Laserpäällysteen kovuuden vahvistaminen

Huippuvalmistuksen alalla osien pintaominaisuudet vaikuttavat suoraan tuotteen suorituskykyyn ja käyttöikään, ja laiteosien kuluminen aiheuttaa usein lisäaika- ja taloudellisia menetyksiä. Mekaanisten osien pinnan suorituskyvyn parantamiseksi käytetään yleensä pintavahvistuskäsittelyä materiaalin pinnan suorituskyvyn ja käyttöiän parantamiseksi. Materiaalin suoran pinnanvahvistuksen lisäksi pintaan valmistetaan yleensä pinnoite, kuten lämpöruiskutus materiaalin pintaan metallurgiassa, petrokemian teollisuudessa ja muilla aloilla käyttöiän pidentämiseksi. Lämpöruiskutustekniikan puutteista johtuen se ei kuitenkaan pysty tehokkaasti parantamaan materiaalien pintamekaanisia ominaisuuksia. Lisäksi kun erikoispinnoitteita valmistetaan magnetronisputteroinnilla, galvanoimalla ja kemiallisella höyrypinnoituksella, niissä on usein puutteita, kuten rajallinen paksuus ja huono tarttuvuus.

Laserpinnoitustekniikka on uusi metallipintakäsittelytekniikka, jota käytetään usein korkeakovuuden kulutusta kestävien pinnoitteiden valmistukseen, joilla on vahva sidosvoima ja vähän vikoja. Lastuttomana ja tehokkaana 3D-muovausteknologiana laserpinnoitusta on menestyksekkäästi sovellettu joidenkin huippuluokan teknisten osien vihreään valmistukseen ja uudelleenvalmistukseen.

Päällystettävän substraatin pinnalla laserpäällystetään eri syöttömenetelmillä lasersäteilytyksen avulla ohuen kerroksen substraatin pinnasta sulattamiseksi samanaikaisesti, ja nopean jähmettymisen jälkeen erittäin alhaisen laimentumisen ja metallurgisen sidoksen muodostamiseksi alustan kanssa. substraatin pinnan pinnoitus. Teknologialle on tunnusomaista suuri tehotiheys, korkea kerrostumistehokkuus, alhainen lämpömuodonmuutos, nopea jäähdytys, alhainen laimennusnopeus ja korkeat metallurgiset ominaisuudet

Laserverhouksessa lasersäde kohdistetaan pienelle alueelle materiaalin pinnalla, jolloin se lämpenee nopeasti saavuttaen materiaalin sulamispisteen tai korkeamman lämpötilan. Korkeissa lämpötiloissa substraatti muodostaa päällystemateriaalin kanssa sulaaltaan, jolloin materiaalin atomit ja molekyylit alkavat muuttua sulatealtaassa dynaamiseksi ja ne voidaan järjestää uudelleen erilaisiksi kiderakenteiksi tai kemiallisiksi koostumuksiksi. Kun lasersäde siirtyy seuraavalle alueelle, aiemmin sulanut alue jäähtyy nopeasti muodostaen uuden organisaatiorakenteen, joten se soveltuu materiaalin kovuuden lisäämiseen.

Mekanismi, jolla laserpinnoitustekniikka voi parantaa materiaalien kovuutta, sisältää seuraavat näkökohdat.

1. Viljan jalostus

Koska laserpäällystekerros on erityinen ja ohimenevä kiinteä kemiallinen prosessi, sillä on korkea sulamis- ja jähmettymisnopeus, mikä estää rakeiden kasvua, edistää rakeiden jalostumista ja parantaa siten pinnoitteen kovuutta. NbMoTaWTi korkean entropian metalliseospinnoite valmistettiin TC4-lejeeringin pinnalle laserpinnoituksella, ja mikrokovuuden havaittiin olevan 71,4 % korkeampi kuin substraatin. Syynä on se, että nopea sulaminen ja jäähtyminen laserpäällystysprosessissa johtaa siihen, että rae ei voi kasvaa nopeasti, jolloin rae jalostuu ja kovuus paranee huomattavasti.

2. Hilan vääristymä

Kidehilan vääristyminen lisää materiaalin kovuutta. Laserverhouskerroksen plastisen muodonmuutoksen prosessissa otetaan käyttöön suuri määrä hilavirheitä, kuten dislokaatio ja tyhjyys, jotta jotkut elementit saadaan pois tasapainotilasta ja aiheuttavat hilan vääristymiä. Hilavääristymän jälkeen se johtaa usein materiaalin energian lisääntymiseen, mikä johtaa suurempaan mikrojännitykseen, estää sijoiltaan liukumisen ja parantaa materiaalin lujuutta ja kovuutta. Koska korkean entropian metalliseos koostuu useista alkuaineista, kunkin alkuaineatomin koko, rakenne ja sidosenergia ovat merkittävästi erilaisia, jolloin eri alkuaineiden atomikoko, sidostyyppi ja hilan potentiaalienergia voivat jakautua satunnaisesti hilassa. pisteitä, mikä johtaa vakavaan hilavääristymään kiderakenteessa, joten tämä ilmiö on selvempi korkean entropian metalliseoksessa.

3. Vaihemuunnos

Pinnoitevaiheen muutos lisää pinnoitteen kovuutta. Laserpinnoitus on korkean lämpötilan prosessointitekniikka, joka voi lämmittää materiaalin pinnan korkeisiin lämpötiloihin hyvin lyhyessä ajassa, sulattaa sen osittain tai kokonaan ja muodostaa erilaisia ​​organisaatiorakenteita nopealla jäähdytyksellä. Tässä korkeassa lämpötilassa materiaalin atomeista ja molekyyleistä tulee dynaamisia ja ne voidaan järjestää uudelleen vakaammaksi tai optimoitummaksi kiderakenteeksi, mikä aiheuttaa materiaalin faasisiirtymän. CoCrNiMnTix korkean entropian metalliseoslaserpinnoite valmistettiin Q235-teräspinnalle. Havaittiin, että Ti-pitoisuuden kasvaessa päällysteessä pinnoitusvaihe muuttui FCC-faasista FCC+ Laves -faasiin.

Jauheiden tyyppi ja osuus ovat avaintekijöitä, jotka vaikuttavat pinnoitteiden suorituskykyyn. Siksi kokeessa on erittäin tärkeää suunnitella päällystysjauheen kaava järkevästi. Lisäksi, koska pinnoitteen tehostusmenetelmä liittyy läheisesti sen vahvistavaan vaikutukseen, on erittäin tärkeää suunnitella jauhe tehostusvaikutuksen mukaan. Niistä toisen vaiheen vahvistus, hienokidevahvistus, kiinteän liuoksen vahvistaminen, mikrorakenteen optimointi, amorfinen ja mikrorakenteen optimointi ovat tehokkaita tapoja parantaa pinnoitteen kovuutta ja kulutuskestävyyttä. Yleisten lisäaineiden vaikutukset verhouspinnoitteiden pintaominaisuuksiin on esitetty taulukossa 1.

Koska materiaalin kovuus heijastaa materiaalin kykyä vastustaa materiaalin puristumista pintaan, mitä suurempi kovuus, mitä matalampi materiaalin syvyys puristuu materiaalin pintaan, sitä pienempi on leikkaamisen aiheuttama hankaustilavuus, eli mitä pienempi kuluminen, sitä suurempi kulutuskestävyys. Siksi kovuudella voidaan mitata metallimateriaalien kulutuskestävyyttä, ja kovuuden kasvaessa myös sen kulutuskestävyys kasvaa.