เทคโนโลยีการเคลือบเลเซอร์ความเร็วสูงสุด: การก้าวกระโดดในงานวิศวกรรมผิว

บทนำ: ทำไมงานวิศวกรรมผิวถึงสำคัญ

ในอุตสาหกรรมที่ต้องการความแม่นยำสูง เช่น อุตสาหกรรมการบิน เคมีปิโตรเลียม และวิศวกรรมทางทะเล กว่า 80% ของความล้มเหลวของชิ้นส่วนเกิดจากความสึกกร่อนและการกัดกร่อน ความล้มเหลวเหล่านี้ไม่เพียงแต่ลดอายุการใช้งานของเครื่องจักร แต่ยังทำให้ต้นทุนในการดำเนินงานเพิ่มขึ้นอย่างมาก

เพื่อแก้ไขปัญหาเหล่านี้ มีการนำเทคนิคทางวิศวกรรมผิว多种形式มาใช้อย่างแพร่หลาย เช่น การชุบด้วยไฟฟ้า การพ่นความร้อน การตกตะกอนแบบไอ และการเคลือบด้วยเลเซอร์ โดยเฉพาะ Extreme High-Speed Laser Cladding (EHLA) โดดเด่นในเรื่องประสิทธิภาพ ความแม่นยำ และเป็นมิตรต่อสิ่งแวดล้อม

EHLA คืออะไร?

EHLA เป็นการพัฒนาเหนือกว่าการเคลือบด้วยเลเซอร์แบบเดิม มันใช้เลเซอร์พลังสูงและระบบป้อนผงโคแอกเซียลเพื่อ หลอมวัสดุเคลือบก่อนที่จะถึงตัวฐาน เพิ่มความเร็วในการสะสมอย่างมากในขณะที่ลดภาระความร้อนและการเจือจางลง

ข้อดีของ EHLA

• ความเร็วในการเคลือบ : สูงสุด 500 ซม.²/นาที เร็วกว่าแบบดั้งเดิมมากกว่า 10 เท่า การเคลือบเลเซอร์

• คุณภาพพื้นผิว : Ra < 10 μm ลดต้นทุนการประมวลผลหลังจากทำเสร็จลงอย่างมาก

• อัตราการเจือจางต่ำ : <4% รักษาสมรรถนะของวัสดุเคลือบ

• โครงสร้างจุลภาคที่ละเอียด : การระบายความร้อนอย่างรวดเร็วทำให้เกิดผลึกต้นไม้ขนาดเล็ก

• การป้อนความร้อนต่ำสุด : เหมาะสมสำหรับชิ้นส่วนที่มีผนังบางและชิ้นส่วนขนาดใหญ่

การพัฒนาอุปกรณ์: จากแนวคิดไปจนถึงการผลิตเชิงพาณิชย์

EHLA ได้รับการพัฒนาขึ้นครั้งแรกโดยสถาบัน Fraunhofer ของเยอรมนี และในภายหลังได้รับการพาณิชย์โดยบริษัท เช่น ACunity และ TRUMPF

ในประเทศจีน การพัฒนาอย่างรวดเร็วได้นำไปสู่ระบบการเคลือบด้วยพลังงานสูงและหัวป้อนผงที่ได้รับการปรับแต่ง ซึ่งช่วยให้สามารถทำงานได้ ถึง 6 ตร.ม.ต่อชั่วโมง ประสิทธิภาพในการเคลือบสำหรับใช้งานในอุตสาหกรรม

วัสดุเคลือบ: ความก้าวหน้าทางการวิจัย

EHLA สามารถใช้งานร่วมกับวัสดุเคลือบหลายประเภท การวิจัยมุ่งเน้นที่:

1. ระบบโลหะผสมแบบดั้งเดิม

• โลหะผสมที่มีเหล็กเป็นฐาน : คุ้มค่า มีความต้านทานการสึกหรอ/การกัดกร่อนดี
  การศึกษาระบุว่ามีการปรับปรุงโครงสร้างผลึกและคุณสมบัติอย่างมาก

• โลหะผสมที่มี kobalt เป็นฐาน : เสถียรภาพในการใช้งานที่อุณหภูมิสูงยอดเยี่ยม
  โครงสร้างจุลภาคที่ละเอียดได้จากการใช้ EHLA มีศักยภาพสำหรับกังหันน้ำและแม่พิมพ์

• โลหะผสมฐานนิกเกิล : ความต้านทานการกัดกร่อนและการออกซิเดชันยอดเยี่ยม
  เหมาะสำหรับการใช้งานในหม้อไอน้ำชีวมวล ซึ่งเสถียรภาพที่อุณหภูมิสูงเป็นสิ่งสำคัญ

2. ฟิล์มเคลือบขั้นสูงที่กำลังพัฒนา

• โลหะผสมแบบไม่มีโครงสร้างผลึก : EHLA ช่วยให้เกิดเฟสแบบไม่มีโครงสร้างผลึกมากกว่า 90% แก้ปัญหาความเปราะและรอยแตกร้าวที่เคยเกิดขึ้นก่อนหน้านี้

• โลหะผสมเอนโทรปีสูง : เพิ่มอายุการใช้งานด้วยเมล็ดผลึกที่ละเอียดขึ้นและการก่อตัวของเฟสที่เสถียรที่ความเร็วในการสแกนสูง

• เคลือบเซรามิกและคอมโพสิต : เสริมด้วย WC, TiC หรือ CNTs เพื่อทนต่อการสึกหรอและการกัดกร่อนในสภาพแวดล้อมที่รุนแรง

การใช้งานในอุตสาหกรรม

ชั้นเคลือบ EHLA ได้ถูกนำไปใช้อย่างสำเร็จกับ:

• ข้อต่อของแท่งดูดในสนามน้ำมัน

• เสาไฮดรอลิกในการขุดเจาะถ่านหิน

• การป้องกันแม่พิมพ์และลูกกลิ้ง

• การป้องกันการกัดกร่อนท่อหม้อน้ำ

บริษัทต่างๆ เช่น ซีโนเปค , China Coal Technology , และ Yankuang Group ได้นำ EHLA ไปใช้ในกระบวนการผลิตแล้ว

ความท้าทายและทิศทางในอนาคต

แม้ว่าจะมีความก้าวหน้าอย่างรวดเร็ว แต่ EHLA ยังคงเผชิญกับความท้าทายทางเทคนิค:

1. ขาดระบบผงเฉพาะทาง : ส่วนใหญ่วัสดุถูกปรับมาจากโลหะผสมสำหรับการพ่นความร้อน;

2. มาตรฐาน : มีความจำเป็นเร่งด่วนในการสร้างมาตรฐานและการประเมินผลเฉพาะสำหรับการใช้งาน;

3. กระบวนการไฮบริด : การรวมเทคโนโลยี EHLA กับการบำบัดหลังกระบวนการแบบอัลตราโซนิก เซลล์แม่เหล็ก หรือกลไกแสดงศักยภาพในการปรับปรุงคุณภาพของชั้นเคลือบ

สรุป

Extreme High-Speed Laser Cladding กำลังปฏิวัติวงการวิศวกรรมผิวหน้าด้วยคุณภาพชั้นเคลือบที่เหนือกว่า ประสิทธิภาพสูง และกระบวนการที่เป็นมิตรต่อสิ่งแวดล้อม EHLA เป็นตัวเลือกที่มีศักยภาพในการแทนที่เทคโนโลยีเดิม เช่น การเคลือบโครเมียมแข็ง เมื่อระบบวัสดุและอุปกรณ์พัฒนาขึ้น EHLA จะได้รับการยอมรับอย่างแพร่หลายในอุตสาหกรรมที่ความทนทานภายใต้สภาพแวดล้อมที่รุนแรงเป็นสิ่งสำคัญ