Lāzera apšuvumsir uzlabota virsmas modifikācijas tehnika, kas uzlabo komponentu veiktspēju, uzklājot uz pamatnēm augstas veiktspējas materiālus. Šī metode izmanto koncentrētu lāzera staru, lai izkausētu pulveri vai stieples izejmateriālu, radot metalurģisku saiti ar pamatmateriālu. Tā kā nozares arvien vairāk pieprasa uzlabotu nodilumizturību, izturību pret koroziju un vispārējo veiktspēju, izpratne par mikrostruktūras attīstību lāzera apšuvuma laikā kļūst ļoti svarīga, lai optimizētu pārklājuma īpašības.
Lāzera apšuvuma pamati
Lāzera apšuvums ietver vairākus posmus: lāzera stara ģenerēšanu, materiāla padevi, kausēšanu un sacietēšanu. Procesu var iedalīt trīs galvenajos posmos:
Iepriekšēja uzsildīšana: Pamatne bieži tiek iepriekš uzkarsēta, lai samazinātu termisko šoku.
Kušana: lāzera stars izkausē pārklājuma materiālu un daļu no pamatnes.
Sacietēšana: Izkusušais materiāls ātri sacietē pēc atdzesēšanas, veidojot pārklājumu.
Lāzera parametriem, tostarp jaudai, skenēšanas ātrumam un padeves ātrumam, ir nozīmīga loma iegūtā pārklājuma mikrostrukturālo īpašību un īpašību noteikšanā.
Mikrostrukturālā evolūcija
Fāzes transformācija
Lāzera apšuvuma laikā ātrie sildīšanas un dzesēšanas cikli izraisa nozīmīgas fāzes transformācijas. Dzesēšanas ātrums var sasniegt līdz 10^6 K/s, izraisot unikālu mikrostruktūru veidošanos. Piemēram, austenīta nerūsējošais tērauds pēc ātras sacietēšanas var pārveidoties par martensītu. Šī transformācija ietekmē cietību un nodilumizturību, jo martensīta konstrukcijām parasti ir augstākas mehāniskās īpašības salīdzinājumā ar to austenīta līdziniekiem.
Graudu rafinēšana
Graudu izmērs ir vēl viens būtisks faktors, ko ietekmē lāzera apšuvuma process. Ātra sacietēšana var radīt smalkākus graudus, uzlabojot mehāniskās īpašības, piemēram, izturību un stingrību. Hall-Petch attiecības parāda, ka mazāki graudi var uzlabot ražas stiprumu. Piemēram, pētījumi ir parādījuši, ka ar lāzeru pārklāti ātrgaitas tērauda pārklājumi var sasniegt izsmalcinātu mikrostruktūru, radot dažu mikrometru graudu izmēru, ievērojami uzlabojot cietību.
Segregācija un homogenitāte
Lāzera apšuvumā kompozīcijas viendabīgums ir ļoti svarīgs paredzamai veiktspējai. Ātra dzesēšana var izraisīt sakausējuma elementu segregāciju, ietekmējot izturību pret koroziju un mehāniskās īpašības. Piemēram, ar lāzeru pārklātos sakausējumos, kuru pamatā ir niķelis, mikrostruktūrā var būt kompozīcijas gradienti dažādu elementu atšķirīgā dzesēšanas ātruma dēļ. Tomēr rūpīga lāzera parametru kontrole var uzlabot viendabīgumu, tādējādi uzlabojot izturību pret koroziju.
Porainība un defekti
Porainība ir izplatīts defekts ar lāzeru pārklātiem pārklājumiem, kas var nelabvēlīgi ietekmēt mehāniskās īpašības. Porainību veicinoši faktori ir nepietiekama substrāta kušana, pārmērīgs pulvera padeves ātrums un neoptimālā lāzera jauda. Pētījumi ir parādījuši, ka optimālas lāzera jaudas un ātruma attiecības uzturēšana samazina porainību, kā rezultātā tiek iegūti pārklājumi, kuru blīvums pārsniedz 95%. Lai novērtētu porainības līmeni un nodrošinātu pārklājumu integritāti, var izmantot nesagraujošas testēšanas metodes, piemēram, ultraskaņas testēšanu.
Ar lāzeru pārklātu pārklājumu īpašības
Cietība un nodilumizturība
Ar lāzeru pārklāti pārklājumi bieži tiek izmantoti to uzlabotās cietības un nodilumizturības dēļ. Ātrās sacietēšanas izraisītās mikrostrukturālās izmaiņas var ievērojami uzlabot šīs īpašības. Piemēram, ar lāzeru pārklāti ātrgaitas skābekļa degvielas (HVOF) pārklājumi no karbīdiem pastiprinātiem materiāliem ir uzrādījuši cietības vērtības, kas pārsniedz 1000 HV. Turklāt nodiluma testi atklāj, ka ar lāzeru pārklāti pārklājumi var uzrādīt līdz pat 50% zemāku nodiluma līmeni nekā tradicionālajiem pārklājumiem, padarot tos piemērotus lielas slodzes lietojumiem tādās nozarēs kā kosmosa un automobiļu rūpniecība.
Izturība pret koroziju
Izturība pret koroziju ir ļoti svarīga pārklājumiem, kas pakļauti skarbai videi. Mikrostruktūrai, īpaši graudu robežām un fāžu sadalījumam, ir galvenā loma korozijas veiktspējas noteikšanā. Piemēram, nerūsējošā tērauda pārklājumiem, kas pārklāti ar lāzeru, ir uzlabota izturība pret koroziju, pateicoties izsmalcinātām mikrostruktūrām, kas samazina lokalizētas korozijas iespējamību. Elektroķīmiskie testi, piemēram, potenciodinamiskā polarizācija, ir parādījuši, ka ar lāzeru pārklāti pārklājumi uzrāda samazinātu strāvas blīvumu agresīvā vidē, salīdzinot ar neapstrādātiem substrātiem.
Termiskā stabilitāte
Ar lāzeru pārklāti pārklājumi darbības laikā tiek pakļauti termiskai cikliskumam, tāpēc termiskā stabilitāte ir kritisks apsvērums. Pārklājuma mikrostruktūra var būtiski ietekmēt tā termisko stabilitāti. Pārklājumiem ar smalku mikrostruktūru bieži ir labāka termiskā noguruma izturība. Piemēram, supersakausējuma pārklājumiem uz niķeļa bāzes ir augstāka termiskā stabilitāte paaugstinātās temperatūrās to izsmalcinātās graudu struktūras un stabilu nogulšņu klātbūtnes dēļ.
Lietojumprogrammas
Kosmosa lietojumprogrammas
Aviācijas un kosmosa jomā lāzera apšuvuma izmantošana turbīnu lāpstiņu remontam ir kļuvusi ievērojama. Piemēram, pētījumi ir parādījuši, ka ar lāzeru pārklāti niķeļa bāzes supersakausējumi var atjaunot nolietoto turbīnu lāpstiņu mehāniskās īpašības. Mikrostrukturālā analīze atklāja izsmalcinātu graudu struktūru un ievērojamu porainības samazināšanos, kas uzlaboja asmeņu noguruma kalpošanas laiku un darbības veiktspēju.
Naftas un gāzes rūpniecība
Naftas un gāzes nozarē tādi komponenti kā sūkņi un vārsti bieži saskaras ar ārkārtēju nodilumu un koroziju. Lāzera apšuvums ar sakausējumiem uz kobalta bāzes ir uzrādījis ievērojamus uzlabojumus nodilumizturībā un korozijas veiktspējā. Detalizēts mikrostruktūras raksturojums liecināja par viendabīgu mikrostruktūru ar minimālu porainību, kā rezultātā ievērojami palielinās kalpošanas laiks.
Automobiļu nozare
Automobiļu rūpniecība izmanto lāzera apšuvumu, lai ražotu nodilumizturīgus komponentus, piemēram, sadales vārpstas un zobratus. Pētījumi liecina, ka ar lāzeru pārklāti instrumentu tēraudu pārklājumi nodrošina izcilu cietību un izturību pret nogurumu, tādējādi uzlabojot dzinēja sastāvdaļu izturību. Mikrostrukturālā analīze parādīja smalku martensīta struktūru, kas korelē ar uzlabotu nodiluma veiktspēju ekspluatācijas apstākļos.
Secinājums
Lāzera apšuvums ir spēcīgs paņēmiens materiālu īpašību uzlabošanai, precīzi kontrolējot mikrostruktūras attīstību. Izpratne par mijiedarbību starp apstrādes parametriem, mikrostruktūru un iegūtajām īpašībām ir ļoti svarīga, lai izstrādātu augstas veiktspējas pārklājumus, kas pielāgoti īpašiem lietojumiem. Lāzertehnoloģiju un materiālu zinātnes nepārtrauktie sasniegumi vēl vairāk paplašinās ar lāzeru pārklāto pārklājumu iespējas un pielietojumu, nostiprinot to lomu mūsdienu ražošanā un inženierijā.