เทคโนโลยีการเคลือบด้วยเลเซอร์ความเร็วสูงพิเศษ: กุญแจสำคัญในการแก้ปัญหาการสึกหรอและการกัดกร่อนของชิ้นส่วนอุตสาหกรรม

I. การระบุปัญหา: ความขัดแย้งระหว่างความต้องการความต้านทานการสึกหรอและกัดกร่อน กับ เทคโนโลยีแบบดั้งเดิม

ในสาขาต่างๆ เช่น การบินและอวกาศ และวิศวกรรมปิโตรเคมี การกัดกร่อนและการสึกหรอคิดเป็น 80% ของความล้มเหลวของชิ้นส่วนทั้งหมด ส่งผลให้อุปกรณ์หยุดทำงานและเพิ่มต้นทุน เทคโนโลยีการป้องกันแบบดั้งเดิมมีข้อจำกัดที่ชัดเจน: การชุบโครเมียมแข็งก่อให้เกิดมลพิษต่อสิ่งแวดล้อม; เคลือบด้วยการพ่นความร้อนมีความแข็งแรงในการยึดเกาะต่ำ; การสะสมฟิล์มโดยการระเหิดด้วยไอทางกายภาพมีประสิทธิภาพต่ำ; และการเคลือบด้วยเลเซอร์แบบดั้งเดิมทำให้ชิ้นส่วนเสียรูปได้ง่าย ดังนั้น การเตรียมเคลือบผิวป้องกันที่มีความต้านทานการสึกหรอและกัดกร่อนสูงอย่างเป็นมิตรกับสิ่งแวดล้อมและมีประสิทธิภาพ จึงกลายเป็นปัญหาสำคัญที่ภาคอุตสาหกรรมต้องเร่งแก้ไข

II. การวิเคราะห์หลักการ: กลไกหลักและข้อได้เปรียบของเทคโนโลยีการเคลือบด้วยเลเซอร์ความเร็วสูงพิเศษ

เทคโนโลยีการเคลือบด้วยเลเซอร์ความเร็วสูงพิเศษ (EHLA) ได้รับการปรับปรุงมาจากเทคโนโลยีการเคลือบด้วยเลเซอร์แบบดั้งเดิม

โดยการควบคุมตำแหน่งการปฏิสัมพันธ์ของเลเซอร์ ผงโลหะ และชิ้นงาน เพื่อให้เกิดการกระจายพลังงานอย่างมีประสิทธิภาพ จุดโฟกัสของเลเซอร์และลำแสงผงจะอยู่เหนือพื้นผิวชิ้นงาน ทำให้ผงหลอมเหลวก่อนที่จะถึงชิ้นงาน เมื่อรวมกับการป้อนผงแบบแกนร่วม (coaxial powder feeding) ความเร็วเชิงเส้นในการเคลือบสามารถเข้าถึง 500 ม./นาที ซึ่งมีประสิทธิภาพสูงกว่าเทคโนโลยีแบบดั้งเดิมถึง 10 เท่า

ในแง่ของการกระจายพลังงาน เลเซอร์ใช้พลังงาน 80% ไปกับการหลอมผงวัสดุ และเพียง 20% สำหรับให้ความร้อนแก่วัตถุดิบ ซึ่งให้ข้อได้เปรียบ 3 ประการ ได้แก่ อัตราการปนเปื้อนของชั้นเคลือบต่ำกว่า 4% การนำความร้อนต่ำลงสู่วัตถุดิบช่วยป้องกันการเสียรูป และอัตราการเย็นตัวที่ 1.08×10⁵ K/s ช่วยทำให้อนุภาคละเอียดขึ้น (ขนาดของโครงสร้างเดนไดรต์ในชั้นเคลือบที่มีฐานเหล็กมีเพียง 0.9 ไมครอน) นอกจากนี้ พื้นผิวของชั้นเคลือบมีค่าความหยาบ (Ra) ต่ำกว่า 10 ไมครอน และมีอัตราข้อบกพร่องต่ำ ในแง่อุปกรณ์ บริษัท ACunity และ TRUMPF จากเยอรมนี รวมถึง Xi’an Zhongke Zhongmei และมหาวิทยาลัยซีอานเจียวทงจากจีน ได้บรรลุความก้าวหน้าอย่างมาก จนวางรากฐานสำหรับการผลิตในระดับอุตสาหกรรม

III. สถานการณ์การใช้งาน: การนำไปปฏิบัติจริงของวัสดุเคลือบที่แตกต่างกัน

การประยุกต์ใช้งาน EHLA ขึ้นอยู่กับชั้นเคลือบที่สามารถปรับตัวได้ แบ่งออกเป็นโลหะผสมแบบดั้งเดิมและวัสดุใหม่:

ในหมู่ชั้นเคลือบโลหะผสมแบบดั้งเดิม โลหะผสมเหล็กเหมาะกับพื้นผิวเหล็กและใช้ในอุปกรณ์การทำเหมืองแร่และปิโตรเลียม (เช่น ชั้นเคลือบเสาไฮดรอลิกของ Shandong Energy); โลหะผสมโคบอลต์ทนต่ออุณหภูมิสูง ใช้ในลูกกลิ้งหล่อและใบพัดเทอร์ไบน์; โลหะผสมนิกเกิลทนต่อการกัดกร่อนที่อุณหภูมิสูง เหมาะสำหรับท่อหม้อต้มชีวมวล

ชั้นเคลือบวัสดุใหม่ขยายขอบเขตการใช้งาน: ชั้นเคลือบอะมอร์ฟัสฐานเหล็ก (มีเนื้อหาอะมอร์ฟัส 96%) ใช้ในเครื่องจักรความแม่นยำ; ชั้นเคลือบโลหะผสมเอนโทรปีสูง (เช่น FeCoNiCrMn) ที่ไม่มีรอยแตก ใช้ในเครื่องยนต์เจ็ท; ชั้นเคลือบคอมโพสิต (เช่น ที่เสริมด้วย WC) ที่มีความเหนียวและความแข็ง ใช้ในเครื่องจักรทำเหมือง; ชั้นเคลือบเซรามิก ZrB₂-SiC เหมาะกับแบริ่งที่ทำงานที่อุณหภูมิสูง

IV. แนวโน้มในอนาคต: ทิศทางของการก้าวหน้าทางเทคโนโลยี

EHLA จำเป็นต้องแก้ไขปัญหาคอขวดสองประการ: ประการแรก สร้างระบบมาตรฐาน พัฒนาวัสดุเคลือบพิเศษ และจัดตั้งฐานข้อมูลกระบวนการและมาตรฐานคุณภาพ; ประการที่สอง ผสานรวมเทคโนโลยีเสริม เช่น การนำสนามอัลตราโซนิกหรือสนามแม่เหล็กไฟฟ้าเข้ามาควบคุมหลุมหลอม การส่งเสริมเทคโนโลยีการแปรรูปขั้นตอนสุดท้าย และพัฒนาระบบตรวจสอบด้วยภาพแบบใช้ปัญญาประดิษฐ์ (AI) เพื่อยกระดับความเป็นอัตโนมัติ

ด้วยต้นทุนอุปกรณ์ที่ลดลง EHLA คาดว่าจะสามารถขยายไปสู่วิสาหกิจขนาดกลางและขนาดย่อม เข้ามาแทนที่กระบวนการแบบดั้งเดิม กลายเป็นเทคโนโลยีวิศวกรรมผิวหน้าหลัก ซึ่งจะให้ทางออกที่เป็นมิตรต่อสิ่งแวดล้อมและมีประสิทธิภาพสำหรับการปกป้องชิ้นส่วนอุตสาหกรรม และผลักดันการพัฒนาอุตสาหกรรมการผลิตให้มีคุณภาพสูงยิ่งขึ้น