Technologia laserowego napawania o ultra-wysokiej prędkości: klucz do rozwiązywania problemów związanych z zużyciem i korozją elementów przemysłowych

I. Identyfikacja problemu: Konflikt między potrzebą odporności na zużycie i korozję a tradycyjnymi technologiami

W dziedzinach takich jak lotnictwo i przemysł petrochemiczny, korozja i zużycie stanowią 80% wszystkich uszkodzeń elementów, co prowadzi do przestojów sprzętu i wzrostu kosztów. Tradycyjne technologie ochronne mają wyraźne ograniczenia: chromowanie twarde jest szkodliwe dla środowiska; powłoki nanoszone metodą natrysku cieplnego charakteryzują się słabą przyczepnością; osadzanie parowe w próżni jest mało wydajne; a tradycyjne napawanie laserowe łatwo powoduje odkształcenia elementów. Dlatego zielona i wydajna produkcja wysokowydajnych powłok ochronnych odpornych na zużycie i korozję stała się pilnym problemem do rozwiązania w przemyśle.

II. Analiza zasady: Podstawowy mechanizm i zalety nadprędkościowego napawania laserowego

Technologia nadprędkościowego napawania laserowego (EHLA) jest optymalizacją tradycyjnego napawania laserowego,

umożliwiającą efektywną dystrybucję energii poprzez regulację położenia oddziaływania lasera, proszku i podłoża. Punkt ogniskowy lasera i strumienia proszku znajduje się powyżej podłoża, dzięki czemu proszek topi się przed dotarciem do podłoża. W połączeniu z koaksjalnym doprowadzaniem proszku, prędkość liniowa napawania osiąga 500 m/min, co jest 10 razy bardziej wydajne niż w przypadku tradycyjnej technologii.

W zakresie rozkładu energii 80% energii laserowej jest wykorzystywane do stopienia proszku, a jedynie 20% do ogrzania podłoża, co zapewnia trzy zalety: stopień rozcieńczenia powłoki wynosi mniej niż 4%; niski dopływ ciepła do podłoża zapobiega odkształceniom; szybkość chłodzenia wynosząca 1,08×10⁵ K/s sprawia, że ziarna są drobniejsze (rozmiar dendrytu w powłokach na osnowie żelaza wynosi zaledwie 0,9 μm). Dodatkowo, chropowatość powłoki (Ra) jest mniejsza niż 10 μm przy niskim poziomie wad. W zakresie sprzętu niemieckie firmy ACunity i TRUMPF, a także chińskie Xi’an Zhongke Zhongmei i Uniwersytet Jiaotong w Sianie dokonały przełomów, tworząc podstawy dla industrializacji.

III. Scenariusze zastosowań: praktyczne wdrożenie różnych materiałów powłokowych

Zastosowania EHLA opierają się na powłokach adaptacyjnych, podzielonych na stopy tradycyjne i nowe materiały:

Wśród tradycyjnych powłok stopu, stopy na bazie żelaza pasują do podłoża stalowego i są stosowane w sprzęcie górniczym i naftowym (np. powłoki hydrauliczne Shandong Energy); stopy na bazie kobaltu są odporne na wysokie temperatury, stosowane

Nowe powłoki materiałowe poszerzają granice zastosowań: powłoki amorficzne na bazie żelaza (96% zawartości amorficznej) są stosowane w maszynach precyzyjnych; powłoki ze stopów o wysokiej entropii (np. FeCoNiCrMn) bez pęk

IV. Perspektywy przyszłości: kierunki przełomowych osiągnięć technologicznych

EHLA musi przezwyciężyć dwa wąskie gardła: po pierwsze, zbudować system standaryzacji, opracować specjalne materiały powłokowe oraz utworzyć bazy danych procesów i standardy jakości; po drugie, zintegrować technologie wspomagające, wprowadzić pola ultradźwiękowe/elektromagnetyczne do regulacji kąpieli ciekłej, promować technologie przetwarzania końcowego oraz rozwijać systemy wizyjnego monitorowania z wykorzystaniem sztucznej inteligencji w celu poprawy automatyzacji.

Wraz ze spadkiem kosztów urządzeń, EHLA ma szansę na przeniknięcie do małych i średnich przedsiębiorstw, zastąpienie tradycyjnych procesów, stanie się główną technologią inżynierii powierzchni, zapewniając ekologiczne i wydajne rozwiązania w ochronie komponentów przemysłowych oraz wspierając wysokiej jakości rozwój przemysłu.