Ενίσχυση σκληρότητας της επικάλυψης επένδυσης λέιζερ

Στον τομέα της κατασκευής υψηλών προδιαγραφών, οι επιφανειακές ιδιότητες των εξαρτημάτων επηρεάζουν άμεσα την απόδοση και τη διάρκεια ζωής του προϊόντος και η φθορά των εξαρτημάτων του εξοπλισμού συχνά προκαλεί πρόσθετη απώλεια χρόνου και οικονομικού κόστους. Προκειμένου να βελτιωθεί η απόδοση της επιφάνειας των μηχανικών μερών, η επεξεργασία ενίσχυσης επιφάνειας χρησιμοποιείται συνήθως για τη βελτίωση της επιφανειακής απόδοσης και της διάρκειας ζωής του υλικού. Εκτός από την άμεση επιφανειακή ενίσχυση του υλικού, η επίστρωση συνήθως προετοιμάζεται στην επιφάνεια, όπως ο θερμικός ψεκασμός στην επιφάνεια του υλικού στη μεταλλουργία, την πετροχημική και άλλους τομείς για τη βελτίωση της διάρκειας ζωής. Ωστόσο, λόγω των ελλείψεων της τεχνολογίας θερμικού ψεκασμού, δεν μπορεί να βελτιώσει αποτελεσματικά τις επιφανειακές μηχανικές ιδιότητες των υλικών. Επιπλέον, όταν προετοιμάζονται ειδικές επικαλύψεις με ψεκασμό με μαγνήτρο, επιμετάλλωση και χημική εναπόθεση ατμών, συχνά υπάρχουν ελλείψεις όπως περιορισμένο πάχος και κακή πρόσφυση.

Η τεχνολογία επένδυσης λέιζερ είναι μια νέα τεχνολογία επεξεργασίας επιφανειών μετάλλων, η οποία χρησιμοποιείται συχνά για την παρασκευή επιστρώσεων υψηλής σκληρότητας ανθεκτικών στη φθορά με ισχυρή δύναμη συγκόλλησης και λίγα ελαττώματα. Ως τεχνολογία τρισδιάστατης διαμόρφωσης χωρίς τσιπ και αποτελεσματική, η επένδυση λέιζερ έχει εφαρμοστεί με επιτυχία στην πράσινη κατασκευή και ανακατασκευή ορισμένων εξαρτημάτων μηχανικής υψηλής τεχνολογίας.

Η επένδυση με λέιζερ βρίσκεται στην επιφάνεια του υποστρώματος που πρόκειται να επικαλυφθεί, με διαφορετικές μεθόδους τροφοδοσίας, μέσω ακτινοβολίας λέιζερ για να λιώσει ένα λεπτό στρώμα της επιφάνειας του υποστρώματος ταυτόχρονα, και μετά από ταχεία στερεοποίηση για να σχηματιστεί μια πολύ χαμηλή αραίωση και μεταλλουργική σύνδεση με το επίστρωση επιφάνειας υποστρώματος. Η τεχνολογία χαρακτηρίζεται από υψηλή πυκνότητα ισχύος, υψηλή απόδοση εναπόθεσης, χαμηλή θερμική παραμόρφωση, ταχεία ψύξη, χαμηλό ρυθμό αραίωσης και υψηλές μεταλλουργικές ιδιότητες

Στην επένδυση λέιζερ, η δέσμη λέιζερ εστιάζει σε μια μικρή περιοχή στην επιφάνεια του υλικού, με αποτέλεσμα να θερμαίνεται γρήγορα, φτάνοντας στο σημείο τήξης του υλικού ή σε υψηλότερη θερμοκρασία. Σε υψηλές θερμοκρασίες, το υπόστρωμα σχηματίζει μια δεξαμενή τήγματος με το υλικό επένδυσης και τα άτομα και τα μόρια του υλικού αρχίζουν να γίνονται δυναμικά στη δεξαμενή τήγματος και μπορούν να αναδιαταχθούν σε διαφορετικές κρυσταλλικές δομές ή χημικές συνθέσεις. Όταν η δέσμη λέιζερ μετακινείται στην επόμενη περιοχή, η προηγουμένως λιωμένη περιοχή ψύχεται γρήγορα, σχηματίζοντας μια νέα οργανωτική δομή, επομένως είναι κατάλληλη για την αύξηση της σκληρότητας του υλικού.

Ο μηχανισμός με τον οποίο η τεχνολογία επένδυσης λέιζερ μπορεί να βελτιώσει τη σκληρότητα των υλικών περιλαμβάνει τις ακόλουθες πτυχές.

1. Εξευγενισμός κόκκων

Επειδή το στρώμα επένδυσης λέιζερ είναι μια ειδική και παροδική στερεά χημική διαδικασία, έχει υψηλό ρυθμό τήξης και στερεοποίησης, που αναστέλλει την ανάπτυξη των κόκκων, προάγει τη βελτίωση των κόκκων και επομένως βελτιώνει τη σκληρότητα της επικάλυψης. Η επίστρωση κράματος υψηλής εντροπίας NbMoTaWTi παρασκευάστηκε στην επιφάνεια του κράματος TC4 με επένδυση λέιζερ και η μικροσκληρότητα βρέθηκε να είναι 71,4% υψηλότερη από αυτή του υποστρώματος. Ο λόγος είναι ότι η ταχεία τήξη και ψύξη στη διαδικασία επένδυσης λέιζερ οδηγεί στο ότι ο κόκκος δεν μπορεί να αναπτυχθεί γρήγορα, επομένως ο κόκκος εξευγενίζεται και η σκληρότητα βελτιώνεται σημαντικά.

2. Παραμόρφωση πλέγματος

Η παραμόρφωση του κρυσταλλικού πλέγματος αυξάνει τη σκληρότητα του υλικού. Στη διαδικασία της πλαστικής παραμόρφωσης του στρώματος επένδυσης λέιζερ, ένας μεγάλος αριθμός ελαττωμάτων πλέγματος, όπως η εξάρθρωση και η κενή θέση, θα εισαχθούν για να βγουν ορισμένα στοιχεία από την κατάσταση ισορροπίας και να προκληθεί παραμόρφωση του πλέγματος. Μετά την παραμόρφωση του πλέγματος, συχνά οδηγεί σε αύξηση της ενέργειας στο υλικό, με αποτέλεσμα μεγαλύτερη μικροκαταπόνηση, αναστολή της ολίσθησης της εξάρθρωσης και βελτίωση της αντοχής και της σκληρότητας του υλικού. Επειδή το κράμα υψηλής εντροπίας αποτελείται από μια ποικιλία στοιχείων, το μέγεθος, η δομή και η ενέργεια σύνδεσης κάθε ατόμου στοιχείου είναι σημαντικά διαφορετικά, στα οποία το ατομικό μέγεθος, ο τύπος δεσμού και η δυναμική ενέργεια του πλέγματος διαφορετικών στοιχείων μπορούν να κατανεμηθούν τυχαία στο πλέγμα σημεία, με αποτέλεσμα σοβαρή παραμόρφωση του πλέγματος της κρυσταλλικής δομής, επομένως αυτό το φαινόμενο είναι πιο εμφανές στο κράμα υψηλής εντροπίας.

3. Μετασχηματισμός φάσης

Η αλλαγή της φάσης επίστρωσης αυξάνει τη σκληρότητα της επίστρωσης. Η επένδυση λέιζερ είναι μια τεχνολογία επεξεργασίας υψηλής θερμοκρασίας που μπορεί να θερμάνει την επιφάνεια του υλικού σε υψηλές θερμοκρασίες σε πολύ σύντομο χρονικό διάστημα, να το λιώσει μερικώς ή πλήρως και να σχηματίσει διαφορετικές οργανωτικές δομές μέσω ταχείας ψύξης. Σε αυτή την υψηλή θερμοκρασία, τα άτομα και τα μόρια του υλικού γίνονται δυναμικά και μπορούν να αναδιαταχθούν σε μια πιο σταθερή ή βελτιστοποιημένη κρυσταλλική δομή, προκαλώντας μια μετάβαση φάσης του υλικού. Η επίστρωση επένδυσης λέιζερ από κράμα υψηλής εντροπίας CoCrNiMnTix παρασκευάστηκε σε επιφάνεια χάλυβα Q235. Βρέθηκε ότι με την αύξηση της περιεκτικότητας σε Ti στην επικάλυψη, η φάση επικάλυψης άλλαξε από φάση FCC σε φάση FCC+ Laves.

Ο τύπος και η αναλογία των σκονών είναι οι βασικοί παράγοντες που επηρεάζουν την απόδοση των επιστρώσεων. Ως εκ τούτου, στο πείραμα, είναι πολύ σημαντικό να σχεδιαστεί ο τύπος της σκόνης επένδυσης εύλογα. Επιπλέον, επειδή η μέθοδος ενίσχυσης της επίστρωσης σχετίζεται στενά με το ενισχυτικό της αποτέλεσμα, είναι πολύ σημαντικό να σχεδιάσετε τη σκόνη σύμφωνα με το αποτέλεσμα ενίσχυσης. Μεταξύ αυτών, η ενίσχυση δεύτερης φάσης, η ενίσχυση λεπτών κρυστάλλων, η ενίσχυση στερεού διαλύματος, η βελτιστοποίηση μικροδομής, η βελτιστοποίηση άμορφων και μικροδομών είναι αποτελεσματικοί τρόποι βελτίωσης της σκληρότητας και της αντοχής στη φθορά της επίστρωσης. Οι επιδράσεις των κοινών πρόσθετων στοιχείων στις επιφανειακές ιδιότητες των επικαλύψεων φαίνονται στον Πίνακα 1.

Επειδή η σκληρότητα του υλικού αντανακλά την ικανότητα του υλικού να αντιστέκεται στην πίεση του υλικού στην επιφάνεια, όσο μεγαλύτερη είναι η σκληρότητα, όσο μικρότερο είναι το βάθος του υλικού που πιέζει στην επιφάνεια του υλικού, τόσο μικρότερος είναι ο όγκος τριβής που δημιουργείται από την κοπή, δηλαδή όσο μικρότερη είναι η φθορά τόσο μεγαλύτερη είναι η αντίσταση στη φθορά. Ως εκ τούτου, η σκληρότητα μπορεί να χρησιμοποιηθεί για τη μέτρηση της αντοχής στη φθορά των μεταλλικών υλικών και όταν η σκληρότητα αυξάνεται, η αντίσταση στη φθορά θα αυξηθεί επίσης.