Нанесение износоустойчивых покрытий с помощью высокомощных лазеров

Авторы и источники / Правообладателям

Фото: IWS

Высокомощные диодные лазеры с выходной мощностью десять или более киловатт открывают новые возможности применения лазерного плакирования. В частности, устойчивые, экологически безопасные и эффективные с точки зрения ресурсопотребления покрытия могут быть получены и использованы, например, в автомобильной, машиностроительной и других отраслях промышленности. В сотрудничестве с промышленными партнёрами Институт Фраунгофера материаловедения и лучевой технологии (Fraunhofer Institute for Material and Beam Technology IWS) разработал до промышленной готовности приложения и специальные процессы для этого класса лазеров под маркой “Hiclad”.

Институт Фраунгофера IWS занимается разработкой технологии Hiclad для лазерного плакирования на протяжении нескольких лет с целью создания специализированных решений для высокопродуктивных процессов нанесения покрытий с применением высокомощных диодных лазеров. В настоящее время учёные, помимо прочего, занимаются настройкой параметров распределения энергии, скорости и скорости подачи таким образом, чтобы стали возможны широкие технологические окна, и стали допустимыми отклонения в производственном процессе. Г-жа Мария Барбоза (Maria Barbosa), возглавляющая отдел термических покрытий (Thermal Coating Department) в Институте Фраунгофера IWS, отметила, что учёные в очередной раз раздвигают границы применения мощных лазеров.

Технология Hicald не только обеспечивает устойчивые, экологически безопасные функциональные покрытия, которые, в конечном счёте, повышают прочность, износостойкость и срок службы компонентов, на которые они нанесены. Эта технология также способствует обеспечению наиболее оптимального баланса между ресурсами, такими как материалы, время и затраты. Учёные рассматривают функционализацию поверхностей компонентов в комплексе с целью достижения готовых к применению в промышленности результатов при минимальном расходе материалов и коротких технологических циклах. Ключевым вопросом остаётся контрольно-измерительная техника, часть которой была разработана собственными силами и которая позволяет осуществлять мониторинг и регулировать сложный процесс и контролировать его качество. Таким образом, эта технология вносит существенный вклад в повышение эффективности использования ресурсов в промышленности. Технологический процесс Hicald оказывается полезным, например, для нанесения при помощи лазера твёрдосплавного покрытия на тормозные диски, гидравлические цилиндры и подшипники скольжения. В будущем на крупные детали для нефтяной, газовой, бумажной и многих других отраслей также могут быть нанесены эффективные покрытия.

Лазерное плакирование давно используется для получения высококачественных промышленных покрытий. Однако этот процесс позволял использовать только сравнительно низкую скорость нанесения покрытия при высоких инвестиционных затратах. Поскольку это играет решающую роль для производительности, компании редко применяли его для покрытия крупных деталей и больших партий. Всё изменилось с ростом доступности промышленных диодных лазеров мощностью от 10, в некоторых случаях до 20 или более киловатт, что означает намного более высокие скорости нанесения покрытий. Тем не менее, использование этих лазеров высокой мощности требует специальной профессиональной компетенции. В течение многих лет Институт Фраунгофера IWS был первопроходцем в области использования высокомощных лазеров при постепенном повышении классов мощности – особенно для лазерного плакирования. На основании этого опыта Дрезденский институт и компания Laserline сумели с помощью 20-кВт диодных лазеров достичь и превзойти скорости нанесения покрытий, которые ранее были возможны только при использовании процессов плазменной наплавки (PTA - Plasma Transferred-Arc) для нанесения износостойких покрытий. Партнёры также добились значительного прогресса по сравнению с существующими решениями на основе использования лазеров: в зависимости от конкретного материала и выбранного сопла при промышленном использовании процесса Hiclad можно достичь скорости осаждения до 18 кг/ч. Для никелевого сплава Inconel 625, например, производительность может быть увеличена приблизительно в три раза по сравнению с решением использования обычного лазера мощностью 9 кВт. Точные значения зависят от конкретного сценария применения. По сравнению с конкурирующими решениями, использующими высокомощные лазеры, процесс, разработанный в Институте Фраунгофера IWS, считается более надёжным.

В отличие от лазерной наплавки порошковых материалов, процессы наплавки металла были ранее ограничены максимальной мощностью 6 кВт. Процесс “Coax quattro”, основанный на сочетании металла (проволоки) и порошка, позволяет использовать лазеры мощностью до 20 кВт. Это может сыграть решающую роль при разработке многокомпонентных материалов, например, новых сплавов. Различные материалы могут подаваться по мере необходимости через каждый из четырех каналов для проволоки и порошка. Кроме того, сравнительно короткое время обработки сокращает расходы на персонал, защитные газы и другие эксплуатационные расходы. В целом, система предназначена для особо эффективного использования материалов, а также для очень надёжного и гибкого управления технологическим процессом с высоким уровнем качества.

Д-р Сöрн Оcилок (Dr. Sörn Ocylok), эксперт в области производства добавок и покрытий из компании Laserline, производителя промышленных лазеров, г. Мюльхайм-Керлих (Mülheim-Kärlich), Германия, сказал, что вместе с учёными из Института Фраунгофера IWS удалось найти конкретные области применения в промышленности для нового класса мощных лазеров. В настоящее время уже тестируется возможность дальнейшей масштабируемости процессов путём использования в тестовых запусках диодных лазеров более высокого класса мощности, с выходной мощностью до 45 кВт, с целью их потенциального промышленного применения в ближайшем будущем.