Das Laserauftragschweißen ist eine neuartige Beschichtungstechnologie, an der mehrere Disziplinen wie Optik, Mechanik, Elektronik, Materialwissenschaft sowie Erkennung und Steuerung beteiligt sind. Es handelt sich um eine entscheidende unterstützende Technologie für die fortschrittliche Laserfertigung, die in der Lage ist, Probleme zu lösen, die mit herkömmlichen Fertigungsmethoden nicht gelöst werden können, und es handelt sich um einen High-Tech-Bereich, der vom Staat stark unterstützt und gefördert wird. Derzeit ist die Laserauftragschweißtechnologie zu einem wichtigen Mittel für die Vorbereitung neuer Materialien, die schnelle Direktfertigung von Metallteilen und die umweltfreundliche Wiederaufbereitung fehlerhafter Metallteile geworden und wird häufig in Branchen wie Luft- und Raumfahrt, Erdöl, Automobil, Maschinenbau, Schiffbau und Formenbau eingesetzt. Um die Industrialisierung der Laserauftragschweißtechnologie voranzutreiben, haben Forscher weltweit systematische Untersuchungen zu den beteiligten Schlüsseltechnologien durchgeführt und dabei erhebliche Fortschritte erzielt. Zahlreiche Forschungsarbeiten, Konferenzbeiträge und Patente im In- und Ausland stellen die Laserauftragschweißtechnologie und ihre neuen Anwendungen vor, einschließlich Forschung zu Laserauftragschweißgeräten, Materialien, Prozessen, Überwachung und Steuerung, Qualitätsprüfung und Prozesssimulation. Allerdings ist die Laserauftragschweißtechnologie bislang noch nicht weit verbreitet. Zu den Gründen hierfür gehören staatliche Vorgaben, Einschränkungen in der Reife der Laserauftragschweißtechnologie selbst und der Grad der öffentlichen Akzeptanz der Laserauftragschweißtechnologie. Damit die Laserauftragschweißtechnologie eine umfassende industrielle Anwendung erreichen kann, ist es daher unerlässlich, die Werbemaßnahmen zu verstärken, sich an der Marktnachfrage zu orientieren, sich auf die Überwindung von Schlüsselfaktoren zu konzentrieren, die die Entwicklung behindern, und kritische Technologien zu lösen, die bei technischen Anwendungen eine Rolle spielen. Es wird davon ausgegangen, dass die Anwendungsbereiche und die Intensität der Laserauftragschweißtechnologie in naher Zukunft weiter zunehmen werden.
Nachfolgend einige Anwendungsbeispiele des Laserauftragschweißens: Die fokussierte Leistungsdichte des Laserstrahls kann 10¹⁰~12 W/cm² erreichen, wodurch eine Abkühlrate von bis zu 10¹² K/s auf Materialien erreicht wird. Diese umfassende Eigenschaft stellt nicht nur eine solide Grundlage für das Wachstum neuer Disziplinen in der Materialwissenschaft dar, sondern bietet auch ein beispielloses Werkzeug zur Realisierung neuer Materialien oder neuer funktionaler Oberflächen. Die durch das Laserauftragschweißen erzeugten schnellen Abkühlungsbedingungen, die bei hohen Temperaturgradienten weit vom Gleichgewicht entfernt sind, führen zur Bildung einer großen Anzahl übersättigter fester Lösungen, metastabiler Phasen und sogar neuer Phasen in der erstarrten Struktur, wie zahlreiche Studien bestätigen. Es bietet völlig neue thermodynamische und kinetische Bedingungen für die Herstellung funktional abgestufter, in -selbst-teilchenverstärkter Verbundschichten. Gleichzeitig ist die Vorbereitung neuer Materialien mithilfe der Laserbeschichtungstechnologie eine entscheidende Grundlage für die Reparatur und Wiederaufbereitung ausgefallener Komponenten unter extremen Bedingungen und die direkte Herstellung von Metallteilen und erhält große Aufmerksamkeit und umfangreiche Forschung von der wissenschaftlichen Gemeinschaft und Unternehmen weltweit. Derzeit kann die Laserbeschichtungstechnologie zur Herstellung metallbasierter Verbundwerkstoffe wie Materialien auf Eisen-, Nickel-, Kobalt-, Aluminium-, Titan- und Magnesiumbasis verwendet werden. Funktionell können Beschichtungen mit einzelnen oder mehreren Funktionen hergestellt werden, beispielsweise Verschleißfestigkeit, Korrosionsbeständigkeit, Hochtemperaturbeständigkeit und spezielle Funktionsbeschichtungen. Hinsichtlich des Materialsystems, aus dem die Beschichtung besteht, hat es sich von binären Legierungssystemen zu Mehrkomponentensystemen entwickelt. Das Design der Legierungszusammensetzung und die Multifunktionalität von Mehrkomponentensystemen sind wichtige Entwicklungsrichtungen für die zukünftige Herstellung neuer Materialien durch Laserauftragschweißen. Neue Forschungsergebnisse zeigen, dass in meinem Land stahlbasierte Metallmaterialien die technischen Anwendungen dominieren. Mittlerweile treten die meisten Ausfälle metallischer Werkstoffe (z. B. Korrosion, Verschleiß und Ermüdung) an den Arbeitsflächen von Bauteilen auf und erfordern eine Oberflächenverstärkung. Die Verwendung großflächiger, in-selbst{30}}erzeugter, partikel-verstärkter Stahl-verbundwerkstoffe zur Erfüllung der Betriebsbedingungen von Werkstücken ist nicht nur eine Materialverschwendung, sondern auch äußerst kostspielig. Andererseits haben natürliche Biomaterialien aus biomimetischer Sicht eine dichte Außenschicht und eine spärliche Innenschicht, die eine harte Außenschicht und eine zähe Innenschicht aufweisen. Darüber hinaus verleiht der Dichte--Spärlichkeits- und Härte--Zähigkeitsgradient von außen nach innen natürlichen Biomaterialien hervorragende Leistungseigenschaften.
Basierend auf den spezifischen Einsatzbedingungen und Leistungsanforderungen an Materialien im Maschinenbau besteht ein dringender Bedarf an der Entwicklung neuartiger Oberflächen-Metallmatrix-Verbundwerkstoffe mit starken und zähen Bindungen und abgestuften Leistungsvariationen. Daher ist die Herstellung abgestufter funktioneller, in -selbst-partikelverstärkter Metallmatrix-Verbundwerkstoffe mit metallurgischer Bindung an das Substrat mittels Laserauftragschweißen vor Ort nicht nur ein dringender Bedarf in der technischen Praxis, sondern auch ein unvermeidlicher Trend bei der Entwicklung der Laseroberflächenmodifikationstechnologie. Während über die Herstellung von in-situ selbst-teilchenverstärkten Metallmatrix-Verbundwerkstoffen und funktionell abgestuften Materialien mithilfe der Laserauftragstechnologie berichtet wurde, befinden sich die meisten Studien noch im Stadium der Mikrostruktur- und Leistungsanalyse sowie der Prozessparametersteuerung. Größe, Abstand und Volumenverhältnis der Verstärkungsphasen sind noch nicht kontrollierbar. Die Gradientenfunktionalität wird durch mehrschichtige Beschichtung gebildet, was unweigerlich zu einer schwachen Grenzflächenbindung zwischen den Schichten führt, was darauf hindeutet, dass es noch ein langer Weg bis zur praktischen Anwendung ist. Die Herstellung von Metallmatrix-Oberflächenverbundwerkstoffen mit kontrollierbarer Partikelgröße, -menge und -verteilung, entsprechend angepasster Festigkeit und Zähigkeit sowie die Integration abgestufter Funktionalität und in-selbst erzeugter Partikelverstärkung mithilfe der Laserauftragstechnologie ist eine wichtige zukünftige Entwicklungsrichtung. Zu den Forschungsinhalten gehören:
1. Die Techniken, Methoden und Prinzipien der Zusammensetzung des Mantelmaterials, der Mikrostruktur und des Leistungsdesigns sowie der Steuerungstechnologie für die Prozessimplementierung.
2. Etablierung thermodynamischer und kinetischer Modelle für die Ausfällung, das Wachstum und die Verstärkung von Partikel-verstärkenden Phasen in funktionell abgestuften in-selbst-partikel-verstärkten Metallmatrix-Verbundwerkstoffen, die durch Laserauftragschweißen hergestellt wurden.
3. Biomimetischer Entwurf der Partikel-verstärkenden Phasenmorphologie, Struktur, Funktion und Verbundzusammensetzung sowie Kontrolltechnologie für Größe, Menge und Verteilung.
4. Erforschung der Prinzipien, Schlüsselfaktoren und Prozessmethoden zur Gradientensteuerung der Beschichtungszusammensetzung, Mikrostruktur und Eigenschaften.
5. Beobachtung, Analyse, Kontrolle und Charakterisierung makroskopischer und mikroskopischer Grenzflächen; Analyse und Prüfung der konventionellen Eigenschaften von funktionell abgestuften, in -selbst-partikeln-verstärkten Metallmatrix-Verbundwerkstoffen sowie des Verschleißverhaltens und der Versagensmechanismen unter verschiedenen Arbeitsbedingungen. Durchbrüche in diesen Forschungsbereichen können das Problem der mangelnden Kompatibilität der Beschichtungsmatrix und der leichten Rissbildung lösen und die Erweiterung der Anwendungsfelder der Laserauftragstechnologie fördern.