Tratamentul suprafeței cu laser include în prezent următoarele procese (Dobrzan´ska-Danikiewicz 2012; Ion 2002; Jankowska et al. 2008; Steen and Mazumder 2010; Tan´ski 2013; Dobrzan´ski et al. 2008, 2010, b, 20101, 2010a, 2010a, 2010). ; Sulaiman și colab. 2007; Bonek 2013b; Havrilla și Anthony 1999; Lubman 1990; Pfeifer și colab. 2010):
• Încălzirea straturilor de suprafață pentru călirea sau recoacere
• Tratarea ceramicii poroase, de exemplu, beton sau roci
• Topirea suprafeței pentru a-și schimba structura (de exemplu, achiziționarea de straturi sticloase) și pentru durificare prin călire
• Îmbogățirea suprafețelor, de ex., pentru a le îmbunătăți rezistența la coroziune, uzură sau din motive decorative
• Îmbunătățirea rugozității cu laser pentru a crește aderența adezivilor/cleiurilor pe suprafețele de îmbinat
• Acoperire cu laser, inclusiv metodele LACVD = laser chemical vapor deposition (depunere chimică în vapori cu laser) și LAPVD = laser physical vapor deposition depunere fizică în vapori)
• Îndepărtarea cu laser a acoperirilor și curățare
• Marcare și gravare cu laser
• Tăiere cu laser
• Microprelucrare (de exemplu, scobire)
• Texturarea celulelor fotovoltaice

Călirea la suprafață a oțelurilor

Procesul de tratare termică cu laser cuprinde operațiuni care sunt efectuate folosind fasciculul laser ca sursă de energie necesară pentru a încălzi stratul de suprafață al unui material tratat pentru a-și schimba structura pentru dobândirea proprietăților mecanice, fizice sau chimice adecvate (Dobrzan'). ska-Danikiewicz 2012; Ion 2002; Klimpel și colab. 2002; Paschotta 2008; Steen și Mazumder 2010; Tan´ski 2013; Landolt și Bo¨rnstein 2004).

Incălzirea rapidă a unei suprafețe de oțel la temperatura de austenizare, urmată apoi de auto-călire, permite obtinerea unei structuri martensitice cu duritate mare. Tratamentul cu laser permite, de asemenea, durificarea zonelor locale din băile de topire prin încălzirea locală cu intensitate mare și viteze de auto-răcire foarte mari.

Două metode de formare a stratului de suprafață au fost aplicate în principal până acum pentru tratarea termică a suprafeței cu laser:

• Formarea prin transformări de fază în stare solidă constând în încălzirea straturilor de suprafață la temperatura de austenizare urmată de răcirea lor rapidă (durificare) sau lentă (recoacere și călire). Materialul tratat poate fi preîncălzit înainte de următorul tratament de suprafață sau prelucrare (de exemplu, tăiere, sudare, prelucrare a plasticului sau tratament cu laser); astfel, se poate realiza o plasticitate mai mare
• Formarea prin retopirea stratului de suprafață constând în încălzirea materialului peste temperatura solidus, solidificarea rapidă a acestuia, astfel încât transformările de fază să aibă loc în stare solidă (Crafer și Oakley 1992; Ion 2005; Klimpel et al. 2002). ; Landolt și Bornstein 2004)

Cele două metode sunt comparate cu tratamentul termic convențional în ilustrațiile din Fig. 3.

Folosind durificarea suprafeței cu laser, în funcție de viteza de răcire, se pot obține straturi de suprafață cu structură puternic fragmentată sau suprafețe amorfe cu compoziție chimică neschimbată față de miezul materialului, dar de omogenitate chimică ridicată. Alte tipuri de material care se formează prin modul de topire a stratului de suprafață implică metode precum îmbogățirea (alierea) stratului de suprafață cu elemente de aliere selectate și placarea, constând în depunerea unui strat cu o compoziție chimică diferită pe suprafața materialului tratat, care asigură rezistență la coroziune, rezistență la dilatare la temperatură înaltă sau proprietăți decorative etc. (Bonek 2013a; Ion 2002; Klimpel et al. 2002; Paschotta 2008; Steen and Mazumder 2010; Crafer and Oakley 1992; Landolt and Bo¨rnstein 2004).

Răspunsul suprafeței de oțel la fasciculul laser depinde în principal de densitatea de putere pe suprafață P și de timpul de reacție, denumit și timpul de expunere τ. Cu un nivel scăzut de densitate de putere, mai mic de 10⁴ W/cm², se poate realiza durificarea prin călire fără topire. Atunci, are loc încălzirea suprafeței de oțel la o temperatură mai joasă decât solidus (A1 < Ttreat. < Ts). După terminarea tratamentului, căldura absorbită este transferată instantaneu către matrice prin conductivitate termică, ceea ce are ca rezultat durificarea prin călire a zonei de suprafață. Durificarea prin călire fără topire permite efectuarea durificării prin călire a oțelului și aliajelor care în mod convențional nu sunt supuse durificării prin călire, de exemplu, oțeluri cu concentrație de carbon sub 0,2 %. Odată cu creșterea concentrației de carbon, duritatea și grosimea stratului durificat prin călire sunt în creștere pentru aceiași parametri ai tratamentului cu laser, ceea ce, în consecință, are ca rezultat creșterea durificării și scăderea temperaturii de austenitizare. Stratul de suprafață după un astfel de tratament este format din două sau trei zone (a treia zonă iese în oțelurile hipoeutectoide – zona încălzită la intervalul de temperatură A1–A3 (Fig. 4; Bonek 2013a; Ion 2002; Klimpel et al. 2002; Paschotta 2008; Steen și Mazumder 2010; Crafer și Oakley 1992; Dobrzan´ski și colab. 2011a; Landolt și Bo¨rnstein 2004):

• Zona încălzită la temperatura A3 – solidus și călire întărită din stare solidă
• Zona de oțel încălzită sub temperatura A1 și călită; zona este prezentă în oțelurile care au fost călite și oțelite înainte de tratarea cu laser

Cu densitatea de putere în intervalul 10⁴ - 10⁶ W/cm², are loc topirea stratului de suprafață al metalului. Datorită acestui fapt, structura poate fi supusă modificării atât în ​​procesul de solidificare, cât și în procesul de răcire ulterioară prin durificare prin călire cu topire, glazurare și îmbogățire (aliere). După terminarea tratamentului cu laser cu o astfel de densitate de putere, următoarele zone pot fi evidențiate în oțel (Ion 2002; Kannatey-Asibu 2009; Klimpel et al. 2002; Steen și Mazumder 2010):

• Zona topită a temperaturii deasupra solidus, care apoi se solidifică rapid și suferă durificae prin călire din stare lichidă
• Zona încălzită la temperatura A3 – solidus și durificare prin călire din stare solidă, încălzită la o temperatură mai mică decât A1 și oțelită

Creșterea densității puterii suprafeței la peste 10⁶ W/cm² duce nu numai la topirea rapidă a oțelului, ci și la evaporarea metalului, care profită de tăierea, scobirea, gravarea sau îndepărtarea materialului cu laser. Oțelul este încălzit apoi la temperatura de evaporare sau mai mare (Ttreat. ≥ Tp). Și apoi are loc ejectarea explozivă a particulelor de metal, adică așa-numita ablație. În timpul tratamentului cu astfel de densități de putere se poate forma plasmă, care împiedică și chiar oprește fluxul de radiații către oțel prin absorbția acestuia. În timpul tratamentului cu astfel de densități de putere, în oțel se formează patru zone (Ion 2002, 2005; Klimpel și colab. 2002; Steen și Mazumder 2010; Landolt și Bo¨rnstein 2004):

• Zona cu cratere după evaporarea oțelului
• Zona topită și călită din stare lichidă
• Zona încălzită în intervalul de temperatură A3 – solidus și călire întărită din stare solidă
• Zona încălzită la o temperatură mai mică decât A1 și călită

Creșterea densității puterii de suprafață la intervalul 10⁸ - 10⁹ W/cm² duce la formarea de plasmă care absoarbe radiația laser și oprește fluxul de energie către material. Astfel de densități de mare putere sunt utilizate pentru marcare sau durificare prin intermediul undelor de șoc generate în material în efectul reacției plasmei de lărgire.

Obiectivul principal al durificării prin topire este schimbarea structurii metalului de ieșire pentru a obține o structură cu granulație fină, fără modificarea compoziției chimice a materialului. În timpul procesului de topire, o parte din energia termică absorbită pătrunde în material, ceea ce are ca rezultat generarea unui gradient de temperatură ridicată între stratul lichid și matrice. În timpul tratamentului cu laser cu topire, amestecarea metalului lichid are loc datorită mișcărilor de convecție. Mișcările sunt generate ca efect al diferenței de temperatură dintre suprafața topită și fundul zonei topite și, în plus, datorită gazului de protecție suflat și „presiunii” fasciculului laser. După topirea și amestecarea metalului lichid are loc o solidificare rapidă datorită gradientului de temperatură ridicat existent (Ion 2002, 2005; Steen și Mazumder 2010; Tan'ski 2013).

Durificarea prin călire cu laser cu topire are loc cu viteze de încălzire și răcire de Vg(răcire) = 10⁴ - 10⁶ C/s, iar în cazul călirii convenționale, viteza de încălzire și răcire este în intervalul 10² - 10³ C/s. Datorită încălzirii și răcirii rapide cu laser, procesele de precipitare pot fi încetinite în oțel. În timpul durificării prin călire cu topire, are loc dizolvarea parţială sau totală a fazelor de precipitare, de exemplu, carburi sau contaminanţi. Cristalizarea rapidă și uniformă facilitează dobândirea structurilor cu granulație fină, iar încetinirea proceselor de precipitare duce la situația în care fazele de precipitare nu precipită din nou sau precipită într-o formă diferită. Topirea este de obicei însoțită de suprasaturarea soluțiilor, fragmentarea fazelor și curățarea marginilor granulelor, care are o importanţă deosebită în ceea ce priveşte rezistenţa la coroziune şi proprietăţile tribologice. Cercetările efectuate asupra metalelor și aliajelor topite cu laser arată, de asemenea, că stratul solidificat este format din cristale fine columnare sau dendritice orientate în conformitate cu direcțiile de disipare a căldurii (Bonek 2013a; Paschotta 2008; Steen și Mazumder 2010; Crafer și Oakley 1992; Dobrzan'ski et al. 2011a; Landolt şi Bornstein 2004).

Durificarea prin călire cu laser este aplicată pe scară largă în tratarea fontei – în special cea gri – și, de asemenea, în tratarea oțelului de structură: oțeluri cu carbon scăzut și mediu, oțeluri pentru rulmenți, pentru scule și oțeluri inoxidabile. În toate cazurile, structura oțelurilor durificate la călire este mai omogenă din punct de vedere chimic și structural. Oțelurile demonstrează, de asemenea, rezistență mai mare și creștere a durității. Durificarea prin călire cu topire laser combinată cu tratamentul termic duce la o creștere considerabilă a durității stratului de suprafață. De exemplu, oțelurile inoxidabile martensitice și feritice, în efectul unei creșteri de 1,5-4 ori a durității după astfel de operațiuni, demonstrează o creștere de câteva sau chiar de 10 ori a rezistenței la uzură abrazivă. Și topirea oțelurilor HSS durificate prin călire demonstrează o creștere de 1,5-3 ori a rezistenței la uzura abrazivă. Acest tip de durificare prin călire înrăutățește netezimea suprafeței. Când este necesară porozitatea Ra < 10–15 μm, tratamentul cu laser trebuie efectuat înainte de șlefuirea obiectului tratat (Ion 2002; Klimpel și colab. 2002; Steen și Mazumder 2010; Landolt și Bo¨rnstein 2004). Topirea suprafeței cu laser (LSM = Laser surface melting) are loc într-un timp foarte scurt, în care doar o mică parte din energia termică absorbită pătrunde în material, ceea ce duce la un gradient de temperatură ridicat între stratul de suprafață lichid și masa rămasă. În timpul procesului de topire, are loc amestecarea foarte intensă a metalului lichid datorită mișcării convective efectuate de diferența de temperatură între suprafața topită și fundul zonei topite și datorită suflării intense a gazului de protecție. Solidificarea rapidă are loc datorită gradientului de temperatură existent. Răcirea stratului la viteza, de exemplu, de ordinul a 108 [grade/s] duce la formarea unei structuri amorfe a grosimii stratului de aproximativ 20 [μm]. Straturile amorfe se caracterizează printr-o rezistență mecanică considerabil ridicată și o rezistență ridicată la coroziune. O astfel de modalitate de modificare a proprietăților stratului de suprafață al metalului este adesea denumită glazurare cu laser. Topirea cu laser a straturilor de suprafață ale materialelor duce la dobândirea unei rezistențe ridicate la abraziune, coroziune și eroziune, datorită formării unui strat superficial fin-cristalin omogen chimic, cu menținerea compoziției chimice a materialului (Bonek 2013a; Dobrzan´). ska-Danikiewicz 2012; Steen și Mazumder 2010; Tan´ski 2013; Dobrzan´ski și colab. 2008; Dobrzan´ski și Drygała 2012; Dobrzan´ski și colab. 2010, 2011a, b, 2012; Bonbek 2012;

Aliere și alimentare cu laser

Alierea suprafeței cu laser (LSA = Laser surface alloying), denumită și îmbogățire, este una dintre cele mai moderne metode de tratament termochimic care constă în introducerea de elemente de aliere în materialul aliat în care are loc amestecarea ambelor materiale, dintre care cel puțin unul este în stare lichidă. Amestecarea intensivă reciprocă a materialelor are loc într-o baie din cauza mișcării convective, gravitaționale și datorită presiunii fasciculului laser (Fig. 5, 6, 7, 8 și 9).

În funcție de modul în care materialul de aliere este introdus în baie, se pot distinge aliaje și fuziune (placare).

Alierea este un proces cu o singură etapă sau în două etape constând în livrarea directă a materialului de aliere prin intermediul unui alimentator sau în depunerea materialului de aliere pe substrat (sub formă de particule solide de pulbere, sârmă sau gaze care conțin azot și carbon) și apoi topindu-l cu un fascicul laser (Bonek 2013a; Dobrzan´ska-Danikiewicz 2012; Steen și Mazumder 2010; Tan´ski 2013; Dobrzan´ski et al. 2008; Dobrzan´ski și Drygała 2012; Dobrzan´ski et al., 2010 al. 2011a, b, 2012; Bonek 2013b; Landolt și Bornstein 2004).

Procesul de aliere începe de la stratul de material aliat și apoi prin conductivitate și convecție termică; topirea substratului și amestecarea reciprocă au loc până la solidificarea stratului de suprafață. Materialul de aliere poate fi depus sub formă compactă: folii, benzi, plăci, acoperiri electrolitice, sau straturi sub formă de pastă pudră. De obicei, grosimea de acoperire a materialelor de aliere este similară cu grosimea stratului de suprafață obținut și în cazul încălzirii continue este egală cu 0,3–1,0 mm, iar cu încălzire în impulsuri de la 0,3 la 0,4 mm (Fig. 10, 11 și 12) ; Bonek 2013a; Dobrzan´ska-Danikiewicz 2012; Steen și Mazumder 2010; Tan´ski 2013; Dobrzan´ski și colab. 2008; Dobrzan´ski și Drygała 2012; Dobrzan´ski și colab. 2010, 2010, b, 201210, Bonek 2013b; Landolt și Bornstein 2004).

Alimentarea cu laser este un proces în o singură etapă sau în două etape constând în topirea simultană a materialului de aliere și a substratului în zona de acțiune a laserului sau depunerea materialului topit pe substrat. Materialul topit poate fi introdus sub formă de pulberi, fire sau gaze care conțin atomi liberi ai unui element chimic cu care urmează să se facă fuziunea (Fig. 13, 14, 15, 16, 17, 18 și 19). Pentru a preveni oxidarea materialului în timpul fuziunii, se aplică gaze inerte de protecție, de exemplu, argon și heliu (Bonek 2013a; Dobrzan´ska-Danikiewicz 2012; Steen și Mazumder 2010; Tan´ski 2013; Dobrzan´ski et al. 2008; Dobrzan’ski și Drygała 2012; Dobrzan’ski și colab. 2010, 2011a, b, 2012; Bonek 2013b; Landolt și Bo¨rnstein 2004).

Alimentarea se realizează prin aplicarea laserelor de lucru continuu, deoarece materialul de aliere poate fi alimentat în zona de topire numai în timpul încălzirii laserului și nu în timpul pauzelor dintre impulsurile de încălzire. Pulberea, în timpul alimentării procesului de topire, este topită simultan cu materialul de substrat, totuși particulele de pulbere pot fi topite în fascicul laser sau în baia de material de substrat topit (Bonek 2013a; Dobrzan´ska-Danikiewicz 2012; Steen și Mazumder 2010; Tan´). ski 2013; Dobrzan´ski et al. 2008; Dobrzan´ski și Drygała 2012; Dobrzan´ski et al. 2010, 2011a, b, 2012; Bonek 2013b; Landolt și Bo¨rnstein 2004).

Tratarea suprafeței cu laser

Tratarea suprafeței cu laser, denumită și metalizare sau placare (laser surface cladding = LSC), este un proces care constă în topirea unei cantități mari de material de tratare a suprafeței (placare) și a unui strat subțire de material substrat. Parametrii utilizați la tratarea suprafeței sunt similari cu cei utilizați în aliere, iar raportul dintre grosimea materialului substratului topit și grosimea stratului de tratare a suprafeței este de obicei 1/10. În acest proces, amestecarea ambelor materiale este minimă. De-a lungul graniței dintre acoperire și substrat, se formează o zonă de tranziție, a cărei compoziție chimică depinde de cota procentuală a materialului din substratul topit. În acest fel, materialul de tratare a suprafeței care se solidifică este îmbinat metalurgic cu substratul (Fig. 20 și 21; Bonek 2013a; Dobrzan´ska-Danikiewicz 2012; Steen și Mazumder 2010; Tan´ski 2013; Dobrzan´ski et al. 2008;

Stratul de tranziție format între substrat și învelișul de suprafață poate avea caracter metalurgic, care, în consecință, are ca rezultat lipirea puternică a acestuia din urmă cu substratul. Așa cum a fost și în cazul alierii, și cu tratarea suprafeței, materialul de tratare a suprafeței poate fi acoperit pe substrat folosind următoarele procese (Fig. 22, 23 și 24; Bonek 2013a; Dobrzan´ska-Danikiewicz 2012; Steen și Mazumder 2010; ; Tan´ski 2013; Dobrzan´ski et al. 2008; Dobrzan´ski și Drygała 2012; Dobrzan´ski și colab. 2010, 2011a, b, 2012; Bonek 2013b; Landolt și Bo¨rnstein 2004):

• Proces în două etape înainte de tratamentul cu laser. Procesul de topire are loc de sus, ceea ce este nefavorabil deoarece contribuie la formarea de defecte sub formă de bule sau topire insuficientă în vecinătatea materialului substratului. Formarea acestor defecte este facilitată și de materialul de umplere pentru tratarea suprafeței (cel mai frecvent Lac Zapon, rășină epoxidică, grăsimi, materiale plastice, sticlă de apă, adeziv silicat, lipici de cizmar, soluție de borax cu acetonă, alcool izopropilic, soluție alcoolică de colofoniu, nitroceluloză și adezivi de cauciuc, lipici „Super ciment”) adăugat la pulberi (care au scopul de a asigura o aderență adecvată la substrat), evaporat în timpul încălzirii cu radiații laser și ecranarea periodică a băii, ceea ce, de fapt, provoacă topirea neuniformă a substratului. Deoarece acest proces necesită ca un strat de material de placare să fie mai întâi depus pe substrat (sub formă de strat de pulbere, folie, placă subțire sau strat gros), de aceea poate fi denumit aici proces de acoperire. Fiecare formă a materialului de placare necesită parametri specifici de realizare a procesului, în principal densitatea puterii de alimentare și viteza de tratare a suprafeței. Parametrii mai mari decât optimi duc la topirea prea profundă a substratului, iar parametrii mai mici produc o formă de picătură a stratului de tratare a suprafeței. În cazul materialelor sub formă de pulbere sau pastă, are loc arderea materialului de umplere pe părțile laterale ale sudurii de căptușeală, ceea ce necesită frecvent ca pulberea sau pasta să fie aplicată din nou atunci când este depusă mai mult de o sudură de căptușeală. Prin urmare, tratarea suprafeței cu ajutorul acoperirilor cu pulbere se realizează frecvent sub formă de suduri de căptușeală unice.

• Proces într-o singură etapă în timpul tratamentului cu laser, utilizând materialul de acoperire sub formă de pulbere sau tijă (bandă). Pulberea se aplică prin împrăștiere (inerțială sau vibratorie), sau este transportată cu ajutorul unui gaz indiferent (de exemplu, aer) sau gaz inert (azot, heliu, argon) față de materialul de acoperire.

În mod similar cu alimentarea, pulberea poate fi alimentată cu ajutorul gazului activ, care, prin efectul reacției exoterme, poate intensifica procesul de tratare a suprafeței. Tija este alimentată mecanic în mod continuu. În cazul tratării suprafeței cu pulbere, procesul este denumit tratare a suprafeței cu injecție, iar în cazul tratării suprafeței cu tije, se numește tratarea suprafeței cu placare. Pulberea sau amestecul de pulbere suflat în zona fasciculului laser este în curs de topire și, în forma topită, cade pe suprafața substratului. Stratul de tratare a suprafeței este format, prin urmare, din partea inferioară, datorită solidificării materialului topit pe suprafața materialului substrat. Această metodă necesită aplicarea unui jet cuplat cu capul laser care furnizează pulberea în conformitate cu sau împotriva direcției de mișcare a alimentării și necesită aplicarea de pulberi cu granulație corespunzătoare. Cea mai frecventă aplicarea a granulației pulberii este de 40–80 μm; consumul de pulbere nu depășește 1 g/s. Înainte de aplicare, pulberile trebuie uscate (Bonek 2013a; Dobrzan´ska-Danikiewicz 2012; Steen și Mazumder 2010; Crafer și Oakley 1992; Dobrzan´ski et al. 2008; Dobrzan´ski și Drygała et al. Dobrzan´ski 2012; 2010, 2011a, b, 2012; Landolt și Bornstein 2004).

Tratarea suprafeței cu pulbere se caracterizează printr-un consum redus de energie în comparație cu alte tehnologii laser. Fabricarea unei singure suduri de umplutură de grosimea de 1 mm folosind tratarea suprafeței cu pulbere alimentată necesită o energie unitară de 30–50 J/mm², iar metoda de tratare a suprafeței cu pastă de pulbere depusă anterior consumă 60–90 J/mm², în timp ce topirea acoperirii pulverizate cu plasmă depusă anterior până la 180–350 J/mm² (Bonek 2013a; Dobrzan´ska-Danikiewicz 2012; Steen și Mazumder 2010; Crafer și Oakley 1992; Dobrzan´ski și colab.; Dobrzan´08; ski și Drygała 2012; Dobrzan´ski et al. 2010, 2011a, b, 2012; Landolt și Bo¨rnstein 2004).

O tijă din materialul de acoperire poate fi tratare de suprafață pe substrat rece sau pe unul preîncălzit (ca la tratarea de suprafață standard) sau pe substrat încălzit simultan pentru a evita generarea unor tensiuni proprii prea mari și rezultate din fisuri. În cel de-al doilea caz, substratul poate fi supus încălzirii rezistive directe, încălzirii arcului sau unui alt tip de încălzire. Fragmentarea structurii și dizolvarea fazelor de carbură tare precum și formarea unor soluții vechi suprasaturate se obțin cu tratarea suprafeței cu laser. Îmbunătățește considerabil proprietățile de performanță ale materialelor substrat, crescând rezistența acestora la uzură, în principal cu presiuni unitare mari aplicate. O rezistență foarte mare a conexiunii metalurgice se obține, de asemenea, între stratul de suprafață sau sudura de căptușeală și substrat. Crește și rezistența la impactul temperaturilor ridicate. Un defect semnificativ al acoperirilor de tratare a suprafeței este tendința lor de a se fisura. Poate fi prevenit prin preîncălzirea substratului la temperaturi de 300–400⁰C și prin selectarea adecvată a materialelor de acoperire (Bonek 2013a; Dobrzan´ska-Danikiewicz 2012; Steen și Mazumder 2010; Crafer și Oakley 1992; Dobrzan´ski et al.; 22008; Dobrzan’ski și Drygała 2012; Dobrzan’ski și colab. 2010, 2011a, b, 2012; Landolt și Bo¨rnstein 2004).

Procesele de tratare a suprafeței și-au găsit aplicații în principal în două grupe de materiale: materiale rezistente la coroziune, de asemenea, la temperaturi ridicate, și în materialele puternic încărcate rezistente la abraziune, în principal materiale pentru scule. Proprietățile unice ale materialelor tratate la suprafață sugerează aplicarea lor în condiții de încărcare și temperaturi ridicate, precum și atunci când sunt supuse pericolelor erozive și corozive, de exemplu, pentru acoperirea suprafețelor de etanșare ale scaunelor supapelor sau supapelor motoarelor cu ardere internă, separatoare de apă, gaz sau vapori, și părți ale echipamentelor metalurgice (Crafer și Oakley 1992).

Rezistența la abraziune sau coroziune este asigurată de straturile Co-Cr-Mo-Si: prezența precipitărilor dure de faze intermetalice în matrice, având compoziția variind de la CoMoSi la Co3Mo2Si, asigură proprietăți tribologice, iar prezența cromului în matrice oferă proprietăți anticorozive. Rezistență similară este asigurată de acoperirile Cr–Ni–B–Si–Fe. Sunt cunoscute exemple care implică placarea oțelurilor inoxidabile rezistente la acizi pentru a le crește rezistența la abraziune, precum și materiale rezistente la căldură sau rezistente la temperaturi înalte, de exemplu, nimonice. Operațiunile tipice pentru tratarea suprafeței cu laser implică acoperirea oțelurilor austenitice cu carburi de wolfram sau de cobalt (Bonek 2013a; Dobrzan´ska-Danikiewicz 2012; Crafer și Oakley 1992; Dobrzan´ski et al. 2008; Dobrzan´ski și Dryzan 2012; Dobrzan´ski et al. 2010, 2011a, b, 2012).

Procesul de tratare a suprafeței cu laser este aplicat pentru a depune straturi rezistente la căldură care sunt rezistente la uzura abrazivă și erozivă, în special la temperaturi ridicate. Oțelul poate fi placat cu aliaje de cobalt sau titan sau cu următoarele amestecuri: Cr–Ni, Cr–B–Ni, Fe–Cr–Mn–C, C–Cr–Mn, C–CrW, Mo–Cr–CrC– Ni–Si, Mo–Ni, TiC–Al2O3–Al, TiC–Al2O3–B4C–Al, aluminiu, carburi WC, TiC, B4C, SiC, nitruri, inclusiv BN, oxizi de crom sau aluminiu și altele. Aliajele de cobalt pot fi placate cu aliaje de nichel pentru a obține rezistență la eroziunea la temperatură înaltă așa-numitele superaliaje, aliaje de titan cu nitruri de bor și silumini cu siliciu. Aluminiul și cuprul pot fi acoperite cu un amestec de 91% ZrO2 și 9% Y2O3 sau ZrO2-CaO. Frecvent, amestecul Cr-Ni-B-Fe este aplicat pentru regenerarea laser a suprafețelor uzate, rar cu amestec de C și Si. Se crede că învelișurile placate cu sticlă SiO2 depuse pe aliaje rezistente la căldură sunt promițătoare în ceea ce privește potențialul de aplicare viitoare. Acestea pot fi depuse pe echipamente de încălzire care lucrează la temperaturi de 900–1.000⁰C în medii puternic oxidante, cementare și sulfurare (Bonek 2013a; Dobrzan´ska-Danikiewicz 2012; Crafer și Oakley 1992; Dobrzan´ski et al.; Dobrzan´ski et al. 2008; ´ski and Drygała 2012; Dobrzan´ski et al. 2010, 2011a, b, 2012).

Compozițiile de acoperire din materiale dure și greu de topit cuprind amestecuri de pulbere ale acestor materiale cu pulberi de oțel acoperit sau cu pulberi de fier utilizate ca liant. În ceea ce privește compoziția WC+Fe (sau WC+Co, WC+NiCr), datorită vitezei mari a procesului de tratare a suprafeței care dezactivează transformarea difuzivă WC↔Fe, se menține duritatea carburilor de ordinul a 11.000 MPa, egală cu duritatea obținută a carburilor de wolfram prezente în matricea oțelului de scule care conține wolfram după tratamentul termic convențional.

Oțelurile pentru scule sunt placate cu laser cu stellituri pentru a asigura protecția lor împotriva uzurii abrazive. Aliajul termorezistent Nimonic 8A (peste 70% Ni, 20% Cr, amestecuri de Al, Co, Ni), aplicat pe paletele turbinelor cu gaz, stellite cu laser, demonstrează o creștere de aproape 100 de ori a rezistenței la uzura abrazivă. Stelitarea cu laser este mai avantajoasă decât stelitarea prin sudare (folosind metodele TiG și cu plasmă), deoarece se obține o duritate mai mare și o structură mai fină. Oxidul de crom Cr2O3, tratat pe suprafață cu laser pe oțelul austenitic 1H18N9T are ca rezultat o creștere de două ori a rezistenței sale la fluaj. În industria auto, tratarea suprafeței cu laser a scaunelor și flanșelor supapelor a fost aplicată de mult timp (Bonek 2013a; Dobrzan´ska-Danikiewicz 2012; Crafer și Oakley 1992; Dobrzan´ski et al. 2008; Dobrzan´ski și Drygała 2012; Dobrzan´ski et al. 2010, 2011a, b, 2012; Landolt and Bo¨rnstein 2004).

Grosimea straturilor de tratare a suprafeței este mai mare decât cea a straturilor aliate și poate ajunge la câțiva milimetri. Lățimea unei singure suduri de umplutură (cu scanarea fasciculului laser cu frecvența de 10–300 Hz de-a lungul direcției transversale pe direcția de mișcare a alimentării) poate depăși 10 mm. Eficiența tratării suprafeței este de la câțiva până la peste 100 mm/s. Calitatea straturilor de tratare a suprafeței obținute (densitate, legare cu substratul, duritate) este mai bună decât calitatea straturilor supuse pulverizării termice, inclusiv a celor cu plasmă. Tratarea suprafeței cu laser poate determina scăderea limitei de oboseală a oțelului de structură în funcție de tipul de acoperire; materialele de acoperire care sunt mai greu de topit au un impact mai puternic asupra acestei scăderi (Bonek 2013a; Dobrzan´ska-Danikiewicz 2012; Crafer și Oakley 1992; Dobrzan´ski et al. 2008; Dobrzan´ski și Drygała 2012; Dobrzan'ski şi colab. 2012; Dobrzan'ski şi colab. 2010, 2011a, b, 2012; Landolt și Bornstein 2004).

Problema rugozității suprafeței pare să fie mai problematică cu procesul de tratare a suprafeței în comparație cu alierea. Rugozitatea suprafeței acoperirii este progresiv mai mare odată cu creșterea temperaturii de topire a materialului tratat la suprafață. Prin urmare, pentru tratarea suprafeței se aplică frecvent amestecuri de materiale, cele mai frecvente pulberi cu temperatură de topire ridicată și scăzută, de exemplu, TiC+Al2O3+Al+B4C, care, totuși, au un impact negativ asupra durității acoperirilor (Bonek 2013a). ; Dobrzan´ska-Danikiewicz 2012; Crafer și Oakley 1992; Dobrzan´ski și colab. 2008; Dobrzan´ski și Drygała 2012; Dobrzan´ski și colab. 2010, 2011a, b, 2012; Landolt și 20¨04rnstein).

Tehnologii de prototipare rapidă cu utilizarea fasciculului laser

Prin tehnicile RP, datorită modelului virtual tridimensional CAD-3D, este posibilă fabricarea de modele fizice, piese principale și prototipuri, sunt aplicate pe scară mai largă în tehnicile de dezvoltare a produselor și contribuie la fabricarea rapidă de prototipuri și întregul produs și la pregătirea procesului de fabricație al acestuia.

Gama de aplicare a acestor tehnici este în continuare în creștere, ceea ce este vizibil în special în industria auto, unde ponderea acestora atinge chiar și 25% din timpul de dezvoltare a produsului. Opinia că în realitățile actuale această pondere este relativ mică poate fi acceptată. Dar, pe de altă parte, se știe că, odată cu aplicarea metodelor tradiționale de construire a unui prototip (cel mai frecvent folosind metode de prelucrare), timpul de fabricație a unui prototip, în unele cazuri, era chiar de 60% din timpul total alocat lucrării de dezvoltare și proiectare (Dobrzan´ska-Danikiewicz 2012; Ion 2005; Steen și Mazumder 2010; Crafer și Oakley 1992; Landolt și Bo¨rnstein 2004; Pham și Dimov 2001).

Domeniile de aplicare esențiale ale tehnicilor de prototipare rapidă (Chlebus 2003; Oczos' 1997):

• Evaluarea și analiza proceselor de asamblare
• Evaluarea și analiza proceselor legate de producție
• Evaluarea pieței produselor nou dezvoltate
• Modelarea și realizarea implanturilor utilizate în medicină
• Modele utilizate pentru turnare
• Modele utilizate pentru prelucrarea plasticului
• Ateliere de ergonomie și proiectare

În ciuda numeroaselor avantaje care decurg din aplicarea tehnicilor RP în procesul de producție a modelelor, există și o serie de dezavantaje care condiționează utilizarea unor astfel de procese nu pentru toate aplicațiile. Principalele avantaje și dezavantaje ale proceselor RP sunt prezentate în Tabelul 1.

Procesele de topire cu laser sunt concepute pentru a crea componente metalice solide omogene din pulbere de metal, folosind energie laser de mare putere pentru a fabrica piese direct din datele CAD-3D (Fig. 25 și 26; Dobrzan´ska-Danikiewicz 2012; Ion 2005; Steen și Mazumder 2010; Crafer și Oakley 1992; Landolt și Bornstein 2004; Pham și Dimov 2001).

În prezent, există multe tehnici de prototipare rapidă. Ele sunt în curs de dezvoltare și o varietate de tehnici noi, înrudite, sunt în curs de elaborare. Cele mai populare și cele mai frecvent aplicate tehnici sunt următoarele (Dobrzan´ska-Danikiewicz 2012; Ion 2005; Steen și Mazumder 2010; Crafer și Oakley 1992; Landolt și Bo¨rnstein 2004; Pham și Dimov 2001):

• Stereolitografia – SL, SLA
• Sinterizare selectivă cu laser – SLS
• Imprimare tridimensională – 3DP
• Imprimare cu jet de cerneală – IJP
• Modelare rețea proiectată cu laser – LENS

Stereolitografia (SLA). Este cea mai veche și mai amănunțită metodă RP introdusă în 1987 de C. Hull și prezentată pentru prima dată de o companie americană 3D Systems Inc. la târgul AUTOFACT de la Detroit. Tehnologia a fost numită 3D Systems' Stereolithography Apparatus (SLA). În prima fază a metodei, se realizează modelarea geometrică a unui subiect într-un sistem CAD-3D, apoi datele geometrice sunt prelucrate cu un software special împărțind un model tridimensional într-un plan X/Y de aprox. 0,1 mm grosime strat (grosimea stratului depinde de acuratețea de modelare setată și de puterea laserului). Un program de control al fasciculului laser este creat pe baza grupului de straturi creat. Trebuie proiectate și realizate elemente speciale de susținere pentru piesele produse prin această metodă, așa-numitele suporturi, asigurând stabilitatea la iradierea straturilor ulterioare ale materialului de lucru. Suporturile fac parte integrantă din obiectul dezvoltat și sunt atașate unui model tridimensional înainte de a fi împărțit în secțiuni individuale. Solidele trebuie îndepărtate după producție. Piesele produse cu SLA sunt adesea supuse unui tratament suplimentar de lustruire a suprafeței sau a unor altfel de îmbunătățiți a parametrilor generali de rezistență. Timpul de scanare a fasciculului laser depinde de complexitatea suprafeței straturilor individuale ale obiectului, de viteza de deplasare a laserului, precum și de timpul de întărire și îmbinare a polimerului cu stratul anterior. Suprafața polimerului lichid este nivelată cu o racletă (Fig. 23) pentru a preveni o înălțime neuniformă a straturilor individuale.

Sinterizarea selectivă cu laser (SLS). Metoda SLS (selective laser sintering) a fost dezvoltată de Universitatea Austin din Statele Unite. Un strat subțire de pulbere termoplastică este supus sinterizării spot cu un fascicul continuu de laser cu o capacitate de 50–100 W. Stratul așezat anterior este apoi topit; prin urmare, se obține un corp uniform al unui model creat. Se aplică un alt strat de pulbere după sinterizarea locală cu laser și ciclul se repetă. Un material din această metodă trece din starea solidă (pulbere) prin starea lichidă și din nou în starea solidă (sinterizare). Pulberea nu este îndepărtată din locurile din afara secțiunii și poate acționa ca suport. Materialele utilizate în metoda SLS sunt materiale plastice, ceară, pulberi metalice (FE-Cu) și amestecuri de pulberi metalice și pulberi ceramice (Fig. 27). Un material devine poros ca urmare a sinterizării. În unele cazuri, trebuie să fie înmuiat (infiltrat) cu o substanță de întărire. Cel mai mare dezavantaj al tehnologiei este timpul lung de răcire a pieselor cu o structură internă complicată.

Modelarea rețelei proiectată cu laser (LENS =Laser Engineered Net Shaping). Această metodă permite obținerea unei structuri multimateriale datorită posibilității de a schimba tipul de pulberi la crearea unui solid. Piesele fabricate cu modelarea rețelelor proiectate cu laser (LENS) se caracterizează prin proprietăți metalurgice ridicate, menținând în același timp o precizie destul de ridicată a reprezentării suprafeței. Avantajul suplimentar al LENS este funcționalitatea ridicată: poate fi folosit nu numai pentru fabricarea pieselor, ci și pentru repararea acestora. Metoda LENS este foarte asemănătoare cu procesul de placare cu laser. Este de obicei realizat cu laserul cu diodă de mare putere (HPDL = high-power diode laser). Elementul prelucrat (foaia) este placat cu pulberi metalice în ambele metode (Chlebus 2003; Chlebus 2000).

Fabricarea de obiecte laminate (LOM). Metoda LOM (laminated object manufacturing) – fabricarea pe mai multe straturi a obiectelor, dezvoltată de o companie americană Helisys. Modelele sunt realizate folosind straturi ulterioare de hârtie sau folie termosigibilă. O formă a stratului este tăiată cu un laser (în metoda clasică LOM) sau cu o lamă (în modificarea dezvoltată de Kira numită tehnologie de laminare a hârtiei – PLT = paper lamination technology). Tehnologia LOM permite utilizarea foliilor de plastic, ceramicii și metalelor. Rezultatul muncii dispozitivelor LOM este de obicei un cuboid ale cărui fragmente inutile trebuie îndepărtate (un fascicul laser decupează pătrate distinctive pe bucățile de folie neutilizate pentru construirea modelului care, după sigilare, produce prisme ușor de îndepărtat din spațiul interior după sigilare). Obiectele realizate cu LOM nu necesită suporturi. Metoda LOM nu este destul de potrivită pentru construcția de elemente cu o structură internă complexă din cauza dificultăților de îndepărtare a fragmentelor inutile mai târziu. Suprafețele solidelor create cu LOM au cea mai scăzută rezistență și calitate în comparație cu cele fabricate cu tehnologiile descrise mai sus și o fac utilă doar ca tehnologie de vizualizare, tip RM (Chlebus 2003; Oczos´ 1997; Chlebus 2000; Zie˛tek). 2005; Webb și Jones 2004).

Aplicarea radiațiilor laser pentru sinteza materialelor

Procesele de sinteză laser a materialelor cuprind tehnologiile care utilizează fascicul laser pentru a produce straturi formate din metale pure sau compuși pe suprafețele supuse tratamentului.

Aceste tehnici includ (Bonek 2013a; Dobrzan´ska-Danikiewicz 2012; O'Shea; Landolt și Bo¨rnstein 2004; Pham și Dimov 2001; Pauleau 2002; Conde și Silvestre 2004):

• LAPVD (depunerea fizică de vapori asistată cu laser – depunerea vaporilor cu ajutorul fasciculului laser)
• LACVD (depunerea chimică de vapori asistată cu laser)
• Sinteza laser de lichide și gaze

Depunere cu laser pulsat

Un fascicul laser în ingineria materialelor este utilizat, în special, pentru depunerea stratului în impulsuri, unde cuantele de radiație laser de înaltă energie reduc energia legăturilor dintre molecule, ceea ce permite îndepărtarea straturilor atomice unul după altul. Depunerea în impulsuri a stratului este adesea asociată cu evaporarea, în cazul în care tranziția are loc de la starea solidă la starea gazoasă, faza lichidă fiind omisă în condiții specifice de temperatură și presiune. Esența depunerii stratului în impulsuri este pulverizarea în cazul în care o viteză tipică de îndepărtare a materialului atinge valoarea mai multor monostraturi per impuls, iar suprafața este modificată structural sau compoziția sa este modificată la scară mezoscopică. Cuantele de radiație laser de înaltă energie reduc energia legăturilor dintre molecule, ceea ce permite îndepărtarea straturilor atomice unul după altul. Domeniile de aplicare de bază ale depunerii stratului pulsat:

• Evaporarea materialului din țintă și depunerea vaporilor acestuia pe un tampon specific
• Îndepărtarea unui material redundant pentru curățarea suprafeței contaminate se poate face în vid, atmosferă de aer sau în prezența gazelor inerte, îndepărtarea unei părți a materialului prin mod de evaporare explozivă și întărirea materialului rămas folosind fenomenul undelor de șoc

Straturile pot fi fabricate pe diferite substraturi formate din vapori de metale produși ca rezultat al interacțiunii unui flux de fotoni de lumină laser pe corpuri solide (evaporare și depunere cu laser în impulsuri), gaze și lichide (piroliză și fotoliză). Sinteza materialelor este una dintre cele mai recente și constant îmbunătățite tehnici (Fig. 28; Dobrzan´ska-Danikiewicz 2012; Klimpel et al. 2002; O'Shea; Landolt și Bo¨rnstein 2004; Pham și Dimov 2001; Pauleau 2002; Conde şi Silvestre 2004).

Interacțiunea unui fascicul cu materialul care duce la evaporarea acestuia (depunere cu laser pulsat) trebuie menționată pentru procesele care au loc în timpul depunerii straturilor. Aceasta poate fi împărțită în patru etape:

1. Absorbția fasciculului laser de către material (țintă)
2. Încălzirea materialului (țintă)
3. Depunerea în impulsuri laser a materialului (evaporare rapidă)
4. Ionizarea vaporilor și formarea plasmei
5. Propagarea explozivă a plasmei într-o cameră de lucru, în principal în direcția articolului acoperit (substrat)

LAPVD: Depunerea ablativă a acoperirilor

Sinteza materialelor prin evaporarea cu laser a materialelor, denumită tehnică LAPVD, este un proces în care un fascicul laser de impuls este utilizat pentru a evapora materialul de pe un disc și pentru a depune vaporii fabricați sub formă de strat subțire pe un tampon specific. Vaporii condensează și are loc creșterea stratului depus, iar structura acestuia depinde de structura și proprietățile substratului, precum și de proprietățile materialului evaporat. Acest proces este adesea denumit depunere ablativă a acoperirilor (Dobrzan´ski et al. 2011a; Tan´ski 2013; Pauleau 2002; Conde și Silvestre 2004).

Elementele de bază ale aparatului pentru ablația cu laser sunt următoarele (Dobrzan´ska-Danikiewicz 2012; Ion 2005; O'Shea):
• Laser
• Cameră de lucru cu sonde și cu montajul și sistemul de rotație al discului și al substratului
• Sistem de alimentare cu energie electrică
• Sistem de generare vid
• Sistem de alimentare cu gaz de proces
• Sistem de control al procesului

Un fascicul laser este livrat într-o cameră de vid printr-o fereastră din ZnSe și cade pe o țintă la un anumit unghi (material evaporat preparat, de exemplu, ca un produs sinterizat omogen), provocând o evaporare rapidă (dispunerea laser pulsat). Cu aranjarea adecvată a sistemului fascicul laser-țintă-substrat, vaporii materialului evaporat sunt distribuiți imediat (exploziv) într-o cameră de vid (la presiunea de aproximativ 10^-6 torr) și sunt depuși în principal în substrat. Un strat crește cu o grosime strict controlată ca urmare a acțiunilor laser ulterioare (viteza de depunere a stratului de câteva zecimi de nanometru per impuls). Prin încălzirea unui substrat la temperatura stabilită, aderența este facilitată între stratul depus și substrat. În plus, răcirea suplimentară a substratului permite obținerea unei structuri amorfe sau nanocristaline. Interacțiunea fasciculului laser cu materialul substratului are loc în funcție de lungimea radiației laser aplicate, energia impulsului și durata acesteia. Depunerea straturilor cu tehnica depunerii fizice în vapori asistate de laser (LAPVD) se realizează cu lasere care emit radiații ultraviolete datorită celei mai mari absorbții a acestei game de radiații de către materiale.

Următorii factori fac procesul LAPVD unic:

• Posibilitatea depunerii (cu stoichiometria menținută) de materiale complexe, multicomponente, folosind iradierea laser a unui material (țintă).
• Reglarea/setarea ușoară a presiunii în cameră, distanța dintre substrat și țintă și orientarea acestuia în raport cu fasciculul laser.
• O posibilitate de a obține o eficiență a țintei mai mare (a materialului iradiat) în comparație cu alte tehnici deoarece majoritatea materialului evaporat este ghidat invers; prin urmare, poate fi colectat mai eficient.
• O posibilitate de a produce materiale multistrat ca urmare a înlocuirii rapide a țintelor introduse în zona de interacțiune a fasciculului laser.
• Se poate realiza repetabilitatea schemei, adică materialul evaporat și depus formează un nou substrat pentru dezvoltarea următoarelor straturi evaporate.
• Straturile dure pot fi produse rezistente la abraziune, în special TiC sau TiN și straturi subțiri în scopul microelectronicii.

LACVD: Depunere chimică în vapori asistată cu laser

Procesul de depunere chimică în vapori asistată cu laser (LACVD) este similar cu procesul LAPVD. În locul unui disc din corp solid, ca material pentru fabricarea plasmei cu ajutorul fasciculului laser, se aplică un gaz specific. Laserul este aplicat ca sursă de energie utilizată pentru descompunerea (ruperea) particulelor de gaz și pentru a crește temperatura substratului pe care este depus materialul. Această metodă este utilizată pentru a depune diferite materiale, cum ar fi metale, supraconductoare și straturi de proprietăți neconductoare (Dobrzan´ska-Danikiewicz 2012; Crafer și Oakley 1992; National Academy of Engineering et al. 1987; Landolt și Bo¨rnstein 2004; Pham). și Dimov 2001; Pauleau 2002; Conde și Silvestre 2004).

Ruperea legăturilor interatomice din particulele de gaz poate fi efectuată prin piroliză sau fotoliză. În cazul fotolizei, substratul este încălzit la o anumită temperatură prin intermediul fasciculului laser; controlând puterea laserului și uneori impactul luminii laser asupra materialului, temperatura suprafeței materialului care este încălzit poate fi controlată, iar gazul suferă descompunere atunci când intră în contact cu suprafața fierbinte a substratului. Tehnica are următoarele avantaje (Dobrzan´ska-Danikiewicz 2012; Crafer și Oakley 1992; National Academy of Engineering et al. 1987; Landolt și Bo¨rnstein 2004; Pham și Dimov 2001; Pauleau 2002; Conde și Silvestre 2004):

• Depunerea localizată a straturilor subțiri: datorită aplicării tehnicii LACVD are loc depunerea localizată a straturilor subțiri; o astfel de depunere nu este fezabilă de realizat prin aplicarea tehnicii convenționale CVD, deoarece posibilitatea de a localiza încălzirea este limitată.
• Viteză mare de depunere: prin tehnica LACVD se pot depune straturi subțiri de grosimea 1 μm în timp de aproximativ 0,1 s; cercetările efectuate până în prezent asupra reacțiilor care au loc în timpul procesului LACVD demonstrează că viteza reacțiilor este de două până la patru ori mai mare în comparație cu reacțiile care au loc în timpul proceselor CVD convenționale.
• Viteza de răcire și încălzire: tehnica LACVD oferă o gamă largă de viteze de încălzire sau răcire; dobândirea unor viteze mari de încălzire sau răcire este posibilă prin modificarea modului și timpului de reacție a radiației laser. Permite reglarea mărimii granulelor în stratul subțire; de exemplu, straturi cu granulație foarte fină (și amorfe) pot fi obținute folosind impulsuri laser scurte. De asemenea, tehnica CVD poate face achiziția de acoperiri cu granulație grosieră datorită faptului că timpul de menținere a temperaturii ridicate a materialului este suficient de lung.
• Viteza curgerii gazului: în tehnica convențională CVD, viteza de depunere a stratului și proprietățile acestuia depind considerabil de viteza de curgere a gazului și, în consecință, de forma obiectului și dimensiunea camerei în care se desfășoară procesul. Datorită încălzirii localizate și vitezei mari de depunere oferite de tehnica LACVD, eficiența procesului este practic independentă de viteza fluxului de gaz.

Cei mai relevanți parametri independenți ai procesului cuprind următorii (Dobrzan´ska-Danikiewicz 2012; Ion 2005; Klimpel și colab. 2002; Steen și Mazumder 2010; Landolt și Bo¨rnstein 2004; Pham și Dimov 2001; Pauleau și Conde 2002; Silvestre 2004; McGeough 2002):

• Puterea de ieșire a laserului
• Diametrul fasciculului
• Lungimea de undă a radiației laser
• Viteza de scanare sau timpul de încălzire
• Reflexivitatea suprafeței
• Temperatura suportului
• Proprietățile termice ale substratului

Variabilele dependente corespunzătoare implică următoarele (Bonek 2013a; O'Shea; Landolt și Bornstein 2004):

• Viteza de depunere
• Compoziția chimică și microstructura stratului
• Geometria stratului
• Grosimea stratului depus (Tabelul 2)

Tabelul 2 Parametrii independenți cheie ai procesului LACVD
și variabilele dependente corespunzătoare lor

Sinteza cu laser a materialelor din faza lichidă

Sinteza cu laser a materialelor din faza lichidă sub formă de straturi sau nanoparticule este posibilă prin utilizarea iradierii laser a suprafeței corpului. Este o condiție prealabilă pentru inițierea procesului de scufundare a unui corp solid în lichid cu permeabilitate suficientă pentru un fascicul de lumină laser cu lungime specifică. Permeabilitatea lichidului pentru lumina laser este un factor semnificativ. Prin absorbția energiei unui fascicul laser, un strat de suprafață al materialului substrat este încălzit rapid și apoi răcit în lichid. Aceasta creează condiția unui anumit dezechilibru în lichid la limita cu substratul (în apropierea graniței corp solid – lichid). Scindarea legăturilor are loc ca urmare a moleculelor fazei lichide care conduc la producerea de faze metastabile. Lungimea de undă, energia și durata impulsului laser au o influență decisivă asupra progresului proceselor de sinteză a materialelor din lichide specifice și depunerea acestora pe substraturi (Fig. 29; Yang 2007; Burakowski și Napadłek 2007).

Aplicarea laserului în fotovoltaice

Aplicarea tehnologiei laser în procesul de fabricație a celulelor solare cu randament ridicat de conversie a radiației solare în energie electrică devine un element indispensabil al tehnologiei fotovoltaice actuale. În fotovoltaice, laserele sunt cel mai frecvent aplicate pentru texturarea suprafețelor, izolarea electrozilor, producerea contactului îngropat, arderea contactelor, dopajul, forajul și tăierea (Dobrzan´ski et al. 2008; Dunsky 2007). Pierderile cauzate de reflectarea radiației solare de pe suprafața frontală a celulelor conduc la cercetări globale intense pentru reducerea acestui efect. Una dintre etapele de bază ale fabricării celulelor fotovoltaice este texturarea suprafeței acesteia (Fig. 30; Dunsky 2007; Ali et al. 2012; Gangopadhyay et al. 2007). Având în vedere că distribuția orientării cristalografice a granulelor în siliciul policristalin este aleatorie, se întâmpină dificultăți în producerea unei texturi uniforme pe întreaga sa suprafață, iar utilizarea tehnicii laser este una dintre cele mai promițătoare metode de texturare a suprafeței de siliciu policristalin (Fig. 31 și 32; Dobrzan´ski et al. 2008; Dobrzan´ski). și Drygała 2012).

O dezvoltare dinamică a fotovoltaicii impune o redefinire a cerințelor care implică tehnologiile celulelor solare și în special îmbunătățirea eficienței acestora, iar tehnicile laser sunt clasificate ca fiind cele mai prospective (Dunsky 2007).

Îndepărtarea și curățarea acoperirii cu laser

Tehnica se aplică în principal pentru lucrări de conservare, cum ar fi curățarea suprafețelor (piatră, ceramică, metal, etc.), îndepărtarea depunerii de murdărie, vopselelor, lacurilor și coroziunii, dar și ca tehnică de reparație care permite curățarea suprafețelor corodate ale elementelor (Fig. 33; Dobrzan´ska-Danikiewicz 2012; Jankowska et al. 2008; Landolt și Bo¨rnstein 2004; Napadłek 2009).

Avantajele curățării cu laser:

• Funcționare fără contact
• Fără impact termic asupra suprafeței
• Precizie și impact selectiv al fasciculului laser
• Control total al procesului
• De neegalat pentru conservarea elementelor de formă complicată
• Suplimentarea perfectă a metodelor tradiționale de curățare.

Tăiere, perforare și gravare cu laser și marcare cu laser

În principiu, există două metode de tăiere cu laser: topire și sublimare. În timpul tăierii cu laser prin topire, un material, de exemplu, acrilul, este topit sau evaporat. Odată cu sublimarea, un material, de exemplu, lemnul, este evaporat instantaneu, dar faza lichidă este ignorată. Laserul poate fi folosit și pentru a perfora găuri foarte mici în materiale foarte dure, de exemplu, în diamant, și, de asemenea, în materiale foarte fragile, de exemplu, ceramică. Găurile sunt făcute la viteză mare și au formă repetabilă (Dobrzan´ska-Danikiewicz 2012; Ion 2005; Sulaiman și colab. 2007; Havrilla și Anthony 1999; Pfeifer și colab. 2010; Landolt și Bo¨rnstein 2004; Dunsky).

În timpul gravării materialul este evaporat. Ca rezultat, se poate obține o canelură conică realizată de profilul unui fascicul laser și conductivitatea termică a materialului.

Marcarea cu laser este un proces termic în care este utilizat un fascicul focalizat de lumină laser, având un nivel de concentrație (intensitate) ridicat pentru a efectua o modificare vizibilă pe suprafața unui anumit material. Fasciculul produce o schimbare mare de temperatură pe suprafața materialului marcat până când există o schimbare vizibilă a colorării materialului și până când materialul a fost îndepărtat prin evaporare (Ion 2005; Havrilla și Anthony 1999; Landolt și Bo¨rnstein). 2004).

Metodele bazate pe marcare cu laser sunt, printre altele, după cum urmează (Landolt și Bornstein 2004):

• Marcare cu laser cu o mască (Fig. 34)
• Marcare cu o metodă cu matrice de puncte
• Marcare pe bază de vector

Îmbunătățirea cu laser a rugozității

Modificarea cu laser a suprafețelor materialelor plastice constă în generarea de efecte termice, ceea ce duce la topirea microzonelor stratului de suprafață. Eficacitatea acestei metode depinde în mare măsură de coeficientul de absorbție al radiației laser prin materialul plastic. Prin urmare, această metodă se dovedește eficientă pentru poliamide, poliesteri și materiale aramide. Modificările care au loc ca efect al modificării laser constau în primul rând în creșterea rugozității suprafeței și îndepărtarea fragmentelor acesteia. Când procesul este efectuat în prezența oxigenului, are loc și oxidarea stratului de suprafață (Hecht 2005; Crafer și Oakley 1992; Landolt și Bo¨rnstein 2004).

Microprelucrare cu laser

S-au depus demersuri în toate domeniile pentru a obține cea mai înaltă miniaturizare a produselor, asigurând în același timp cea mai mare funcționalitate a acestora. Laserele moderne oferă o tehnologie de modificare a materialelor mai precisă, de obicei, dincolo de atingerea altor tehnologii. Tăierea, marcarea, imprimarea textului și a graficelor pe materiale precum sticlă, metal sau plastic este posibilă cu tehnologia laser (McGeough 2002).

Termenul de microprelucrare cu laser este utilizat cu referire la o tehnică care utilizează un fascicul laser pentru a îndepărta cantități mici sau straturi subțiri de material prelucrat într-un proces de depunere a stratului în impulsuri. Laserele cu durata impulsurilor de nanosecunde și femtosecunde sunt de obicei folosite în astfel de procese. Procesele de bază de microprelucrare cu laser includ tăierea, alezarea și formarea suprafeței.

Impulsurile laser sunt concentrate pe suprafața materialului prelucrat în timpul microprelucrării. O parte din radiația laser este reflectată, iar restul este absorbită de un material. Aceasta depinde de proprietățile fizio-optice ale materialului și de lungimea de undă a radiației laser. În materialele netransparente, absorbția radiațiilor are loc într-un strat subțire doar sub suprafața materialului, iar energia absorbită este transportată adânc în interiorul materialului într-un proces de conductivitate termică. Materialul situat într-o așa-numită zonă afectată de căldură (HAZ) este parțial topit și apoi evaporat. Acest lucru, totuși, este de obicei asociat cu degradarea materialului tratat din cauza deteriorării acestuia în zona de microprelucrare și este prezentat prin deformarea, sinterizarea sau decolorarea marginii materialului. Dacă durata impulsurilor este scurtă, iar densitatea energiei fasciculului laser suficient de mare, poate apărea un fenomen de „ejectare” bruscă a fazei lichide din zona de microprelucrare. Bucățile de material pot fi îndepărtate cu acest fenomen într-un mod ce scade degradarea termică a materialului. Ambele procese sunt grupate în depunere de straturi pulsate, permițând, în special, să se producă piese mici cu forme complicate (Webb și Jones 2004; McGeough 2002; Dahotre și colab. 1994; Tan'ski și colab. 2010).

Ar trebui enumerate următoarele avantaje ale microprelucrării cu laser:

• O gamă largă de materiale poate fi microprelucrată: metale, polimeri, ceramică, sticlă, izolatori și conductori
• Viteză rapidă a procesului și complexitate redusă
• Flexibilitate ridicată la proiectarea geometriei pieselor

Dezavantajele microprelucrării cu laser:

• Acuratețe relativ mică de aproximativ zeci de micrometri
• Risc de deteriorare termică a materialului prelucrat în zona afectată de căldură (HAZ = heat-affected zone)