Bài viết này đánh giá tiến trình nghiên cứu công nghệ phủ laser, bao gồm các nguyên tắc cơ bản của phủ laser, lựa chọn vật liệu, kiểm soát thông số quy trình, cấu hình thiết bị và ứng dụng công nghiệp. Lớp phủ laser có triển vọng ứng dụng lớn trong việc cải thiện hiệu suất bề mặt của vật liệu do vùng chịu ảnh hưởng nhiệt nhỏ và độ bền liên kết cao. Bài báo nêu tiêu chí lựa chọn vật liệu phủ laser, tình hình nghiên cứu phát triển vật liệu kim loại/gốm/composite, phân tích chiến lược tối ưu hóa các thông số bảo vệ laser/quét/khí, thảo luận hướng phát triển của các thiết bị như laser/vòi phun/điều khiển hệ thống và liệt kê các ví dụ ứng dụng trong hàng không vũ trụ, ô tô, luyện kim và các lĩnh vực khác. Sự đổi mới hơn nữa về công nghệ và thiết bị phủ laser sẽ phát huy vai trò quan trọng của công nghệ này trong việc giảm chi phí vòng đời và nâng cao độ tin cậy của sản phẩm.

Công nghệ ốp laze là công nghệ sử dụng tia laser công suất cao làm nguồn nhiệt để làm nóng chảy vật liệu ốp và sau đó lắng đọng lên bề mặt vật liệu ốp để tạo ra lớp ốp. So với công nghệ ốp truyền thống, tấm ốp laser có ưu điểm là vùng chịu nhiệt nhỏ, độ bền liên kết cao và hầu như không cần xử lý trước vật liệu ốp, có thể đạt được hiệu quả sửa chữa chính xác cục bộ. Lớp phủ laser có cấu trúc gradient với chất nền, có lợi cho việc giảm ứng suất nhiệt và ứng suất dư, đồng thời cải thiện độ bền liên kết. Kể từ khi công nghệ ốp laser được đề xuất vào những năm 1960, cùng với sự phát triển của công nghệ laser và khoa học vật liệu, nó đã trở thành công nghệ chủ chốt được sử dụng rộng rãi trong lĩnh vực kỹ thuật bề mặt.

So với lớp phủ ngọn đuốc khí, lớp phủ laser có vùng chịu nhiệt hẹp, ứng suất dư nhỏ và ít tác động nhiệt lên bề mặt. So với phun plasma, lớp phủ laser được hàn chắc chắn vào nền và có độ bền liên kết cao. So với lớp phủ chùm tia điện tử, lớp phủ laser có thể được vận hành mà không cần chân không và dễ dàng tự động hóa. Nhìn chung, lớp phủ laser kết hợp các ưu điểm của mật độ năng lượng cao, độ chuẩn trực mạnh và tính linh hoạt điều khiển cao của laser trong quá trình phủ, khiến nó có những lợi thế rõ ràng trong việc biến đổi bề mặt vật liệu.

Công nghệ phủ laser có thể tạo thành một lớp phủ với thành phần và đặc tính cụ thể trên bề mặt vật liệu kim loại hoặc phi kim loại, đồng thời đạt được khả năng chống mài mòn, chống ăn mòn, chống oxy hóa, chịu nhiệt độ cao, chống mỏi và các chức năng đa chức năng khác của bề mặt vật liệu , giúp mở rộng đáng kể phạm vi ứng dụng của vật liệu. Công nghệ ốp laser đã được sử dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực công nghiệp như hàng không vũ trụ, ô tô, khuôn mẫu, luyện kim, máy móc, hóa chất, quang điện, y sinh, v.v., có ý nghĩa to lớn trong việc cải thiện hiệu suất và tuổi thọ của sản phẩm.

1 Nghiên cứu vật liệu phủ laser

1.1 Lựa chọn và đặc điểm của vật liệu phủ laser
Việc lựa chọn vật liệu ốp phù hợp là rất quan trọng để có được các lớp ốp chất lượng cao. Nói chung, cần có hiệu suất hấp thụ tia laser tuyệt vời và các thông số như điểm nóng chảy, mật độ, độ khuếch tán và ứng suất dư của vật liệu đều được xem xét. Các vật liệu thường được sử dụng bao gồm bột kim loại (gốc coban, niken, v.v.), bột gốm (oxit nhôm, cacbua silic, v.v.) và các hợp chất hoặc hỗn hợp tiền hợp kim làm từ các vật liệu trên. Vật liệu gradient chức năng cũng có thể được thiết kế bằng các vật liệu khác nhau.

Ngoài hiệu suất hấp thụ tia laser tốt, vật liệu ốp cũng cần có nhiệt độ nóng chảy vừa phải, độ ổn định cao, khả năng thấm ướt tốt và khả năng liên kết luyện kim với nền. Vật liệu ốp kim loại có thể mang lại độ dẻo và mật độ tốt, trong khi vật liệu ốp gốm có độ cứng cao và ổn định hóa học. Bằng cách lựa chọn vật liệu hợp lý, có thể thu được lớp ốp composite với nhiều đặc tính.

1.2 Chức năng và công dụng của vật liệu phủ laser
Bằng cách lựa chọn các vật liệu phủ laser khác nhau, có thể đạt được độ cứng tuyệt vời, khả năng chống mài mòn, chống ăn mòn, chống mỏi nhiệt, chống oxy hóa, chịu nhiệt độ cao, tương thích sinh học, v.v., mang lại cho bề mặt của vật liệu phủ hiệu suất tuyệt vời toàn diện. Hiệu suất của lớp ốp có liên quan chặt chẽ đến các yếu tố như thành phần vật liệu và cường độ của các bộ phận, thông số quy trình laser, v.v. Ví dụ, bằng cách chọn vật liệu composite kim loại-gốm như WxC-NiCrBSi, lớp ốp chống mài mòn có thể thu được cả độ dẻo kim loại và độ cứng gốm cao. Sử dụng vật liệu ốp hợp kim Inconel 718, có thể thu được lớp ốp chống ăn mòn và chống oxy hóa ở nhiệt độ cao. Vật liệu phủ Boron nitride có thể mang lại độ cứng bề mặt rất cao. Vật liệu ốp hợp kim titan có thể tạo ra các lớp ốp tương thích sinh học tuyệt vời.

1.3 Tình trạng nghiên cứu và xu hướng phát triển của vật liệu phủ laser
Thành phần vật liệu của lớp phủ laser là một yếu tố rất quan trọng ảnh hưởng đến hiệu suất của lớp phủ ốp. Khi môi trường ứng dụng của các bộ phận kỹ thuật ngày càng trở nên phức tạp và khắc nghiệt hơn, các chức năng của lớp phủ đòi hỏi phải ngày càng đa dạng hơn và hiệu suất ngày càng tốt hơn. Vì vậy, một vật liệu phủ đơn lẻ không còn có thể đáp ứng được yêu cầu ứng dụng. Sự kết hợp của vật liệu phủ đã trở thành một phương pháp rất quan trọng để con người giải quyết vấn đề này.

Hiện nay, các công thức vật liệu phủ laser thường được sử dụng là: vật liệu hợp kim tự chảy, vật liệu phân tán cacbua hoặc vật liệu composite, vật liệu gốm composite, v.v. Loại vật liệu này có khả năng chống mài mòn, chống ăn mòn, chịu nhiệt độ cao và các đặc tính khác tuyệt vời, và được sử dụng rộng rãi trong luyện kim, thiết bị hàng hải, hàng không vũ trụ, năng lượng hạt nhân và các lĩnh vực khác. Vì vậy, việc nghiên cứu công thức vật liệu phủ laser nhận được sự quan tâm sâu sắc của các học giả trong và ngoài nước.

Trên bình diện quốc tế, nghiên cứu về vật liệu phủ kim loại truyền thống như hợp kim gốc niken, coban và titan đã tương đối trưởng thành và hiện đang cam kết phát triển hợp kim nhiệt độ cao và vật liệu gradient chức năng. Các vật liệu ốp gốm truyền thống như alumina và silicon nitride có hiệu suất tương đối ổn định. Nghiên cứu hiện tại khám phá vật liệu tổng hợp gốm chống oxy hóa ở nhiệt độ cao. Có nhiều nghiên cứu về vật liệu ốp composite kim loại-gốm, có ưu điểm là độ bền kim loại và độ cứng gốm, đồng thời cũng có những nỗ lực sử dụng vật liệu hoạt tính sinh học trong lĩnh vực y tế. Các nước có nền công nghệ tiên tiến như Châu Âu, Mỹ, Nhật Bản, Hàn Quốc đã tiến hành nghiên cứu về công nghệ ốp laser từ trước. Trong số đó, Viện Công nghệ Laser Fraunhofer ở Đức đã thực hiện nghiên cứu cơ bản về lớp phủ laser trên nhiều loại vật liệu kim loại khác nhau như hợp kim titan, hợp kim nhôm, hợp kim crom, v.v.; Phòng thí nghiệm quốc gia Oakridge ở Hoa Kỳ cam kết phát triển các hệ thống phủ laze hiệu quả và chi phí thấp; nhiều công ty Nhật Bản, như Sumitomo Heavy Industries và Mitsubishi Heavy Industries, cũng tham gia vào việc nghiên cứu, phát triển và sản xuất thiết bị sản xuất bồi đắp bằng laser.

Vật liệu ốp kim loại truyền thống được sử dụng rộng rãi ở Trung Quốc. Từ năm 2010, các tổ chức nghiên cứu và trường đại học như Đại học Hàng không và Du hành vũ trụ Bắc Kinh, Đại học Bách khoa Tây Bắc và Viện Tự động hóa Thẩm Dương thuộc Viện Hàn lâm Khoa học Trung Quốc đã đạt được tiến bộ vượt bậc trong công nghệ ốp laser. Hiện tại, trọng tâm là các ứng dụng công nghiệp và nghiên cứu đã được thực hiện về tân trang cánh động cơ máy bay, vật liệu gradient chức năng kim loại, lớp phủ hợp chất liên kim loại, v.v., và một số công nghệ đã đạt đến trình độ tiên tiến quốc tế. Các công ty địa phương như Thâm Quyến Guanyun Laser cũng đang phát triển ổn định. Hiện nay, việc nội địa hóa vật liệu ốp gốm đã có những tiến bộ nhất định, nhưng vẫn còn khoảng cách so với vật liệu hiệu suất cao; nghiên cứu về vật liệu ốp composite bắt đầu muộn và đang phát triển từ mô phỏng sang thiết kế độc lập.

Nhìn về tương lai, vật liệu ốp laser trong và ngoài nước đang phát triển từ truyền thống sang đổi mới. Trọng tâm nghiên cứu đang phát triển từ vật liệu đơn lẻ sang vật liệu composite, đặc biệt là vật liệu composite kim loại-gốm, để đạt được hiệu suất toàn diện tốt hơn. Đồng thời, các vật liệu ốp mới phù hợp với môi trường đặc biệt cũng đang được phát triển, chẳng hạn như hợp kim chống oxy hóa ở nhiệt độ cao, vật liệu tương thích sinh học, v.v.

2 Nghiên cứu quy trình phủ laser

2.1 Nguyên lý cơ bản của quy trình phủ laser
Tia laser chiếu xạ vật liệu ốp để tạo thành một bể nóng chảy. Vật liệu phủ nóng chảy thâm nhập vào bề mặt vật liệu ốp thông qua hoạt động mao dẫn, sau đó đông cứng lại nhanh chóng để đạt được liên kết nóng chảy giữa các vật liệu. Quá trình ốp có thể được chia thành ba giai đoạn: tiền xử lý, ốp và sau xử lý. Quá trình tiền xử lý bao gồm làm sạch bề mặt và cải thiện bề mặt
sự gồ ghề. Công đoạn ốp là khâu quan trọng trong việc hình thành lớp ốp. Xử lý sau bao gồm xử lý nhiệt để loại bỏ ứng suất dư, v.v.

2.2 Các yếu tố ảnh hưởng và phương pháp tối ưu hóa quá trình phủ laser
Các yếu tố ảnh hưởng chính của quá trình phủ laser là các thông số laser, tốc độ quét, thông số vòi phun, khả năng bảo vệ khí, v.v. Chiến lược điều chỉnh và tối ưu hóa các thông số quy trình phủ laser là chìa khóa để có được các lớp phủ chất lượng cao. Đối với các thông số chính của quá trình, các nhà nghiên cứu đã đề xuất nhiều chiến lược điều chỉnh và kiểm soát hiệu quả. Ví dụ, về mặt thông số laser, hình thái bể nóng chảy ổn định hơn có được bằng cách tối ưu hóa công suất laser. Nghiên cứu cho thấy rằng việc kết hợp bước sóng laser có thể cải thiện hiệu quả hấp thụ tia laser của các vật liệu ốp cụ thể. Về mặt quỹ đạo quét, tác động của các chế độ quét khác nhau đến sự hình thành bể nóng chảy được so sánh và kết quả cho thấy quá trình quét trực giao có thể tính đến cả hiệu quả quét và độ ổn định của bể nóng chảy. Về bảo vệ phun khí, việc kiểm soát không khí hiệu quả đạt được bằng cách tối ưu hóa lưu lượng và áp suất khí. Nhìn chung, một chiến lược tối ưu hóa thông số quy trình ốp laze tương đối có hệ thống đã được thiết lập. Thông qua việc phối hợp kiểm soát các thông số chính như hệ thống laser, chế độ quét, bảo vệ khí, v.v., quy trình ốp có thể được điều chỉnh chính xác, chất lượng và độ ổn định của lớp ốp có thể được cải thiện đáng kể.

3 Nghiên cứu về thiết bị phủ laser
Thiết bị ốp laze dùng để chỉ các thiết bị đặc biệt dùng để thực hiện công nghệ ốp laze. Nó bao gồm nguồn laser, hệ thống quang học, hệ thống phun, hệ thống định vị và di chuyển phôi, thiết bị phun bột, bàn làm việc và hệ thống điều khiển. Là thiết bị chính để hiện thực hóa quy trình ốp laze, sự phát triển công nghệ của thiết bị ốp laze ảnh hưởng trực tiếp đến chất lượng lớp phủ và khả năng xử lý.

Các loại laser phổ biến bao gồm laser CO2, laser sợi quang, laser bán dẫn, v.v. Là nguồn sáng cốt lõi của lớp phủ laser, công suất đầu ra, dải bước sóng, chất lượng chùm tia và độ ổn định hoạt động của laser là những chỉ số kỹ thuật chính để đảm bảo chất lượng lớp phủ. Trong tương lai, việc nghiên cứu và phát triển tia laser sẽ tập trung vào việc cải thiện công suất đầu ra, cải tiến chất lượng chùm tia, nâng cao độ ổn định làm việc và mở rộng phạm vi bước sóng để đáp ứng nhu cầu xử lý lớp phủ laser hiệu quả và tinh tế hơn.

Hệ thống phun ảnh hưởng trực tiếp đến hiệu quả vận chuyển của vật liệu ốp. Thiết kế tối ưu hóa vòi phun, giám sát trực tuyến quy trình và kiểm soát trường nhiệt độ là những công nghệ chính của thiết bị. Các thiết bị mới như đầu quét mới và khớp nối đa tia laser đang xuất hiện với số lượng vô tận. Những tiến bộ công nghệ này đã thúc đẩy sự phát triển của lớp phủ chính xác bằng laser. Trong tương lai, nghiên cứu về hệ thống phun sẽ tập trung vào thiết kế tối ưu hóa cấu trúc bên trong, sử dụng vật liệu chống ăn mòn ở nhiệt độ cao và phát triển cơ chế chuyển mạch nhiều vòi phun nhanh để cải thiện tuổi thọ và khả năng thích ứng của hệ thống phun. vòi phun, từ đó cải thiện hiệu quả hiệu quả sử dụng nguyên liệu thô ốp.

Mức độ thông minh của hệ thống điều khiển liên quan đến độ ổn định và chất lượng bề mặt của lớp phủ. Hướng phát triển của hệ thống điều khiển trong tương lai là xây dựng cơ chế điều khiển vòng kín thông minh, tích hợp các thuật toán trí tuệ nhân tạo để tối ưu hóa tham số, tăng cường thiết kế giao diện tương tác giữa người và máy tính và hiện thực hóa các chức năng kỹ thuật số và thông minh như giám sát từ xa và dự đoán trạng thái, để đạt được sự kiểm soát chính xác và tối ưu hóa chất lượng của quá trình ốp.

Tóm lại, hướng phát triển của thiết bị phủ laser là cải thiện công suất và độ ổn định đầu ra của laser, thực hiện điều khiển vòi phun chính xác và phát triển hệ thống điều khiển thông minh để thực hiện việc phủ laser chất lượng cao với các hình dạng phức tạp. Sự đổi mới và phát triển hợp tác của công nghệ laser, hệ thống phun và hệ thống điều khiển sẽ thúc đẩy sự phát triển của thiết bị phủ laser theo hướng hiệu quả, ổn định và thông minh cao để đáp ứng nhu cầu trong tương lai của các ứng dụng ốp laser với yêu cầu hiệu suất toàn diện cao hơn.

4 Triển vọng ứng dụng và phát triển của công nghệ ốp laze trong các lĩnh vực khác nhau
Do đặc tính chính xác và hiệu quả của nó, công nghệ phủ laser đã cho thấy những lợi thế ứng dụng to lớn và tiềm năng phát triển trong ngành hàng không vũ trụ, ô tô, luyện kim và các lĩnh vực khác. Trong lĩnh vực hàng không vũ trụ, công nghệ phủ laze có thể được áp dụng để tăng cường bề mặt của các bộ phận quan trọng như cánh tuabin khí, vòi phun và đĩa tuabin để tạo ra lớp phủ chống mài mòn và chống ăn mòn ở nhiệt độ cao chất lượng cao, giúp cải thiện đáng kể dịch vụ. tuổi thọ của linh kiện. So với các quy trình truyền thống, lớp phủ laser có đặc điểm là vùng ảnh hưởng nhiệt xử lý nhỏ và độ bền liên kết cao, rất phù hợp cho sản xuất phụ gia bề mặt chính xác và sửa chữa các bộ phận hàng không. Sự phát triển hơn nữa của công nghệ này sẽ làm giảm đáng kể chi phí bảo trì trong lĩnh vực hàng không vũ trụ.

Trong lĩnh vực sản xuất ô tô, lớp phủ laser có thể được sử dụng để tăng cường tính chất bề mặt của các bộ phận quan trọng như van động cơ, thanh nối, trục cam, v.v., đồng thời tăng cường khả năng chống mài mòn và chống ăn mòn. Tuổi thọ sử dụng và độ tin cậy của các bộ phận quan trọng như vậy sẽ được cải thiện đáng kể, điều này sẽ giúp giảm tần suất bảo trì và giảm chi phí tổng thể trong vòng đời của xe.

Trong lĩnh vực luyện kim, công nghệ ốp laze có thể thực hiện sửa chữa và bảo vệ bề mặt, sửa chữa và tái sản xuất linh kiện, xử lý hợp kim bề mặt, sản xuất vật liệu composite, xử lý sửa đổi cục bộ và biến đổi vật liệu truyền thống. Về mặt sửa chữa và bảo vệ bề mặt, công nghệ phủ laser làm tăng khả năng chống mài mòn và chống ăn mòn của vật liệu, đồng thời kéo dài tuổi thọ của thiết bị bằng cách phủ các hợp kim đặc biệt lên các bề mặt bị hư hỏng. Để sửa chữa và tái sản xuất các bộ phận chính, công nghệ ốp laze có thể khôi phục cấu trúc và chức năng ban đầu bằng cách nung nóng và bọc có chọn lọc các vật liệu hợp kim phù hợp, từ đó hiện thực hóa việc tái sử dụng các bộ phận. Xử lý hợp kim bề mặt sử dụng công nghệ phủ laze để phủ các vật liệu hợp kim cụ thể lên bề mặt vật liệu kim loại, từ đó cải thiện độ cứng, khả năng chống mài mòn và chống ăn mòn của vật liệu và đáp ứng các yêu cầu quy trình cụ thể. Việc sử dụng công nghệ ốp laze để sản xuất vật liệu composite có thể đạt được ứng dụng toàn diện về các đặc tính khác nhau bằng cách phủ các vật liệu bột khác nhau, do đó mở rộng lĩnh vực ứng dụng của vật liệu luyện kim. Đồng thời, công nghệ phủ laze có thể đạt được các phương pháp xử lý sửa đổi cục bộ như làm cứng, ủ và làm nguội, mang lại hiệu suất tùy chỉnh cho vật liệu luyện kim. Ngoài ra, việc sửa chữa và biến đổi vật liệu truyền thống cũng có thể được thực hiện thông qua công nghệ phủ laze, giúp cải thiện đáng kể hiệu suất và tuổi thọ của vật liệu bằng cách hình thành một lớp hợp kim mới trên bề mặt vật liệu.

Với sự phát triển không ngừng của công nghệ và thiết bị phủ laser, lĩnh vực ứng dụng của nó cũng sẽ mở rộng sang các lĩnh vực công nghiệp khác như dầu khí, công nghiệp hóa chất, năng lượng điện, vận tải đường sắt, v.v. và triển vọng thị trường rất rộng. Sự đổi mới liên tục của công nghệ này sẽ giảm đáng kể chi phí bảo trì thiết bị trong các ngành công nghiệp khác nhau và nâng cao hiệu quả sản xuất.

Kết luận 5

Là một phương pháp sửa đổi bề mặt chính xác và hiệu quả, công nghệ phủ laser đã cho thấy tiềm năng ứng dụng và triển vọng phát triển lớn. Ưu điểm độc đáo của nó là vùng chịu ảnh hưởng nhiệt nhỏ, độ bền liên kết cao, kiểm soát quá trình linh hoạt, v.v., có thể thực hiện chuyển đổi chức năng chính xác của bề mặt vật liệu. Sau nhiều thập kỷ phát triển, công nghệ ốp laser đã được áp dụng thành công trong các lĩnh vực quan trọng như hàng không vũ trụ, ô tô, luyện kim, v.v., cải thiện đáng kể tuổi thọ và độ tin cậy của các bộ phận cốt lõi.

Với sự phát triển hơn nữa của công nghệ laser và sản xuất thiết bị, công nghệ ốp laser vẫn phải đối mặt với những thách thức trong việc giảm hơn nữa chi phí thiết bị, hiện thực hóa lớp ốp có cấu trúc phức tạp nhiều lớp và mở rộng phạm vi ứng dụng của vật liệu. Vấn đề kết hợp hệ thống vật liệu và kiểm soát chất lượng lớp phủ ổn định và lặp lại cũng cần được tối ưu hóa liên tục. Tuy nhiên, triển vọng ứng dụng của công nghệ này rất rộng, bao gồm sửa chữa các bộ phận nóng của động cơ hàng không, cải thiện bề mặt động cơ ô tô và cải tạo thiết bị thủy điện. Công nghệ ốp laser chắc chắn sẽ đóng một vai trò quan trọng trong việc nâng cao độ tin cậy của sản phẩm và giảm chi phí vòng đời thông qua việc liên tục đổi mới thiết bị và quy trình.