Laserové obklady superaloyových povlaků na bázi CO: Srovnávací studie mezi ND: YAG Laser a fi bre laser

1. Úvod

Laserové povrchové opláštění injekcí prášku se stalo alternativní technikou konvenčních metod pro produkci vysoce kvalitních, metalurgicky vázaných povlaků na kovových substrátech s nízkou tepelnou zatížení do obrobku [1]. Hlavním cílem laserového opláštění je obvykle modifikovat výkon povrchu substrátu, který zlepšuje různé vlastnosti [2]: mechanický (tvrdost, odolnost proti únavě a odolnost proti opotřebení) [3], odolnost proti korozi [4], biokompatibilita [5] atd. Atd. Atd.

V této technice se energie poskytovaná laserem používá k roztavení tenké vrstvy substrátu, zatímco práškové částice mohou být roztaveny interakcí s laserovým paprskem nebo/a při příjezdu do tavicího bazénu vytvořeného na substrátu. Relativní pohyb mezi substrátem a paprskem laserového/prášku umožňuje vytvoření jediné oděvové dráhy, zatímco překrývání těchto stop poskytuje velké pokrytí plochy [6]. Byla testována široká škála materiálů prekurzoru: od superalimů [7] po pokročilou keramiku [8].

Pro průmyslové účely je k dispozici několik laserových zdrojů: CO2, ND: YAG, vysoce výkonné laserové diody a nedávno laserové zdroje s vysokým jasem, jako je disk nebo laser. Dostupnost těchto nových laserových zdrojů s vysokým jasem otevírá některé otázky o jeho užitečnosti. Můžeme se tedy zeptat na sebe: potřebujeme zdroje vysokého jasu pro laserové opláštění? Existuje nějaký přínos pro použití zdroje s vysokým jasem pro laserové opláštění? Cílem této práce je pokusit se odpovědět na tyto otázky. Za tímto účelem jsme vybrali nd: yag a fi bre laser pro provádění odělových pokusů, ve kterých byly všechny experimentální podmínky stejné (včetně stejného experimentálního nastavení) s výjimkou laserového zdroje.

2. Experimentální nastavení

2.1.Materiály

Jako substráty byly použity ploché destičky AISI 304 z nerezové oceli (50 x 50 mm2) 10 mm. Za účelem dokonalého vymezení geometrických rysů oděvů vykazují všechny destičky vysoce leštěné povrchové cílené (RAB 0,5 μm). Jako prekurzorový materiál byl použit superalloy (Oric; Francie) (průměrná velikost částic 90 μm a hustota kohoutku 4,6 g/cm3). Chemické složení substrátu a prekurzorového materiálu se shromažďují v tabulce 1.

2.2. Methods

2.2.1.Laser Systems

Pro získání povlaku laserovým povrchovým pláštěm byla použita technika bočního prášku. Neosaná tryska vstřikuje práškový proud v interakční zóně mezi laserovým paprskem a substrátem, který je pohybován motorizovaným stadií, aby se vytvořila oplášťová dráha.

Byly použity dva různé laserové zdroje: prvním laserovým zdrojem byl rofno-sinar RSY500p typový laser ND: YAG laser s maximálním výkonem 500 W, λ = 1064 nm. To se řídilo pomocí 600 um jádrového průměru a spojeno s pracovní stanicí prostřednictvím rozšiřující se a kolimační optiky. Druhým laserovým zdrojem byl vysoký jasný monomode ytterbium dopovaný laser (SPI SP-200), který dodává maximální výkon 200 W a pracuje na λ = 1075 nm. Podobně byla vedena k pracovní stanici pomocí pasivního fi bre (průměr jádra 50 um), rozšířena a kolimována kolimačním čočkou.

Za účelem měření kvality obou laserových paprsků byl použit analyzátor Spiricon (LBA-300PC). Obr. 1 ukazuje příklad analýzy provedené pro oba lasery po rozšiřující se a kolimační optice. Naměřená hodnota faktoru M2 je M2 = 10 pro laser ND: YAG a M2 = 1,8 pro laser fi ro. Ve všech experimentech byl laserový paprsek zaostřen přesně na povrch substrátu pomocí stejné zaostřovací optiky: cementovaný dublet ohniskové délky 80 mm, získal průměr bodu 250 μm v případě Nd: YAG laser a 40 μm, když byl použit laser. Optický průměrný výkon byl během experimentování mezi 40 a 100 W měnil.

2.2.2. PRECURSOR PECTER FEADING

Prekurzorův prášek byl injikován do interakční zóny pomocí argonu, který vyjadřuje proud a vstřikovač plynu - pevný spojný s násypkou. Konfigurace injektoru plynu -pevně se skládala z axiální trysky a vertikální násypky na straně [2]. Hodnota 20 mg/s byla udržována konstantní pro hmotnostní tok s objemovým tokem plynu 2,7 l/min; Průměr prášku se objevil v interakční zóně přibližně 1 mm.

2.2.3. Generování a polohování

Během experimentování byla pracovní hlava včetně zaostřovací optiky a pneumatický injekční systém prášku udržována imobilní. Substrát byl přesunut pomocí XY motorizovaného překladu PI modelu M-531.pd. Byly vytvořeny stopy o délce 45 mm a měnící se rychlost skenování od 0,5 do 10,0 mm/s.

2.3. Charakterizace vzorku

Získané stopy z opláštění byly geometrické charakterizovány pomocí stereoskopického mikroskopu vybaveného polohovačem XY fáze s rozlišením 1 um (Nikon SMZ10-A). Vzorky byly zabudovány do akrylické pryskyřice ACRY-Fif pro provedení pozorování průřezu dráhy. Byly nakrájeny a následně vyleštěny řadou abrazivních sic papírů až do ročníku 1200, následované diamantovou pastevkou až do 0,1 um. Dále byly vzorky potaženy uhlíkem a vyšetřeny pomocí SEM. Tvrdost a Youngův modul byly měřeny nanoindentací, která uplatňovala maximální zatížení 200 mn se třístranným pyramidovým diamantovým Berkovichem. Technika měření kontinuální tuhosti byla použita v zařízení MTS nanoindenter XP.

3. Výsledky a diskuse

Byla provedena podrobná a systematická analýza obkladových stop vytvořených dvěma laserovými zdroji. Jak je znázorněno na obr. 2, je pozorována šířka závisí hlavně na průměrném výkonu laserového paprsku. Toto chování je v dobré shodě s předchozími pracemi [9]. Skót laserového paprsku na povrchu substrátu je omezujícím faktorem pro laterální růst odědové dráhy; V tomto smyslu je jasně zaznamenáno lepší zaměření laseru fi bre, což vede k výrazně úzkým stopám. Šířka přírůstku v důsledku průměrných přírůstků výkonu je pro oba laserové zdroje poměrně podobná, zatímco účinek zvýšení rychlosti zpracování se zdá být velmi mírným zmenšením šířky oblečení (viz obr. 2.B).

Výška oděvů ukazuje snížení, když se rychlost skenování pro oba laserové zdroje. Na našich bočních laserových obkladových experimentech je laser zaměřen na povrch substrátu a prášek se vstřikuje ze strany. Proto částice nejsou vystaveny laserovému záření dostatek času na to, aby se roztavily před zamezením roztaveného bazénu, a proto se částice hlavně roztaví interakcí s roztaveným bazénem substrátu. Z pohledu substrátu závisí energie dostupná na jednotku délce na průměrnou energii laseru, velikosti botu a rychlosti skenování. Může být odhadnut parametrem hustoty energie (P/VD, kde P: průměrný výkon, V: rychlost skenování a průměr D: bod) [1]. Jak se rychlost skenování zvyšuje méně energie na jednotku délky, přispívá k tvorbě roztaveného bazénu. Chování výšky Clod jako funkce hustoty energie je vyneseno na obr. 3. Podobné chování bylo získáno u obou typů laserů.

Kromě toho je množství částic prekurzorového materiálu dostupného na jednotku délky modifikováno rychlostí skenování a velikostí bodu, za předpokladu, že skvrna laserového paprsku je plně pokryta průměrem proudu prášku. Množství částic přicházejících do roztaveného bazénu lze považovat za úměrné hmotnostnímu toku a velikosti botu a nepřímo úměrné rychlosti skenování (parametr M · D/V, kde m: hmotnostní tok) [9]. V důsledku toho má zvýšení rychlosti skenování dvojitý účinek snižování hustoty energie a také množství částic zachycených roztaveným bazénem, ​​který je odražen snížením výšky oblečení. Pro laser ND: YAG bylo zjištěno uspokojivou korelaci (r = 0,98) výšky CLAD s kombinovaným parametrem (P - P0)/V2, kde P0 = 31 W, (viz obr. 4). Hodnota P0 byla experimentálně stanovena a může souviset s minimální energií potřebnou k vytvoření značného ukládání materiálu. Pro stopy produkované laserem fi bRE byla nalezena korelace (r = 0,95) výšky laserového laseru s inverzí rychlosti zpracování (viz obr. 5). Toto chování lze vysvětlit jeho vyšším jasem paprsku a souvisejícími hodnotami zvýšené hustoty energie. Vysoká energie zaměřená na roztavený bazén vede k vyššímu podílu ulovených/zasažených částic. V této situaci mají změny průměrné síly menší význam a množství příchozích částic má velký vliv na objem roztaveného materiálu a výslednou výšku oblečení.

Aspekt - poměr (šířka/výška) stop je vynesen proti rychlosti zpracování na obr. 6. Je jasně vidět, že šířka/výška Nd: YAG Clad Tracks postupuje prudce, v opačném případě získané fi bre laserem. V důsledku závislosti na šířce a výšce na výše uvedených parametrech zpracování je poměr aspektů výsledků stopy ND: YAG laserové oděvy úměrné rychlosti zpracování; Zatímco v případě těch, které získaly laser, je poměr aspektů úměrný rychlosti zpracování a s tímto parametrem zpracování pomaleji roste.

Při rychlosti zpracování je aspekt aspekt stop generovaných ND: YAG laserem výrazně vyšší než u stop generovaných laserem fi bre. Při práci s laserem fi bRE je nutná vyšší rychlost skenování k získání hodnot poměru aspektů vhodné pro výrobu povlaků překrýváním dráhy [6]. Pro stejnou rychlost zpracování je hustota energie (P/VD) záření ND: YAG nižší kvůli širšímu místu, než je to, co získalo záření. Jak je dobře známo, tato skutečnost je důsledkem lepší kvality paprsku laseru. Vyšší hustota energie umožní chytání více částic z prášku. Navíc snížený průměr bodového průměru laseru fi bre koncentruje energii v menší oblasti a vyhýbá se roztavenému bazénu se průměrně šíří do směru skenování. Důsledkem více roztaveného prekurzorového prášku v menší oblasti je rychlý růst výšky oděvů laserových stop. Tato skutečnost je dobře ilustrována na obr. 7, která ukazuje obrazy průřezu SEM stopů obou typů laserů za podobných podmínek.

Pokud jde o zředění uložených stop, měřené geometrické zředění (geometrické zředění bylo vypočteno podle následujícího vzorce Geom. Zmiřel. = H2/(H+ H2), kde H: výška pláště a H2: hloubka penetrace Clad, viz odkaz [10 10 ]) byl vynesen jako funkce rychlosti skenování (viz obr. 8 a 9). Geometrické zředění získané z obou laserových zdrojů vykazuje podobný trend a reaguje na kombinované chování výšky oblečení a penetraci Obr. 10. Průměrné hodnoty tvrdosti podle hloubky pro ND: YAG a fi ro lasery (laserový výkon 95 W, energie, energie Hustota 165 J/MM2) .DEPTH. U laseru ND: YAG je pozorována logaritmická závislost rychlosti procesu zpívající rychlost, zatímco pro laserový laser byl nalezen s kombinovaným parametrem PV. Většina testovaných podmínek vede k vysokým geometrickým hodnotám zředění v důsledku nízkého průměru bodu a zvýšené hustotě energie.

Bylo zjištěno, že tvrdost mírně klesá při zvyšování hloubky v průřezu dráhy (viz obr. 10); Toto chování je v dobré shodě s vyšší přítomností prvků substrátu zředěných v materiálu opláštění a přibližuje se k rozhraní. Zóna pod rozhraním představuje hodnoty tvrdosti do jisté míry vyšší než substrát, jak je přijat. Chování tvrdosti napříč průřezem je podobné pro oba laserové zdroje; Průměrné hodnoty tvrdosti získané s laserem fi bre jsou mírně lepší, když dosáhnou určité hloubky kvůli vyššímu penetraci laseru na substrátu. Průměrné hodnoty mladého modulu byly 250 GPA pro stopy získané s ND: YAG laserem a 290 GPA pro ty získané s laserem fi bRE.

4. závěr

Laserové oplášťování asistovaném laserem FITRE odhalil širší okno zpracování z hlediska rychlosti ve srovnání s konvenčním laserem ND: YAG. Oděvné stopy získané za stejných podmínek zpracování jsou silnější a užší než stopy produkované ND: YAG laserem. Nicméně hloubka zředění a penetrace do substrátu jsou také vyšší. Tato skutečnost je způsobena lepší kvalitou paprsku laserového paprsku. Podobné hodnoty tvrdosti byly získány pro stopy produkované oběma typy laserů.

Proto v rozsahu parametrů studovaných v této práci lze dojít k závěru, že laser s vysokým jasem se doporučuje pouze tehdy, pokud jsou vyžadovány velmi úzké oblečení, ale nikoli pro pravidelné široké stopy používané pro velké povlaky.

Poděkování

Tato práce byla částečně financována španělskou vládou (Cicyt Mat2006-10481, DEX-560410-2008-169 a FPU Program AP2006-03500 Grant) a Xunta de Galicia (PGIDIT06TMT00501CT, PGIDIT06PXIA3086IF, Incite07PXI1122S122S122S122S122S122S122S122S122S1222S1222S03122S033122S03312S03312S033312ES0603086IF. Pomoc technického personálu Cacti (University of Vigo) je vděčně uznána.