper på ytan av metall eller icke-metallmaterial, och uppnå unik slitstyrka, korrosionsbeständighet, oxidationsbeständighet, hög temperaturbeständighet, utmattningsbeständighet och andra multifunktioner av materialytan , vilket kraftigt utökar materialets användningsområde. Laserbeklädnadsteknik har använts i stor utsträckning inom många industriella områden som flyg, bilar, formar, metallurgi, maskiner, kemikalier, solceller, biomedicin, etc., vilket är av stor betydelse för att förbättra produktens prestanda och livslängd.

1 Forskning om laserbeklädnadsmaterial

1.1 Val och egenskaper hos laserbeklädnadsmaterial
Att välja lämpliga beklädnadsmaterial är avgörande för att få högkvalitativa beklädnadsskikt. Generellt krävs utmärkt laserabsorptionsprestanda, och parametrar såsom smältpunkt, densitet, diffusivitet och restspänning hos materialet beaktas. Vanligt använda material inkluderar metallpulver (koboltbaserade, nickelbaserade, etc.), keramiska pulver (aluminiumoxid, kiselkarbid, etc.) och förlegerade föreningar eller blandningar gjorda av ovanstående material. Funktionella gradientmaterial kan också utformas med olika material.

Förutom god laserabsorptionsprestanda behöver beklädnadsmaterial även ha en måttlig smältpunkt, hög stabilitet, god vätbarhet och metallurgisk koppling till substratet. Metallbeklädnadsmaterial kan ge god duktilitet och densitet, medan keramiska beklädnadsmaterial har hög hårdhet och kemisk stabilitet. Genom att rationellt välja material kan ett kompositbeklädnadsskikt med flera egenskaper erhållas.

1.2 Funktioner och prestanda för laserbeklädnadsmaterial
Genom att välja olika laserbeklädnadsmaterial kan utmärkt hårdhet, slitstyrka, korrosionsbeständighet, termisk utmattningsbeständighet, oxidationsbeständighet, högtemperaturbeständighet, biokompatibilitet etc. erhållas, vilket ger ytan på beklädnadsmaterialet omfattande utmärkt prestanda. Beklädnadslagrets prestanda är nära relaterat till faktorer som materialsammansättning och komponenternas storlek, laserprocessparametrar etc. Till exempel genom att välja metallkeramiska kompositmaterial som WxC-NiCrBSi, ett slitstarkt beklädnadsskikt med både metallduktilitet och hög keramisk hårdhet kan erhållas. Med hjälp av Inconel 718-legeringsmaterial kan ett korrosionsbeständigt och oxidationsbeständigt beklädnadsskikt erhållas. Beklädnadsmaterial av bornitrid kan ge mycket hög ythårdhet. Beklädnadsmaterial av titanlegering kan erhålla utmärkta biokompatibla beklädnadsskikt.

1.3 Forskningsstatus och utvecklingstrend för laserbeklädnadsmaterial
Materialsammansättningen av laserbeklädnad är en mycket viktig faktor som påverkar prestandan hos beläggningsbeläggningar. När applikationsmiljön för tekniska delar blir mer och mer komplex och hård, krävs att beläggningsfunktionerna blir mer och mer varierande och prestandan blir bättre och bättre. Därför kan ett enda beläggningsmaterial inte längre uppfylla applikationskraven. Kompositen av beläggningsmaterial har blivit ett mycket viktigt sätt för människor att lösa detta problem.

För närvarande är de vanligaste formlerna för laserbeklädnadsmaterial: självfluxande legeringsmaterial, karbiddispersion eller kompositmaterial, kompositkeramiska material, etc. Denna typ av material har utmärkt slitstyrka, korrosionsbeständighet, hög temperaturbeständighet och andra egenskaper, och används ofta inom metallurgi, marin utrustning, flyg, kärnkraft och andra områden. Därför har forskningen om formler för laserbeklädnadsmaterial fått stor uppmärksamhet från forskare hemma och utomlands.

Internationellt är forskningen om traditionella metallbeklädnadsmaterial som nickelbaserade, koboltbaserade och titanbaserade legeringar relativt mogen, och är för närvarande engagerad i utvecklingen av högtemperaturlegeringar och funktionella gradientmaterial. Traditionella keramiska beklädnadsmaterial som aluminiumoxid och kiselnitrid har relativt stabil prestanda. Befintlig forskning utforskar högtemperaturoxidationsbeständiga keramiska kompositer. Det finns många studier på metallkeramiska kompositbeklädnadsmaterial, som har fördelarna med metallseghet och keramisk hårdhet, och det finns även försök att använda bioaktiva material inom det medicinska området. Teknologiskt avancerade länder som Europa, USA, Japan och Sydkorea har forskat om laserbeklädnadsteknik tidigare. Bland dem har Fraunhofer Institute for Laser Technology i Tyskland utfört grundforskning om laserbeklädnad av olika metallmaterial såsom titanlegeringar, aluminiumlegeringar, kromlegeringar, etc.; Oakridge National Laboratory i USA har åtagit sig att utveckla effektiva och billiga laserbeklädnadssystem; många japanska företag, som Sumitomo Heavy Industries och Mitsubishi Heavy Industries, är också engagerade i forskning och utveckling och produktion av utrustning för tillverkning av lasertillsatser.

Traditionella metallbeklädningsmaterial används ofta i Kina. Sedan 2010 har forskningsinstitutioner och universitet som Beijing University of Aeronautics and Astronautics, Northwestern Polytechnical University och Shenyang Institute of Automation vid den kinesiska vetenskapsakademin gjort stora framsteg inom laserbeklädnadsteknik. För närvarande ligger fokus på industriella tillämpningar, och forskning har utförts på renovering av flygplansmotorblad, metallfunktionella gradientmaterial, intermetalliska sammansatta beläggningar, etc., och vissa teknologier har nått den internationella avancerade nivån. Lokala företag som Shenzhen Guangyun Laser utvecklas också stadigt. För närvarande har lokaliseringen av keramiska beklädnadsmaterial gjort vissa framsteg, men det finns fortfarande ett gap från högpresterande material; forskningen om kompositbeklädnadsmaterial startade sent och utvecklas från simulering till oberoende design.

Med blicken mot framtiden utvecklas laserbeklädnadsmaterial hemma och utomlands från traditionellt till innovativt. Forskningsfokuset utvecklas från enstaka material till kompositmaterial, särskilt metallkeramiska kompositmaterial, för att få bättre heltäckande prestanda. Samtidigt utvecklas också nya beklädnadsmaterial lämpliga för speciella miljöer, såsom högtemperaturoxidationsbeständiga legeringar, biokompatibla material m.m.

2 Forskning om laserbeklädnadsprocess

2.1 Grundläggande principer för laserbeklädnadsprocessen
Laser bestrålar beklädnadsmaterialet för att bilda en smält pool. Det smälta beklädnadsmaterialet tränger in i beklädnadsmaterialets yta genom kapillärverkan och stelnar sedan snabbt för att uppnå smält bindning mellan materialen. Beklädnadsprocessen kan delas in i tre steg: förbehandling, beklädnad och efterbehandling. I förbehandlingen ingår rengöring av underlaget och förbättring av ytan
grovhet. Beklädnadsstadiet är nyckelsteget för att bilda beklädnadslagret. Efterbehandling inkluderar värmebehandling för att eliminera kvarstående stress, etc.

2.2 Påverkansfaktorer och optimeringsmetoder för laserbeklädnadsprocessen
De huvudsakliga påverkande faktorerna för laserbeklädnadsprocessen är laserparametrar, skanningshastighet, munstycksparametrar, gasskydd, etc. Reglering och optimeringsstrategi för laserbeklädnadsprocessparametrar är nyckeln till att erhålla beklädnadsskikt av hög kvalitet. För de viktigaste processparametrarna har forskare föreslagit många effektiva justerings- och kontrollstrategier. Till exempel, när det gäller laserparametrar, erhålls en mer stabil smältbassängmorfologi genom att optimera lasereffekten. Studien fann att matchning av laservåglängden kan förbättra laserabsorptionseffektiviteten för specifika beklädnadsmaterial. När det gäller skanningsbana jämförs effekterna av olika avsökningslägen på bildning av smältbassäng, och resultaten visar att ortogonal scanning kan ta hänsyn till både scanningseffektivitet och smältbassängstabilitet. När det gäller gasinsprutningsskydd uppnås effektiv atmosfärskontroll genom att optimera gasflöde och tryck. Sammantaget har en relativt systematisk laserbeklädnadsprocessparameteroptimeringsstrategi etablerats. Genom koordinerad kontroll av nyckelparametrar som lasersystem, skanningsläge, gasskydd etc. kan beklädnadsprocessen justeras noggrant och beklädnadens kvalitet och stabilitet kan förbättras avsevärt.

3 Forskning om laserbeklädnadsutrustning
Laserbeklädnadsutrustning avser specialutrustning som används för att utföra laserbeklädningsteknik. Det inkluderar laserkälla, optiskt system, spraysystem, arbetsstyckets positionering och förflyttningssystem, pulversprayanordning, arbetsbänk och kontrollsystem. Som nyckelutrustningen för att realisera laserbeklädnadsprocessen, påverkar den tekniska utvecklingen av laserbeklädnadsutrustning direkt beklädnadskvaliteten och processkapaciteten.

Vanliga lasrar inkluderar CO2-lasrar, fiberlasrar, halvledarlasrar, etc. Som kärnljuskälla för laserbeklädnad är uteffekten, våglängdsområdet, strålkvaliteten och driftsstabiliteten hos lasern de tekniska nyckelindikatorerna för att säkerställa beklädnadens kvalitet. I framtiden kommer forskningen och utvecklingen av lasrar att fokusera på förbättring av uteffekt, förfining av strålkvalitet, förbättring av arbetsstabilitet och utvidgning av våglängdsområdet för att möta behoven av mer effektiv och förfinad laserbeklädnadsbehandling.

Spraysystemet påverkar direkt beklädnadsmaterialets transporteffektivitet. Munstycksoptimeringsdesign, onlineprocessövervakning och temperaturfältskontroll är utrustningens nyckelteknologier. Ny utrustning som nya skannerhuvuden och multilaserkoppling dyker upp i en oändlig ström. Dessa tekniska framsteg har främjat utvecklingen av laserprecisionsbeklädnad. I framtiden kommer forskningen om spraysystemet att fokusera på optimeringsdesignen av den interna strukturen, antagandet av högtemperaturkorrosionsbeständiga material och utvecklingen av snabba omkopplingsmekanismer med flera munstycken för att förbättra livslängden och anpassningsförmågan hos munstycken, vilket effektivt förbättrar utnyttjandeeffektiviteten för beklädnadsråmaterialen.

Kontrollsystemets intelligensnivå är relaterad till beklädnadens stabilitet och ytkvalitet. Styrsystemets utvecklingsriktning i framtiden är att bygga en intelligent styrmekanism med sluten slinga, integrera artificiell intelligensalgoritmer för parameteroptimering, stärka designen av interaktionsgränssnitt mellan människa och dator och realisera digitala och intelligenta funktioner som fjärrövervakning och tillståndsförutsägelse, för att uppnå exakt kontroll och kvalitetsoptimering av beklädnadsprocessen.

Sammanfattningsvis är utvecklingsriktningen för laserbeklädnadsutrustning att förbättra laserns uteffekt och stabilitet, realisera precisionsmunstyckeskontroll och utveckla intelligenta styrsystem för att utföra högkvalitativ laserbeklädnad av komplexa former. Samverkansinnovationen och utvecklingen av laserteknik, spraysystem och kontrollsystem kommer att främja utvecklingen av laserbeklädnadsutrustning mot hög effektivitet, stabilitet och intelligens för att möta framtida behov av laserbeklädnadstillämpningar med högre omfattande prestandakrav.

4 Tillämpnings- och utvecklingsmöjligheter för laserbeklädnadsteknik inom olika områden
På grund av dess exakta och effektiva egenskaper har laserbeklädnadsteknik visat stora applikationsfördelar och utvecklingspotential inom flyg-, bil-, metallurgi och andra områden. Inom flyg- och rymdområdet kan laserbeklädnadsteknik appliceras på ytförstärkning av viktiga komponenter som gasturbinblad, munstycken och turbinskivor för att generera högkvalitativa slitagebeständiga och högtemperaturkorrosionsbeständiga beläggningar, vilket avsevärt förbättrar servicen. komponenternas livslängd. Jämfört med traditionella processer har laserbeklädnad egenskaperna för liten bearbetningsvärmepåverkad zon och hög bindningsstyrka, vilket är mycket lämpligt för precisionstillverkning av yttillsatser och reparation av flygkomponenter. Den fortsatta utvecklingen av denna teknik kommer att kraftigt minska underhållskostnaderna inom flyg- och rymdområdet.

Inom området för biltillverkning kan laserbeklädnad användas för att stärka ytegenskaperna hos viktiga komponenter såsom motorventiler, vevstakar, kamaxlar, etc., och förbättra slitstyrkan och korrosionsbeständigheten. Livslängden och tillförlitligheten för sådana nyckelkomponenter kommer att förbättras avsevärt, vilket kommer att bidra till att minska underhållsfrekvensen och minska den totala livscykelkostnaden för fordonet.

Inom metallurgisk industri kan laserbeklädnadsteknik uppnå ytreparation och skydd, komponentreparation och återtillverkning, ytlegeringsbehandling, tillverkning av kompositmaterial, lokal modifieringsbehandling och transformation av traditionella material. När det gäller ytreparation och skydd ökar laserbeklädningstekniken slitstyrkan och korrosionsbeständigheten hos material och förlänger utrustningens livslängd genom att belägga speciallegeringar på skadade ytor. För reparation och återtillverkning av nyckelkomponenter kan laserbeklädnadsteknik återställa den ursprungliga strukturen och funktionen genom att selektivt värma och beklädna lämpliga legeringsmaterial, och därigenom realisera återanvändning av komponenter. Ytlegeringsbehandling använder laserbeklädnadsteknik för att belägga specifika legeringsmaterial på ytan av metallmaterial, vilket förbättrar materialens hårdhet, slitstyrka och korrosionsbeständighet och uppfyller specifika processkrav. Användningen av laserbeklädnadsteknik för att tillverka kompositmaterial kan uppnå den omfattande tillämpningen av olika egenskaper genom att bekläda olika pulvermaterial, och därmed bredda användningsområdet för metallurgiska material. Samtidigt kan laserbeklädnadsteknik uppnå lokala modifieringsbehandlingar såsom härdning, glödgning och härdning, vilket ger skräddarsydda prestanda för metallurgiska material. Dessutom kan reparation och omvandling av traditionella material också uppnås genom laserbeklädnadsteknik, vilket avsevärt förbättrar materialens prestanda och livslängd genom att bilda ett nytt legeringsskikt på materialets yta.

Med den kontinuerliga mognad av laserbeklädnadsteknik och utrustning kommer dess tillämpningsområde också att expandera till andra industriområden som petroleum, kemisk industri, elkraft, järnvägstransporter, etc., och marknadsutsikterna är breda. Den kontinuerliga innovationen av denna teknik kommer att avsevärt minska kostnaderna för underhåll av utrustning i olika branscher och förbättra produktionseffektiviteten.

5 Slutsats

Som en exakt och effektiv ytmodifieringsmetod har laserbeklädnadsteknik visat stor applikationspotential och utvecklingsmöjligheter. Dess unika fördelar är liten värmepåverkad zon, hög bindningsstyrka, flexibel processkontroll, etc., som kan realisera exakt funktionell omvandling av materialytan. Efter årtionden av utveckling har laserbeklädnadsteknik framgångsrikt tillämpats inom viktiga områden som flyg, bil, metallurgi, etc., vilket avsevärt förbättrat livslängden och tillförlitligheten hos kärnkomponenter.

Med den fortsatta utvecklingen av laserteknik och utrustningstillverkning står laserbeklädnadstekniken fortfarande inför utmaningar när det gäller att ytterligare sänka utrustningskostnaderna, förverkliga flerskikts komplex strukturbeklädnad och utöka omfattningen av applikationsmaterial. Problemet med materialsystemmatchning och stabil och repeterbar beklädnadskvalitetskontroll måste också kontinuerligt optimeras. Men tillämpningsmöjligheterna för denna teknik är mycket breda, inklusive reparation av heta sektionskomponenter i flygmotorer, ytförbättring av bilmotorer och renovering av vattenkraftsutrustning. Laserbeklädnadsteknik kommer säkerligen att spela en viktig roll för att förbättra produkternas tillförlitlighet och minska livscykelkostnaderna genom kontinuerlig innovation av utrustning och processer.