Современное состояние лазерных технологий в области нанесения функциональных покрытий

Михаил Вячеславович Палабугин; Дмитрий Геннадьевич Калюжный

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

Авторы

М. В. Палабугин ИжГТУ имени М. Т. Калашникова
Д. Г. Калюжный ИжГТУ имени М. Т. Калашникова

DOI:

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

Ключевые слова:

гибридные и комбинированные технологии, нанесение покрытий, наплавка, термообработка, лазерные технологии

Аннотация

Рассмотрены два основных направления в сфере использования лазерного излучения для нанесения функциональных покрытий - нанесение покрытий с использованием сугубо лазерного изучения и комбинированием лазерных и других технологий. Определены наиболее востребованные технологические лазеры, используемые в обоих направлениях: газовые молекулярные лазеры, диодные, волоконные, а также твердотельные лазеры. Рассмотрены методики упрочняющей термообработки деталей с использованием лазерного пучка как с оплавлением материала, так и без него. Представлен метод внедрения легирующих компонентов металлической и неметаллической природы в материал подложки с использованием лазерных технологий. Приведены методики лазерной наплавки, где в зону воздействия лазерного излучения наплавочный материал подается как в виде порошковой смеси, так и в виде присадочной проволоки. Порошковая смесь наиболее распространена в качестве наплавочного материала, реже используется проволока. Рассмотрены технологии лазерного напыления, используемые в создании трехмерных объектов. Приведены гибридные технологии наплавления покрытий - лазерная наплавка с использованием плазменной дуги и высокочастотного подогрева. Выяснено, что при лазерно-плазменной наплавке применяются два вида плазматронов - прямого и косвенного типа действия. Помимо гибридной лазерной наплавки рассмотрен метод гибридного лазерного напыления - плазменное напыление, или LAAPS, сопровождаемое лазерным нагревом и позволяющее получать покрытия с повышенной прочностью сцепления с поверхностью подложки. Рассмотрены основные преимущества (возможность регулировки толщины наплавляемых слоев покрытия, уменьшение зоны термического воздействия) и недостатки (возникновение на поверхности холодных микротрещин, образование в покрытии пор) при нанесении покрытий с использованием лазерного излучения. На примере практического применения проанализированы перспективы развития лазерных и лазерно-плазменных технологий в области нанесения функциональных покрытий. Развитие данных технологий в будущем во многом связано с устранением их недостатков, увеличением эффективности взаимодействия лазерных и плазменных технологий.

Биографии авторов

М. В. Палабугин, ИжГТУ имени М. Т. Калашникова

магистрант

Д. Г. Калюжный, ИжГТУ имени М. Т. Калашникова

кандидат технических наук, доцент, доцент кафедры физики и оптотехники

Библиографические ссылки

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.