+ 86-18052080815 | info@harsle.com
Jsi tady: Domov » Zprávy » Blog » Laserové pokovování povlaků ze superzliatiny na bázi Co: srovnávací studie mezi Nd: YAG laserem a fi bre laserem

Laserové pokovování povlaků ze superzliatiny na bázi Co: srovnávací studie mezi Nd: YAG laserem a fi bre laserem

Zobrazení:22     Autor:Editor webu     Čas publikování: 2018-07-03      Původ:Stránky Zeptejte se

  1. Úvod

  Laserové obložení práškovou injekcí se stalo alternativní technikou k běžným metodám pro výrobu vysoce kvalitních, metalurgicky lepených povlaků na kovových substrátech s nízkou tepelnou zátěží do obrobku [1]. Obvykle je hlavním cílem laserového opláštění měnit vlastnosti povrchu substrátu, čímž se zlepšují různé vlastnosti [2]: mechanická (odolnost proti tvrdosti, únavě a odolnosti proti opotřebení) [3], odolnost proti korozi [4], biokompatibilita [5] atd.

  V této technice se energie, kterou poskytuje laser, používá k roztavení tenké vrstvy substrátu, zatímco částice prášku mohou být roztaveny interakcí s laserovým paprskem nebo / a při příjezdu do tavícího bazénu vytvořeného na substrátu. Relativní pohyb mezi substrátem a laserovým / práškovým paprskem umožňuje vytváření jediné plátované dráhy, zatímco překrývání těchto kolejí poskytuje velké pokrytí plochy [6]. Byla testována široká škála prekurzorových nátěrových materiálů: od superzliatin [7] až po pokročilou keramiku [8].

  Několik laserových zdrojů je k dispozici pro průmyslové účely: CO2, Nd: YAG, laserové diody s vysokým výkonem a novější laserové zdroje s vysokým jasem, jako je disk nebo laser. Dostupnost nových laserových zdrojů s vysokým jasem otevírá některé otázky o jeho užitečnosti. Takže si můžeme položit otázku: Potřebujeme vysoké zdroje jasu pro laserové opláštění? Existuje nějaký užitek pro použití zdroje s vysokým jasem pro laserové opláštění? Cílem tohoto příspěvku je pokusit se odpovědět na tyto otázky. Pro tento účel jsme vybrali Nd: YAG a laserový laser k provádění testovaných studií, ve kterých byly všechny experimentální podmínky stejné (včetně stejného experimentálního nastavení) kromě laserového zdroje.

  2. Experimentální nastavení

  2.1.Materiály

  Jako substráty byly použity ploché desky z nerezové oceli AISI 304 (50 × 50 mm2) o tloušťce 10 mm. Pro dokonalé vymezení geometrických vlastností plátovaných pásů vykazují všechny desky vysoce leštěné povrchové úpravy (Rab 0,5 μm). K prekurzorovému nátěrovému materiálu byl použit prášek s vysokou slitinou na bázi soupravy (ORIC, Francie) (střední velikost částic 90 μm a hustota 4,6 g / cm3). Chemické kompozice substrátu a prekurzorového materiálu jsou shromážděny v tabulce 1.

2.2.Metody

 2.2.1Laserové systémy

  Pro získání povlaku pomocí obložení laserem byla použita postranní technika foukání prášku. Odsávací tryska injektuje proud prášku do interakční zóny mezi laserovým paprskem a substrátem, který je poháněn motorickým stupněm pro vytvoření obkladové dráhy.

  Byly použity dva různé laserové zdroje: prvním laserovým zdrojem byl čerpaný Nd: YAG laser s výkonem 500 W, λ = 1064 nm. Byl veden pomocí filamentu o průměru jádra 600 μm a připojen k pracovní stanici prostřednictvím expandační a kolimační optiky. Druhým zdrojem laseru byl vysokofrekvenční monomodní laser dopovaný Ytterbium (SPI SP-200), který dodává maximální výkon 200 W a pracuje při λ = 1075 nm. Podobně byla do pracovní stanice vedena pomocí pasivního vlákna (průměr jádra 50 μm), rozšířena a kolimována kolimačními čočkami.

Laserové opláštění (1)

  Pro měření kvality obou laserových paprsků byl použit analyzátor Spiricon (LBA-300PC). Obrázek 1 ukazuje příklad analýzy provedené pro oba lasery po rozšíření a kolimační optice. Naměřená hodnota faktoru M2 je M2 = 10 pro laser Nd: YAG a M2 = 1,8 pro laserový laser. Ve všech experimentech byl laserový paprsek přesně zaměřen přes povrch substrátu za použití stejného zaostřovací optiky: zpevněný dublet s ohniskovou vzdáleností 80 mm, přičemž v případě Nd: YAG laseru a 40 μm bylo dosaženo 250 μm bodového průměru. byl použit laserový laser. Průměrný optický výkon byl během experimentu měněn mezi 40 a 100 W.

  2.2.2.Prekurzní podávání prášku

  Prášek prekurzoru byl vstřikován do interakční zóny pomocí argonového transportního proudu a injektoru plyn-pevný spojený s násypkou. Konfigurace injektoru plyn-tuhý byl tvořen axiální tryskou a vertikální násypkou na straně [2]. Hodnota 20 mg / s byla udržována konstantní pro hmotnostní proud s objemovým průtokem plynu 2,7 l / min; proud prášku měl v oblasti interakce přibližně 1 mm v průměru.

2.2.3 Generování pohybu a polohování

  Během experimentu byla pracovní hlava včetně zaostřovací optiky a pneumatického vstřikovacího systému ponechána nehybná. Substrát byl posunut pomocí modelu PY M-531.PD s motorizovaným převodovým stupněm XY. Byly vyrobeny obvodové dráhy o délce 45 mm, které měnily rychlost skenování od 0,5 do 10,0 mm / s.

Laserové opláštění (2)

  2.3. Charakterizace vzorků

  Získané obkladové dráhy byly geometricky charakterizovány pomocí stereoskopického mikroskopu vybaveného polohovacím zařízením XY s rozlišením 1 μm (Nikon SMZ10-A). Vzorky byly vloženy do akrylátové pryskyřice Acryfix pro provedení pozorování průřezu koleje. Byly vyříznuty a následně leštěny řadou abrazivních papírů SiC až do stupně 1200 a následně diamantovou pastou až do 0,1 μm. Dále byly vzorky povlečeny povrchem uhlíku a zkoumány pomocí SEM. Tvrdost a Youngův modul byly měřeny nanoindentací s maximálním zatížením 200 mN s trojstranným pyramidovým diamantem Berkovich indenter. Technika měření nepřetržité tuhosti byla použita v zařízení MTS nanoindenter XP.

3. Výsledek a diskuse

  Byla provedena podrobná a systematická analýza obkladových drah vyrobených dvěma laserovými zdroji. Jak je znázorněno na obr. 2, pozoruje se, že šířka závisí hlavně na středním výkonu laserového paprsku. Toto chování je v dobrém souladu s předchozími pracemi [9]. Bodový laserový paprsek na povrchu substrátu je omezujícím faktorem pro boční růst plátované vrstvy; v tomto smyslu je jasně vyznačena lepší zaměření laseru, což vede k značně úzkým stopám. Přírůstek šířky díky průměrným přírůstkům výkonu je pro oba laserové zdroje poměrně podobný, zatímco účinek zvýšení rychlosti zpracování se zdá být velmi malým snížením šířky pláště (viz obr. 2.b).

Laserové opláštění (3)

Laserové opláštění (4)

  Výška pokrytá vrstvou vykazuje snížení rychlosti snímání pro oba laserové zdroje. Na našich bočních pokusech s laserem je laser zaměřen na povrch substrátu a prášek je vstřikován ze strany. Částice proto nejsou vystaveny laserovému záření natolik, aby se roztavily před roztržením roztaveného bazénu, a proto se částice taví hlavně interakcí se zásobníkem roztaveného substrátu. Z pohledu substrátu je dostupná energie na jednotku délky závislá na středním výkonu laseru, velikosti místa a rychlosti skenování. Může být odhadnut parametrem hustoty energie (P / vD, kde P: střední výkon, v: rychlost skenování a D: bodový průměr) [1]. Protože rychlost skenování zvyšuje méně energie na jednotku délky, přispívá k tvorbě roztaveného bazénu. Chování ve vrstvě jako funkce hustoty energie je vyneseno na obr. 3. Podobné chování bylo dosaženo u obou typů laserů.

Laserové opláštění (5)

  Navíc množství dostupných částic prekurzorového materiálu na jednotku délky je měněno rychlostí skenování a velikostí bodů za předpokladu, že bod laserového paprsku je zcela pokryt průměrem práškového proudu. Množství částic přicházejících do roztaveného bazénu může být považováno za úměrné hmotnostnímu proudu a velikosti bodu a nepřímo úměrné rychlosti skenování (parametr m · D / v, kde m: hmotnostní tok) [9]. Následkem toho zvýšení rychlosti skenování má dvojitý účinek, který snižuje hustotu energie a také množství částic zachycených roztaveným odtokem, což je odrazeno snížením pokryté výšky. U laseru Nd: YAG byla nalezena uspokojivá korelace (R = 0,98) výšky pokryté kombinovaným parametrem (P - P0) / v2, kde P0 = 31 W (viz obr. 4). Hodnota P0 byla experimentálně stanovena a může být spojena s minimální energií potřebnou pro dosažení znatelného ukládání materiálu. Pro dráhy vytvořené fi rmovým laserem byla nalezena korelace (R = 0,95) výšky pokrytého laserem s obrácenou rychlostí zpracování (viz obr. 5). Toto chování lze vysvětlit vyšším jasem paprsku a souvisejícími zvýšenými hodnotami 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 přicházející částice má velkou vliv na objem roztaveného materiálu a na výslednou výšku pokrytou.

Laserové opláštění (6)

  Poměr stran (šířka / výška) dráhy je vynesen proti rychlosti zpracování na obr. 6. Je zřejmé, že šířka / výška Nd: YAG plátovaných pásů postupuje prudce, oproti těm, které byly získány při použití laseru. V důsledku závislostí šířky a výšky povlečení od výše popsaných parametrů zpracování je poměr stran výsledku Nd: YAG lakované dráhy úměrný rychlosti čtverce zpracování; zatímco u těch, které byly získány při použití laseru, poměr stran je úměrný rychlosti zpracování a roste pomaleji s tímto parametrem zpracování.

  Při pevné rychlosti zpracování je poměr stran drážek generovaný Nd: YAG laserem podstatně vyšší než poměr stran dráhy generovaných laserovým světlem. Při práci s laserovým přístrojem je vyžadována vyšší rychlost snímání pro získání hodnot poměru stran, vhodných pro výrobu povlaků přes překrytí dráhy [6]. Pro stejnou rychlost zpracování je energetická hustota (P / vD) záření Nd: YAG nižší kvůli širšímu bodu, než je ten, který byl získán zářením. Jak je dobře známo, tato skutečnost je důsledkem lepší kvality paprsku laseru. Vyšší hustota energie umožní zachycení více částic z práškového proudu. Navíc redukovaný průměr hrotového laseru soustřeďuje energii na menší plochu, čímž se zabraňuje tomu, aby se roztavený bazén rozprostřela ve směru skenování. Důsledkem roztaveného prekurzorového prášku v menší oblasti je rychlý růst výšky lakovaných laserových drážek. Tento fakt je dobře ilustrován na obr. 7, který zobrazuje obrazy SEM průřezu obkladových drah vyráběných oběma typy lasery za podobných podmínek.

Laserové opláštění (7)

Laserové opláštění (8)

  Pokud jde o zředění nanesených stop, měřeno geometrické ředění (geometrické ředění bylo vypočteno podle následujícího vzorce: h2 / (h + h2), kde h: pokrytá výška a h2: hloubka penetrace pláště, viz odkaz [10 ]) byla vynesena jako funkce rychlosti skenování (viz obr. 8 a 9). Geometrické ředění získané z obou laserových zdrojů vykazuje podobný trend a reaguje na kombinované chování výšky pokryté vrstvou a penetrace na obr. 10. Průměrná hodnota tvrdosti podle hloubky pro Nd: YAG a laserové lasery (výkon laseru 95 W, energie hustota 165 J / mm2). U laseru Nd: YAG je pozorována logaritmická závislost rychlosti zpracování, zatímco pro lepší laser byl nalezen lepší kombinovaný parametr Pv. Většina testovaných podmínek vede k vysokým geometrickým hodnotám ředění v důsledku nízkého průměru špičky a zvýšené hustoty energie.

Laserové opláštění (11)

Laserové obložení (10)

Laserové opláštění


  Bylo zjištěno, že tvrdost mírně klesá, když se zvyšuje hloubka v průřezu koleje (viz obr. 10); toto chování je v dobré shodě s vyšší přítomností substrátových prvků zředěných v obkladovém materiálu při přiblížení k rozhraní. Zóna pod rozhraním vykazuje hodnoty tvrdosti do určité míry vyšší, než jaký byl získán substrát. Chování tvrdosti v průřezu je pro oba zdroje laseru podobné; střední hodnoty tvrdosti získané při použití laseru jsou mírně lepší, když dosáhnou určité hloubky v důsledku vyšší penetrace laserem na podklad. Průměrné hodnoty Youngova modulu byly 250 GPa pro stopy získané pomocí laseru Nd: YAG a 290 GPa pro ty, které byly získány pomocí laserového laseru.

4. závěr

  Laserové obložení s pomocí laserového laseru odhalilo širší zpracovatelské okno z hlediska rychlosti v porovnání s běžným laserovým zařízením Nd: YAG. Plátované dráhy získané za stejných podmínek zpracování jsou tlustší a užší než ty, které produkuje laser Nd: YAG. Přesto je také větší hloubka ředění a průniku do podkladu. Tato skutečnost je způsobena lepší kvalitou paprsku laserového paprsku. Podobné hodnoty tvrdosti byly získány pro dráhy produkované oběma typy lasery.

  Proto v rozsahu parametrů zkoumaných v této práci lze konstatovat, že laser s vysokým jasem se doporučuje pouze tehdy, jsou-li vyžadovány velmi úzké plátované dráhy, ale ne pro běžné široké pásy používané pro velké povlaky.

  Poděkování

  Tato práce byla částečně financována španělskou vládou (CICYT MAT2006-10481, grant DEX-560410-2008-169 a program FPU AP2006-03500) a společností Xunta de Galicia (PGIDIT06TMT00501CT, PGIDIT06PXIA303086IF, INCITE07PXI303112ES a INCITE08E1-R30300ES). Podpora technického personálu CACTI (Univerzita Vigo) je vděčná.

Komentáře

 0 / 5

 0  

Podpěra, podpora

Get A Quote

Domov

autorská práva2021 Nanjing Harsle Machine Tool Co. Ltd. Všechna práva vyhrazena.