Aantal Bladeren:20 Auteur:Site Editor Publicatie tijd: 2018-07-03 Oorsprong:aangedreven
Laseroppervlakbekleding door poederinjectie is een alternatieve techniek geworden voor conventionele methoden om van hoge kwaliteit, metallurgisch gebonden coatings op metalen substraten te produceren met lage thermische belasting in het werkstuk [1]. Gewoonlijk is het hoofddoel van laserkleding om de substraatoppervlakprestaties te wijzigen die verschillende eigenschappen verbetert [2]: mechanische (hardheid, vermoeidheidsweerstand en slijtvastheid) [3], corrosieweerstand [4], biocompatibiliteit [5], enz.
In deze techniek wordt de energie van de laser gebruikt om een dunne laag van het substraat te smelten, terwijl de poederdeeltjes kunnen worden gesmolten door de interactie met de laserstraal of/en bij aankomst op de smeltpool gevormd op het substraat. Een relatieve beweging tussen het substraat en de laser/poederstraal maakt het mogelijk om een enkel geklede spoor te vormen, terwijl overlappende deze sporen een grote dekking van de oppervlakte geven [6]. Een breed scala aan voorlopercoatingmaterialen is getest: van superlegeringen [7] tot geavanceerd keramiek [8].
Verschillende laserbronnen zijn beschikbaar voor industriële doeleinden: CO2, ND: YAG, High Power Laser -diodes en meer recent hoge helderheid laserbronnen zoals schijf of vezellaser. De beschikbaarheid van deze nieuwe laserbronnen met hoge helderheid opent enkele vragen over het nut ervan. Dus we kunnen onszelf in twijfel trekken: hebben we hoge bronnen van helderheid nodig voor laserkleding? Is er een voordeel om een hoge helderheidsbron te gebruiken voor laserbekleding? Welnu, het doel van het huidige artikel is om te proberen deze vragen te beantwoorden. Voor dit doel hebben we een ND geselecteerd: YAG en een vezellaser om geklede proeven uit te voeren waarin alle experimentele omstandigheden hetzelfde waren (inclusief dezelfde experimentele opstelling) behalve de laserbron.
2.1.Materials
Platte platen van AISI 304 roestvrij staal (50 x 50 mm2) 10 mm dik werden als substraten gebruikt. Om de geometrische kenmerken van de geklede tracks perfect af te bakenen, vertonen alle platen een hoge gepolijste oppervlakkige oppervlakken (RAB 0,5 μm). CO-gebaseerde superalloy (ORIC; Frankrijk) poeder (gemiddelde deeltjesgrootte van 90 urn en tapdichtheid van 4,6 g/cm3) werd gebruikt als voorlopercoatingmateriaal. Chemische samenstellingen van het substraat en voorlopermateriaal worden verzameld in tabel 1.
2.2.methoden
2.2.1.Laser -systemen
De zijkant poederblaastechniek werd toegepast om de coating te verkrijgen door laseroppervlakbekleding. Een off-as mondstuk injecteert de poederstroom in de interactiezone tussen de laserstraal en het substraat, die wordt verplaatst door een gemotoriseerd podium om het bekledingsspoor te genereren.
Twee verschillende laserbronnen werden gebruikt: de eerste laserbron was een ro fi n-sinar rsy500p-type lamp-gepompte ND: YAG-laser met een maximaal vermogen van 500 W, λ = 1064 nm. Het werd geleid door middel van een kerndiameter van 600 µm en is gekoppeld aan het werkstation via uitbreiding en collimerende optiek. De tweede laserbron was een hoge helderheidsmonomode ytterbium gedoteerde vezellaser (SPI SP-200), die een maximaal vermogen van 200 W leverde en werkte bij λ = 1075 nm. Evenzo werd het naar het werkstation geleid door middel van een passieve vezel (kerndiameter 50 µm), uitgebreid en gecollimeerd door een collimerende lens.
Om de kwaliteit van beide laserstralen te meten, werd een SPIRICON (LBA-300PC) analysator gebruikt. Fig. 1 toont een voorbeeld van de analyse die voor beide lasers is uitgevoerd na de uitbreiding en collimerende optiek. De gemeten waarde van de M2 -factor is M2 = 10 voor de ND: YAG -laser en M2 = 1,8 voor de vezelaser. In alle experimenten was de laserstraal exact op het substraatoppervlak gericht met behulp van dezelfde focusoptica: een gecementeerd doublet van 80 mm brandpuntsafstand, waarbij een spotdiameter van 250 μm werd verkregen in het geval van de ND: YAG -laser en 40 μm wanneer de Vile laser werd gebruikt. Het optische gemiddelde vermogen werd gedurende de experimenten tussen 40 en 100 W gevarieerd.
2.2.2.precursor poedervoeding
Het voorloperpoeder werd in de interactiezone geïnjecteerd door middel van een argontransportstroom en een gas -vaste injector gekoppeld aan een hopper. De configuratie van de gas -vaste injector bestond in een axiaal mondstuk en de verticale trechter aan de zijkant [2]. Een waarde van 20 mg/s werd constant gehouden voor de massastroom met een gasvolumetrische stroom van 2,7 L/min; De poederstroom vertoonde ongeveer 1 mm in diameter bij de interactiezone.
2.2.3. Bewering genereren en positioneren
Tijdens de experimenten werd het werkende hoofd inclusief de focusserende optiek en het pneumatische poederinjectiesysteem onbeweeglijk gehouden. Het substraat werd verplaatst door middel van een XY gemotoriseerd translatiefase PI-model M-531.PD. Bekledingsporen van 45 mm lengte werden geproduceerd variërend van de scansnelheid van 0,5 tot 10,0 mm/s.
2.3. Voorbeeldkarakterisering
De verkregen bekledingssporen werden geometrisch gekenmerkt door middel van een stereoscopische microscoop uitgerust met een XY-podiumpositieer met een resolutie van 1 µm (Nikon SMZ10-A). De monsters waren ingebed in ACRY-fi x acrylhars om de track-dwarsdoorsnede-observaties uit te voeren. Ze werden gesneden en vervolgens gepolijst met een reeks schurende SIC -kranten tot graad 1200, gevolgd door diamantpasta tot 0,1 µm. Vervolgens werden de monsters met koolstof gecoat en onderzocht door SEM. De hardheid en de modulus van Young werden gemeten door nano -indentatie met een maximale belasting van 200 mn met een driezijdige piramide diamant Berkovich Indenter. De continue stijfheidsmeettechniek werd gebruikt in een MTS nanoindenter XP -apparatuur.
Een gedetailleerde en systematische analyse van de bekledingssporen geproduceerd door de twee laserbronnen werd uitgevoerd. Zoals getoond in Fig. 2, wordt waargenomen dat de breedte voornamelijk afhankelijk is van het gemiddelde vermogen van de laserstraal. Dit gedrag is in goede overeenstemming met eerdere werken [9]. De laserstraalvlek op het substraatoppervlak is de beperkende factor voor de laterale groei van het beklede spoor; In deze zin wordt de betere focusbaarheid van de vezellaser duidelijk opgemerkt, wat leidt tot aanzienlijk smalle tracks. De breedte -toename als gevolg van gemiddelde vermogensstappen is vrij vergelijkbaar voor beide laserbronnen, terwijl het effect van het verhogen van de verwerkingssnelheid een zeer lichte vermindering van de beklede breedte lijkt te zijn (zie Fig. 2.B).
De bekledinghoogte toont een reductie wanneer de scansnelheid voor beide laserbronnen wordt aangebracht. Aan onze zijlaserbekleding-ervaringen is de laser gefocust op het substraatoppervlak en wordt het poeder vanaf de zijkant geïnjecteerd. Daarom worden deeltjes niet voldoende blootgesteld aan laserstraling voldoende tijd om te smelten voordat ze de gesmolten zwembad inzetten en daarom smelten de deeltjes voornamelijk door interactie met het gesmolten pool van het substraat. Vanuit het gezichtspunt van het substraat hangt de beschikbare energie per lengte -eenheid af van het lasergemiddelde vermogen, de spotgrootte en de scansnelheid. Het kan worden geschat door de energiedichtheidsparameter (P/VD, waarbij P: gemiddelde vermogen, V: scansnelheid en D: spotdiameter) [1]. Naarmate de scansnelheid minder energie per lengte -eenheid verhoogt, draagt bij aan de vorming van gesmolten pool. Het gekleed hoogtegedrag als functie van de energiedichtheid wordt uitgezet in Fig. 3. Soortgelijk gedrag werd verkregen met beide soorten lasers.
Bovendien wordt de hoeveelheid voorlopersmateriaal deeltjes per lengte -eenheid aangepast door de scansnelheid en de spotgrootte, ervan uitgaande dat de laserstraalvlek volledig is bedekt door de poederstroomdiameter. De hoeveelheid deeltjes die aan de gesmolten pool komen, kan worden beschouwd als evenredig met de massastroom en de spotgrootte, en omgekeerd evenredig met de scansnelheid (parameter M · D/V, waarbij M: massastroom) [9]. Bijgevolg heeft de toename van de scansnelheid een dubbel effect dat de energiedichtheid vermindert en ook de hoeveelheid deeltjes die worden gevangen door de gesmolten pool, die wordt weergegeven door een vermindering van de beklede hoogte. Voor ND: YAG -laser is een bevredigende correlatie (r = 0,98) van de bekledingshoogte gevonden met de gecombineerde parameter (p - p0)/v2, waarbij p0 = 31 w, (zie figuur 4). De waarde van P0 werd experimenteel bepaald en kan verband houden met de minimale energie die nodig is om een aanzienlijke afzetting van het materiaal te produceren. Voor de tracks geproduceerd door de vezellaser, is een correlatie (r = 0,95) van de vezellaser beklede hoogte met de inverse van de verwerkingssnelheid gevonden (zie Fig. 5). Dit gedrag kan worden verklaard door de helderheid van de hogere balk en de bijbehorende verhoogde energiedichtheidwaarden. De hoge energie gericht op de gesmolten pool leidt tot een groter deel van de deeltjes van de gevangen/belemmerde. In deze situatie hebben variaties van de gemiddelde kracht minder belang en heeft de hoeveelheid aankomende deeltjes grote invloed op het volume van gesmolten materiaal en de resulterende beklede hoogte.
Het aspect -ratio (breedte/hoogte) van de sporen wordt uitgezet tegen de verwerkingssnelheid in Fig. 6. Het is duidelijk te zien dat de breedte/hoogte van ND: YAG -geklede sporen steile voortgang, tegenover die verkregen door vezellaser. Als gevolg van de bekleed breedte en hoogteafhankelijkheid van de eerder besproken verwerkingsparameters, is de aspectversterking van de ND: YAG-laser beklede trackresultaten evenredig met het verwerkingssnelheid vierkant; Terwijl in het geval van degenen die zijn verkregen door vezellaser, de aspectverhouding evenredig is met de verwerkingssnelheid en langzamer groeit met deze verwerkingsparameter.
Bij een vaste verwerkingssnelheid is de aspectverhouding van de tracks gegenereerd door de ND: YAG-laser aanzienlijk hoger dan die van de tracks die worden gegenereerd door de vezelaser. Bij het werken met de vezellaser is een hogere scansnelheid vereist om aspectversterkingswaarden te verkrijgen die geschikt zijn voor het produceren van coatings per overlappende baan [6]. Voor dezelfde verwerkingssnelheid is de energiedichtheid (P/VD) van de ND: YAG -straling lager vanwege een bredere plek dan die verkregen door vezelstraling. Zoals bekend is, is dit feit een gevolg van de betere bundelkwaliteit van de vezellaser. Door de hogere energiedichtheid kan het vangen van meer deeltjes uit de poederstroom. Bovendien concentreert de verminderde spotdiameter van de vezellaser de energie in een kleiner gebied, waardoor de gesmolten pool zich transversaal verspreidt naar de scanrichting. Het gevolg van meer gesmolten voorloperpoeder in een kleiner gebied is de snelle groei van de beklede hoogte van de vezelasersporen. Dit feit wordt goed geïllustreerd in figuur 7 die de sem-afbeeldingen van de dwarsdoorsnede toont van de geklede sporen die door beide soorten lasers onder vergelijkbare omstandigheden worden geproduceerd.
Wat betreft de verdunning van de afgezette tracks, werd de gemeten geometrische verdunning (geometrische verdunning berekend volgens de volgende formule geom. Dilut. = H2/(H+ H2), waarbij H: gekleed hoogte en H2: geklede penetratiediepte, zie Ref. [10 ]) werd uitgezet als een functie van de scansnelheid (zie Fig. 8 en 9). De geometrische verdunning verkregen uit beide laserbronnen vertoont een vergelijkbare trend en reageert op het gecombineerde gedrag van de beklede hoogte en de penetratie Fig. 10. Hardheidsgemiddelde waarden volgens diepte voor ND: YAG en fi bre -lasers (laservermogen 95 W, Energie Dichtheid 165 J/mm2). Depth. Voor de ND: YAG-laser wordt logaritmische afhankelijkheid van de processnelheid waargenomen, terwijl voor de vezellaser beter werd gevonden met de gecombineerde parameter PV. De meeste geteste omstandigheden leiden tot hoge geometrische verdunningswaarden vanwege de lage vlekdiameter en de verhoogde energiedichtheid.
De hardheid bleek enigszins af te nemen bij het verhogen van de diepte in de dwarsdoorsnede van het spoor (zie Fig. 10); Dit gedrag is in goede overeenstemming met de hogere aanwezigheid van substraatelementen verdund in het bekledingsmateriaal terwijl je dichter bij de interface komt. De zone onder de interface presenteert de hardheidswaarden tot op zekere hoogte hoger dan het substraat zoals ontvangen. Het gedrag van de hardheid over de dwarsdoorsnede is vergelijkbaar voor beide laserbronnen; Gemiddelde hardheidswaarden verkregen met de vezellaser zijn enigszins superieur bij het bereiken van een bepaalde diepte vanwege de hogere vezellaser penetratie op het substraat. De gemiddelde waarden van de modulus van de Young waren 250 GPa voor de tracks verkregen met ND: YAG -laser en 290 GPA voor die verkregen met de vezelaser.
De laserbekleding bijgestaan door vezellaser onthulde een breder verwerkingsvenster in termen van snelheidsbereik in vergelijking met een conventionele ND: YAG -laser. Geklede sporen verkregen onder dezelfde verwerkingsomstandigheden zijn dikker en smaller dan die geproduceerd door ND: YAG Laser. Niettemin zijn verdunning en penetratiediepte in het substraat ook hoger. Dit feit is te wijten aan de betere straalkwaliteit van de laserstraal van vezels. Soortgelijke hardheidswaarden werden verkregen voor de tracks geproduceerd door beide soorten lasers.
Daarom kan in het bereik van parameters die in dit werk zijn bestudeerd, worden geconcludeerd dat een laser met een hoge helderheid alleen wordt aanbevolen wanneer zeer smalle geklede sporen vereist zijn, maar niet voor gewone brede sporen die worden gebruikt voor grote coatings.
Erkenningen
Dit werk is gedeeltelijk gefinancierd door de Spaanse overheid, (Cicyt MAT2006-10481, DEX-560410-2008-169 en FPU-programma AP2006-03500 Grant) en door Xunta de Galicia (PGIDIT06TMT00501CT, PGIDIT06PXIA3086IF, Incite, Incite, en Incite08E008E008E008E008E008E008E008E008E008E08E08E08E08ES). Hulp van het technische personeel van Cacti (Universiteit van Vigo) wordt dankbaar erkend.
Nederlands
Pусский
