У цій статті розглядається хід досліджень технології лазерного наплавлення, охоплюючи основні принципи лазерного наплавлення, вибір матеріалу, керування параметрами процесу, конфігурацію обладнання та промислове застосування. Лазерне наплавлення має великі перспективи застосування для поліпшення характеристик поверхні матеріалів завдяки малій зоні теплового впливу та високій міцності зв’язку. У статті викладено критерії вибору матеріалів для лазерного покриття, стан досліджень і розробок металевих/керамічних/композитних матеріалів, проаналізовано стратегію оптимізації параметрів лазерного/скануючого/газозахисного захисту, обговорено напрям розвитку такого обладнання, як лазери/насадки/контроль. системи та перераховує приклади застосування в аерокосмічній, автомобільній, металургійній та інших галузях. Подальші інновації в технології та обладнанні лазерного покриття сприятимуть важливій ролі цієї технології у зниженні витрат протягом життєвого циклу та підвищенні надійності продукту.

Лазерна технологія облицювання — це технологія, яка використовує високопотужний лазер як джерело тепла для розплавлення облицювального матеріалу, а потім нанесення його на поверхню облицювального матеріалу для створення облицювального шару. У порівнянні з традиційною технологією облицювання, лазерне облицювання має переваги невеликої зони термічного впливу, високої міцності з’єднання та майже відсутності попередньої обробки матеріалу облицювання, що дозволяє досягти локального точного ремонту. Шар лазерного покриття має градієнтну структуру з підкладкою, що сприяє зниженню термічної напруги та залишкової напруги та покращенню міцності з’єднання. Оскільки технологія лазерного покриття була запропонована в 1960-х роках, з розвитком лазерної технології та матеріалознавства, вона стала ключовою технологією, яка широко використовується в галузі інженерії поверхні.

Порівняно з газовим факелом, лазерне покриття має вузьку зону термічного впливу, малу залишкову напругу та незначний термічний вплив на підкладку. У порівнянні з плазмовим напиленням шар лазерного покриття міцно зварюється з підкладкою та має високу міцність зв’язку. У порівнянні з електронно-променевим покриттям, лазерне покриття може працювати без вакууму та його легко автоматизувати. Загалом лазерне покриття поєднує в собі переваги високої щільності потужності, сильної колімації та високої гнучкості керування лазерами під час процесу покриття, що робить його очевидними перевагами в модифікації поверхні матеріалу.

Технологія лазерного плакування може сформувати покриття з певним складом і властивостями на поверхні металевих або неметалевих матеріалів і досягти унікальної зносостійкості, стійкості до корозії, стійкості до окислення, стійкості до високих температур, стійкості до втоми та інших багатофункціональних функцій поверхні матеріалу. , що значно розширює область застосування матеріалу. Технологія лазерного покриття широко використовується в багатьох галузях промисловості, таких як аерокосмічна промисловість, автомобільна промисловість, прес-форми, металургія, машинобудування, хімічна промисловість, фотогальванічна промисловість, біомедицина тощо, що має велике значення для покращення продуктивності та терміну служби продукту.

1 Дослідження лазерних облицювальних матеріалів

1.1 Вибір і характеристика матеріалів лазерного наплавлення
Вибір відповідних матеріалів для облицювання має вирішальне значення для отримання високоякісних шарів облицювання. Як правило, необхідні чудові характеристики лазерного поглинання, і враховуються такі параметри, як температура плавлення, щільність, коефіцієнт дифузії та залишкова напруга матеріалу. Зазвичай використовувані матеріали включають металеві порошки (на основі кобальту, нікелю тощо), керамічні порошки (оксид алюмінію, карбід кремнію тощо), а також попередньо леговані сполуки або суміші, виготовлені з вищевказаних матеріалів. Функціональні градієнтні матеріали також можуть бути розроблені з використанням різних матеріалів.

На додаток до хороших характеристик лазерного поглинання, облицювальні матеріали також повинні мати помірну температуру плавлення, високу стабільність, хорошу змочуваність і металургійне зчеплення з підкладкою. Металеві облицювальні матеріали можуть забезпечити хорошу пластичність і щільність, тоді як керамічні облицювальні матеріали мають високу твердість і хімічну стійкість. Раціонально підбираючи матеріали, можна отримати композиційний облицювальний шар з багатьма властивостями.

1.2 Функції та характеристики лазерних облицювальних матеріалів
Вибираючи різні матеріали для лазерного облицювання, можна отримати чудову твердість, зносостійкість, стійкість до корозії, стійкість до термічної втоми, стійкість до окислення, стійкість до високих температур, біосумісність тощо, що забезпечує відмінні характеристики поверхні облицювального матеріалу. Ефективність шару облицювання тісно пов’язана з такими факторами, як склад матеріалу та кількість компонентів, параметри лазерного процесу тощо. Наприклад, шляхом вибору металокерамічних композитних матеріалів, таких як WxC-NiCrBSi, зносостійкий шар облицювання з як пластичністю металу, так і високою керамічною твердістю можна отримати. Використовуючи облицювальні матеріали зі сплаву Inconel 718, можна отримати високотемпературний корозійно-стійкий і стійкий до окислення шар облицювання. Облицювальні матеріали з нітриду бору можуть забезпечити дуже високу твердість поверхні. Облицювальні матеріали з титанового сплаву можуть отримати чудові біосумісні шари облицювання.

1.3 Стан досліджень і тенденція розвитку матеріалів для лазерного покриття
Склад матеріалу лазерного наплавлення є дуже важливим фактором, що впливає на ефективність облицювальних покриттів. Оскільки середовище застосування інженерних деталей стає все більш і більш складним і жорстким, функції покриття повинні бути все більш і більш різноманітними, а продуктивність стає все кращою і кращою. Таким чином, окремий матеріал покриття більше не може відповідати вимогам застосування. Композит матеріалів для покриття став для людей дуже важливим способом вирішення цієї проблеми.

В даний час широко використовувані формули матеріалів для лазерного покриття: самофлюсувальні леговані матеріали, карбідні дисперсії або композитні матеріали, композитні керамічні матеріали тощо. Цей тип матеріалу має чудову зносостійкість, стійкість до корозії, стійкість до високих температур та інші властивості, а також широко використовується в металургії, морському обладнанні, аерокосмічній промисловості, атомній енергетиці та інших галузях. Тому дослідження формул матеріалів для лазерного покриття привернули пильну увагу вчених у країні та за кордоном.

На міжнародному рівні дослідження традиційних металевих облицювальних матеріалів, таких як сплави на основі нікелю, кобальту та титану, є відносно зрілими, і в даний час спрямовані на розробку високотемпературних сплавів і матеріалів з функціональним градієнтом. Традиційні керамічні матеріали для облицювання, такі як оксид алюмінію та нітрид кремнію, мають відносно стабільні характеристики. Існуючі дослідження вивчають керамічні композити, стійкі до високотемпературного окислення. Існує багато досліджень металокерамічних композиційних матеріалів для облицювання, які мають переваги в’язкості металу та твердості кераміки, а також є спроби використання біоактивних матеріалів у галузі медицини. Технологічно розвинені країни, такі як Європа, Сполучені Штати, Японія та Південна Корея, раніше проводили дослідження технології лазерного покриття. Серед них Інститут лазерної технології Фраунгофера в Німеччині провів фундаментальні дослідження лазерного наплавлення різних металевих матеріалів, таких як титанові сплави, алюмінієві сплави, хромові сплави тощо; Окриджська національна лабораторія в Сполучених Штатах займається розробкою ефективних і недорогих систем лазерного покриття; багато японських компаній, таких як Sumitomo Heavy Industries і Mitsubishi Heavy Industries, також займаються дослідженнями, розробкою та виробництвом обладнання для лазерного адитивного виробництва.

У Китаї широко використовуються традиційні металеві облицювальні матеріали. З 2010 року дослідницькі установи та університети, такі як Пекінський університет аеронавтики та астронавтики, Північно-Західний політехнічний університет та Шеньянський інститут автоматизації Академії наук Китаю, досягли значного прогресу в технології лазерного покриття. В даний час увага зосереджена на промисловому застосуванні, і проводилися дослідження щодо відновлення лопатей авіаційних двигунів, металевих функціональних градієнтних матеріалів, інтерметалічних складових покриттів тощо, а деякі технології досягли міжнародного передового рівня. Місцеві компанії, такі як Shenzhen Guangyun Laser, також стабільно розвиваються. В даний час локалізація керамічних облицювальних матеріалів досягла певного прогресу, але все ще є відставання від високоефективних матеріалів; дослідження композиційних облицювальних матеріалів почалися пізно і розвиваються від моделювання до незалежного проектування.

Дивлячись у майбутнє, лазерні облицювальні матеріали в країні та за кордоном розвиваються від традиційних до інноваційних. Дослідження фокусуються на переході від окремих матеріалів до композиційних матеріалів, особливо металокерамічних композитних матеріалів, щоб отримати кращі комплексні характеристики. У той же час також розробляються нові матеріали для облицювання, придатні для спеціальних середовищ, такі як високотемпературні стійкі до окислення сплави, біосумісні матеріали тощо.

2 Дослідження процесу лазерного наплавлення

2.1 Основні принципи процесу лазерного наплавлення
Лазер опромінює облицювальний матеріал, утворюючи розплавлену ванну. Розплавлений облицювальний матеріал проникає в поверхню облицювального матеріалу через капілярну дію, а потім швидко твердне, щоб досягти розплавленого зв’язку між матеріалами. Процес облицювання можна розділити на три етапи: попередня обробка, облицювання та додаткова обробка. Попередня обробка включає очищення основи та покращення поверхні
шорсткість. Етап облицювання є ключовим етапом у формуванні шару облицювання. Дообробка включає термічну обробку для усунення залишкової напруги тощо.

2.2 Фактори впливу та методи оптимізації процесу лазерного наплавлення
Основними факторами, що впливають на процес лазерного наплавлення, є параметри лазера, швидкість сканування, параметри сопла, газовий захист тощо. Стратегія регулювання та оптимізації параметрів процесу лазерного наплавлення є ключем до отримання високоякісних шарів наплавлення. Для основних параметрів процесу дослідники запропонували багато ефективних стратегій регулювання та контролю. Наприклад, з точки зору параметрів лазера, більш стабільна морфологія ванни розплаву досягається шляхом оптимізації потужності лазера. Дослідження показало, що підбір довжини хвилі лазера може підвищити ефективність поглинання лазера конкретними матеріалами облицювання. З точки зору траєкторії сканування, порівнюється вплив різних режимів сканування на формування ванни розплаву, і результати показують, що ортогональне сканування може враховувати як ефективність сканування, так і стабільність ванни розплаву. Що стосується захисту впорскування газу, ефективний контроль атмосфери досягається шляхом оптимізації потоку газу та тиску. Загалом, була створена відносно систематична стратегія оптимізації параметрів процесу лазерного наплавлення. Завдяки скоординованому контролю ключових параметрів, таких як лазерна система, режим сканування, газовий захист тощо, можна точно відрегулювати процес облицювання, а якість і стабільність облицювання можна значно покращити.

3 Дослідження обладнання для лазерного наплавлення
Обладнання для лазерного наплавлення відноситься до спеціального обладнання, яке використовується для виконання технології лазерного наплавлення. Він включає лазерне джерело, оптичну систему, систему розпилення, систему позиціонування та переміщення заготовки, пристрій для розпилення порошку, верстак і систему керування. Будучи ключовим обладнанням для реалізації процесу лазерного наплавлення, технологічний розвиток обладнання для лазерного наплавлення безпосередньо впливає на якість облицювання та можливості процесу.

Звичайні лазери включають CO2-лазери, волоконні лазери, напівпровідникові лазери тощо. Як джерело основного світла лазерного покриття, вихідна потужність, діапазон довжин хвиль, якість променя та стабільність роботи лазера є ключовими технічними показниками для забезпечення якості покриття. У майбутньому дослідження та розробки лазерів будуть зосереджені на покращенні вихідної потужності, покращенні якості променя, покращенні робочої стабільності та розширенні діапазону довжин хвиль для задоволення потреб у більш ефективній та вдосконаленій обробці лазерної оболонки.

Система розпилення безпосередньо впливає на ефективність транспортування облицювального матеріалу. Конструкція оптимізації сопел, онлайн-моніторинг процесу та контроль температурного поля є ключовими технологіями обладнання. Нове обладнання, таке як нові скануючі головки та мультилазерне з’єднання, з’являється нескінченним потоком. Ці технологічні досягнення сприяли розвитку точного лазерного наплавлення. У майбутньому дослідження системи розпилення будуть зосереджені на оптимізації дизайну внутрішньої структури, застосуванні матеріалів, стійких до високотемпературної корозії, і розробці механізмів швидкого перемикання кількох сопел для покращення терміну служби та адаптивності форсунки, тим самим ефективно покращуючи ефективність використання сировини для облицювання.

Рівень інтелектуальності системи керування пов’язаний зі стабільністю та якістю поверхні облицювання. Напрямок розвитку системи керування в майбутньому полягає у створенні інтелектуального замкнутого механізму керування, інтеграції алгоритмів штучного інтелекту для оптимізації параметрів, удосконалення дизайну інтерфейсів взаємодії людини та комп’ютера та реалізації цифрових та інтелектуальних функцій, таких як віддалений моніторинг та прогнозування стану, щоб досягти точного контролю та оптимізації якості процесу облицювання.

Підсумовуючи, напрям розвитку обладнання для лазерного наплавлення полягає в покращенні вихідної потужності та стабільності лазера, реалізації точного керування соплом та розробці інтелектуальних систем керування для виконання високоякісного лазерного наплавлення складних форм. Спільні інновації та розробка лазерних технологій, систем розпилення та систем керування сприятимуть еволюції обладнання для лазерного покриття до високої ефективності, стабільності та інтелекту, щоб задовольнити майбутні потреби застосувань лазерного покриття з більш високими комплексними вимогами до продуктивності.

4 Застосування та перспективи розвитку технології лазерного наплавлення в різних галузях
Завдяки своїм точним і ефективним характеристикам технологія лазерного покриття продемонструвала великі переваги застосування та потенціал розвитку в аерокосмічній, автомобільній, металургійній та інших галузях. В аерокосмічній галузі технологія лазерного наплавлення може бути застосована для поверхневого зміцнення важливих компонентів, таких як лопатки газових турбін, сопла та диски турбін, для створення високоякісних протизносних і стійких до високотемпературної корозії покриттів, що значно покращує обслуговування термін служби компонентів. У порівнянні з традиційними процесами лазерне наплавлення має характеристики невеликої зони термічного впливу обробки та високої міцності зв’язку, що дуже підходить для прецизійного адитивного виробництва поверхні та ремонту авіаційних компонентів. Подальший розвиток цієї технології дозволить значно знизити витрати на обслуговування в аерокосмічній сфері.

У галузі виробництва автомобілів лазерне покриття можна використовувати для посилення властивостей поверхні важливих компонентів, таких як клапани двигуна, шатуни, розподільні вали тощо, а також для підвищення зносостійкості та стійкості до корозії. Термін служби та надійність таких ключових компонентів буде значно покращено, що допоможе зменшити частоту технічного обслуговування та знизити загальну вартість життєвого циклу автомобіля.

У галузі металургійної промисловості технологія лазерного покриття може досягати ремонту та захисту поверхні, ремонту та відновлення компонентів, обробки поверхневих сплавів, виготовлення композитних матеріалів, обробки локальної модифікації та перетворення традиційних матеріалів. З точки зору ремонту та захисту поверхонь, технологія лазерного наплавлення підвищує зносостійкість і корозійну стійкість матеріалів і подовжує термін служби обладнання за рахунок нанесення спеціальних сплавів на пошкоджені поверхні. Для ремонту та відновлення ключових компонентів технологія лазерного покриття може відновити початкову структуру та функції шляхом вибіркового нагрівання та покриття відповідних сплавів, таким чином реалізуючи повторне використання компонентів. Поверхневе легування використовує технологію лазерного плакування для плакування конкретних сплавів на поверхні металевих матеріалів, тим самим покращуючи твердість, зносостійкість і корозійну стійкість матеріалів і задовольняючи певні вимоги процесу. Використання технології лазерного плакування для виготовлення композитних матеріалів може досягти комплексного застосування різних характеристик шляхом плакування різних порошкових матеріалів, таким чином розширюючи область застосування металургійних матеріалів. У той же час технологія лазерного наплавлення може досягати локальних модифікацій, таких як загартування, відпал і загартування, забезпечуючи індивідуальні характеристики для металургійних матеріалів. Крім того, ремонту та трансформації традиційних матеріалів також можна досягти за допомогою технології лазерного наплавлення, яка значно покращує характеристики та термін служби матеріалів шляхом утворення нового шару сплаву на поверхні матеріалу.

З безперервним вдосконаленням технологій та обладнання для лазерного облицювання сфера їх застосування також розшириться на інші галузі промисловості, такі як нафтова, хімічна промисловість, електроенергетика, залізничний транспорт тощо, і ринкові перспективи широкі. Постійне вдосконалення цієї технології значно знизить витрати на обслуговування обладнання в різних галузях промисловості та підвищить ефективність виробництва.

Висновок 5

Будучи точним і ефективним методом модифікації поверхні, технологія лазерного покриття показала великий потенціал застосування та перспективи розвитку. Його унікальними перевагами є невелика зона термічного впливу, висока міцність зв'язку, гнучкий контроль процесу тощо, що може реалізувати точне функціональне перетворення поверхні матеріалу. Після десятиліть розвитку технологія лазерного покриття була успішно застосована у таких важливих галузях, як аерокосмічна, автомобільна, металургійна промисловість тощо, що значно покращило термін служби та надійність основних компонентів.

З подальшим розвитком лазерної технології та виробництва обладнання технологія лазерного покриття все ще стикається з проблемами подальшого зниження витрат на обладнання, реалізації багатошарової оболонки складної структури та розширення сфери застосування матеріалів. Проблема відповідності системи матеріалів і стабільного та повторюваного контролю якості покриття також потребує постійної оптимізації. Однак перспективи застосування цієї технології дуже широкі, включаючи ремонт гарячих частин авіаційних двигунів, покращення поверхні автомобільних двигунів та оновлення гідроенергетичного обладнання. Технологія лазерного покриття, безперечно, відіграватиме важливу роль у підвищенні надійності продукції та зниженні витрат протягом життєвого циклу завдяки постійним інноваціям обладнання та процесів.