레이저 클래딩이란? 특성 및 응용 분야

레이저 클래딩 개요

레이저 클래딩은 다양한 충진 방법을 사용하여 선택한 코팅 재료를 기판 표면에 증착하는 공정입니다.

재료는 레이저를 조사한 후 기판 표면에 얇은 층으로 녹은 다음 빠르게 응고되어 최소한의 희석과 기판 재료와의 야금 결합으로 표면 코팅을 형성합니다.

이는 표면의 마모, 부식, 열, 산화에 대한 저항성을 크게 개선하고 기본 소재의 전기적 특성을 향상시킵니다.

레이저 클래딩은 기판의 특성을 변경하지 않고 저렴한 금속 기판 위에 고성능 합금 표면을 만들 수 있는 비용 효율적인 기술입니다. 이를 통해 비용을 절감하고 귀금속 및 희귀 금속 재료를 절약할 수 있습니다.

레이저 클래딩에 사용되는 레이저는 주로 CO₂ 레이저와 디스크 레이저, 파이버 레이저, 다이오드 레이저와 같은 고체 레이저를 포함합니다.

레이저 클래딩의 공정 특성

레이저 클래딩은 분말 공급 공정에 따라 분말 사전 설정 방식과 동기식 분말 공급 방식의 두 가지 범주로 나눌 수 있습니다.

두 방법은 비슷하지만 동기식 분말 공급은 자동화 및 제어가 용이하고 레이저 에너지 흡수율이 높으며 내부 다공성이 없는 등의 장점이 있습니다. 이는 클래딩 층의 균열 방지 특성을 크게 개선하고 클래딩 층 전체에 경질 세라믹 상이 균일하게 분포할 수 있기 때문에 금속 세라믹 클래딩에 특히 유용합니다.

1. 레이저 클래딩에는 다음과 같은 특징이 있습니다.

• 빠른 냉각 속도(최대 106K/s)로 빠른 응고 과정을 통해 미세한 결정 구조를 얻거나 비고정상 및 비정질 상태와 같이 평형 상태로는 얻을 수 없는 새로운 상을 쉽게 생성할 수 있습니다.
• 낮은 코팅 희석률(일반적으로 5% 미만)로 기판과의 금속학적 또는 계면 확산 결합이 견고합니다. 희석률이 낮은 우수한 코팅은 다음을 조정하여 얻을 수 있습니다. 레이저 프로세스 매개변수를 설정하고 코팅 조성 및 희석 정도를 제어할 수 있습니다.
• 특히 고출력 밀도 래피드 클래딩을 사용할 때 부품의 조립 공차 내에서 왜곡을 유지하면서 열 입력 및 왜곡을 줄입니다.
• 특히 입금 시 파우더 선택에 대한 제한이 거의 없습니다. 고융점 합금 저융점 금속에서
• 0.2mm~2.0mm 범위의 단일 채널 파우더 피드 코팅 두께로 다양한 클래딩 레이어 두께를 제공합니다.
• 재료 소비가 적고 가격 대비 성능이 뛰어난 선택적 증착이 가능합니다.
• 빔 조준을 통해 접근이 불가능한 영역을 융합할 수 있습니다.
• 간편한 자동화.

레이저 클래딩은 내마모성 덕분에 유전에서 흔히 마모되는 부품을 수리하는 데 매우 적합합니다.

2. 레이저 클래딩과 레이저 합금의 차이점과 유사점

레이저 클래딩과 레이저 합금은 모두 고에너지 밀도 레이저 빔을 사용하여 기판 표면에 합금 클래딩 층을 형성하며, 이는 기판과 융합되어 고유한 구성과 특성을 갖습니다.

두 프로세스는 비슷하지만 근본적으로 다르며 다음과 같은 주요 차이점이 있습니다:

(1) 레이저 클래딩에서 클래딩 재료는 매우 얇은 매트릭스 용융 층으로 완전히 용융되어 클래딩 구성에 미치는 영향이 최소화됩니다. 레이저 합금에서는 용융 된 복합 재료 층의 기본 재료 표면에 합금 원소가 추가되어 기본 재료를 기반으로 새로운 합금 층을 형성합니다.

(2) 레이저 클래딩은 기판 표면층의 용융 금속을 용매로 사용하지 않고 대신 미리 구성된 합금 분말을 녹여 클래딩 층의 대상 합금을 만듭니다. 동시에 매트릭스 합금도 얇은 용융 층을 형성하여 야금학적 결합을 형성합니다.

레이저 클래딩은 극한 조건에서 고장난 부품의 수리 및 재제조와 금속 부품의 직접 제조를 위한 중요한 기반입니다. 레이저 클래딩은 전 세계 과학계와 기업으로부터 다음과 같은 기능으로 큰 주목을 받고 있습니다. 신소재.

레이저 용융 효과 평가

레이저 클래딩의 품질을 평가하는 데는 거시적 측면과 미시적 측면이라는 두 가지 주요 측면이 포함됩니다.

거시적 측면에서는 용융 채널의 모양, 표면 요철, 균열, 다공성 및 희석률을 검사합니다. 미시적으로는 좋은 조직을 형성하고 필요한 특성을 제공하는지 살펴봅니다.

또한 표면 클래딩 층의 화학 원소 유형과 분포를 결정하고 야금 결합을 위한 전이 층 분석에 주의를 기울여야 하며, 필요한 경우 품질 수명 테스트를 수행해야 합니다.

클래딩 장비의 개발, 용융 풀의 역학, 합금 조성의 설계, 균열 형성, 전파 및 제어 방법, 클래딩 층과 기판 사이의 결합력 등에 대한 연구 노력이 집중되고 있습니다.

레이저 증착 기술의 추가 적용에 직면한 주요 과제는 다음과 같습니다:

• 레이저 클래딩 기술이 아직 중국에서 완전히 산업화되지 않은 주된 이유는 클래딩 층의 품질 불안정성입니다. 레이저 클래딩 공정 중에 클래딩 층과 모재 사이의 온도 구배 및 열팽창 계수의 차이로 인해 클래딩 층에 다공성, 균열, 변형 및 표면 요철과 같은 결함이 발생할 수 있습니다.
• 레이저 클래딩 프로세스의 자동 제어를 감지하고 구현해야 합니다.
• 레이저 클래딩의 균열 민감도는 국내외 연구자들에게 여전히 문제이며 엔지니어링 응용 및 산업화의 걸림돌로 남아 있습니다. 균열의 형성과 팽창에 대한 연구가 진행되었지만 제어 방법은 아직 성숙하지 않았습니다.

레이저 클래딩 적용

레이저 클래딩 가공은 거의 모든 기계 제조 산업을 아우르는 광범위한 응용 분야와 분야를 가지고 있습니다.

현재 레이저 클래딩은 스테인리스 스틸, 다이 스틸, 연성 주철에 성공적으로 적용되고 있습니다, 회색 주철, 구리 합금, 티타늄 합금, 알루미늄 합금 및 코발트 기반, 니켈 기반, 철 기반 및 기타 자체 용융 합금 분말 및 세라믹 상과 같은 특수 합금을 레이저 클래딩의 표면에 사용합니다.

철 기반 합금 분말은 국부적인 내마모성이 필요하고 변형이 발생하기 쉬운 부품에 적합합니다.

니켈 기반 합금 분말은 국소 내마모성, 내열성, 내열 피로성이 필요한 부품에 이상적입니다.

코발트 기반 합금 분말은 국부적인 내마모성, 내식성 및 열 피로 저항성이 필요한 부품에 적합합니다.

세라믹 코팅은 고온에서 강도가 높고 열 안정성이 우수하며 화학적 안정성이 높아 내마모성, 내식성, 고온 내성, 내산화성이 필요한 부품에 적합합니다.

레이저 클래딩의 몇 가지 일반적인 응용 분야는 다음과 같습니다:

광산 장비 및 부품의 제조 및 재제조

석탄 채굴 장비는 열악한 작업 환경으로 인해 많은 마모가 발생하고 부품 고장이 잦습니다. 레이저 클래딩은 이러한 부품을 제조하고 재제조하는 데 사용됩니다:

• 석탄 채굴기: 메인프레임, 로커, 기어, 기어 샤프트, 부싱, 굴절 프레임, 오일 실린더, 실린더 시트, 가이드 슬라이드 슈, 스프로킷, 핀 레일 휠, 구동 휠, 렌치 등
• 로드헤더: 실린더, 브래킷, 샤프트, 부싱, 커터 등
• 스크레이퍼 컨베이어: 중앙 슈트, 전환 홈, 기어박스, 기어, 기어 샤프트, 나선형 베벨 기어, 샤프트 부품 등
• 유압 지지대: 실린더, 베이스 및 브래킷 관절 구멍, 부싱 등

로드헤더 절단 치아

클래딩 후 유압 지지 기둥

레이저 클래딩 후 선택

전기 장비 및 그 부품의 제조 및 재제조

전력 장비는 배전량이 많고 지속적으로 작동해야 하므로 부품 손상에 취약할 수 있습니다.

증기 터빈은 화력발전의 핵심이지만 고온과 열을 포함한 까다로운 작업 조건으로 인해 메인 샤프트와 다이나믹 베인 등 주요 부품이 정기적으로 마모되어 매년 수리해야 합니다.

또한 가스터빈은 최대 1300℃의 고온에 노출되기 때문에 손상되기 쉽습니다.

레이저 재생산 기술은 손상된 장비의 성능을 복원하는 효과적인 솔루션을 제공하며, 새 장비의 10분의 1에 불과한 가격으로 훨씬 더 비용 효율적입니다.

모터 로터 샤프트의 레이저 클래딩

증기 터빈 로터 수리

분말 배기 팬의 블레이드 마모 수리

석유화학 장비 및 그 부품의 제조 및 재제조

석유화학 산업은 대량 생산 모델을 기반으로 운영되기 때문에 열악한 환경에서 지속적으로 작동하는 기계를 사용해야 합니다. 시간이 지남에 따라 이러한 환경에 노출되면 장비 부품의 손상, 마모, 부식이 발생하게 됩니다.

밸브, 펌프, 임펠러, 로터 저널, 디스크, 부싱, 샤프트 타일은 고장에 가장 취약한 부품 중 하나입니다. 이러한 부품은 가격이 비쌀 뿐만 아니라 모양이 복잡하여 수리가 어렵습니다.

그러나 레이저 용융 기술의 등장으로 이러한 문제가 해결되어 이러한 부품을 효과적으로 수리하고 제조할 수 있게 되었습니다.

석유 시추 파이프의 경질 세라믹 코팅을 레이저로 클래딩합니다, 드릴링 도구 등

철도 장비 및 부품의 제조 및 재제조

철도 운송의 급속한 성장과 그에 따른 사회 경제적 발전으로 인해 새로운 철도 차량에 대한 수요가 증가하고 주요 부품의 수와 성능 요구 사항도 증가했습니다.

이러한 수요에 대한 한 가지 해결책은 재제조 기술을 적용하여 차량의 웨어러블 부품을 재사용할 수 있는 가능성을 제공하는 것입니다.

재생 제조의 핵심 기술은 레이저 표면 강화입니다. 이 프로세스에는 레이저 표면 코팅 기술을 적용하여 재제조 부품의 표면을 수리하고 강화하는 작업이 포함됩니다.

기타 기계 산업의 핵심 부품 재제조

핵심 부품의 재제조는 철도 산업에만 국한되지 않고 야금, 석유화학, 광업, 화학, 항공, 자동차, 해운, 공작기계 등 다양한 기계 산업에도 적용되고 있습니다.

마모, 침식, 부식에 취약한 정밀 장비, 대형 장비, 귀중한 부품의 수리 및 성능 개선을 위해 레이저 클래딩 공정이 활용되고 있습니다.

갠트리 보링 및 밀링 머신용 웜기어 바의 레이저 클래딩

레이저 클래딩이 적용된 고내마모성 강철 연속 주조 롤