Современное состояние лазерных технологий в области нанесения функциональных покрытий

M V Palabugin; D G Kalyuzhny

doi:10.22213/2413-1172-2023-1-13-22

Authors

M. V. Palabugin Kalashnikov ISTU
D. G. Kalyuzhny Kalashnikov ISTU

DOI:

https://doi.org/10.22213/2413-1172-2023-1-13-22

Keywords:

hybrid and mixed technologies, coating, surfacing, heat treatment, laser technologies

Abstract

Two main directions in the field of laser radiation application for functional coatings are considered - the application of coatings using purely laser study and the combination of laser and other technologies. The most popular technological lasers used in both directions are identified: gas molecular lasers, diode, fiber, and solid-state lasers. Methods of hardening heat treatment of parts using a laser beam both with and without melting of the material are considered. A method of introducing alloying components of metallic and non-metallic nature into the substrate material using laser technologies is presented. The methods of laser surfacing are given, where the surfacing material is fed into the zone of exposure to laser radiation both in the form of a powder mixture and in the form of a filler wire. Powder mixture is most commonly used as surfacing material, wire is less often used. Technologies of laser-assisted evaporation used in the creation of three-dimensional objects are considered. Hybrid technologies of coating deposition are presented - laser surfacing using a plasma arc and high-frequency heating. It was found out that two types of plasmatrons are used in laser-plasma surfacing - direct and indirect types of action. In addition to hybrid laser surfacing, the method of hybrid laser-assisted evaporation is considered - plasma sputtering, or LAAPS, accompanied by laser heating and allowing to obtain coatings with increased adhesion strength to the substrate surface. The main advantages (the ability to adjust the thickness of the deposited coating layers, reduction of the thermal impact zone) and disadvantages (occurrence of cold microcracks on the surface, formation of pores in the coating) in the application of coatings using laser radiation are considered. The prospects for the development of laser and laser-plasma technologies in the field of functional coatings are analyzed on the example of practical application. The development of these technologies in future is largely due to the elimination of their shortcomings, increasing the efficiency of interaction between laser and plasma technologies.

Author Biographies

M. V. Palabugin, Kalashnikov ISTU

Master’s Degree Student

D. G. Kalyuzhny, Kalashnikov ISTU

PhD in Engineering, Associate Professor

References

Сергеев Н. Н., Сергеев А. Н., Кутепов С. Н. Использование защитных износостойких покрытий для повышения долговечности литейных пресс-форм // Известия Юго-Западного государственного университета. Серия: Техника и технологии. 2022. Т. 12, № 2. С. 8-25. DOI: 10.21869/2223-1528-2022-12-2-8-25.

Dubourg L., Lima R., Moreau C. Properties of alumina-titania coatings prepared by laser-assisted air plasma spraying. Surface and Coatings Technology, 2007, vol. 201, iss. 14, pp. 6278-6284. DOI: 10.1016/j.surfcoat.2006.11.026.

Ходакова Е. А., Свиридов А. В., Скупов А. А. Создание неразъемных соединений методом плазменной сварки (обзор) // Труды ВИАМ. 2022. № 12 (118). С. 3-13. DOI: 10.18577/2307-6046-2022-0-12-3-13.

Калиниченко В. А., Калиниченко М. Л., Андрушевич А. А. Технологические аспекты создания композиционных износостойких покрытий на железосодержащих сплавах индукционной наплавкой // Литье и металлургия. 2019. № 2. С. 122-128. DOI: 10.21122/ 1683-6065-2019-2-122-128.

Ki Hyun Kim, Ki Seok Kim, You Jin Ji. Silicon Nitride Deposited by Laser Assisted Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition for Next Generation Organic Electronic Devices. Applied Surface Science, 2021, vol. 541, pp. 1-6. DOI: 10.1016/j.apsusc.2020.148313.

Çoşğun A., Taşçıoğlu A., Yılmaz G. İnceFilm Üretiminde Kimyasal Buhar Biriktirme Yöntemive Çeşitleri. Mehmet Akif Ersoy Üniversites i Fen Bilimleri Enstitüsü Dergisi, 2021, no. 12 (2), pp. 351-363. DOI: 10.29048/makufebed.861301.

Булаев С. А. Сущность импульсного лазерного напыления в вакууме как способа получения пленок нанометровых толщин // Вестник Казанского технологического университета. 2014. Т. 17, № 18. С. 25-28.

Кривошеев А. В., Пономаренко С. Л. Создание массочувствительных пьезоэлементов методом импульсного лазерного осаждения // Политехнический молодежный журнал. 2019. № 6 (35). С. 1-9. DOI: 10.18698/2541-8009-2019-06-492.

Чащин Е. А., Балашова С. А. Взаимодействие импульсного лазерного излучения с плазменным потоком, содержащим мелкодисперсную фазу // Международный научно-исследовательский журнал. 2020. № 5-1 (95). С. 80-86. DOI: 10.23670/ IRJ.2020.95.5.013.

Алексеев В. И., Барахтин Б. К., Жуков А. С. Химическая неоднородность как фактор повышения прочности сталей, изготовленных по технологии селективного лазерного плавления // Записки Горного института. 2020. Т. 242. С. 191-196. DOI: 10.31897/ PMI.2020.2.191.

Лощинин Ю. В., Размахов М. Г., Пахомкин С. И. Влияние состава и технологии нанесения многослойных теплозащитных покрытий, изготовленных газотермическим напылением, на теплопроводность // Труды ВИАМ. 2019. № 6 (78). С. 95-103. DOI: 10.18577/2307-6046-2019-0-6-95-103.

Коломейченко А. В., Горленко А. О., Логачев В. Н. Оборудование и технологические рекомендации для нанесения покрытий электродуговой металлизацией // Транспортное машиностроение. 2022. № 4 (4). С. 44-50. DOI: 10.30987/2782-5957-2022-4-44-50.

Радионова Л. В., Самодурова М. Н., Быков В. А. Повышение эксплуатационных свойств поверхности штока гидроцилиндра аддитивными технологиями // Вестник Магнитогорского государственного технического университета им. Г. И. Носова. 2020. Т. 18, № 3. С. 34-41. DOI: 10.18503/1995-2732-2020-18-3-34-41.

Москвитин Г. В., Биргер Е. М., Поляков А. Н. Использование методов инженерии поверхности в современном оборудовании для лазерной наплавки износо- и коррозионно-стойких материалов // Инновации и инвестиции. 2019. № 6. С. 228-233.

Девицкий О. В., Никулин Д. А., Сысоев И. А. Импульсное лазерное напыление тонких пленок нитрида алюминия на сапфировые подложки // Научно-технический вестник информационных технологий, механики и оптики. 2020. Т. 20, № 2. С. 177-184. DOI: 10.17586/2226-1494-2020-20-2-177-184.

Перевертов В. П., Андрончев И. К., Юрков Н. К. Порошковые композиты и наноматериалы в гибких технологиях формообразования деталей // Надежность и качество сложных систем. 2020. № 2 (30). С. 85-95. DOI: 10.21685/2307-4205-2020-2-9.

Голубовский Е. Н., Жаткин С. С., Паркин А. А. Исследование и отработка технологии восстановления лопаток ГТД после эксплуатации лазерной наплавкой // Известия Самарского научного центра Российской академии наук. 2021. Т. 23, № 3 (101). С. 29-34. DOI: 10.37313/1990-5378-2021-23-3-29-34.

Дружнова Я. С. Развитие методов газотермического напыления упрочняющих покрытий на основе карбидов вольфрама и хрома (обзор) // Труды ВИАМ. 2022. № 10 (116). С. 100-115. DOI: 10.18577/ 2307-6046-2022-0-10-100-115.

Барыгин В. В. Цифровые технологии для изделий авиационно-космической отрасли // Воздушно-космическая сфера. 2021. № 2 (107). С. 76-83. DOI: 10.30981/2587-7992-2020-107-2-76-83.

Бертранд Ф., Мовчан И., Самодурова М. Лазерная наплавка как перспективный метод упрочнения штамповой оснастки // Вестник Магнитогорского государственного технического университета им. Г. И. Носова. 2016. T. 14, № 2. C. 44-52. DOI: 1018503 /1995-2732 2016-14-2 44 52.

Табаков В. П., Рандин А. В. Применение импульсной лазерной обработки для повышения работоспособности быстрорежущего инструмента с многослойными покрытиями // Упрочняющие технологии и покрытия. 2005. № 11. С. 18-21.

Кубанова А. Н., Сергеев А. Н., Добровольский Н. М. Особенности материалов и технологий аддитивного производства изделий // Чебышевский сборник. 2019. Т. 20, № 3 (71). С. 453-477. DOI: 10.22405/2226-8383-2019-20-3-453-477.

Уридия З. П., Токарев М. С., Леонов А. А. Тенденции развития современных технологий изготовления и методы усовершенствования свойств поверхности магниевых сплавов (обзор) // Труды ВИАМ. 2022. № 11 (117). С. 37-47. DOI: 10.18577/2307-6046-2022-0-11-37-47.

Казаков С. С., Федосеев А. В., Матвеев Ю. И. Упрочнение среднеуглеродистых сталей за счет микролегирования поверхностей // Вестник НГИЭИ. 2021. № 4 (119). С. 51-61. DOI: 10.24412/2227-9407-2021-4-51-61.

Девойно О. Г. Технология формирования износостойких покрытий на железной основе методами лазерной обработки: монография. Минск: БНТУ, 2020. 280 с.

Жабрев Л. А., Чуппина С. В., Шамшурин А. И. Оценка склонности покрытий к образованию пор и неметаллических включений в сварном шве // Вестник Белгородского государственного технологического университета им. В. Г. Шухова. 2020. № 9. С. 67-80. DOI: 10.34031/2071-7318-2020-5-9-67-80.

Маринин Е. А., Гаврилов Г. Н., Лисовская О. Б. Сравнение возможностей лазерной закалки и лазерной цементации для повышения механических свойств и износостойкости поверхности низколегированных инструментальных сталей // Ползуновский вестник. 2019. № 1. С. 158-162.

Алексеев В. И., Барахтин Б. К., Жуков А. С. Химическая неоднородность как фактор повышения прочности сталей, изготовленных по технологии селективного лазерного плавления// Записки Горного института. 2020. Т. 242. С. 191-196. DOI: 10.31897/ PMI.2020.2.191.

Ким В. А., Аунг Н. Т., Белова И. В. Лазерное упрочнение металлических материалов// Упрочняющие технологии и покрытия. 2020. Т. 16, № 12 (192). С. 547-553.

Ходыкин Л. Г., Няфкин А. Н., Косолапов Д. В. Лазерная сварка металлических композиционных материалов на основе алюминиевого сплава, армированного тугоплавкими частицами SiC (обзор) // Труды ВИАМ. 2022. № 12 (118). С. 63-75. DOI: 10.18577/2307-6046-2022-0-12-63-75.

Хаскин В. Ю., Шелягин В. Д., Бернацкий А. В. Современное состояние и перспективы развития технологий лазерной и гибридной наплавки (обзор) // Автоматическая cварка. 2015. № 5-6(762). С. 30-33.