Anzahl Durchsuchen:34 Autor:Site Editor veröffentlichen Zeit: 2018-07-03 Herkunft:Powered
Die Laseroberflächenverkleidung durch Puderinjektion ist zu einer alternativen Technik zu herkömmlichen Methoden geworden, um hochwertige, metallurgisch gebundene Beschichtungen auf metallischen Substraten mit geringer thermischer Belastung in das Werkstück zu erzeugen [1]. Normalerweise besteht das Hauptziel der Laserverkleidung darin, die Leistung der Substratoberfläche zu ändern, die die unterschiedlichen Eigenschaften verbessert [2]: mechanisch (Härte, Ermüdungsresistenz und Verschleißresistenz) [3], Korrosionsresistenz [4], Biokompatibilität [5] usw.
In dieser Technik wird die durch den Laser bereitgestellte Energie verwendet, um eine dünne Schicht des Substrats zu schmelzen, während die Pulverpartikel durch die Wechselwirkung mit dem Laserstrahl oder/und bei der Ankunft in den auf dem Substrat gebildeten Schmelzpool geschmolzen werden können. Eine relative Bewegung zwischen dem Substrat und dem Laser-/Pulverstrahl ermöglicht die Bildung einer einzelnen verschlossenen Spur, während die Überlappung dieser Tracks eine große Flächenabdeckung ergibt [6]. Eine Vielzahl von Vorläuferbeschichtungsmaterialien wurde getestet: Von Superalloys [7] bis hin zu fortgeschrittener Keramik [8].
Für industrielle Zwecke stehen mehrere Laserquellen zur Verfügung: CO2, ND: YAG, Hochleistungslaserdioden und kürzlich hohe Helligkeitslaserquellen wie Scheibe oder Fischlaser. Die Verfügbarkeit dieser neuen Laserquellen mit hoher Helligkeit eröffnet einige Fragen zu ihrer Nützlichkeit. Wir können uns also befragen: Brauchen wir hohe Helligkeitsquellen für die Laserverkleidung? Gibt es einen Vorteil, um eine hohe Helligkeitsquelle für die Laserverkleidung zu verwenden? Nun, das Ziel des vorliegenden Papiers ist es, diese Fragen zu beantworten. Zu diesem Zweck haben wir mit Ausnahme von Versuchen ausgewählt, in denen alle experimentellen Bedingungen gleich waren (einschließlich derselben experimentellen Einrichtung), mit Ausnahme der Laserquelle.
2.1.Materials
Flache Platten von AISI 304 Edelstahl (50 × 50 mm2) 10 mm dick wurden als Substrate verwendet. Um die geometrischen Merkmale der verkleideten Tracks perfekt abzugrenzen, zeigen alle Platten ein hochpoliertes Surfacfishing (Rab 0,5 μm). CO-basiertes Superalloy-Pulver (ORIC; Frankreich) (mittlere Partikelgröße von 90 μm und Tippdichte von 4,6 g/cm3) wurde als Vorläufer-Beschichtungsmaterial verwendet. Chemische Zusammensetzungen des Substrats und des Vorläufermaterials sind in Tabelle 1 gesammelt.
2.2.Methods
2.2.1.Lasersysteme
Die Seitenpulverblasentechnik wurde angewendet, um die Beschichtung durch Laseroberfläche zu erhalten. Eine Off-Axis-Düse injiziert den Pulverstrom in der Wechselwirkungszone zwischen dem Laserstrahl und dem Substrat, der von einer motorisierten Stufe bewegt wird, um die Schließung zu erzeugen.
Es wurden zwei verschiedene Laserquellen verwendet: Die erste Laserquelle war ein Roh-Sinar-RSY500P-Typ mit Lampen-gepumptem ND: YAG-Laser mit einer maximalen Leistung von 500 W, λ = 1064 nm. Es wurde mit einem Kerndurchmesser von 600 µm geführt und mit der Erweiterung und Kollimierung der Optik an die Arbeitsstation gekoppelt. Die zweite Laserquelle war eine hohe Helligkeitsmonomode-Ytterbium-dotiertes Faserlaser (SPI SP-200), die eine maximale Leistung von 200 W liefert und bei λ = 1075 nm arbeitete. In ähnlicher Weise wurde es mithilfe eines passiven Fasers (Kerndurchmesser 50 µm) zur Arbeitsstation geführt, die durch eine Kollimierungslinse erweitert und kollimiert wurde.
Um die Qualität beider Laserstrahlen zu messen, wurde ein Spiricon-Analysator (LBA-300pc) verwendet. Abb. 1 zeigt ein Beispiel für die Analyse, die für beide Laser nach der expandierenden und kollimierenden Optik durchgeführt wurde. Der gemessene Wert des M2 -Faktors beträgt M2 = 10 für den ND: YAG -Laser und M2 = 1,8 für den Fischlaser. In allen Experimenten wurde der Laserstrahl unter Verwendung der gleichen fokussierenden Optik genau über die Substratoberfläche konzentriert Faserlaser wurde verwendet. Die optische mittlere Leistung wurde während des Experimentierens zwischen 40 und 100 W variiert.
2.2.2.Precursor -Pulver -Fütterung
Das Vorläuferpulver wurde in der Wechselwirkungszone mittels eines Argon -Förderstroms und eines mit Gas -Solid -Injektors gekoppelten Gas -Fsolid -Injektors injiziert. Die Konfiguration des Gas -Solid -Injektors bestand in einer axialen Düse und dem vertikalen Trichter an der Seite [2]. Ein Wert von 20 mg/s wurde für den Massenfluss mit einem gasvolumetrischen Durchfluss von 2,7 l/min konstant gehalten; Der Pulverstrom enthielt in der Wechselwirkungszone einen Durchmesser von ungefähr 1 mm.
2.2.3.Movement Generierung und -positionierung
Während des Experimentierens wurde der Arbeitskopf einschließlich der Fokussierungsoptik und des pneumatischen Puderinjektionssystems unbeweglich gehalten. Das Substrat wurde mittels einer XY Motorisierten Übersetzungsstufe PI Modell M-531.pd bewegt. Verkleidungsspuren mit 45 mm Länge wurden variieren, was die Scangeschwindigkeit von 0,5 bis 10,0 mm/s variiert.
2.3. Probencharakterisierung
Die erhaltenen Kladdingspuren wurden durch ein stereoskopisches Mikroskop geometrisch charakterisiert, das mit einem XY-Stufe mit einer Auflösung von 1 uM (Nikon SMZ10-A) ausgestattet war. Die Proben wurden in Acryfisch-Acrylharz eingebettet, um die Track-Querschnittsbeobachtungen auszuführen. Sie wurden geschnitten und anschließend mit einer Reihe von abrasiven SIC -Papieren bis zu 1200 Grad poliert, gefolgt von Diamantpaste bis zu 0,1 µm. Als nächstes wurden die Proben von SEM mit Kohlenstoff beschichtet und untersucht. Die Härte und der Young's Modul wurden durch Nanoindentation gemessen, die eine maximale Belastung von 200 mn mit einem dreiseitigen Pyramiden -Diamant -Berkovich -Eindringling auftrat. Die kontinuierliche Steifigkeitsmessungstechnik wurde in einer MTS -Nanoindenter -XP -Ausrüstung verwendet.
Es wurde eine detaillierte und systematische Analyse der von den beiden Laserquellen erzeugten Verkleidungsspuren durchgeführt. Wie in Fig. 2 gezeigt, wird beobachtet, dass die Breite hauptsächlich von der mittleren Leistung des Laserstrahls abhängt. Dieses Verhalten stimmt gut mit früheren Arbeiten überein [9]. Der Laserstrahlfleck auf der Substratoberfläche ist der begrenzende Faktor für das laterale Wachstum der verkleideten Strecke. In diesem Sinne ist die bessere Fokussierbarkeit des Faserlasers deutlich zu beachten, was zu erheblich engen Spuren führt. Das Breiteninkrement aufgrund der mittleren Leistungsinkremente ist für beide Laserquellen ziemlich ähnlich, während die Auswirkung der Erhöhung der Verarbeitungsgeschwindigkeit eine sehr geringfügige Verringerung der Verklemmungsbreite zu sein scheint (siehe Abb. 2.b).
Die gekleidete Höhe zeigt eine Reduzierung, wenn die Scangeschwindigkeit für beide Laserquellen eingeht. Auf unserer Seitenlaser-Verkleidungserfahrung konzentriert sich der Laser auf die Substratoberfläche und das Pulver wird von der Seite injiziert. Daher sind Partikel nicht ausreichend Laserstrahlung ausgesetzt, um vor dem Schmelzen des geschmolzenen Pools zu schmelzen, und daher schmelzen die Partikel hauptsächlich durch Wechselwirkung mit dem Substrat geschmolzenen Pool. Aus Sicht des Substrats hängt die verfügbare Energie pro Länge der Einheit von der mittleren Laserleistung, der Punktgröße und der Scangeschwindigkeit ab. Es kann durch den Energiedichteparameter (P/VD, wobei P: mittlere Leistung, V: Scangeschwindigkeit und D: Punktdurchmesser) geschätzt werden [1]. Wenn die Abtastgeschwindigkeit weniger Energie pro Länge der Einheit erhöht, trägt die Länge der geschmolzenen Pools bei. Das Verhalten des Klosthöhenhöhe als Funktion der Energiedichte ist in Abb. 3 aufgetragen. Ein ähnliches Verhalten wurde mit beiden Arten von Lasern erhalten.
Darüber hinaus wird die Menge an Vorläufermaterialpartikeln, die pro Länge der Einheit verfügbar sind, durch die Scangeschwindigkeit und die Spotgröße geändert, vorausgesetzt, der Laserstrahlfleck ist vollständig vom Pulverstromdurchmesser bedeckt. Die Menge der Partikel, die in den geschmolzenen Pool ankommen, kann proportional zum Massenfluss und zur Punktgröße und umgekehrt proportional zur Scangeschwindigkeit (Parameter M · d/v, wobei m: Massenfluss) angesehen werden [9]. Infolgedessen hat die Zunahme der Scangeschwindigkeit einen doppelten Effekt, der die Energiedichte und auch die Menge der vom geschmolzenen Pool gefangenen Partikel verringert, die durch eine Verringerung der gekleideten Höhe widerspiegelt wird. Für ND: YAG -Laser wurde eine zufriedenstellende Korrelation (r = 0,98) der gekleideten Höhe mit dem kombinierten Parameter (p - p0)/v2 gefunden, wobei P0 = 31 W (siehe Abb. 4). Der Wert von p0 wurde experimentell bestimmt und kann mit der minimalen Energie zusammenhängen, die erforderlich ist, um eine merkliche Ablagerung des Materials zu erzeugen. Für die durch den Faserlaser erzeugten Spuren wurde eine Korrelation (r = 0,95) der faserlaser -gekleideten Höhe mit der Umkehrung der Verarbeitungsgeschwindigkeit gefunden (siehe Abb. 5). Dieses Verhalten kann durch seine höhere Strahlhelligkeit und die damit verbundenen Werte mit erhöhter Energiedichte erklärt werden. Die hohe Energie, die sich auf den geschmolzenen Pool konzentriert, führt zu einem höheren Anteil an gefangenen/impzierten Partikeln. In dieser Situation haben Variationen der mittleren Leistung weniger Bedeutung und die Menge an ankommenden Partikeln hat einen großen Einfluss auf das Volumen des geschmolzenen Materials und die resultierende gekleidete Höhe.
Der Aspekt -Verfahren (Breite/Höhe) der Tracks ist in Abb. 6 gegen die Verarbeitungsgeschwindigkeit aufgetragen. Es ist deutlich zu sehen, dass die Breite/Höhe von ND: YAG -gekleidete Spuren steil in Gegenteil der von Faserlaser erhaltenen von denjenigen. Infolge der verschlossenen Breite und der Höhenabhängigkeit von den zuvor diskutierten Verarbeitungsparametern ist das Aspektverhältnis des ND: YAG-Laserverkleidungs-Spur-Ergebnisses proportional zum Verarbeitungsgeschwindigkeitsquadrat. Während im Fall der von Faserlaser erhaltenen Aspektverhältnisse proportional zur Verarbeitungsgeschwindigkeit und mit diesem Verarbeitungsparameter langsamer wird.
Bei einer festen Verarbeitungsgeschwindigkeit ist das Aspektverhältnis der vom ND: YAG-Laser erzeugten Spuren erheblich höher als die der vom Fischlaser erzeugten Spuren. Bei der Arbeit mit dem Fischlaser ist eine höhere Scangeschwindigkeit erforderlich, um Aspektverhältnisse zu erhalten, die für die Herstellung von Beschichtungen durch Spurüberlappung geeignet sind [6]. Bei der gleichen Verarbeitungsgeschwindigkeit ist die Energiedichte (P/VD) der ND: YAG -Strahlung aufgrund einer breiteren Stelle niedriger als die durch Fischstrahlung erhaltene. Wie bekannt ist, ist diese Tatsache eine Folge der besseren Strahlqualität des Faserlasers. Die höhere Energiedichte ermöglicht es, mehr Partikel aus dem Pulverstrom zu fangen. Darüber hinaus konzentriert der reduzierte Fleckdurchmesser des Faserlasers die Energie in einem kleineren Bereich und vermeidet, dass sich der geschmolzene Pool transvertal auf die Scanrichtung ausbreitet. Die Folge von mehr geschmolzenem Vorläuferpulver in einem kleineren Bereich ist das schnelle Wachstum der gekleideten Höhe der Faserlaserspuren. Diese Tatsache ist in Fig. 7 gut dargestellt, die die Querschnitts-SEM-Bilder der verkleideten Spuren zeigt, die unter ähnlichen Bedingungen von beiden Arten von Lasern erzeugt werden.
In Bezug auf die Verdünnung der abgelagerten Spuren wurde die gemessene geometrische Verdünnung (geometrische Verdünnung gemäß der folgenden Formel Geom. Dilut. ]) wurde als Funktion der Scangeschwindigkeit aufgetragen (siehe Abb. 8 und 9). Die aus beiden Laserquellen erhaltene geometrische Verdünnung zeigt einen ähnlichen Trend und reagiert auf das kombinierte Verhalten der Verkleidungshöhe und die Penetration Abb. 10. Härtewerte gemäß Tiefe für ND: YAG- und Fischlaser (Laserleistung 95 W, Energie, Energie Dichte 165 J/mm2). Depeth. Für den ND: YAG-Laser wird die logarithmische Abhängigkeit der Prozessing-Geschwindigkeit beobachtet, während für den Fischlaser mit dem kombinierten Parameter PV ein besseres Fit gefunden wurde. Die meisten der getesteten Bedingungen führen aufgrund des niedrigen Fleckdurchmessers und der erhöhten Energiedichte zu hohen geometrischen Verdünnungswerten.
Es wurde festgestellt, dass die Härte bei der Erhöhung der Tiefe innerhalb des Spurquerschnitts leicht abnimmt (siehe Abb. 10); Dieses Verhalten stimmt gut mit der höheren Präsenz von Substratelementen überein, die im Verkleidungsmaterial verdünnt sind und sich der Grenzfläche nähern. Die Zone unterhalb der Grenzfläche zeigt Härtewerte in gewissem Maße höher als das empfangene Substrat. Das Verhalten der Härte über den Querschnitt ist für beide Laserquellen ähnlich; Die mittleren Härtewerte, die mit dem Fischlaser erhalten wurden, sind bei der Erreichung einer bestimmten Tiefe aufgrund der höheren Fischlaserdurchdringung auf dem Substrat etwas überlegen. Die Durchschnittswerte des Jungmoduls betrugen 250 GPa für die mit ND: YAG -Laser erhaltenen Spuren und 290 GPa für diejenigen, die mit dem Fischlaser erhalten wurden.
Die von Faserlaser unterstützte Laserverkleidung ergab ein breiteres Verarbeitungsfenster in Bezug auf den Geschwindigkeitsbereich im Vergleich zu einem herkömmlichen ND: YAG -Laser. Clad -Spuren, die unter den gleichen Verarbeitungsbedingungen erhalten wurden, sind dicker und schmaler als die von ND: YAG -Laser produzierten. Trotzdem sind die Verdünnung und die Penetrationstiefe in das Substrat ebenfalls höher. Diese Tatsache ist auf die bessere Strahlqualität des Faserlaserstrahls zurückzuführen. Ähnliche Härtewerte wurden für die von beiden Arten von Lasern produzierten Spuren erhalten.
Daher kann im Bereich der in dieser Arbeit untersuchten Parameter geschlossen werden, dass ein hoher Helligkeitslaser nur empfohlen wird, wenn sehr schmale verschmolzene Spuren erforderlich sind, jedoch nicht für normale breite Spuren, die für große Beschichtungen verwendet werden.
Anerkennung
Diese Arbeit wurde teilweise von der spanischen Regierung (Cicyt MAT2006-10481, DEX-560410-2008-169 und FPU-Programm AP2006-03500 Grant) und von Xunta de Galicia (PGIDIT06TMT00501CT, PGIDIT06PXIAS, PGIDIT012ES und ONCODIT03PXIA, und ONCODIT03PXIA, und ONCODIT03PXIA, und ONCITA DE Galicia, Incite07PXI30es, und Incintxia3030303. Die Unterstützung des technischen Personals von Cacti (University of Vigo) wird dankbar anerkannt.
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