Phủ lớp bằng laser Công nghệ này bao gồm việc phủ một vật liệu bọc đã chọn lên bề mặt của vật liệu nền bằng các phương pháp nạp vật liệu khác nhau. Dưới tác động của tia laser, một lớp mỏng trên bề mặt vật liệu nền sẽ nóng chảy và nhanh chóng đông đặc lại, tạo thành một lớp phủ bề mặt liên kết kim loại với tỷ lệ pha loãng rất thấp. Điều này giúp cải thiện đáng kể các tính chất bề mặt của vật liệu nền, chẳng hạn như khả năng chống mài mòn, chống ăn mòn, chịu nhiệt, chống oxy hóa và các tính chất điện.

Các loại phủ lớp bằng laser

Dựa trên loại vật liệu được sử dụng và sự tương tác của chúng với chùm tia laser, các loại phổ biến phủ lớp bằng laser Các công nghệ này có thể được chia thành: phủ lớp bằng laser bột đồng trục, phủ lớp bằng laser bột lệch trục (còn gọi là phủ lớp bằng laser bột ngang), phủ lớp bằng laser tốc độ cao (còn gọi là phủ lớp bằng laser siêu tốc độ cao) và phủ lớp bằng laser dây tốc độ cao.

Phủ lớp bằng laser bột đồng trục

Bột đồng trục phủ lớp bằng laser thường sử dụng laser sợi bán dẫn và bộ cấp bột dạng đĩa sử dụng khí. Đầu phủ sử dụng cơ chế chùm sáng hình tròn với chùm sáng trung tâm và bột được cấp xung quanh hoặc nhiều luồng bột. Nhờ kênh khí bảo vệ được thiết kế đặc biệt, bột, chùm sáng và khí bảo vệ hội tụ tại một điểm duy nhất, nơi hình thành vũng nóng chảy. Khi đầu phủ di chuyển tương đối so với phôi, một lớp phủ sẽ hình thành trên bề mặt.

Ưu điểm của phương pháp phủ laser bằng bột đồng trục:

Độ linh hoạt cao và dễ dàng tự động hóa: Chất lượng lớp phủ luôn ổn định bất kể hướng di chuyển, giúp sản phẩm này có khả năng thích ứng cao với quy trình tự động hóa sử dụng robot công nghiệp hoặc máy đa trục.

Bảo vệ bằng khí trơ hiệu quả: Vùng kim loại nóng chảy được bảo vệ bởi khí trơ, giúp tăng cường độ ổn định của quá trình.

Vùng kim loại nóng chảy nhỏ, gia nhiệt đồng đều và khả năng chống nứt tốt: Sự tương tác đồng đều giữa bột và ánh sáng đảm bảo chất lượng và độ bền cao hơn cho bề mặt phủ.

Phương pháp phủ bột bằng laser lệch trục

Còn được gọi là bột bên phủ lớp bằng laser, phương pháp này sử dụng laser bán dẫn hoặc laser sợi quang kết hợp với bộ cấp bột hoạt động theo nguyên lý trọng lực. Đầu phủ sử dụng chùm sáng hình chữ nhật kết hợp với cơ chế cấp bột theo chiều ngang. Bột hợp kim được đưa lên bề mặt phôi và được tia laser làm nóng chảy, tạo thành vũng kim loại nóng chảy.

Ưu điểm của phương pháp phủ bột bằng laser lệch trục:

Hiệu suất sử dụng nguyên liệu cao: Bột được phủ sẵn lên bề mặt trước khi được tia laser làm nóng chảy, giúp đạt được tỷ lệ sử dụng vật liệu trên 95%.

Hiệu suất ốp lát cao: Chùm tia hình chữ nhật cho phép tăng công suất laser và kích thước điểm chiếu lớn hơn, từ đó giúp tăng tốc độ phủ lớp.

Không tiêu thụ khí trơ: Phương pháp này không tiêu thụ khí trơ, mặc dù cần phải xem xét kỹ lưỡng khả năng chống oxy hóa của bột.

Phủ lớp bằng laser tốc độ cực cao

Quy trình này sử dụng tia laser sợi quang chất lượng cao và các đầu phủ lớp tốc độ cao để đạt được tốc độ phủ lớp cực cao (lên đến 200 m/phút). Bột được làm nóng trước hoặc nung chảy hoàn toàn trước khi đi vào vùng kim loại nóng chảy, giúp rút ngắn đáng kể thời gian cần thiết để nung chảy bột.

Ưu điểm của công nghệ phủ lớp bằng laser tốc độ cực cao:

Hiệu suất sử dụng năng lượng laser cao: Tia laser làm nóng bột và phôi một cách hiệu quả, giúp giảm thiểu tổn thất năng lượng và tối đa hóa hiệu suất phủ lớp.

Tỷ lệ pha loãng thấp: Với tốc độ phủ lớp vỏ cao và thời gian tiếp xúc với vũng kim loại nóng chảy ngắn, tỷ lệ pha loãng của lớp vỏ vẫn ở mức thấp.

Độ nhám bề mặt thấp và khả năng chống nứt: Quy trình này giúp giảm thiểu các khuyết tật trong lớp phủ, đảm bảo chất lượng cao.

Phủ lớp bằng laser trên dây với tốc độ cao

Dây tốc độ cao phủ lớp bằng laser sử dụng dây kim loại làm vật liệu phủ, được đưa vào chùm tia laser. Dây kim loại được nung chảy để tạo thành vũng kim loại nóng chảy, sau đó đông đặc lại để tạo thành lớp phủ.

Ưu điểm của công nghệ phủ lớp bằng tia laser trên dây tốc độ cao:

Lợi ích đối với môi trường: Việc sử dụng dây thay vì bột giúp loại bỏ hiện tượng bắn tóe và bụi kim loại, từ đó cải thiện hiệu quả bảo vệ môi trường.

Hiệu suất sử dụng nguyên liệu cao: Dây đã được nung chảy hoàn toàn, đảm bảo tỷ lệ sử dụng vật liệu gần như 99,1%.

Hiệu suất ốp lát cao: Lượng năng lượng đầu vào được kiểm soát và tốc độ phủ lớp nhanh giúp đạt được hiệu suất sử dụng vật liệu cao.

Ảnh hưởng của các thông số quy trình đối với hiệu ứng phủ bề mặt

Phủ lớp bằng laser Các thông số, bao gồm công suất laser, đường kính chùm tia, tốc độ phủ, độ lệch tiêu điểm, tốc độ cấp bột, tốc độ quét và nhiệt độ gia nhiệt trước, có ảnh hưởng đáng kể đến tỷ lệ pha loãng của lớp phủ, sự hình thành vết nứt, độ nhám bề mặt và mật độ tổng thể của các chi tiết được phủ. Việc thiết lập thông số không phù hợp có thể dẫn đến sự liên kết kim loại kém giữa lớp phủ và vật liệu nền, cản trở quá trình hình thành các kênh nhiều lớp.

Các thông số quy trình chính bao gồm:

Công suất laser: Yếu tố này quyết định thể tích vật liệu nền bị nóng chảy. Tăng công suất sẽ giúp lớp phủ dày hơn nhưng cũng làm tăng nguy cơ xuất hiện lỗ rỗng. Tuy nhiên, công suất cao hơn có thể giảm thiểu vết nứt và lỗ rỗng bằng cách cải thiện quá trình đông đặc động trong giai đoạn làm nguội.

Đường kính điểm: Đường kính chùm tia laser ảnh hưởng đến độ rộng của lớp phủ. Trong khi chùm tia có đường kính nhỏ mang lại chất lượng tốt hơn, thì chùm tia có đường kính lớn lại phù hợp hơn để chiếu xạ các khu vực rộng hơn.

Tốc độ lắp đặt tấm ốp: Tốc độ phủ ảnh hưởng đến mức độ tan chảy của bột hợp kim. Nếu tốc độ quá cao, bột sẽ không tan chảy hoàn toàn; nếu quá thấp, vũng hàn sẽ bị quá nhiệt, dẫn đến hao hụt vật liệu.

Các đặc điểm của công nghệ tạo bề mặt bằng phương pháp phủ lớp laser

Tốc độ làm mát nhanh và quá trình đông đặc nhanh.

Độ biến dạng nhiệt thấp, với tỷ lệ pha loãng thấp và độ bám dính kim loại tuyệt vời giữa lớp phủ và vật liệu nền.

Nhiều lựa chọn về chất liệu: Dựa trên sắt, dựa trên niken, dựa trên đồng, dựa trên titan, v.v.

Kiểm soát độ dày chính xác: Độ dày lớp phủ dao động từ 0,2 mm đến 2 mm, rất thích hợp để phục hồi các bộ phận dễ mòn.

Độ chính xác cao trong quá trình xử lý, thích hợp cho các khu vực nhỏ hoặc khó xử lý.

Tích hợp tự động hóa dễ dàng.

Hệ thống vật liệu phủ bằng laser

Việc lựa chọn vật liệu phủ là yếu tố quyết định để đạt được chất lượng bề mặt và các tính chất mong muốn. Thông thường, việc lựa chọn vật liệu phù hợp phụ thuộc vào các tính chất vật lý và hóa học của vật liệu nền, và vật liệu phủ phải được lựa chọn sao cho phù hợp.

Hệ thống vật liệu:

Bột hợp kim tự hàn: Chúng bao gồm các loại bột có thành phần chính là sắt, niken và coban, và thường được sử dụng nhất trong công nghệ phủ lớp bằng laser. Chúng có khả năng chống ăn mòn và oxy hóa rất tốt.

Bột composite: Các vật liệu này kết hợp gốm có điểm nóng chảy cao như cacbua, nitrua và borua với kim loại, tạo thành bột lý tưởng để sản xuất các lớp phủ chống mài mòn.

Bột gốm: Bao gồm các loại gốm sứ gốc oxit như oxit nhôm và oxit zircon, chúng thường được sử dụng để sản xuất các lớp phủ chịu nhiệt.

Các loại bột hợp kim khác: Các loại bột hợp kim gốc đồng, gốc titan, gốc nhôm và các loại bột hợp kim chuyên dụng khác cũng được sử dụng tùy theo yêu cầu của ứng dụng.

Kết luận

Phủ lớp bằng laser công nghệ này được ứng dụng rộng rãi trong các ngành như hàng không vũ trụ, ô tô, hóa dầu, luyện kim và vận tải đường sắt để sửa chữa và nâng cấp các bộ phận quan trọng. Bằng cách cung cấp một giải pháp tiết kiệm chi phí để sửa chữa các bộ phận bị hư hỏng, phủ lớp bằng laser giúp giảm chi phí, nâng cao hiệu quả và cải thiện hiệu suất. Với những tiến bộ trong công nghệ laser công suất cao và chi phí sản xuất giảm, phủ lớp bằng laser đang trở thành một chủ đề nóng trong cả nghiên cứu học thuật lẫn nghiên cứu công nghiệp.