Лазерное напыление металла ( ЛНМ ) — это процесс аддитивного производства , в котором исходный материал (обычно порошок ) расплавляется лазером , а затем наносится на подложку. [1] В качестве исходного материала могут использоваться различные чистые металлы и сплавы, а также композитные материалы, такие как композиты с металлической матрицей . [2] [3] Могут использоваться лазерные источники с широким спектром интенсивностей , длин волн и оптических конфигураций. Хотя ЛНМ обычно является процессом на основе расплава, это не является обязательным требованием, как обсуждается ниже. Процессы на основе расплава обычно имеют преимущество в прочности из-за достижения полного металлургического сплавления.
Синонимы включают лазерное порошковое формование и запатентованное лазерное сетевое формование , аддитивные производственные технологии, разработанные для изготовления металлических деталей непосредственно из твердотельной модели автоматизированного проектирования (САПР) с использованием металлического порошка, впрыскиваемого в расплавленную ванну, созданную сфокусированным мощным лазерным лучом. Этот процесс также может производить детали «почти» чистой формы , когда невозможно изготовить деталь в точном соответствии со спецификациями. В этих случаях для достижения конечного соответствия могут применяться такие постпроизводственные процессы, как легкая механическая обработка , отделка поверхности или термическая обработка . Другие запатентованные методы включают прямое осаждение металла (DMD) и лазерную консолидацию (LC). По сравнению с процессами, использующими порошковые слои, такими как селективная лазерная плавка (SLM), объекты, созданные с помощью этой технологии, могут быть существенно больше, даже до нескольких футов в длину. [4]
Как и при селективной лазерной плавке , мощность лазера не должна быть особенно высокой, пока энергия лазера достаточно сконцентрирована. Достижимая скорость добавления материала зависит как от величины приложенной мощности лазера, так и от теплоты плавления исходного сырья и материалов подложки. Поскольку разные материалы поглощают разные длины волн света, важно, чтобы длина волны лазерного источника была соответствующим образом согласована со спектром поглощения материала , чтобы гарантировать, что количество энергии, поглощаемой материалом, будет максимальным. Например, использование LMD для осаждения стали эффективно выполняется с использованием ИК-лазерных источников, в то время как для сплавов на основе меди зеленые лазеры имеют лучшее поглощение. [5]
Существует несколько различных процессов LMD, в которых как исходное сырье, так и энергия лазера доставляются разными способами и в разных местах.
Простейшая технология LMD предполагает предварительное размещение порошков. Исходный порошок помещается на поверхность или подложку, а затем сфокусированный лазер сканирует или растрирует его, заставляя исходный материал плавиться и сплавляться с подложкой. Обычно для уменьшения окисления вокруг зоны плавления используется инертный защитный газ. Этот процесс похож на селективную лазерную плавку , которая включает в себя систематический процесс послойного создания объекта путем селективной лазерной плавки в слое порошка.
В обычном порошковом LMD используются порошковое сопло или сопла, а также сфокусированный лазерный источник. Лазер фокусируется на подложке для формирования расплавленной ванны. Одновременно порошок распыляется из сопла в виде струи порошковой струи, направляя материал в расплавленную ванну, где он плавится. По мере удаления лазерного источника расплавленная ванна следует за ним, а материал в предыдущем месте затвердевает. Этот процесс обычно достигается с помощью лазерной наплавочной головки , которая объединяет порошковые сопла и лазерную оптику в одну сборку, причем оба они сфокусированы на одном целевом месте. Размер и площадь расплавленной ванны и порошкового шлейфа могут широко варьироваться и могут принимать точечную или линейную конфигурацию в зависимости от целевого применения. Что касается порошкового LMD, то для минимизации окисления обычно используется защитный газ. Газ-носитель, используемый для доставки порошка, также обычно является защитным газом. Процесс LMD можно использовать разными способами, например, путем сканирования широкой поверхности для создания тонкого ( <1 мм ) покрытия (обычно это называется лазерной наплавкой [6] [7] ) или путем растрирования на одной конкретной области в качестве процесса аддитивного производства для создания трехмерных объектов слой за слоем (иногда это называется направленным осаждением энергии ).
Высокоскоростной LMD (также известный как EHLA [8] ) отличается от обычного LMD фокусной точкой лазера и скоростью процесса наплавки. Для высокоскоростного LMD фокусная точка расположена над подложкой. [9] [10] Поскольку порошок распыляется через фокусную точку, большая часть энергии лазера поглощается порошком, где он плавится в полете. Это приводит к тому, что расплавленное порошковое сырье воздействует на подложку, где тепло передается от порошка к подложке. Обычно это приводит к тому, что меньшая часть тепловой энергии передается в подложку, и в результате высокоскоростной LMD производит более тонкий наплавленный валик (обычно < 0,5 мм за проход [11] ) с меньшим разбавлением и более тонкой зоной термического влияния по сравнению с обычным LMD. [12] Скорость осаждения (скорость расположения расплава на поверхности подложки) обычно как минимум в 10 раз выше, чем скорость обычного LMD, а скорость затвердевания материала также выше. [5] Типичным эффектом этих различий по сравнению с обычным LMD является осаждение с более гладкой поверхностью, более мелкозернистой микроструктурой, [13] улучшенной коррозионной стойкостью, [14] и более высокой твердостью. [15] Как 2D-покрытия, так и 3D-аддитивное производство также возможны с использованием высокоскоростного LMD. [16]
Подобно процессам сварки , LMD может быть выполнена с использованием металлической проволоки в качестве исходного сырья. [1] [2] Это может быть преимуществом, поскольку позволяет избежать затрат и усилий, необходимых для производства исходного порошка .
Сверхзвуковой LMD отличается от других процессов LMD тем, что лазер не используется для плавления материалов. Вместо этого, это в первую очередь модифицированный процесс холодного напыления , который является типом процесса твердотельного осаждения, включающего осаждение через сверхзвуковой струйный шлейф порошка. В сверхзвуковом LMD лазер используется для предварительного нагрева подложки и потока порошка, чтобы размягчить эти материалы. [17] Избегая плавления и работая при более низкой температуре, это снижает вероятность окисления исходного сырья и материалов подложки. [18]