Процессы упрочнения и нанесения покрытий с использованием лазерного излучения (Обзор)
Рассмотрено состояние развития процессов термического упрочнения, легирования, наплавки и нанесения покрытий, в которых основная роль отведена лазерному излучению. Представлены технологические схемы, указанных процессов, отмечены их достоинства и недостатки. На примере практического применения проан...
Gespeichert in:
| Datum: | 2008 |
|---|---|
| 1. Verfasser: | |
| Format: | Artikel |
| Sprache: | Russian |
| Veröffentlicht: |
Інститут електрозварювання ім. Є.О. Патона НАН України
2008
|
| Schriftenreihe: | Автоматическая сварка |
| Schlagworte: | |
| Online Zugang: | http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/100680 |
| Tags: |
Tag hinzufügen
Keine Tags, Fügen Sie den ersten Tag hinzu!
|
| Назва журналу: | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| Zitieren: | Процессы упрочнения и нанесения покрытий с использованием лазерного излучения (Обзор) / В.Ю. Хаскин // Автоматическая сварка. — 2008. — № 12 (668). — С. 24-32. — Бібліогр.: 54 назв. — рос. |
Institution
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine| id |
irk-123456789-100680 |
|---|---|
| record_format |
dspace |
| spelling |
irk-123456789-1006802016-05-27T03:02:43Z Процессы упрочнения и нанесения покрытий с использованием лазерного излучения (Обзор) Хаскин, В.Ю. Производственный раздел Рассмотрено состояние развития процессов термического упрочнения, легирования, наплавки и нанесения покрытий, в которых основная роль отведена лазерному излучению. Представлены технологические схемы, указанных процессов, отмечены их достоинства и недостатки. На примере практического применения проанализированы перспективы дальнейшего развития этих процессов. The paper considers the state-of-the-art in the field of heat hardening, alloying, cladding and coating processes, in which the main role is given to laser radiation. Flow diagrams of the above processes are presented, and their advantages and disadvantages are noted. Prospects for further development of these processes are analysed by examples of their practical application. 2008 Article Процессы упрочнения и нанесения покрытий с использованием лазерного излучения (Обзор) / В.Ю. Хаскин // Автоматическая сварка. — 2008. — № 12 (668). — С. 24-32. — Бібліогр.: 54 назв. — рос. 0005-111X http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/100680 621.791.72 ru Автоматическая сварка Інститут електрозварювання ім. Є.О. Патона НАН України |
| institution |
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| collection |
DSpace DC |
| language |
Russian |
| topic |
Производственный раздел Производственный раздел |
| spellingShingle |
Производственный раздел Производственный раздел Хаскин, В.Ю. Процессы упрочнения и нанесения покрытий с использованием лазерного излучения (Обзор) Автоматическая сварка |
| description |
Рассмотрено состояние развития процессов термического упрочнения, легирования, наплавки и нанесения покрытий, в которых основная роль отведена лазерному излучению. Представлены технологические схемы, указанных процессов, отмечены их достоинства и недостатки. На примере практического применения проанализированы перспективы дальнейшего развития этих процессов. |
| format |
Article |
| author |
Хаскин, В.Ю. |
| author_facet |
Хаскин, В.Ю. |
| author_sort |
Хаскин, В.Ю. |
| title |
Процессы упрочнения и нанесения покрытий с использованием лазерного излучения (Обзор) |
| title_short |
Процессы упрочнения и нанесения покрытий с использованием лазерного излучения (Обзор) |
| title_full |
Процессы упрочнения и нанесения покрытий с использованием лазерного излучения (Обзор) |
| title_fullStr |
Процессы упрочнения и нанесения покрытий с использованием лазерного излучения (Обзор) |
| title_full_unstemmed |
Процессы упрочнения и нанесения покрытий с использованием лазерного излучения (Обзор) |
| title_sort |
процессы упрочнения и нанесения покрытий с использованием лазерного излучения (обзор) |
| publisher |
Інститут електрозварювання ім. Є.О. Патона НАН України |
| publishDate |
2008 |
| topic_facet |
Производственный раздел |
| url |
http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/100680 |
| citation_txt |
Процессы упрочнения и нанесения покрытий с использованием лазерного излучения (Обзор) / В.Ю. Хаскин // Автоматическая сварка. — 2008. — № 12 (668). — С. 24-32. — Бібліогр.: 54 назв. — рос. |
| series |
Автоматическая сварка |
| work_keys_str_mv |
AT haskinvû processyupročneniâinaneseniâpokrytijsispolʹzovaniemlazernogoizlučeniâobzor |
| first_indexed |
2025-07-07T09:09:53Z |
| last_indexed |
2025-07-07T09:09:53Z |
| _version_ |
1836978687698796544 |
| fulltext |
УДК 621.791.72
ПРОЦЕССЫ УПРОЧНЕНИЯ И НАНЕСЕНИЯ ПОКРЫТИЙ
С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ЛАЗЕРНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ (Обзор)
В. Ю. ХАСКИН, канд. техн. наук (Ин-т электросварки им. Е. О. Патона НАН Украины)
Рассмотрено состояние развития процессов термического упрочнения, легирования, наплавки и нанесения покрытий,
в которых основная роль отведена лазерному излучению. Представлены технологические схемы, указанных процессов,
отмечены их достоинства и недостатки. На примере практического применения проанализированы перспективы
дальнейшего развития этих процессов.
К л ю ч е в ы е с л о в а : лазерные технологии, термообра-
ботка, легирование, наплавка, нанесение покрытий, гибрид-
ные и комбинированные процессы, достоинства и не-
достатки, практическое применение, перспективы разви-
тия
В области нанесения функциональных покрытий
все больший интерес вызывают процессы, в ко-
торых используется лазерное излучение [1, 2]. К
ним относятся как лазерные (наплавка и повер-
хностное модифицирование), так и гибридные или
комбинированные (лазерно-плазменное нанесе-
ние покрытий, лазерная обработка с высокочас-
тотным подогревом и др.). При их практической
реализации используется излучение технологи-
ческих лазеров: газового (CO2-лазер), твердотель-
ного (Nd:YAG-лазер), диодного (табл. 1) и воло-
конного [3]. С учетом хронологии появления и
расширения технологических возможностей про-
цесса с лазерным излучением можно расположить
в следующей последовательности: лазерные тер-
мообработка, легирование, наплавка и напыление,
гибридная сварка.
Лазерная термообработка заключается в воз-
действии сфокусированного лазерного излучения
на обрабатываемую деталь и осуществляется как
с оплавлением упрочняемой поверхности, так и
без него. В последнем случае требуется предва-
рительное нанесение покрытий, поглощающих ла-
зерное излучение [4, 5]. Основными преимущес-
твами этого процесса являются локальность теп-
лового воздействия (размер пятна нагрева обычно
составляет 0,1…10,0 мм), гибкий подвод энергии
к месту обработки, возможность получения слоев
с высокими твердостью и износостойкостью, мо-
дифицированных на глубину от нескольких мик-
рометров до 1,0…3,0 мм [6]. За счет происходя-
щего при этом измельчения зерен возможно уп-
рочнение металлов без образования твердых фаз.
К недостаткам процесса относятся появление
внутренних напряжений в дорожках упрочнения,
что может приводить к трещинообразованию, а
также вероятность порообразования при упроч-
нении с оплавлением за счет выделения газов при
выгорании неметаллических включений в основ-
ном металле [5, 7]. Наличие газов приводит к воз-
никновению пузырьков в жидком металле ванны
расплава, а из-за короткого времени существова-
ния ванны пузырьки не успевают подняться на
ее поверхность.
Одна из первых оригинальных разработок, в
полной мере использующая оптические преиму-
щества лазерного излучения для процессов термо-
© В. Ю. Хаскин, 2008
Та б л и ц а 1. Параметры различных типов лазеров высокой мощности, используемых в процессах упрочнения и
нанесения покрытий
Параметры лазера CO2-лазер
Nd:YAG с накачкой Диодный
ламповой диодной
Длина волны, мкм 10,6 1,06 1,06 0,8...0,94
КПД, % 5...10 1...3 10...12 30...50
Максимальная мощность, кВт 40 4 4 6
Средняя плотность мощности, Вт/см2 1⋅106...1⋅108 1⋅105...1⋅107 1⋅106...1⋅109 1⋅103...1⋅105
Период между сервисными обслуживаниями, ч 2000 200 10000 10000
Передача излучения по оптическому волокну Нет Есть Есть Есть
Качество излучения, мм⋅мрад 12 25...45 12 100...1000
24 12/2008
обработки, — это специальная оптика, которая
с помощью сегментированного зеркала интегри-
рует энергию путем наложения множества отдель-
ных элементов пучка [8]. В конце 1980-х годов
разработаны и применяли сканирующие головки
с микропроцессорным управлением для лазерной
термообработки и наплавки. До настоящего вре-
мени для равномерного распределения энергии
при обработке деталей сложной формы часто
используют сканирование лазерного излучения
[9], что обеспечивает значительную гибкость про-
цессов термоупрочнения и нанесения покрытий.
Лазерное легирование предполагает создание
на обрабатываемой поверхности сравнительно не-
большой (примерно диаметром 0,2...0,6 мм при
глубине 0,1...3,0 мм) ванны расплава, в которую
вводят металлические или неметаллические (нап-
ример, газообразные) легирующие элементы [4,
5, 10–12]. В результате перемещения теплового
источника относительно обрабатываемой повер-
хности на последней образуется слой с изменен-
ными физико-химическими характеристиками. К
преимуществам лазерного легирования относят
[4, 5] возможность легирования металлических
поверхностей на глубину до 2…3 мм с образо-
ванием как химических соединений, так и твер-
дых растворов легирующих элементов в структуре
металла; получение структур с высокой диспер-
сностью и минимальной зоной термического вли-
яния (ЗТВ) благодаря минимизации теплового
воздействия на подложку; значительное снижение
по сравнению с плазменными методами остаточ-
ных деформаций. Недостатки данного процесса
во многом аналогичны недостаткам лазерной тер-
мообработки. Отличие состоит в образовании пор,
свищей и выплесков, связанных с подачей в ванну
расплава легирующих материалов (в первую оче-
редь газообразных).
Лазерная наплавка как способ нанесения пок-
рытий берет свое начало от появившегося нес-
колько ранее лазерного легирования [4, 5, 10–12].
При наплавке за счет подачи наплавочного ма-
териала (в основном в виде порошка, реже —
проволоки) в зону действия сфокусированного в
пятно диаметром 1,0…5,0 мм лазерного излуче-
ния на обрабатываемой поверхности создается
покрытие определенной высоты с заданными фи-
зико-химическими характеристиками. Возможны
также варианты лазерной наплавки по предвари-
тельно нанесенным на подложку слоям наплав-
ляемого материала. Эти слои сначала получают
газотермическим напылением или обмазкой, сос-
тоящей из наплавочного порошка со связующим,
а затем переплавляют с помощью лазерного из-
лучения [13]. Наплавку с предварительным на-
пылением слоев обычно называют лазерным пе-
реплавом [14]. Полученное покрытие связано с
материалом основы переходной зоной сравни-
тельно малых (от 5…10 до 50…200 мкм) размеров
[4]. Прочность сцепления покрытия с основным
металлом достаточно высока и приближается к
прочности последнего.
Одним из важных моментов в технологии нап-
лавки является способ подачи наплавочного ма-
териала к подложке. Изучение лазерных способов
сварки и наплавки показало, что в то время как
в процессах с подачей проволоки обработка осу-
ществляется в основном практически в любом
пространственном положении, преимущество по-
рошковых материалов состоит в более эффектив-
ном поглощении лазерного излучения [15]. Нап-
лавку в нижнем положении можно выполнять пу-
тем предварительного распределения по обраба-
тываемой поверхности порошка [16]. Применение
порошковых материалов в иных пространствен-
ных положениях обычно требует нанесения пок-
рытий с помощью газопламенного [17] или плаз-
менного напыления [18] либо печной сушки пас-
тообразной обмазки [19]. Если порошок нельзя
распределить по поверхности наплавляемого из-
делия предварительно, то его подают специаль-
ными дозаторами в процессе наплавки. На сегодня
широкое распространение получила лазерная нап-
лавка с использованием присадочных порошко-
вых материалов, которые подаются непосредс-
твенно в зону действия лазерного излучения пос-
редством специальных порошковых дозаторов
различных конструкций [20].
К преимуществам лазерной наплавки относят
возможность нанесения наплавляемых слоев с за-
данными свойствами высотой 0,1…3,0 мм [4, 5];
значительное ослабление эффекта перераспреде-
ления компонентов из материала основы в нап-
лавленный слой, что способствует повышению
точности прогнозирования результатов и макси-
мальному приближению свойств наплавленного
слоя к свойствам наплавляемого материала [4, 19];
получение равноосных мелкокристаллических
(высокодисперсных) структур наплавленного ме-
талла и ЗТВ малой (до 0,1…0,5 мм) протяжен-
ности [21]; минимизация припуска под финиш-
ную механическую обработку составляет приб-
лизительно до 0,3…0,5 мм на сторону за счет ма-
лой (до 200…300 мкм) шероховатости наплавлен-
ной поверхности [22, 23].
Недостатками лазерной наплавки являются на-
личие поперечных холодных микротрещин в сло-
ях наплавки и легирования, возникновение кото-
рых является следствием релаксации высоких
внутренних напряжений растяжения [14]; возмож-
ность образования как внутренних, так и наруж-
ных пор, что связано с наличием неметаллических
включений, остаточной влажностью наплавочно-
го порошка, а также с загрязнением наплавляемой
поверхности; сравнительная дороговизна процес-
са, обусловленная высокой себестоимостью ла-
12/2008 25
зерного оборудования [4, 5]. Вопросы контроля,
снижения и полного устранения трещинообразо-
вания при лазерной наплавке исследовали в раз-
ное время многие авторы (например, [4, 5, 14]).
Сравнительно недавно украинскими учеными бы-
ла предложена математическая модель этого яв-
ления, связывающая расстояние между трещина-
ми с механическими свойствами покрытий и их
толщинами [24]. Из изложенного выше следует,
что к перспективным способам устранения не-
достатков процесса можно отнести те, которые
позволяют снизить остаточные термические нап-
ряжения в наносимых слоях в сочетании с тща-
тельной подготовкой присадочных порошков и
наплавляемой поверхности. К таким способам, в
частности, относится изменение термического
цикла процесса наплавки за счет использования
дополнительного теплового источника (например,
сочетание лазерного излучения с плазменной
струей).
С помощью лазерной наплавки получают из-
носо- и коррозионностойкие микрокристалличес-
кие, аморфизированные и аморфные покрытия из
достаточно широкой гаммы материалов [21]. Од-
нако в первой половине 1980-х годов лазерную
наплавку в основном применяли для восстанов-
ления изношенных деталей, работающих в усло-
виях трения-скольжения, ударных нагрузок, аб-
разивного износа и т. д. [4, 5, 22, 23]. Сегодня
лазерная восстановительная наплавка не утратила
своей актуальности даже в развитых странах [25],
более того, разработана технология подводной ла-
зерной наплавки [26].
В 1980-е годы активно проводили исследова-
ния процесса лазерного термического напыления
[27, 28]. Но поскольку выполненные таким спо-
собом покрытия по своим свойствам были близки
к покрытиям, выполняемым плазменными спосо-
бами сварки, в дальнейшем этот процесс получил
меньшее распространение, чем лазерная наплавка.
В качестве напыляемых в этом процессе исполь-
зуются как порошковые материалы, так и про-
волоки, которые подаются со скоростью
0,5…11,0 м/мин (рис. 1). Напыление можно вы-
полнять со скоростью 0,5…5,0 м/мин на дис-
танции между головкой и образцом 50…150 мм
при мощности CO2-лазера 1…5 кВт [27]. Пода-
ваемый под давлением 0,1…0,5 МПа технологи-
ческий газ может быть как инертным (например,
аргон), так и химически активным (азот, кисло-
род). Возможен также вариант порошкового ла-
зерного напыления с нагревом напыляемого по-
рошка лазерным излучением [28]. Различия между
процессами газопламенного напыления, лазерной
наплавкой и лазерным порошковым напылением
наглядно представлены на рис. 2. При лазерной
наплавке пятно нагрева лишь немногим меньше,
чем при лазерном напылении, однако в последнем
случае отсутствует прямое действие излучения на
подложку, что повышает локальность теплового
воздействия. Прочность сцепления слоев с под-
ложкой обратно пропорциональна высоте напы-
ляемых слоев. В работе [29], посвященной воп-
росу математического моделирования лазерного
порошкового напыления, расчеты проведены по
двум наиболее перспективным вариантам — с со-
осной подачей излучения и порошка и с нагревом
порошка излучением (рис. 2, в).
По схеме, представленной на рис. 1, при подаче
проволоки без использования порошка проводили
лазерное напыление титана и нитрида титана на
стальную основу путем распыления титановой
проволоки в смеси газов Ar + N2 с целью полу-
чения жаростойких покрытий [30]. В связи с мень-
шей по сравнению с порошками стоимостью про-
волок использование последних для лазерного на-
пыления позволяет снизить себестоимость этого
процесса. Но следует отметить, что выполненные
таким способом покрытия близки по своим свойс-
твам к получаемым дуговой металлизацией [31].
Достоинства лазерного напыления подобны ос-
новным достоинствам процессов газотермическо-
Рис. 1. Схема процесса лазерного напыления путем распыле-
ния проволоки с дополнительным введением порошковых
материалов для получения композитных покрытий: 1 —
подача порошка; 2 — сопло; 3 — распыляемая проволока;
4 — газ; 5 — лазерное излучение; 6 — напыляющая струя;
7 — подложка
26 12/2008
го (например, микроплазменного) напыления [32].
К недостаткам этого процесса в первую очередь
относят необходимость предварительной струй-
но-абразивной подготовки напыляемой поверх-
ности и достижение значительно меньшей по
сравнению с лазерной наплавкой прочности сцеп-
ления нанесенных слоев с подложкой.
Сегодня способом лазерного напыления полу-
чают тонкие покрытия с аморфной и кристалли-
ческой микроструктурой, имеющие шерохова-
тость, практически совпадающую с шерохова-
тостью напыляемой поверхности [33]. Такие пок-
рытия характеризуются свойствами как металлов,
так и полупроводников. Другим перспективным
направлением развития этого способа является на-
несение керамических покрытий, в частности, ла-
зерное напыление оксида алюминия [34]. При
этом покрытия можно наносить на подслой, нап-
ример, из никелевых сплавов.
Еще одним аспектом применения лазерного
напыления является прецизионный синтез трех-
мерных изделий. Авторы работы [35] предлагают
с помощью робота получать практически любые
трехмерные изделия из порошков металлов, ке-
рамик или полимеров. Процессы синтеза берут
свое начало от лазерного селективного спекания
[36]. Одним из наиболее перспективных совре-
менных направлений является DMD (direct metal
deposition) технология, которая применяется чаще
всего для изготовления штампов и пресс-форм
(рис. 3). В отличие от процесса, описанного в
работе [35], DMD технология может рассматри-
ваться как трехмерная лазерная наплавка, а не
напыление. В ходе процесса DMD лазерный пучок
фокусируется на металлической заготовке —
трехмерной пресс-форме (детали, приблизительно
воспроизводящей форму объекта) или на повреж-
денной металлической детали, где создает зону
расплавленного металла. Тонкая струя металли-
ческого порошка впрыскивается с помощью тран-
спортирующего газа в зону расплава. Цельноме-
таллическая деталь создается послойно в резуль-
тате перемещения лазерного излучения и струи
порошка под управлением компьютера по трех-
мерной CAD (computer аided design) модели.
Еще одним способом лазерного нанесения пок-
рытий является вакуумное лазерное осаждение,
называемое также лазерно-плазменным напыле-
нием. В случае использования модулированного
лазерного излучения длительность его импульсов
может составлять 60…350 нс при плотности мощ-
ности до 2…5 ГВт/см2. Таким способом выпол-
няют напыление тонких (менее микрометра) пле-
нок. Примерами поверхностного осаждения пле-
Рис. 2. Схемы технологических процессов газотермического напыления (а), лазерной наплавки (б) и лазерного порошкового
напыления (в) [26]
Рис. 3. Схема процесса трехмерного синтеза изделий по DMD
технологии: 1 — излучение СО2-лазера; 2 — фокусирующая
оптика; 3 — подача порошка; 4 — защитный газ; 5 — сенсоры
оптической системы обратной связи; 6 — создаваемый
объект; 7 — заготовка или форма; 8 — платформа
12/2008 27
нок могут служить тонкие пленки высокотемпе-
ратурных сверхпроводников, пленки из таких ма-
териалов, как GaAs, InGaAs, PbTe, Bi, ZrO2,
SrTiO3, ZnO, а также алмазоподобные [37]. Тонкие
поверхностные пленки получают при использо-
вании лазерного излучения в CVD (chemical vapor
deposition) и PVD (physical vapor deposition) про-
цессах [38]. Как правило, здесь лазерное излуче-
ние выполняет вспомогательную роль для улуч-
шения уже существующих процессов, что отра-
жено в названиях LACVD (Laser asisted CVD) и
LECVD (Laser enhanced CVD). К преимуществам
этих процессов следует отнести возможность дос-
тижения высоких физико-механических свойств
покрытия, получение поверхностей, не нуждаю-
щихся в финишной обработке и имеющих ше-
роховатость, аналогичную шероховатости под-
ложки; к недостаткам — наличие специальных
камер и вакуумной аппаратуры, сложность под-
готовки поверхности изделия для нанесения пок-
рытия, нежелательное осаждение наносимого ма-
териала на поверхности оборудования внутри
вакуумных камер.
В последнее время ведутся разработки таких
комбинированных технологических процессов,
как наплавка, нанесение покрытий и термообра-
ботка, выполняемых лазерным излучением с со-
путствующим высокочастотным (ВЧ) подогревом
[39]. При наличии подающего наплавочный по-
рошок дозатора-питателя по аналогичной схеме
(рис. 4) реализуется процесс лазерно-индукцион-
ной наплавки.
Одним из примеров применения лазерно-ин-
дукционной термообработки является поверхнос-
тный переплав чугунных кулачков с целью по-
лучения износостойкого ледебуритного слоя. ВЧ
составляющая позволяет устранять остаточные
внутренние напряжения и микротрещины в мо-
дифицированном слое. Именно это (наряду с воз-
можностью значительного повышения скорости
обработки либо снижения лазерной мощности) и
является основным достоинством лазерно-индук-
ционных процессов. К недостаткам относится
объемный разогрев обрабатываемой детали до вы-
соких (500…1000 °С) температур, что может при-
вести к термодеформациям. Поэтому комбиниро-
ванной лазерно-индукционной обработке целесо-
образно подвергать осесимметричные изделия
(например, тела вращения). Еще одним недостат-
ком можно считать значительную энергоемкость
комбинированного процесса. В подобных процес-
сах, помимо ВЧ электромагнитного поля, может
также использоваться постоянное электрическое.
Разновидностью комбинированной обработки,
при которой используется лазерное излучение, яв-
ляются лазерно-светолучевые технологии [40].
Светолучевые технологические процессы активно
развивались в 1970–1980-е годы [41]. Светолуче-
вые обработки успешно применяют для сварки
и пайки (например, автомобильных радиаторов),
но больший интерес этот процесс представляет
для термообработки, в том числе комбинирован-
ной лазерно-светолучевой [40]. В последнем слу-
чае светолучевой подогрев выполняет ту же роль,
что и индукционный или электрический, но при
этом отсутствует такой недостаток, как повышен-
ная энергоемкость.
В последнее десятилетие на смену сугубо ла-
зерным технологиям все чаще приходят гибрид-
ные и комбинированные. К ним относятся лазер-
но-плазменные процессы, в которых используется
совместное действие дуговой плазмы и лазерного
энергетического источника. Проведенные в ИЭС
им. Е. О. Патона исследования процессов взаи-
модействия сфокусированного излучения СО2-ла-
зера с плазмой столба электрической дуги пока-
зали, что в такой системе возможно возникнове-
ние особого типа газового разряда — комбини-
рованного лазерно-дугового [42]. Его свойства от-
личаются от свойств как электрической дуги, так
и оптического разряда, поддерживаемого лазер-
ным излучением. Способность комбинированного
разряда генерировать высокотемпературную плаз-
му с высокой степенью неравновесности (неизо-
термичности) даже при атмосферном давлении
окружающего газа делает его привлекательным
для применения в плазмохимических, в том числе
CVD технологиях. Проведенные в ИЭС им. Е. О.
Патона теоретические и экспериментальные ис-
следования показали, что указанные свойства
комбинированного разряда могут быть положены
в основу создания нового класса плазменных ус-
тройств — интегрированных лазерно-дуговых
Рис. 4. Схема лазерно-индукционной термообработки и нап-
лавки с сопутствующим ВЧ-подогревом [39]: 1 — лазерное
излучение; 2, 3 — соответственно фокусирующая и сканиру-
ющая оптика; 4 — индуктор; 5 — сформированный лазерный
луч; 6 — нагреваемые посредством индуктора участки образ-
ца; 7 — обрабатываемый образец
28 12/2008
плазмотронов [43, 44]. Для таких новых гибрид-
ных процессов, как лазерно-микроплазменная
сварка, наплавка и напыление, гибридное лазер-
но-плазменное нанесение алмазных и алмазопо-
добных покрытий, разработанных в ИЭС им. Е. О.
Патона, создан ряд не имеющих аналогов в ми-
ровой практике интегрированных лазерно-дуго-
вых плазмотронов прямого и косвенного действия
[44].
Обычно развитие лазерно-плазменных процес-
сов происходит в направлении модификации по-
верхностей и нанесения покрытий толщиной
0,1…3,0 мм [45, 46]. Ярким примером модифи-
кации поверхностей может служить лазерно-плаз-
менная закалка и термоупрочнение [45]. Во мно-
гом этот процесс схож с лазерным термоупроч-
нением [4–6]. Основным отличием является воз-
можность замены определенной доли лазерной
энергии энергией дуговой плазмы. Большой ин-
терес представляют процессы лазерно-плазменно-
го напыления (рис. 5). В этих процессах объеди-
нено действие лазерного нагрева поверхности с
плазменным нанесением покрытий при совме-
щении пятна фокусирования лазерного излучения
3 с зоной формирования покрытия 5 (рис. 5) [46].
Эта технология получила название плазменное на-
пыление, сопровождаемое лазерным нагревом
(Laser assisted atmospheric plasma spraying) [47].
Применение этого процесса дает возможность по-
лучить плотный слой с повышенной прочностью
сцепления. Фирмы «LERMPS-IPSe» и «IREPA-
Laser» разработали и запатентовали технологию
«Протал», которая за счет неполного перекрытия
зоной лазерного нагрева зоны плазменного на-
пыления обеспечивает эффект подготовки повер-
хности путем абляции поверхностного слоя ос-
новы, что исключает необходимость струйно-аб-
разивной обработки [47, 48].
Вслед за японскими и французскими учеными
[48] исследования процесса лазерно-плазменного
напыления проводили в Германии (Институт Фра-
унгофера), РФ, а также в Украине. В частности,
в РФ созданы плазменно-лазерная ос-
настка и технологии получения пок-
рытий с помощью динамических фо-
кусаторов [49]. Украинскими учеными
[50] предложена математическая мо-
дель, описывающая движение и нагрев
частиц порошка при лазерном, плаз-
менном и гибридном напылении.
Проведены эксперименты по при-
менению комбинированных лазерно-
плазменных процессов нанесения на
режущий инструмент покрытий, отли-
чающихся повышенными тепло- и из-
носостойкостью, а также пониженным
коэффициентом трения-скольжения
при контактных эксплуатационных нагрузках
[45].
В Украине приоритет в области комбиниро-
ванного лазерно-плазменного нанесения покры-
тий принадлежит ИЭС им. Е. О. Патона, работы
в этом направлении ведутся с начала 2000 г. [44].
Первоначально в исследованиях использовали
непрерывное излучение CO2-лазера, в отличие от
зарубежных разработок, в которых применяли им-
пульсное излучение Nd:YAG-лазера [46] или неп-
рерывное излучение Nd:YAG и диодного лазеров
[51]. В настоящее время в ИЭС им. Е. О. Патона
осваиваются приемы лазерно-плазменного нане-
сения покрытий с использованием лазеров ука-
занного типа. Более прогрессивным в плане сов-
местного использования энергии лазерного излу-
чения и плазмы является способ гибридного на-
несения покрытий, при котором лазерное излу-
чение пропускается по оси плазмы [42, 43, 52].
При этом транспортирование порошкового мате-
риала осуществляют с предварительным подог-
ревом за счет энергии лазерно-плазменного раз-
ряда [51]. В отличие от этого гибридного способа,
способ, представленный на рис. 5, следует счи-
тать комбинированным. В этом случае для подог-
рева напыляемого порошка используют только
энергию плазмы.
Кроме лазерно-плазменного напыления, в нас-
тоящее время развивается технология гибридной
лазерно-плазменной наплавки. В этом процессе
используют плазмотроны прямого действия и в
основном порошковые наплавочные материалы
[53]. Главным его преимуществом является осу-
ществление дополнительного сжатия плазменной
дуги за счет использования сфокусированного ла-
зерного излучения (рис. 6). По мнению авторов ра-
боты [54], наиболее перспективным для этой цели
является импульсное излучение Nd:YAG-лазеров в
связи с возможностью его гибкого подвода по оп-
тическому волокну в оптимизированном простран-
ственном положении. По сравнению с лазерной нап-
лавкой лазерно-плазменная позволяет существенно
Рис. 5. Схемы процесса комбинированного лазерно-плазменного напыления
покрытий [46]: 1 — образец; 2 — плазменная струя, транспортирующая
порошок; 3 — лазерное излучение; 4 — нанесенный слой; 5 — зона форми-
рования покрытия
12/2008 29
снизить остаточные напряжения в наплавленных
слоях, однако одним из основных ее недостатков
остается значительное тепловое воздействие на
наплавляемое изделие.
Анализ достоинств и недостатков плазменных,
лазерных и лазерно-плазменных процессов нап-
лавки и нанесения покрытий позволяет выявить
следующее. Особенностями большинства процес-
сов плазменного напыления являются необходи-
мость предварительной (чаще всего струйно-аб-
разивной) подготовки поверхности, применение
в ряде случаев подслоев и определенный уровень
несплошности (микропористости) покрытий
(табл. 2).
В случае плазменной наплавки деталь может ис-
пытывать значительный нагрев, что приводит к ос-
таточным термодеформациям. Лазерные и лазер-
но-плазменные процессы позволяют минимизиро-
вать нагрев детали, повысить прочность сцепления
наносимых слоев с подложкой, отказаться от на-
несения подслоев и упростить подготовку обра-
батываемой поверхности. Однако в лазерных про-
цессах наплавки есть и определенные недостатки:
напряженное состояние наплавленных слоев, на-
личие в них пор и микротрещин. Гибридные (ком-
бинированные) лазерно-плазменные процессы за
счет взаимодействия составляющих либо их сов-
местного влияния на обрабатываемое изделие час-
тично или полностью не имеют указанных не-
достатков. Так, сжатие и стабилизация плазмен-
ной дуги лазерным излучением позволяет повы-
сить скорость процесса обработки и снизить общее
тепловложение; предварительный подогрев порошка
комбинированным разрядом в сочетании с измене-
нием термического цикла лазерной обработки за счет
добавки плазменной составляющей снижает остаточ-
ные напряжения, устраняет поро- и трещинообра-
зование; очистка обрабатываемой поверхности за
счет лазерной абляции и ее поверхностное оплав-
ление упрощает операцию предварительной подго-
товки и т. д.
Таким образом, анализ процессов лазерного и
гибридного (комбинированного) упрочнения и на-
несения покрытий показал, что благодаря их
применению стали возможными получение кор-
розионно- и износостойких покрытий с повышен-
ными физико-механическими характеристиками,
синтез трехмерных объектов, создание тонких
покрытий (например, алмазных и алмазоподоб-
ных), отличающихся специальными свойствами.
Перспективы дальнейшего развития лазерно-плаз-
менных (лазерно-дуговых) процессов модифициро-
вания поверхностей и нанесения покрытий связаны
с устранением недостатков, присущих каждой из сос-
тавляющих в отдельности (лазерному и дуговому те-
пловым источникам), а также с повышением
эффективности их взаимодействия.
Рис. 6. Схема оптимизированного соотношения геометричес-
ких параметров процесса порошковой лазерно-плазменной
наплавки, при которой используется излучение Nd:YAG-ла-
зера (деталь — анод) [54]
Та б л и ц а 2. Сопоставление характеристик процессов газотермического и лазерного нанесения покрытий
Характеристики процесса
нанесения покрытий Газотермическое напыление Лазерное нанесение покрытий
Тепловой источник Газовое пламя, электрическая дуга или плазма Лазерное излучение высокой интенсивности
Связь покрытия с основой Механическая связь низкой или умеренной
прочности* Высокопрочная металлургическая связь
Структура покрытия Чешуйчатая; от пористой до почти плотной* Плотные; слои без трещин и пор
Тепловая нагрузка
на рабочую зону Низкая температура нагрева* Незначительный нагрев
Смешение с металлом основы Отсутствует Незначительное
Толщина покрытия От 0,05 до нескольких миллиметров 0,5…3,0 мм
Материал покрытий Широкая номенклатура металлов, сплавов,
твердых металлов, керамик и полимеров*
Металлы и сплавы; сплавы с твердыми части-
цами; твердые металлы; керамика
Производительность От низкой до высокой* От низкой до умеренной/(высокой)*
Себестоимость От низкой до высокой* От умеренной до высокой
* В зависимости от типа процесса.
30 12/2008
1. Григорьянц А. Г., Мисюров А. И. Возможности и перс-
пективы применения лазерной наплавки // Технол. ма-
шиностр. — 2005. — № 10. — С. 52–56.
2. Коваленко В. С. Лазерная технология на новом этапе разви-
тия // Автомат. сварка. — 2001. — № 12. — С. 4–10.
3. Vuoristo P., Tuominen J., Nurminen J. Laser coating and
thermal spraying — process basics and coating properties //
Proc. of ITSC-2005, Basel, Switzerland, May 2–4, 2005. —
Basel, 2005. — P. 1270–1277.
4. Лазерная техника и технология: В 7 кн. — М.: Высш.
шк. — Кн. 3: Григорьянц А. Г., Сафонов А. Н. Методы
поверхностной лазерной обработки: Учеб. пособие для
вузов / Под ред. А. Г. Григорьянца, 1987. — 191 с.
5. Технологические лазеры: Справ.: В 2 т. — М.: Машинос-
троение. — Т. 1: Расчет, проектирование и эксплуатация
/ Г. А. Абильсиитов, В. С. Голубев, В. Г. Гонтарь и др.;
Под ред. Г. А. Абильсиитова, 1991. — 432 с.
6. Свойства доэвтектоидных комплексно-легированных
сталей после лазерной термообработки / В. Ю. Хаскин,
С. Ю. Павловский, В. П. Гаращук и др. // Автомат. свар-
ка. — 2000. — № 5. — С. 53–57.
7. Канарчук В. Є., Чигринець А. Д., Шапошников Б. В. Лазерна
техніка та технологія для зміцнення і відновлення деталей і
апаратів. — К.: Укр. транспорт. ун-т, 1995. — 42 с.
8. Pat. 4195913 US. Optical integration with screw supports /
D. Dourte, N. J. Spawr, R. L. Pierce. — Publ. 04.80.
9. Pat. 4387952 US. Single axis beam scanner / R. B. Slus-
her. — Publ. 14.06.83.
10. Abboud J. H., West D. R. F. Processing aspects of laser sur-
face alloying of titanium with aluminium // Mater. Sci. and
Technol. — 1991. — 7, № 4. — P. 353–356.
11. Laser surface alloying using metal salt precursors / M. Pons,
A. Hugon, A. Galerie, A. Fasasi // Surface and Coat. Tech-
nol. — 1991. — 45, № 1–3. — P. 443–448.
12. Katayama S., Matsunawa A., Arata Y. Laser nitriding and
hardening of titanium and other materials // Electron and
laser beam weld. // Proc. Intern. conf., Tokyo, July 14–15,
1986. — Oxford, 1986. — P. 323–324.
13. Pokhmurska H. V., Dovhunyk V. M., Student M. M. Wear re-
sistance of laser-modified arc-sprayed coatings made of
FMI-2 powder wires // Mater. Sci. — 2003. — 39, № 4. —
P. 533–538.
14. Похмурська Г. В. Утворення тріщин у газотермічних
покривах залежно від умов їх лазерного переплавлюван-
ня // Фіз.-хім. механіка матеріалів. — 2003. — № 1. —
С. 59–62.
15. Laserstrahlschweiβen mit pulverfoеrmigem Schweiβzusatz /
Edelstahl-Mechanik GmbH // Praktiker. — 2007. — № 3. —
S. 68–69.
16. Steen W. M., Courtney C. G.H. Hardfacing of nimonic 75
using 2 kW continuous wave CO2 laser // Metals Technol.
— 1980. — June. — P. 89–93.
17. Irons G. C. Laser fusing of flame spray coatings // Welding
J. — 1978. — № 12. — P. 156–161.
18. Ayers J. D., Schaefer R. J. Consolidation of plasma-sprayed
coatings by laser remelting // Laser applications in materials
processing. — 1979. — 198. — P. 142–148.
19. Matthews S. J. Laser fusing of hardfacing alloy powders //
Lasers in materials proc.: ASM conf. proc., Florida, USA,
Nov., 1983. — Florida, 1983. — P. 138–148.
20. Автоматические порошковые питатели и технология ла-
зерной наплавки / Zeng Xaoyan, Zhu Beidi, Tao Zengyi et
al. // Chin J. Lasers. — 1993. — 20, № 3. — P. 210–214.
21. Теоретическое исследование процессов лазерной амор-
физации и получения микрокристаллических структур /
И. Н. Завестовская, В. И. Игошин, А. П. Канавин и др. //
Тр. ФИАН. — 1993. — 217. — С. 3–12.
22. Применения лазерной технологии в ремонтном произ-
водстве / В. Е. Архипов, Е. М. Биргер, Т. А. Смолонская
и др. // Свароч. пр-во. — 1985. — № 1. — С. 7–8.
23. Лазерная наплавка фасок клапанов двигателя внутренне-
го сгорания / А. Г. Григорянц, А. Н. Сафонов, В. В. Ши-
баев и др. // Там же. — 1984. — № 5. — С. 19–20.
24. Чекурін В. Ф., Похмурська Г. В. Математична модель
розтріскування лазерно модифікованих металопорошко-
вих покривів // Фіз.-хім. механіка матеріалів. — 2004. —
— № 5. — С. 18–22.
25. Гофман Я. Восстановление сменных деталей с помощью
лазерных технологий // Автомат. сварка. — 2001. —
№ 12. — С. 37—38.
26. Underwater cladding with laser beam and plasma arc wel-
ding / R. A. White, R. Fusaro, M. G. Jones et al. // Welding
J. — 1997. — № 1. — P. 57–61.
27. Fundamental study on thermal spraying by laser / M. Yone-
da, A. Utsumi, K. Nakagawa et al. // Proc. of ATTAC’88,
Osaka, May, 1988. — Osaka, 1988. — P. 137–142.
28. Wolf S., Volz R. Das Laserstrahlbeschichten integrierbarer
Oberflaеchenschutz fuеr ein breites Anwendungsspektrum
des modernen Maschinenbaus // Proc. of thermal spraying
conf. TS’96, Essen, Deutschland, Мar. 1996. — Essen,
1996. — S. 160–163.
29. Бушма А. И., Васенин Ю. Л., Кривцун И. В. Моделирова-
ние процесса лазерного напыления керамических покры-
тий с учетом рассеяния лазерного пучка напыляемыми
частицами // Автомат. сварка. — 2005. — № 12. —
С. 12–17.
30. Production of compositionally gradient coatings by laser
spraying method / A. Utsumi, J. Matsuda, M. Yoneda et al. //
Proc. of ITSC’95, Kobe, Japan, May, 1995. — Kobe, 1995.
— P. 325–330.
31. Применение металлизации для восстановления деталей
авиатехники из сталей 30ХГСР2А и 30ХГСА / С. Н. Юр-
кевич, Е. Г. Прищепов, А. С. Прядко, В. Н. Мышковец //
Ремонт, восстановление, модернизация. — 2006. — № 6.
— С. 32–33.
32. Газотермические покрытия из порошковых материалов:
Справ. / Ю. С. Борисов, Ю. А. Харламов, С. Л. Сидорен-
ко, Е. Н. Ардатовская. — Киев: Наук. думка, 1987. —
544 с.
33. Pat. 6312768 US. Method of deposition of thin films of
amorphous and crystalline microstructures based on ultrafast
pulsed laser deposition / A. Rode, E. Gamaly, D. Luther-Da-
vies. — Publ. 06.11.2001.
34. Microstructure of Al2O3 nanocrystalline/cobalt — based
alloy composite coatings by laser deposition / Mingxi Li,
Yizhu He, Xiaomin Yuan, Shihong Zhang // Materials &
Design. — 2006. — 27. — P. 1114–1119.
35. Uchiyama F., Tsukamoto K., Fons P. Three-dimensional de-
vice fabrication using the laser spray process technique //
Proc. of ITSC’95, Kobe, Japan, May, 1995. — Kobe, 1995.
— P. 259–262.
36. Ragulya A. V. Selective laser sintering of multilayer oxide
ceramics // Functional Materials. — 2001. — 8, № 1. —
P. 162–166.
37. Varyukhin V. N., Shalaev R. V., Prudnikov A. M. Properties
of diamond films obtained in a glow discharge under laser ir-
radiation // Ibid. — 2002. — 9, № 1. — P. 111–114.
38. Хокинг М., Васантасри В., Сидки П. Металлические и
керамические покрытия: Получение, свойства и приме-
нение. — М.: Мир, 2000 — 518 с.
39. Induktiv unterstuеtzte Lasermaterialbaerbeitung / B. Brenner,
J. Standfuβ, V. Fux, S. Bonβ. — Dresden, Germany: Fraun-
hofer-Institut fuеr Werkstoff- und Strahltechnik, 2001. —
6 S.
40. Лазерно-световая обработка материалов как новое нап-
равление в гибридных процессах / А. Г. Григорьянц,
И. Н. Шиганов, С. С. Шилов, Г. М. Алексеев // Технол.
машиностр. — 2005. — № 10. — С. 37–45.
41. Хорунов В. Ф., Шань Цзиго. Сварка и пайка с использо-
ванием светового луча дуговых ксеноновых ламп (Об-
зор) // Автомат. сварка. — 1995. — № 5. — С. 48–52.
42. Laser-arc discharge: Theory and applications / V. S. Gvoz-
detsky, I. V. Krivtsun, M. I. Chizhenko et al. // Welding and
Surfacing Rev. — 1995. — 3. — 148 p.
43. Seyffarth P., Krivtsun I. V. Laser-arc processes and their ap-
plications in welding and material treatment // Welding and
allied processes. — London: Taylor and Francis Books. —
2002. — Vol. 1. — 200 p.
44. Integrated laser-arc plasmatron for laser-plasma spraying
and CVD processes / Yu. Borisov, A. Bushma, A. Fomakin
12/2008 31
et al. // Laser technologies in welding and materials proces-
sing: Proc. of the Sеcond Intern. conf., vil. Katsiveli, Gri-
mea, Ukraine, May 23–27, 2005. — Kiev: E. O. Paton Elect-
ric Welding Institute NASU, 2005. — P. 57–59.
45. Лазерно-плазменное упрочнение поверхностных слоев
быстрорежущих сталей / В. В. Мелюков, В. А. Кузьмин,
А. В. Частиков и др. // Материалы 7-й Международ.
практ. конф.-выставки, Санкт-Петербург, 13–16 апр.
2005 г. — С.-Пб., 2005. — С. 156–164.
46. Pat. 5688564 US. Process for the preparation and coating of
a surface / C. L. M. Coddet, T. Marchione. — Publ.
18.11.97.
47. Characterization of сoatings deposited by laser-assisted at-
mospheric plasma spraying / R. Zreris, S. Nowotny, L.-M.
Berger et al. // Proc. of thermal spray conf., Orlando, USA,
2003. — Orlando, 2003. — P. 567–572.
48. Surface preparation and thermal spray in a single step: the
PROTAL process / C. Coddet, G. Montagon, T. Marchione,
O. Freneaux // Proc. of 15th ITSC, Nice, France, 1998. —
Nice, 1998. — Vol. 2. — P. 1321–1325.
49. Повышение эффективности плазменной обработки мате-
риалов при введении дополнительного источника
энергии в виде лазерного излучения / Е. А. Чащин, А. В.
Федин, А. А. Митрофанов, И. В. Шилов // Высокие тех-
нологии, фундаментальные и прикладные исследования:
Сб. тр. Третьей междунар. науч.-практ. конф. «Исследо-
вание, разработка и применение высоких технологий в
промышленности», Санкт-Петербург, 14–17 март.
2007 г. — С.-Пб.: Изд-во политехн. ун-та, 2007. —
С. 119–120.
50. Борисов Ю. С., Бушма А. И., Кривцун И. В. Моделирова-
ние движения и нагрева частиц порошка при лазерном,
плазменном и гибридном напылении // Доп. НАН Ук-
раїни. — 2005. — № 1. — С. 86–94.
51. Pat. 6197386 US. Method for applying a coating by means
of plasma spraying while simultaneously applying a conti-
nuous laser beam / E. Beyer, S. Nowotny. — Publ.
06.03.2001.
52. Structure and microhardness of coatings of high-chromium
cast iron powder in hybrid spraying and plasma spraying
with subsequent laser glazing / O. G. Devoino, M. A. Karda-
polova, I. V. Krivtsun at al. // Laser technologies in welding
and materials processing: Proc. of the Third Intern. conf., vil.
Katsiveli, Grimea, Ukraine, 29 May–27 June, 2007. — Kiev:
E. O. Paton Electric Welding Institute NASU, 2007. — P.
19–23.
53. Hai-ou Zhang, Ying-ping Qian, Gui-lan Wang. Study of
rapid and direct thick coating deposition by hybrid plasma—
laser manufacturing // Surface & Coatings Technol. — 2006.
— 201. — P. 1739–1744.
54. Wilden J., Bergmann J. P., Dolles M. Riporti superficiali
laser: aumento di efficienza e flessibilita tramite processi ib-
ridi // Riv. Ital. Saldatura. — 2005. — Nov./Dic., 2005. —
P. 809–816.
The paper analyzes the status of processes of heat hardening, alloying, cladding and coating, in which the main role is
given to laser radiation. Technological sequences of the above processes are given, their advantages and disadvantages are
noted. Prospects of further development of these processes are analyzed based on examples of their practical application.
Поступила в редакцию 19.06.2007
ИННОВАЦИОННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ И ЭКОНОМИКА
В МАШИНОСТРОЕНИИ
VII Всероссийская научно-практическая конференция
с международным участием
21–22 мая 2009 г. г. Юрга
СЕКРЕТАРИАТ КОНФЕРЕНЦИИ
Адрес: ЮТИ ТПУ, 652050, Кемеровская обл., г. Юрга, ул. Ленинградская, 26.
Телефон для справок: (8-384-51) 6-53-95
Факс: (8-384-51) 6-53-95
E-mail: UTISCIENCE@RAMBLER.RU
Секретарь конференции: Е. Г. Фисоченко
• Томский политехнический университет
• Юргинский технологический институт (филиал
Томского политехнического университета)
• Департамент образования и науки Кемеров-
ской области
• Администрация г. Юрги
• ООО «Юргинский машиностроительный
завод»
• Инновационные технологии получения не-
разъемных соединений в машиностроении
• Инновационные технологии получения и обра-
ботки материалов в машиностроении
• Автоматизация, информатизация, экономика
и менеджмент на предприятии
• Защита окружающей среды, безопасность и
сохранность здоровья на предприятиях
• Передовые технологии и техника для разра-
ботки недр и землепользования
32 12/2008
|