Laserpinnoitus on pinnanmuokkaustekniikka, joka käyttää korkean energian lasersädettä lämmönlähteenä erikoisominaisuuksien omaavan metalliseospinnoitteen kerrostamiseen alustalle. Sen etuna on alhainen laimennusaste, pieni lämpövaikuttama vyöhyke, hyvä sidoslujuus alustaan ja vähäinen ympäristön saastuminen. Siksi sitä käytetään laajasti pintakorjauksessa ja avainkomponenttien, kuten autoteollisuuden, petrokemian teollisuuden ja kaivoskoneiden, vahvistamisessa.
Laserpinnoituson monimutkainen metallurginen prosessi, joka sisältää fysiikkaa, kemiaa ja materiaaleja. Sen nopeat kuumenemis- ja jähmettymisominaisuudet aiheuttavat usein vikoja, kuten halkeamia ja huokosia verhouskerroksessa. Aiemmissa tutkimuksissa kotimaiset ja ulkomaiset tutkijat pääosin eliminoivat tai vähensivät laserpinnoitteiden vikoja materiaalisuunnittelun ja prosessiparametrien optimoinnin avulla. Korkean kovuuden seospinnoitteilla on kuitenkin edelleen vaikeaa poistaa rakenteellisia vikoja muuttamalla olemassa olevaa prosessia, mikä edellyttää pinnoitteen jähmettymisrakenteen hallintaa ulkoisen kentän avulla, mikä parantaa pinnoitteen laatua. Ulkoisen kentän aputeknologiana sähkömagneettisen kentän etuna on erilaisia yhdistelmiä, hyvä ohjattavuus ja ympäristöystävällisyys. Sitä on käytetty valussa, hitsauksessa, laserkäsittelyssä ja muilla aloilla. Sähkömagneettisen kentän synnyttämää sähkömagneettista voimaa käytetään sulatteen sekoittamiseen, mikä voi aiheuttaa nestemäisen metallin voimakkaan konvektion sulassa altaassa, homogenisoida sulan altaan lämpötilakentän ja liuenneen aineen jakautumisen sekä vähentää sulan altaan määrää. alijäähdyttää ja jalostaa jähmettymisrakennetta.
1 Sähkömagneettisen kentän vaikutusmekanismi laserpinnoitusprosessiin
Sähkömagneettinen kenttä on kosketukseton ulkoinen apuväline. Laserpinnoitusprosessin aikana sähkömagneettinen kenttä on vuorovaikutuksessa sulassa olevan metallisulan kanssa sähkömagneettisen voiman muodostamiseksi. Sähkömagneettinen voima muuttaa sulatteen konvektiivista liikettä ja massansiirto- ja lämmönsiirtoprosessia ja vaikuttaa sitten päällystekerroksen jähmettymisprosessiin. Sähkömagneettisen kentän vaikutus sulan liikekäyttäytymiseen heijastuu pääasiassa useista näkökohdista, kuten sähkömagneettinen sekoitusvaikutus, sähkömagneettinen jarrutusvaikutus, lämpösähkömagneettinen nestevaikutus, sähkömigraatiovaikutus ja ihovaikutus. Sähkömagneettisen kentän vaikutus sulatteen jähmettymisprosessiin heijastuu pääasiassa useisiin näkökohtiin, kuten rakeiden pirstoutumiseen, atomiryhmän vaihteluvaikutukseen ja Joule-lämmitysvaikutukseen.
2 Erilaisten sähkömagneettisten kenttämuotojen vaikutukset laserpäällysteiden mikrorakenteeseen ja ominaisuuksiin
- Vakaan tilan magneettikenttä: Vakaan tilan magneettikenttä auttaa tukahduttamaan pinnoitteen pinnan aaltoilua, vähentämään halkeamien määrää ja parantamaan pinnoitteen rakennetta. Tasapainoinen magneettikenttä voi vähentää virtausnopeutta sulan altaan sisällä, mutta sillä ei ole selvää vaikutusta lämpötilakenttään; kun vakaan tilan magneettikentän voimakkuus on korkeampi kuin tietty arvo, sillä on merkittävä estävä vaikutus sulan kerroksen pintavärinä.
- Epävakaa magneettikenttä: Vaihtuvalla magneettikentällä on vain vähän vaikutusta päällyskerroksen leveyteen ja laimennusnopeuteen, kun taas sen korkeus ja kosketuskulma pienenevät magneettikentän voimakkuuden kasvaessa, ja päällystekerroksen pinnan tasaisuuteen vaikuttavat myös magneettikentän voimakkuus ja taajuus. Verrattuna vuorotteleviin ja pyöriviin magneettikenttiin, pulssimagneettikenttää voidaan soveltaa ajoittain sulaan altaaseen säätämällä magneettikentän voimakkuutta ja taajuutta. Laserpäällysteen nopean kuumenemis- ja jäähdytysprosessiominaisuuksien vuoksi sulan altaan olemassaoloaika on kuitenkin suhteellisen lyhyt, joten pulssimagneettikenttäavusteisesta laserpäällysteestä on suhteellisen vähän tutkimuksia. Kuten kuvasta näkyy, verrattuna ilman ulkoista kenttäapua valmistettuihin näytteisiin neljän tyyppiset magneettikentät voivat vähentää pinnoitteen halkeamia, jalostaa rakeita ja lisätä pinnoitteen kovuutta. Niistä pulssimagneettikenttäavusteisella laserverhouksella on paras vaikutus, mutta pinnoitteessa näkyy kovan faasin erotteluilmiö.
Hitsauksessa ja valussa käytetään laajasti yhtä sähkökenttää, mutta laserpinnoituksen alalla tehdään vähemmän tutkimusta. Tällä hetkellä laserverhouksessa käytetään kahta pääasiallista sähkökentän muotoa: vaihtuva sähkökenttä ja pulssisähkökenttä.
- Vuorotteleva sähkökenttä: Sähkömigraatiovaikutus saa sulassa olevat ionit liikkumaan suunnassa, ja virran Joule-lämmitysvaikutus muuttaa sulatteen lämpötilaa, mikä vaikuttaa päällyskerroksen jähmettymisprosessiin. Vaihtovirta voi edistää rakeiden jalostumista ja samalla lisätä hienorakeisen alueen korkeutta pinnoitteen pohjassa, mikä auttaa vähentämään halkeamien muodostumista. Vaihtovirran syöttö muodostaa indusoituneen sähkömagneettisen voiman, jonka suunta muuttuu jatkuvasti sulassa altaan, joka toimii sähkömagneettisena sekoitusvaikutuksena sulassa altaan nestemäisessä metallissa, vähentää lämpötilagradienttia jähmettymisrintamalla ja siten edistää jyvien jalostus.
- Pulssi sähkökenttä: Pulssivirralla on epäjatkuvuuden, vaihtelun ja jaksollisuuden ominaisuudet. Pulssivirran käyttäminen päällystysprosessin aikana voi muuttaa sulan virtausnopeutta, ja sulatteessa muodostuva leikkausvoima voi rikkoa muodostuneet rakeet, lisätä ydintymisnopeutta ja jalostaa rakeita.
3 Sähkömagneettinen kenttä-avusteinen laserpinnoitusmateriaalijärjestelmä
Tällä hetkellä sähkömagneettista kenttäavusteista laserpinnoitustekniikkaa on sovellettu erilaisten metalliseospinnoitteiden ja komposiittipinnoitteiden valmistuksessa. Seospinnoitteissa sähkömagneettinen kenttä auttaa parantamaan pinnoitekomponenttien homogenisoitumista ja saostuneiden faasien jakautumista. Komposiittipinnoitteissa sähkömagneettisen kentän sähkömagneettinen sekoitusvaikutus voi muuttaa sulassa altaan vahvistusvaiheen jakautumisominaisuuksia.
- Rautapohjainen pinnoite: Sähkömagneettisen kentän levittämisen jälkeen magneettikentän voimakkuuden kasvaessa päällyskerroksen pinnan karheus vähenee, rakenne jalostuu merkittävästi ja viat, kuten huokoset ja halkeamat, vähenevät; pinnoitteen kovuus, kulutuskestävyys ja korroosionkestävyys paranevat. Ilman magneettikenttää valmistettuun pinnoitteeseen verrattuna magneettikenttäavusteella valmistetun pinnoitteen kovuusarvo on vakaampi syvyyssuunnassa.
- Kobolttipohjainen pinnoite: Tasapainoinen magneettikenttä voi estää sulan altaan konvektiota ja rikastuttaa makrosegregaatiota, ja matriisielementit voivat jakautua paremmin sulan altaan pohjalle, joten on helpompi saada suojakerros, jonka koostumus on lähellä seosjauheen koostumusta. Magneettikentän synnyttämä magnetostriktiivinen vaikutus voi tehokkaasti vähentää verhouskerroksen lämpölaajenemiskerrointa ja kimmokerrointa, vähentää lämpöjännitystä verhousprosessin aikana ja vähentää sitten halkeaman herkkyyttä.
- Komposiittipinnoite: Vakiomagneettikenttä ei vaikuta komposiittipinnoitteen faasikoostumukseen, mutta sillä on merkittävä vaikutus pinnoitteen mikrorakenteeseen ja keraamisen lujitefaasin jakautumiseen. Tietty magneettikentän voimakkuus edistää rakenteen hienostuneisuutta ja keraamisen vahvistusvaiheen jakautuminen rakenteessa on tiheä. Kuvassa on esitetty sähkömagneettisen komposiittikentän vaikutus tasatilan magneettikenttään ja tasavirtasähkökenttään yhdistettynä WC-hiukkasten jakautumiseen ja mikrorakenteeseen laserpäällysteisen In718/WC-komposiittipinnoitteen kanssa. Sähkömagneettisen kentän synnyttämä alaspäin suuntautuva Lorentz-voima voi tehostaa Marangoni-konvektiota sulassa altaassa, mikä edistää WC-hiukkasten tasaista jakautumista komposiittipinnoitteessa. Tasavirta voi lisätä eutektisten karbidien ytimen muodostumisnopeutta, ja tehostettu Marangoni-konvektio voi rikkoa pylväsmäisiä dendriittejä ja jalostaa siten rakennetta.
4 näkymät
Sähkömagneettinen kenttäavusteinen laserpinnoitustekniikka voi hallita päällystekerroksen mikrorakennetta, edistää rakeiden hienostuneisuutta, vähentää koostumuksen erottelua, tehdä vahvistusvaiheen jakautumisesta tasaisemman ja estää vikojen, kuten reikien ja halkeamien, syntymisen. Siksi sähkömagneettisen kentän avusteisella laserpinnoitustekniikalla voidaan valmistaa pinnoitteita, joilla on erinomaiset ominaisuudet. Sähkömagneettinen kenttäavusteinen laserpinnoitustekniikka on perinteisen laserkäsittelytekniikan innovaatio. Se ei voi vain edistää sähkömagneettisen teorian soveltamista laserkäsittelytekniikassa, vaan myös edistää laserjen uudelleenvalmistusteknologian kehitystä korkean suorituskyvyn osien pinnalla. Sillä on laajat teoreettiset tutkimus- ja suunnittelusovellukset.