Лазерное напыление металла
Лазерное осаждение металла ( LMD ) — это процесс аддитивного производства , в котором исходный материал (обычно порошок ) плавится лазером , а затем наносится на подложку. [1] В качестве сырья можно использовать различные чистые металлы и сплавы, а также композиционные материалы, такие как композиты с металлической матрицей . [2] [3] лазерные источники с широким спектром интенсивностей , длин волн Могут использоваться и оптических конфигураций. Хотя LMD обычно представляет собой процесс, основанный на плавлении, это не является обязательным требованием, как обсуждается ниже. Процессы, основанные на расплаве, обычно имеют преимущество в прочности за счет достижения полного металлургического плавления.
Синонимы включают лазерную формовку порошка и запатентованную лазерную технологию формирования сетки , технологии аддитивного производства, разработанные для изготовления металлических деталей непосредственно из твердотельной модели системы автоматизированного проектирования (САПР) с использованием металлического порошка, впрыскиваемого в расплавленную ванну, созданную сфокусированным высокочастотным воздействием. мощный лазерный луч. Этот процесс также позволяет создавать детали «почти чистой» формы , когда невозможно изготовить изделие в соответствии с точными спецификациями. постпроизводственный процесс, такой как легкая механическая обработка , отделка поверхности или термообработка В этих случаях для достижения конечного соответствия можно применить . Другие методы, защищенные товарными знаками, включают прямое осаждение металла (DMD) и лазерную консолидацию (LC). По сравнению с процессами, в которых используются порошковые слои, такими как селективное лазерное плавление (SLM), объекты, созданные с помощью этой технологии, могут быть значительно больше, даже до нескольких футов в длину. [4]
Лазерный источник
[ редактировать ]Как и при селективном лазерном плавлении , мощность лазера не должна быть особенно высокой, если энергия лазера достаточно сконцентрирована. Достижимая скорость добавления материала зависит как от количества применяемой мощности лазера, так и от теплоты плавления сырья и материалов подложки. Поскольку разные материалы поглощают свет разной длины, важно, чтобы длина волны лазерного источника была соответствующим образом согласована со спектром поглощения материала , чтобы гарантировать максимальное количество энергии, поглощаемой материалом. Например, использование LMD для напыления стали эффективно осуществляется с использованием ИК-лазерных источников, тогда как для сплавов на основе меди лучше поглощают зеленые лазеры. [5]
Типы
[ редактировать ]Существует несколько различных процессов LMD, в которых как сырье, так и лазерная энергия доставляются разными способами и в разные места.
Предварительно нанесенный порошок
[ редактировать ]Самый простой метод LMD предполагает предварительное размещение порошков. Порошковое сырье помещается на поверхность или подложку, а затем сфокусированный лазер сканирует или растрирует его, заставляя сырье плавиться и сплавляться с подложкой. Обычно для уменьшения окисления вокруг зоны плавления используется инертный защитный газ. Этот процесс похож на селективное лазерное плавление , которое включает в себя систематический процесс послойного построения объекта путем селективного лазерного плавления в слое порошка.
Общепринятый
[ редактировать ]В обычных LMD с подачей порошка порошковое сопло используются или сопла, а также сфокусированный лазерный источник. Лазер фокусируется на подложке, образуя ванну расплава. Одновременно порошок распыляется из сопла в виде шлейфа порошковой струи, направляя материал в ванну расплава, где он плавится. По мере удаления лазерного источника за ним следует и расплавленная ванна, при этом материал в предыдущем месте затвердевает. Этот процесс обычно достигается с помощью головки для лазерной наплавки , которая объединяет порошковые сопла и лазерную оптику в один узел, причем оба фокусируются в одном целевом месте. Размер и площадь ванны расплава и шлейфа порошка могут варьироваться в широких пределах и могут иметь точечную или линейную конфигурацию, в зависимости от целевого применения. Что касается порошковых LMD, то для минимизации окисления обычно используется защитный газ. Газ-носитель, используемый для доставки порошка, также обычно является защитным газом. Процесс LMD можно использовать разными способами, например, путем сканирования широкой поверхности для создания тонкой ( < 1 мм ) покрытие (обычно называемое лазерной наплавкой) [6] [7] ) или путем растрирования одной конкретной области в процессе аддитивного производства для создания трехмерных объектов слой за слоем (иногда это называется направленным выделением энергии ).
Высокоскоростной
[ редактировать ]Высокоскоростной LMD (также известный как EHLA [8] ) отличается от обычного LMD фокусом лазера и скоростью процесса наплавки. Для высокоскоростных LMD фокус расположен над подложкой. [9] [10] Когда порошок распыляется через фокусную точку, большая часть энергии лазера поглощается порошком, где он плавится в полете. Это приводит к воздействию расплавленного порошкового сырья на подложку, при этом тепло передается от порошка к подложке. Обычно это приводит к тому, что меньшая часть тепловой энергии передается в подложку, и в результате высокоскоростная LMD создает более тонкий слой сварного шва (обычно < 0,5 мм за проход). [11] ) с меньшим разбавлением и более тонкой зоной термического влияния по сравнению с обычным LMD. [12] Скорость осаждения (скорость расположения расплава на поверхности подложки) обычно как минимум в 10 раз превышает скорость обычного ЛМД, а скорость затвердевания материала также выше. [5] Типичным эффектом этих различий по сравнению с обычным LMD является нанесение более гладкой поверхности, более мелкозернистой микроструктуры, [13] улучшенная коррозионная стойкость, [14] и более высокая твердость. [15] Как 2D-покрытия, так и 3D-аддитивное производство также возможны с использованием высокоскоростного LMD. [16]
Подача проволоки
[ редактировать ]Подобно сварочным процессам, LMD может выполняться с использованием металлической проволоки в качестве сырья. [1] [2] Это может быть преимуществом, поскольку позволяет избежать затрат и усилий, необходимых для производства порошкового исходного сырья .
сверхзвуковой
[ редактировать ]Сверхзвуковой LMD отличается от других процессов LMD тем, что лазер не используется для плавления материалов. Вместо этого это в первую очередь модифицированный процесс холодного напыления , который представляет собой тип процесса осаждения в твердом состоянии, включающий осаждение посредством сверхзвуковой струи порошка. В Supersonic LMD лазер используется для предварительного нагрева подложки и потока порошка, чтобы смягчить эти материалы. [17] Избегая плавления и работая при более низкой температуре, это снижает вероятность окисления сырья и материалов подложки. [18]
См. также
[ редактировать ]Ссылки
[ редактировать ]- ^ Jump up to: а б Херцог, Дирк; Сейда, Ванесса; Вициск, Эрик; Эммельманн, Клаус (сентябрь 2016 г.). «Аддитивное производство металлов» . Акта Материалия . 117 : 371–392. Бибкод : 2016AcMat.117..371H . дои : 10.1016/j.actamat.2016.07.019 . Проверено 1 октября 2023 г.
- ^ Jump up to: а б ДебРой, Т.; Вэй, Х.Л.; Зубак, Дж.С.; Мукерджи, Т.; Элмер, Дж.В.; Милевский, Дж.О.; Биз, AM; Уилсон-Хейд, А.; ДЭА.; Чжан, В. (март 2018 г.). «Аддитивное производство металлических деталей – Процесс, структура и свойства» . Прогресс в материаловедении . 92 : 112–224. дои : 10.1016/j.pmatsci.2017.10.001 .
- ^ Гу, Д.Д.; Майнерс, В; Виссенбах, К; Поправе, Р. (май 2012 г.). «Лазерное аддитивное производство металлических деталей: материалы, процессы и механизмы» . Международные обзоры материалов . 57 (3): 133–164. Бибкод : 2012ИМРв...57..133Г . дои : 10.1179/1743280411Y.0000000014 . S2CID 137144519 . Проверено 1 октября 2023 г.
- ^ «Как работает лазерная формовка порошка» . THRE3D.com. Архивировано из оригинала 21 февраля 2014 года . Проверено 11 февраля 2014 г.
- ^ Jump up to: а б «EHLA | Лазерная наплавка Hornet» . www.hornetlasercladding.com . Проверено 1 октября 2023 г.
- ^ Чжун, М; Лю, В. (1 мая 2010 г.). «Лазерная наплавка поверхности: современное состояние и проблемы» . Труды Института инженеров-механиков, Часть C: Журнал машиностроительной науки . 224 (5): 1041–1060. дои : 10.1243/09544062JMES1782 . S2CID 136394381 . Проверено 1 октября 2023 г.
- ^ Чжу, Лида; Сюэ, Пэншэн; Лан, Цин; Мэн, Гуиру; Рен, Юань; Ян, Чжичао; Сюй, Пэйхуа; Лю, Чжэ (июнь 2021 г.). «Состояние последних исследований и разработок в области лазерной наплавки: обзор». Оптика и лазерные технологии . 138 : 106915. Бибкод : 2021OptLT.13806915Z . doi : 10.1016/j.optlastec.2021.106915 . S2CID 233582264 .
- ^ «Что такое применение экстремально высокоскоростного лазера (EHLA)?» . www.twi-global.com . Институт сварки . Проверено 1 октября 2023 г.
- ^ Шопховен, Томас; Гассер, Андрес; Бакес, Герхард (сентябрь 2017 г.). «EHLA: Высокоскоростное лазерное напыление материалов: экономичная и эффективная защита от коррозии и износа» . Журнал лазерной техники . 14 (4): 26–29. дои : 10.1002/latj.201700020 .
- ^ Шайбл, Джонатан; Сайк, Леннарт; Шопховен, Томас; Шляйфенбаум, Йоханнес Генрих; Хефнер, Константин (1 февраля 2021 г.). «Разработка технологии высокоскоростного лазерного осаждения материалов для аддитивного производства». Журнал лазерных приложений . 33 (1): 012021. Бибкод : 2021JLasA..33a2021S . дои : 10.2351/7.0000320 . S2CID 234015879 .
- ^ Шопховен, Томас; Гассер, Андрес; Виссенбах, Конрад; Поправе, Рейнхарт (1 мая 2016 г.). «Исследования по сверхскоростному лазерному осаждению материалов как альтернатива твердому хромированию и термическому напылению» . Журнал лазерных приложений . 28 (2): 022501. Бибкод : 2016JLasA..28b2501S . дои : 10.2351/1.4943910 .
- ^ Ли, Тяньчи; Чжан, Леле; Бултель, Грегор Жиль Пьер; Шопховен, Томас; Гассер, Андрес; Шляйфенбаум, Йоханнес Генрих; Поправе, Рейнхарт (21 ноября 2019 г.). «Экстремально-высокоскоростное лазерное осаждение материалов (EHLA) стали AISI 4340» . Покрытия . 9 (12): 778. doi : 10.3390/coatings9120778 .
- ^ Ли, Лицюнь; Шен, Слава; Чжоу, Юаньдун; Тао, Ван (1 ноября 2019 г.). «Сравнительное исследование покрытий нержавеющей стали AISI 431, полученных методами сверхскоростной и традиционной лазерной наплавки» . Журнал лазерных приложений . 31 (4): 042009. Бибкод : 2019JLasA..31d2009L . дои : 10.2351/1.5094378 . S2CID 210515596 . Проверено 1 октября 2023 г.
- ^ Шен, Слава; Тао, Ван; Ли, Лицюнь; Чжоу, Юаньдун; Ван, Вэй; Ван, Шулян (1 июля 2020 г.). «Влияние микроструктуры на коррозионную стойкость покрытий при сверхскоростной лазерной наплавке» . Прикладная наука о поверхности . 517 : 146085. Бибкод : 2020ApSS..51746085S . дои : 10.1016/j.apsusc.2020.146085 . ISSN 0169-4332 . S2CID 216445318 .
- ^ Юань, Уянь; Ли, Жуйфэн; Чен, Чжаохуэй; Гу, Цзяян; Тянь, Интао (15 января 2021 г.). «Сравнительное исследование микроструктуры и свойств традиционной лазерной и высокоскоростной лазерной наплавки покрытий из сплава Ni45» . Технология поверхностей и покрытий . 405 : 126582. doi : 10.1016/j.surfcoat.2020.126582 . ISSN 0257-8972 . S2CID 228807009 .
- ^ «EHLA 3D: Покоряя третье измерение — Fraunhofer ILT» . Институт лазерных технологий Фраунгофера ILT . Проверено 1 октября 2023 г.
- ^ Брей, Мэтью; Кокберн, Эндрю; О'Нил, Уильям (25 июня 2009 г.). «Процесс холодного напыления с помощью лазера и определение характеристик отложений» . Технология поверхностей и покрытий . 203 (19): 2851–2857. doi : 10.1016/j.surfcoat.2009.02.135 . ISSN 0257-8972 . Проверено 1 октября 2023 г.
- ^ Уильям, О'Нил. «SprayLaze — сверхзвуковое лазерное напыление» . www.ifm.eng.cam.ac.uk. Институт производства . Проверено 1 октября 2023 г.