В данной статье рассматривается нанесение покрытий из кремниазана и других металлов на алюминий с применением лазерной обработки. Полученное кремниазановое покрытие на алюминиевой подложке повышает твердость по сравнению с традиционными процессами и подходит для защиты от износа.
Жесткость и удельная прочность алюминия в чистом виде или в виде сплавов делают его перспективным исходным материалом для изготовления конструкционных элементов. Однако срок службы алюминия сокращается из-за его низкой поверхностной твердости и износостойкости. Несмотря на то что керамизация в печи с использованием прекурсорных покрытий является наиболее подходящим методом для повышения жесткости, ее применение ограничено субстратами, устойчивыми к высоким температурам.
Высокая удельная прочность и жесткость являются необходимыми условиями для проектирования легких конструкционных элементов в аэрокосмической и автомобильной промышленности. Среди многих материалов алюминий и его сплавы отвечают этим требованиям.
Хотя нанесение поверхностных покрытий является экономичным и эффективным способом повышения износостойкости и твердости алюминия, покрытие должно осуществляться при температурах ниже 200 градусов Цельсия во избежание его деградации. Среди используемых методов покрытия отмечаются процессы физического осаждения из паровой фазы (PVD). Наиболее часто на алюминий наносятся нитриды титана (TiN) и хрома (CrN). В то время как PVD-покрытие является тонкослойным, термическое напыление позволяет создать толстое и износостойкое покрытие.
Технология керамики на основе полимерных прекурсоров (PDC) является альтернативным методом получения твердых и термостойких керамических покрытий. Технология PDC проста в применении и может использоваться посредством распыления, центрифугирования, окунания или нанесения с помощью ракеля.
В исследовании, опубликованном в журнале Ceramics International, авторы представили алюминий с керамическим покрытием, нанесенным с помощью лазерной обработки. Керамическое покрытие состояло из оксида циркония, стабилизированного иттрием (3 мол% ZrO2), и алюминиевых наполнителей. Наполнитель ZrO2 увеличивает толщину покрытия и улучшает его механические свойства. В отличие от других керамик, ZrO2 обладает высоким коэффициентом термического расширения, что снижает термическое несоответствие между покрытием и подложкой. Добавление алюминиевых хлопьев увеличивает поглощение лазерного излучения и способствует эффективному преобразованию лазерной энергии в покрытие. Кроме того, алюминий с низкой температурой плавления снижает напряжения при затвердевании покрытия.
Авторы предполагают, что исследуемая лазерная пиролиза покрытия обладает высоким потенциалом для защиты от износа на субстратах с низкой температурой плавления, таких как алюминий. Благодаря короткому времени взаимодействия и селективной пиролизе лазерным излучением этот подход позволяет наносить покрытие на подложку без тепловых повреждений или плавления. Кроме того, данный процесс является экономичным способом нанесения керамического покрытия на высокочувствительные к температуре субстраты с низкой износо- и коррозионной стойкостью.
В недавней работе, опубликованной в журнале Nanotechnologies, авторы исследовали поверхности алюминиевого сплава с многофункциональными покрытиями, обладающими иерархической шероховатостью, сочетающей микро- и нанотекстуру. Было показано, что после хемосорбции фторсиланов на поверхности алюминиевого сплава покрытие обладало сверхгидрофобными свойствами, сохраняющимися при механических нагрузках и воздействии ультрафиолетового излучения. Кроме того, покрытие продемонстрировало способность к самовосстановлению при длительных структурных повреждениях.
В другой работе, опубликованной в журнале ACS Applied Materials and Interfaces, рассматривалось получение сверхгидрофобных окисленных поверхностей алюминиевых сплавов с повышенной устойчивостью к точечной коррозии в растворах хлорида натрия. Такое покрытие перспективно для применения в автомобильной промышленности, судостроении, авиации, строительстве и медицине. Метод нанесения включал обработку поверхности алюминия наносекундным лазером с последующей хемосорбцией гидрофобного агента для достижения сверхгидрофобности поверхности сплава. Электрохимические и смачивающие эксперименты показали, что сверхгидрофобное состояние металлической поверхности тормозит процессы коррозии в хлоридных растворах в течение нескольких дней.
Еще одно недавнее исследование, опубликованное в Journal of Thermal Spray Technology, продемонстрировало новый двухэтапный подход к нанесению покрытий из высокоэнтропийных сплавов на алюминиевую подложку. На первом этапе наносили композитное покрытие толщиной 2,5 мм методом холодного напыления с использованием двух смесей из пяти металлических порошков. На втором этапе проводили лазерное оплавление слоя толщиной 500–1000 мкм на верхней поверхности композитного покрытия. Микроструктурный анализ изготовленного металла показал хорошее смешение элементов в зоне плавления во время лазерной обработки.
В заключение, производство материалов с использованием фотонной обработки и лазерной модификации поверхности вызывает значительный интерес в области фундаментальных исследований. Поскольку лазерная обработка является чувствительным процессом, она требует строгого контроля параметров лазерного воздействия. Лазерная модификация поверхности улучшает механические свойства и повышает коррозионную стойкость алюминия и его сплавов. Кроме того, добавление керамических частиц позволяет контролировать формирование микроструктуры.
Особенно важно, что такая модификация поверхности обладает высоким потенциалом для применения в ремонте и техническом обслуживании оборудования в биомедицине, автомобилестроении, авиационных двигателях, станкостроении, бурении нефти и в различных технологических отраслях.
