Mit der rasanten Entwicklung der Geräteherstellungsindustrie hat der Ausfall und die Verschrottung vieler mechanischer Gerätekomponenten in rauen und komplexen Umgebungen zu enormen wirtschaftlichen Verlusten und vielen Geräteausfällen geführt. Es ist dringend erforderlich, effiziente und umweltfreundliche neue Fertigungstechnologien zu erforschen, um Schlüsselkomponenten neuer Geräte zu stärken. Verlängerung der Lebensdauer und Wiederaufbereitung veralteter Geräte. Keramische Materialien werden aufgrund ihres hohen Schmelzpunkts, ihrer hohen Festigkeit, ihrer geringen Wärmeleitfähigkeit und ihres niedrigen Wärmeausdehnungskoeffizienten häufig als Oberflächenschutzverstärkungsmaterialien für Metallteile verwendet. Keramikbeschichtungen können die Verschleißfestigkeit, Korrosionsbeständigkeit und Oxidationsbeständigkeit des Substrats bei hohen Temperaturen erheblich verbessern und werden häufig in der Luft- und Raumfahrt, der Petrochemie, dem Maschinenbau und anderen Bereichen eingesetzt.
Zu den gängigen Vorbereitungstechniken für Keramikbeschichtungen gehören:Laserauftragschweißen, selbstausbreitende Hochtemperatursynthese, Dampfabscheidung und thermisches Spritzen. Unter anderem weist die sich selbst ausbreitende Hochtemperatursynthese einfache Verfahren, einen geringen Energieverbrauch und einen kurzen Produktionszyklus auf, erfordert jedoch ein extrem hochreines Pulver als Rohstoffe. Es ist nicht für die Produktion im großen Maßstab geeignet und der Reaktionsprozess ist schnell und schwer genau zu steuern. Die durch Dampfabscheidung hergestellte Keramikbeschichtung weist eine hohe Reinheit und gute Dichte auf, aber die Ausrüstung ist teuer und die Produktionseffizienz ist gering. Die Keramikbeschichtung durch thermisches Spritzen weist eine hohe Effizienz und eine kontrollierbare Dicke auf. Das Verfahren ist einfach und kann zum Spritzen komplex geformter Werkstücke verwendet werden, es gibt jedoch relativ viele Mängel wie Beschichtungsporen und geringe Bindungskraft; Die Effizienz der Laserbeschichtung ist hoch und der Beschichtungsbereich ist präzise kontrollierbar. Die Herstellung von Keramikbeschichtungen hat Vorteile in Bezug auf Leistung, Kosten, Umweltschutz und andere Vorteile, die vorbereitete Keramikbeschichtung kann jedoch auch Mängel wie Risse und Poren aufweisen.
Die Laser-Beschichtungstechnologie kann Keramikmaterialien schmelzen, um deren schwierige Verarbeitungseigenschaften zu überwinden und hochwertige Keramikbeschichtungen herzustellen. Die durch diese Technologie erhaltene Keramikbeschichtung weist hervorragende mechanische sowie physikalische und chemische Eigenschaften auf, was sich positiv auf die Verlängerung der Lebensdauer von Teilen, die Kostensenkung und die Reduzierung der Ressourcenverschwendung auswirkt. Die Oberflächenverstärkung und -wiederaufbereitung ist eine wichtige Richtung der umweltfreundlichen Fertigung und ein wirksamer Weg, um Energieeinsparungen und Emissionsreduzierungen zu erreichen und eine nachhaltige wirtschaftliche und soziale Entwicklung zu fördern. Mit der kontinuierlichen Weiterentwicklung der Laserbeschichtungstechnologie und dem Ersatz von Beschichtungsgeräten kann die Vorbereitung von Keramikbeschichtungen durch Laserbeschichtung die Oberfläche von Teilen in komplexen Umgebungen stärken und die Lebensdauer der Wiederaufbereitung verlängern, was im Einklang mit dem propagierten Konzept der nachhaltigen Entwicklungsstrategie steht durch das Land. Der Entwicklungsplan „Made in China 2025“ rückt immer näher. Die Laserbeschichtung von Keramikbeschichtungen für die Wiederaufbereitung gehört zur Kategorie der fortschrittlichen additiven Fertigung und der umweltfreundlichen Fertigung und setzt den „14. Fünfjahresplan“ zur Entwicklung erneuerbarer Ressourcen effektiv um.
1 Laserbeschichtende Keramikbeschichtung
Laserbeschichtende Keramikbeschichtungen zur Oberflächenverstärkung und -wiederaufbereitung können je nach Materialzusammensetzung und Formungsmechanismus der Beschichtung in Verbundkeramikbeschichtungen, Metallkeramik-Verbundbeschichtungen, Laser-in-situ-synthetische Keramikbeschichtungen und Nanokompositkeramiken unterteilt werden.
- Verbundkeramikbeschichtung: Forscher haben verschiedene eutektische Arten von Laser-Cladding-Verbundkeramikbeschichtungen entwickelt, die aus Nitriden, Boriden, Karbiden und Oxiden bestehen. Diese Verbundwerkstoffe aus Mehrkomponentenkeramik weisen eine hohe gegenseitige Löslichkeit und Affinität zwischen den Komponenten auf, wodurch die Korngröße der Keramikphase effektiv reduziert, die Festigkeit und Zähigkeit der Beschichtung verbessert und die Beschichtung stabiler als einphasige Keramikbeschichtungen gemacht werden kann. Gute thermophysikalische Eigenschaften und hervorragende Eigenschaften wie Verschleiß- und Korrosionsbeständigkeit.
- Metall-Keramik-Verbundbeschichtung: Eine Metall-Keramik-Verbundbeschichtung ist eine Kombination aus Keramikphase (Verstärkungsphase) und Metall oder Legierung (Bindungsphase), sodass eine gute Benetzbarkeit von Metallmaterialien und eine bemerkenswerte Härte der Keramikphase sowie Verschleißfestigkeit erreicht werden können. und Korrosionsbeständigkeit. Die schnelle Erwärmung und Verfestigung während des Laserauftragschweißprozesses verfeinert die Körner in der Metall-Keramik-Verbundbeschichtung und verteilt die feuerfeste keramische Verstärkungsphase in der Beschichtung gleichmäßig in der Bindemittelphase, was die Beschichtungsfestigkeit erhöht. , um die Wirkung der hervorragenden Eigenschaften von Metallen und Keramiken zu erzielen.
- In-situ-Synthese von Keramikbeschichtungen: Bei der In-situ-Synthese von Keramikbeschichtungen werden Keramikphasenpartikel durch Zugabe verschiedener Elementpulver unter Hochtemperaturbedingungen gebildet, und aufgrund der Bildung der Reaktion werden die Keramikpartikel spontan Keime bilden und wachsen, so dass Die gleichmäßige Verteilung, die dichte Struktur, die verbesserte Grenzflächenbindung und der deutlich verringerte Leistungsverlust beseitigen die Nachteile einer schlechten Grenzflächenbindung, Partikelaggregation, Risse und anderer Mängel, die bei der direkten Zugabe von Keramikphasen auftreten.
Laserbeschichtende Keramikbeschichtungen bieten außerordentliche Vorteile bei der Oberflächenmodifizierung neuer Produkte oder der Wiederaufbereitung beschädigter Teile. Bei der Herstellung von Keramikbeschichtungen treten jedoch auch häufige Mängel wie Poren, Elementseigerung und Risse auf. Basierend auf den Prinzipien und Eigenschaften von durch Laserauftragschweißen hergestellten Beschichtungen werden Forscher die Qualität von Keramikbeschichtungen unter den Gesichtspunkten der Prozessparameter des Laserauftragschweißens, der Beschichtungsstruktur, des Beschichtungsmaterialsystems und verschiedener prozessunterstützter Formgebung optimieren.
2 Anwendungsrichtung der Laserbeschichtungs-Keramikbeschichtung
Branchen wie Maschinenbau, Transport, Luft- und Raumfahrt, Petrochemie und Biomedizin haben in den letzten Jahren höhere Anforderungen an die Belastbarkeit und Ermüdungslebensdauer von Werkstücken gestellt. Mit Blick auf die Probleme, die bei unterschiedlichen Arbeitsbedingungen auftreten, nutzten die Forscher die Oberflächenverstärkung durch Laserbeschichtung und die Wiederaufbereitungsreparaturtechnologie, um eine Reihe funktioneller Beschichtungen vorzubereiten, um den Ausfall von Werkstücken zu bewältigen. Entsprechend den unterschiedlichen Funktionen keramischer Werkstoffe lassen sich durch Laserauftragsschweißen hergestellte keramische Funktionsbeschichtungen grob in vier Typen einteilen:
- Laserbeschichten von korrosionsbeständigen Keramikbeschichtungen und Materialien in rauen Korrosionsumgebungen (z. B. Offshore-Öl, Erdgasbohrplattformen, Wasserkraftwerke, Chemiefabriken, Minen usw.) müssen die Oberfläche des Werkstücks stärken und beschädigte Teile wiederaufbereiten, um Erosion zu widerstehen Schäden, Korrosionsbeständige Beschichtungen können die Lebensdauer der Ausrüstung erhöhen und die Wartungskosten senken;
- Beim Laserauftragschweißen handelt es sich um eine verschleißfeste Keramikbeschichtung. Verschleiß ist die häufigste Fehlerursache vieler technischer Materialien. Reibung und Verschleiß unter rauen Arbeitsbedingungen (schwere Belastung, hohe Temperatur, hohe Geschwindigkeit usw.) verkürzen die Lebensdauer des Werkstücks. Forscher verbessern die Härte und Verschleißfestigkeit von Werkstücken, indem sie Keramikbeschichtungen mit hervorragenden Anti-Verschleiß- und Anti-Reibungs-Eigenschaften herstellen und so die Lebensdauer verlängern;
- Wärmedämmende Keramikbeschichtung mit Laserbeschichtung, thermische Barrierebeschichtung zum Beschichten des hochtemperaturbeständigen, oxidationsbeständigen und korrosionsbeständigen Keramikmaterials auf dem Substrat, um das Substrat vom externen heißen Gas zu isolieren und so die Teile vor Korrosion, Oxidation zu schützen. Hitzeschutzschicht zur Verbesserung der Leistung des Substrats und zur Verlängerung der Lebensdauer der Teile. Diese Beschichtung wurde in verschiedenen technischen Bereichen eingesetzt, darunter Verbrennungsmotoren, Gasturbinenschaufeln von Strahltriebwerken, thermochemische Nachbehandlungsgeräte usw.
3 Perspektiven
- Design neuer keramischer Beschichtungsmaterialien. Da die Betriebsbedingungen von Geräten immer härter werden und die Eigenschaften von Keramikmaterialien und Metallmaterialien sehr unterschiedlich sind, ist es notwendig, die Designideen für Beschichtungsmaterialien zu erneuern und Materialdesign und Leistungsüberprüfung einzuführen, wie z. Durchsatzleistungstests. Methode zur gleichzeitigen Erzielung von Beschichtungsmaterialien mit mehreren hervorragenden Eigenschaften. Beispielsweise können durch die Kombination von MAX-Phasenkeramik und Metallen verschleißfeste, hochtemperaturbeständige, starke und zähe Beschichtungen erhalten werden. Selbstschmierende hochleitfähige Keramikmaterialien und Hafnium/Zirkonium-Ultrahochtemperaturkeramiken sowie andere Materialien haben ebenfalls einen wichtigen Entwicklungs- und Anwendungswert. Die Vielfalt der Materialsysteme kann das Anwendungsspektrum erweitern und mehr Auswahlmöglichkeiten für den Einsatz unterschiedlicher Arbeitsbedingungen bieten.
- Entwicklung eines neuen Laserauftragschweißverfahrens. Der Prozess hat einen wichtigen Einfluss auf die makroskopische Morphologie und Mikrostruktur der Beschichtung. Obwohl die Prozesskombination aus Laserbeschichtung und Ultraschallvibration, elektromagnetischer Unterstützung, Induktionserwärmungsunterstützung und anderen Technologien angewendet wurde, stellt sich die Frage, wie die Oberflächenrauheit der Beschichtung verringert, die Effizienz der Beschichtungsbildung verbessert, die Ermüdungseigenschaften verbessert und die Oberfläche verbessert werden können Qualität ist noch unklar. Muss gründlich erforscht werden.