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Laserplattierung von Co-basierten Superlegierungsschichten: Vergleichende Studie zwischen Nd: YAG-Laser und Faserlaser

Anzahl Durchsuchen:23     Autor:Site Editor     veröffentlichen Zeit: 2018-07-03      Herkunft:Powered erkundigen

  1. Einleitung

Die Laseroberflächenbeschichtung durch Pulverspritzung ist eine Alternative zu herkömmlichen Verfahren geworden, um metallurgisch gebundene Beschichtungen auf metallischen Substraten mit geringer thermischer Belastung in das Werkstück zu bringen [1]. Normalerweise besteht das Hauptziel des Laser-Claddings darin, die Leistung der Substratoberfläche zu verbessern und verschiedene Eigenschaften zu verbessern [2]: mechanisch (Härte, Ermüdungsfestigkeit und Verschleißfestigkeit) [3], Korrosionsbeständigkeit [4], Biokompatibilität [5] usw.

  Bei dieser Technik wird die vom Laser bereitgestellte Energie zum Schmelzen einer dünnen Schicht des Substrats verwendet, während die Pulverteilchen durch die Wechselwirkung mit dem Laserstrahl oder / und beim Erreichen des auf dem Substrat gebildeten Schmelzpools geschmolzen werden können. Eine Relativbewegung zwischen dem Substrat und dem Laser- / Pulverstrahl ermöglicht die Bildung einer einzigen plattierten Spur, während sich diese Spuren überlappen und eine große Flächendeckung ergibt [6]. Eine Vielzahl von Vorläufer-Beschichtungsstoffen wurde getestet: von Superlegierungen [7] bis zu hochentwickelten Keramiken [8].

  Für industrielle Zwecke stehen mehrere Laserquellen zur Verfügung: CO2, Nd: YAG, Hochleistungslaserdioden und seit kurzem auch Hochleistungslaserquellen wie Scheiben- oder Faserlaser. Die Verfügbarkeit dieser neuen Laserquellen mit hoher Helligkeit wirft einige Fragen zur Verwendbarkeit auf. Wir können uns also fragen: Brauchen wir Quellen mit hoher Helligkeit für das Laser-Cladding? Gibt es Vorteile, eine Quelle mit hoher Helligkeit für das Laser-Cladding zu verwenden? Nun, das Ziel des vorliegenden Papiers ist es, zu versuchen, diese Fragen zu beantworten. Zu diesem Zweck haben wir einen Nd: YAG- und einen Faserlaser ausgewählt, um Plattentests durchzuführen, bei denen alle experimentellen Bedingungen (einschließlich derselben Versuchsanordnung) mit Ausnahme der Laserquelle gleich waren.

  2.Experimentelle Einrichtung

  2.1.Materialien

  Flache Platten aus rostfreiem AISI 304-Stahl (50 × 50 mm 2) mit einer Dicke von 10 mm wurden als Substrate verwendet. Um die geometrischen Merkmale der plattierten Bahnen perfekt abzugrenzen, weisen alle Platten eine hochglanzpolierte Oberfläche (Rab 0,5 µm) auf. Superlegierung auf Co-Basis (ORIC; France) -Pulver (mittlere Teilchengröße von 90 µm und Klopfdichte von 4,6 g / cm³) wurde als Vorläufer-Beschichtungsmaterial verwendet. Chemische Zusammensetzungen des Substrats und des Vorläufermaterials sind in Tabelle 1 zusammengestellt.

 2.2.Methoden

 2.2.1.Lasersysteme

  Die Seitenpulverblastechnik wurde angewendet, um die Beschichtung durch Laseroberflächenbeschichtung zu erhalten. Eine Off-Axis-Düse spritzt den Pulverstrom in die Wechselwirkungszone zwischen Laserstrahl und Substrat ein, der von einer motorisierten Stufe zur Erzeugung der Mantelbahn bewegt wird.

  Es wurden zwei verschiedene Laserquellen verwendet: Die erste Laserquelle war ein lampengepumpter Nd: YAG-Laser vom Typ Ro fi n-Sinar RSY500P mit einer maximalen Leistung von 500 W, λ = 1064 nm. Sie wurde mittels einer 600 µm Kerndurchmesserfaser geführt und über eine Expansions- und Kollimationsoptik an die Arbeitsstation gekoppelt. Die zweite Laserquelle war ein Ytterbium-dotierter Faserlaser mit hoher Helligkeit (SPI SP-200), der eine maximale Leistung von 200 W lieferte und bei λ = 1075 nm arbeitete. In ähnlicher Weise wurde es mittels einer passiven Faser (Kerndurchmesser 50 µm) zur Arbeitsstation geführt, expandiert und durch eine Kollimatorlinse kollimiert.

Laserbeschichtung (1)

  Um die Qualität beider Laserstrahlen zu messen, wurde ein Spiricon (LBA-300PC) -Analysator verwendet. 1 zeigt ein Beispiel der Analyse, die für beide Laser nach der Aufweitungs- und Kollimationsoptik durchgeführt wird. Der gemessene Wert des M2-Faktors beträgt M2 = 10 für den Nd: YAG-Laser und M2 = 1,8 für den Faserlaser. Bei allen Experimenten wurde der Laserstrahl mit der gleichen Fokussieroptik exakt über die Substratoberfläche fokussiert: Ein zementiertes Dublett mit einer Brennweite von 80 mm, das im Fall des Nd: YAG-Lasers einen Punktdurchmesser von 250 & mgr; ein faserlaser wurde verwendet. Die optische Durchschnittsleistung wurde während des Experiments zwischen 40 und 100 W variiert.

  2.2.2.Precursor Pulverzufuhr

  Das Vorläuferpulver wurde in die Wechselwirkungszone mittels eines Argon-Förderstroms und eines an einen Trichter gekoppelten Gas-Feststoff-Injektors eingespritzt. Die Konfiguration des Gas-Feststoff-Injektors bestand aus einer axialen Düse und dem vertikalen Trichter an der Seite [2]. Für den Massenstrom wurde mit einem Gasvolumenstrom von 2,7 l / min ein Wert von 20 mg / s konstant gehalten; der Pulverstrom wies in der Wechselwirkungszone einen Durchmesser von etwa 1 mm auf.

2.2.3.Erstellung und Positionierung von Bewegungen

  Während des Experimentierens wurde der Arbeitskopf einschließlich der Fokussieroptik und des pneumatischen Pulverinjektionssystems unbeweglich gehalten. Das Substrat wurde mittels einer XY-motorisierten Translationsstufe PI-Modell M-531.PD bewegt. Umhüllungsspuren mit einer Länge von 45 mm wurden hergestellt, wobei die Abtastgeschwindigkeit von 0,5 bis 10,0 mm / s variiert wurde.

Laserbeschichtung (2)

  2.3. Mustercharakterisierung

  Die erhaltenen Ummantelungsspuren wurden mit einem Stereomikroskop, das mit einem XY-Bühnenpositionierer mit einer Auflösung von 1 um ausgestattet war (Nikon SMZ10-A), geometrisch charakterisiert. Die Proben wurden in Acryx-Acrylharz eingebettet, um die Spurquerschnittsbeobachtungen durchzuführen. Sie wurden geschnitten und anschließend mit einer Reihe von abrasiven SiC-Papieren bis zur Sorte 1200 poliert, gefolgt von einer Diamantpaste bis zu 0,1 µm. Als nächstes wurden die Proben mit Kohlenstoff beschichtet und mittels SEM untersucht. Die Härte und der Young'sche Modul wurden durch Nanoindentation mit einer maximalen Last von 200 mN mit einem dreiseitigen Berkovich-Eindringkörper mit Pyramiden-Diamant gemessen. Die kontinuierliche Steifigkeitsmeßtechnik wurde in einem MTS Nanoindenter XP-Gerät verwendet.

  3. Ergebnisse und Diskussion

  Es wurde eine detaillierte und systematische Analyse der von beiden Laserquellen erzeugten Mantelbahnen durchgeführt. Wie in Fig. 2 gezeigt, hängt die Breite hauptsächlich von der mittleren Laserstrahlleistung ab. Dieses Verhalten stimmt gut mit früheren Arbeiten überein [9]. Der Laserstrahlfleck auf der Substratoberfläche ist der limitierende Faktor für das seitliche Wachstum der Mantelbahn; in diesem sinne wird deutlich die bessere fokussierbarkeit des faserlasers deutlich, was zu erheblich schmaleren spuren führt. Das Breiteninkrement aufgrund der mittleren Leistungsinkremente ist für beide Laserquellen ziemlich ähnlich, während der Effekt der Erhöhung der Verarbeitungsgeschwindigkeit eine sehr geringfügige Verringerung der Mantelbreite zu sein scheint (siehe Abb. 2.b).

Laserbeschichtung (3)

Laserbeschichtung (4)

  Die Mantelhöhe zeigt eine Verringerung, wenn die Scangeschwindigkeit für beide Laserquellen zunimmt. Bei unseren Laser-Cladding-Experimenten wird der Laser auf die Substratoberfläche fokussiert und das Pulver von der Seite eingespritzt. Daher werden die Teilchen der Laserstrahlung nicht genügend Zeit ausgesetzt, um zu schmelzen, bevor sie auf das Schmelzbad treffen, und daher schmelzen die Teilchen hauptsächlich durch Wechselwirkung mit dem Substratschmelzbad. Vom Standpunkt des Substrats hängt die pro Längeneinheit verfügbare Energie von der mittleren Laserleistung, der Fleckgröße und der Abtastgeschwindigkeit ab. Sie kann durch den Energiedichteparameter (P / vD, wobei P: mittlere Leistung, v: Abtastgeschwindigkeit und D: Fleckdurchmesser) [1] geschätzt werden. Mit zunehmender Abtastgeschwindigkeit trägt weniger Energie pro Längeneinheit zur Bildung des geschmolzenen Pools bei. Das Mantelhöhenverhalten als Funktion der Energiedichte ist in 3 dargestellt. Ein ähnliches Verhalten wurde mit beiden Lasertypen erhalten.

Laserbeschichtung (5)

  Darüber hinaus wird die Menge an Vorläufermaterialpartikeln, die pro Längeneinheit verfügbar ist, durch die Scangeschwindigkeit und die Fleckgröße verändert, vorausgesetzt, der Laserstrahlfleck ist vollständig vom Pulverstromdurchmesser bedeckt. Die Menge an Partikeln, die in das Schmelzbad gelangen, kann als proportional zum Massenstrom und zur Fleckgröße und umgekehrt proportional zur Abtastgeschwindigkeit (Parameter m · D / v, wobei m: Massenstrom) angesehen werden [9]. Folglich hat die Erhöhung der Abtastgeschwindigkeit einen doppelten Effekt, wodurch die Energiedichte und auch die Menge der von der Schmelze gefangenen Partikel verringert wird, was sich durch eine Verringerung der Mantelhöhe widerspiegelt. Für den Nd: YAG-Laser wurde eine zufriedenstellende Korrelation (R = 0,98) der Mantelhöhe mit dem kombinierten Parameter (P - P0) / v2 mit P0 = 31 W gefunden (siehe Fig. 4). Der Wert von P0 wurde experimentell bestimmt und kann mit der minimalen Energie in Beziehung gesetzt werden, die erforderlich ist, um eine merkliche Ablagerung des Materials zu erzeugen. Für die mit dem Faserlaser erzeugten Spuren wurde eine Korrelation (R = 0,95) der Faserlaserhüllungshöhe mit dem Kehrwert der Verarbeitungsgeschwindigkeit festgestellt (siehe Fig. 5). Dieses Verhalten lässt sich durch seine höhere Strahlhelligkeit und die damit verbundenen erhöhten Energiedichtewerte erklären. Die hohe Energie, die auf das geschmolzene Bad gerichtet ist, führt zu einem höheren Anteil an gefangenen / auftreffenden Partikeln. In dieser Situation haben Variationen der mittleren Leistung eine geringere Bedeutung und die Menge ankommender Teilchen hat einen großen Einfluss auf das Volumen des geschmolzenen Materials und die resultierende Mantelhöhe.

Laserbeschichtung (6)

  Das Aspekt-Verhältnis (Breite / Höhe) der Spuren ist in Fig. 6 gegen die Verarbeitungsgeschwindigkeit aufgetragen. Es ist deutlich zu sehen, dass die Breite / Höhe der Nd: YAG-Mantelbahnen steil verläuft, im Gegensatz zu denen, die mit einem Faserlaser erhalten werden. Infolge der Abhängigkeit der Mantelbreite und -höhe von den zuvor erörterten Verarbeitungsparametern ist das Seitenverhältnis der Ergebnisse der Nd: YAG-Laserplattierungsspur proportional zum Verarbeitungsgeschwindigkeitsquadrat; während bei den mit einem faserlaser erhaltenen das Verhältnis proportional zur bearbeitungsgeschwindigkeit ist und mit diesem bearbeitungsparameter langsamer wird.

Bei einer festen Verarbeitungsgeschwindigkeit ist das Seitenverhältnis der vom Nd: YAG-Laser erzeugten Spuren wesentlich höher als das der vom Faserlaser erzeugten Spuren. Beim Arbeiten mit dem Faserlaser ist eine höhere Scangeschwindigkeit erforderlich, um Werte für das Seitenverhältnis zu erhalten, die zur Erzeugung von Beschichtungen durch Überlappung der Spur geeignet sind [6]. Bei gleicher Verarbeitungsgeschwindigkeit ist die Energiedichte (P / vD) der Nd: YAG-Strahlung aufgrund eines breiteren Flecks niedriger als die durch Faserstrahlung erhaltene. Diese Tatsache ist bekanntlich eine Folge der besseren Strahlqualität des Faserlasers. Durch die höhere Energiedichte können mehr Partikel aus dem Pulverstrom gefangen werden. Darüber hinaus konzentriert der reduzierte Fleckdurchmesser des Faserlasers die Energie in einem kleineren Bereich und verhindert, dass sich das Schmelzbad quer zur Scanrichtung ausbreitet. Die Folge von mehr geschmolzenem Vorläuferpulver in einem kleineren Bereich ist das schnelle Wachstum der Mantelhöhe der Faserlaserspuren. Diese Tatsache ist in Fig. 7 gut dargestellt, die die Querschnitt-SEM-Bilder der Mantelspuren zeigt, die von beiden Lasertypen unter ähnlichen Bedingungen erzeugt werden.

Laserbeschichtung (7)

Laserbeschichtung (8)

  Bezüglich der Verdünnung der abgelagerten Bahnen wurde die gemessene geometrische Verdünnung (geometrische Verdünnung gemäß der folgenden Formel berechnet): = h2 / (h + h2), wobei h: Mantelhöhe und h2: Eindringtiefe der Schicht, siehe Lit. [10] ]) wurde als Funktion der Scangeschwindigkeit aufgezeichnet (siehe Abb. 8 und 9). Die geometrische Verdünnung, die von beiden Laserquellen erhalten wird, zeigt einen ähnlichen Trend und reagiert auf das kombinierte Verhalten der Mantelhöhe und der Durchdringung. Abb. 10. Härte-Mittelwerte für Nd: YAG- und Faserlaser (Laserleistung 95 W, Energie) Dichte 165 J / mm²) Für den Nd: YAG-Laser wird eine logarithmische Abhängigkeit der Verarbeitungsgeschwindigkeit beobachtet, während für den Faserlaser eine bessere Übereinstimmung mit dem kombinierten Parameter Pv gefunden wurde. Die meisten der getesteten Bedingungen führen aufgrund des geringen Punktdurchmessers und der erhöhten Energiedichte zu hohen geometrischen Verdünnungswerten.

Laserbeschichtung (11)

Laserbeschichtung (10)

Laser-Verkleidung


  Es wurde festgestellt, dass sich die Härte geringfügig verringert, wenn die Tiefe innerhalb des Spurquerschnitts vergrößert wird (siehe 10). Dieses Verhalten steht in guter Übereinstimmung mit der höheren Präsenz von Substratelementen, die im Beschichtungsmaterial verdünnt sind, während sie sich der Grenzfläche nähern. Die Zone unter der Grenzfläche weist einige Härtewerte auf, die bis zu einem gewissen Grad über dem erhaltenen Substrat liegen. Das Verhalten der Härte über den Querschnitt ist für beide Laserquellen ähnlich. Die mittleren Härtewerte, die mit dem Faserlaser erhalten werden, sind bei Erreichen einer bestimmten Tiefe aufgrund der höheren Faserlaserpenetration auf dem Substrat etwas überlegen. Die Durchschnittswerte des Young-Moduls betrugen 250 GPa für die mit einem Nd: YAG-Laser erhaltenen Spuren und 290 GPa für die mit dem Faserlaser erhaltenen.

  4. Schlussfolgerung

  Die durch einen Faserlaser unterstützte Laserplattierung zeigte im Vergleich zu einem herkömmlichen Nd: YAG-Laser ein breiteres Verarbeitungsfenster im Geschwindigkeitsbereich. Unter den gleichen Verarbeitungsbedingungen erhaltene plattierte Spuren sind dicker und schmaler als diejenigen, die mit einem Nd: YAG-Laser hergestellt werden. Trotzdem sind Verdünnung und Eindringtiefe in das Substrat höher. Diese Tatsache ist auf die bessere Strahlqualität des Faserlaserstrahls zurückzuführen. Ähnliche Härtewerte wurden für die von beiden Lasertypen erzeugten Spuren erhalten.

Aus dem Parameterbereich, der in dieser Arbeit untersucht wurde, kann daher der Schluss gezogen werden, dass ein Laser mit hoher Helligkeit nur dann empfohlen wird, wenn sehr enge, plattierte Spuren erforderlich sind, nicht jedoch für normale breite Spuren, die für große Beschichtungen verwendet werden.

  Danksagungen

  Diese Arbeit wurde zum Teil von der spanischen Regierung (Zuschuss CICYT MAT2006-10481, DEX-560410-2008-169 und FPU-Programm AP2006-03500) und von Xunta de Galicia (PGIDIT06TMT00501CT, PGIDIT06PXIA303086IF, INCITE07PXI3030AOOAOOAOOAOOAOOAOAOAI) finanziert. Die Unterstützung des technischen Personals der CACTI (Universität Vigo) wird dankend angenommen.

Bemerkungen

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