Lớp phủ laser là một công nghệ sửa đổi bề mặt sử dụng chùm tia laser năng lượng cao làm nguồn nhiệt để tạo lớp phủ hợp kim có các đặc tính đặc biệt trên bề mặt. Nó có ưu điểm là tỷ lệ pha loãng thấp, vùng ảnh hưởng nhiệt nhỏ, độ bền liên kết cao với chất nền và ít gây ô nhiễm môi trường. Do đó, nó được sử dụng rộng rãi trong sửa chữa bề mặt và tăng cường các bộ phận chính như sản xuất ô tô, công nghiệp hóa dầu và máy móc khai thác mỏ.
tấm ốp lazelà một quá trình luyện kim phức tạp liên quan đến vật lý, hóa học và vật liệu. Các đặc tính hóa rắn nhanh chóng và làm nguội của nó thường gây ra các khuyết tật như vết nứt và lỗ chân lông trong lớp phủ. Trong các nghiên cứu trước đây, các học giả trong và ngoài nước chủ yếu loại bỏ hoặc giảm các khuyết điểm của lớp phủ bằng laser thông qua thiết kế vật liệu và tối ưu hóa tham số quy trình. Tuy nhiên, đối với lớp phủ hợp kim có độ cứng cao, vẫn khó loại bỏ các khuyết tật cấu trúc bằng cách thay đổi quy trình hiện có, điều này cần xem xét kiểm soát cấu trúc hóa rắn của lớp phủ bằng cách áp dụng một trường bên ngoài, từ đó cải thiện chất lượng của lớp phủ. Là một công nghệ phụ trợ trường bên ngoài, trường điện từ có ưu điểm là kết hợp nhiều loại, khả năng kiểm soát tốt và thân thiện với môi trường. Nó đã được áp dụng trong đúc, hàn, xử lý laser và các lĩnh vực khác. Lực điện từ do trường điện từ tạo ra được sử dụng để khuấy tan chảy, có thể gây ra sự đối lưu mạnh mẽ của kim loại lỏng trong bể nóng chảy, đồng nhất hóa trường nhiệt độ và phân bố chất tan của bể nóng chảy, đồng thời đóng vai trò làm giảm mức độ siêu lạnh và tinh chỉnh cấu trúc hóa rắn.
1 Cơ chế ảnh hưởng của trường điện từ đến quá trình phủ laser
Trường điện từ là một phương tiện phụ trợ trường bên ngoài không tiếp xúc. Trong quá trình phủ laser, trường điện từ sẽ tương tác với kim loại nóng chảy trong bể nóng chảy để tạo ra lực điện từ. Lực điện từ sẽ làm thay đổi chuyển động đối lưu và quá trình truyền khối, truyền nhiệt của chất nóng chảy, sau đó ảnh hưởng đến quá trình hóa rắn của lớp phủ. Ảnh hưởng của trường điện từ đến hành vi chuyển động của tan chảy chủ yếu được phản ánh ở một số khía cạnh như hiệu ứng khuấy điện từ, hiệu ứng phanh điện từ, hiệu ứng chất lỏng điện từ nhiệt, hiệu ứng điện từ và hiệu ứng da. Ảnh hưởng của trường điện từ đối với quá trình hóa rắn của tan chảy chủ yếu được phản ánh ở một số khía cạnh như sự phân mảnh hạt, hiệu ứng dao động nhóm nguyên tử và hiệu ứng nhiệt Joule.
2 Ảnh hưởng của các dạng trường điện từ khác nhau đến vi cấu trúc và tính chất của lớp phủ laze
- Từ trường trạng thái ổn định: Từ trường trạng thái ổn định giúp triệt tiêu gợn bề mặt của lớp phủ, giảm số lượng vết nứt và tinh chỉnh cấu trúc lớp phủ. Từ trường trạng thái ổn định có thể làm giảm tốc độ dòng chảy bên trong bể nóng chảy, nhưng nó không có tác dụng rõ ràng đối với trường nhiệt độ; khi cường độ từ trường ở trạng thái ổn định cao hơn một giá trị nhất định, nó có tác dụng ức chế đáng kể đối với các gợn sóng bề mặt của lớp nóng chảy.
- Từ trường không ổn định: Từ trường xen kẽ ít ảnh hưởng đến chiều rộng và tốc độ pha loãng của lớp phủ, trong khi chiều cao và góc tiếp xúc của nó giảm khi cường độ từ trường tăng và độ phẳng bề mặt của lớp phủ cũng bị ảnh hưởng bởi cường độ từ trường và tần số. So với từ trường xoay chiều và quay, từ trường xung có thể được áp dụng không liên tục cho bể nóng chảy bằng cách kiểm soát cường độ và tần số của từ trường. Tuy nhiên, do đặc tính quá trình làm nóng nhanh và làm mát nhanh của lớp phủ laser, thời gian tồn tại của bể nóng chảy tương đối ngắn, do đó, có rất ít nghiên cứu về lớp phủ laser hỗ trợ từ trường xung. Như thể hiện trong hình, so với các mẫu được chuẩn bị mà không có sự hỗ trợ từ trường bên ngoài, bốn loại từ trường có thể làm giảm số lượng vết nứt trên lớp phủ, tinh chỉnh các hạt và tăng độ cứng của lớp phủ. Trong số đó, lớp phủ laser hỗ trợ từ trường xung có hiệu quả tốt nhất, nhưng hiện tượng phân tách pha cứng xuất hiện trong lớp phủ.
Một điện trường duy nhất được sử dụng rộng rãi trong hàn và đúc, nhưng ít nghiên cứu hơn được thực hiện trong lĩnh vực ốp laze. Hiện nay, có hai dạng điện trường chính được sử dụng trong lớp phủ laser: điện trường xoay chiều và điện trường xung.
- Điện trường xoay chiều: Hiệu ứng điện di làm cho các ion trong chất nóng chảy chuyển động có hướng và hiệu ứng đốt nóng Joule của dòng điện sẽ làm thay đổi nhiệt độ của chất nóng chảy, do đó ảnh hưởng đến quá trình hóa rắn của lớp phủ. Dòng điện xoay chiều có thể thúc đẩy quá trình sàng lọc hạt và đồng thời làm tăng chiều cao của vùng hạt mịn ở đáy lớp phủ, giúp giảm sự hình thành vết nứt. Sự ra đời của dòng điện xoay chiều sẽ tạo thành một lực điện từ cảm ứng với hướng thay đổi liên tục trong bể nóng chảy, lực này sẽ hoạt động như một hiệu ứng khuấy điện từ đối với kim loại lỏng trong bể nóng chảy, làm giảm độ dốc nhiệt độ ở mặt trước hóa rắn, và do đó góp phần vào sự tinh chế của ngũ cốc.
- Điện trường xung: Dòng điện xung có các đặc tính gián đoạn, biến thiên và tuần hoàn. Áp dụng dòng xung trong quá trình phủ có thể thay đổi vận tốc dòng chảy và lực cắt hình thành trong quá trình tan chảy có thể phá vỡ các hạt đã hình thành, tăng tốc độ tạo mầm và tinh chỉnh các hạt.
3 Hệ thống vật liệu phủ lớp phủ laser hỗ trợ trường điện từ
Hiện nay, công nghệ ốp laser hỗ trợ trường điện từ đã được áp dụng trong việc chuẩn bị các lớp phủ hợp kim và lớp phủ composite khác nhau. Đối với lớp phủ hợp kim, trường điện từ giúp cải thiện sự đồng nhất của các thành phần lớp phủ và sự phân bố của các pha kết tủa. Đối với lớp phủ composite, hiệu ứng khuấy điện từ của trường điện từ có thể thay đổi đặc tính phân bố của pha tăng cường trong bể nóng chảy.
- Lớp phủ gốc sắt: Sau khi áp dụng trường điện từ, khi cường độ từ trường tăng lên, độ nhám bề mặt của lớp phủ giảm đi, cấu trúc được tinh chỉnh đáng kể và các khuyết tật như lỗ chân lông và vết nứt giảm đi; độ cứng, khả năng chống mài mòn và khả năng chống ăn mòn của lớp phủ được cải thiện. So với lớp phủ được chuẩn bị không có từ trường, giá trị độ cứng của lớp phủ được chuẩn bị với sự hỗ trợ của từ trường ổn định hơn dọc theo hướng độ sâu.
- Lớp phủ dựa trên coban: Từ trường ở trạng thái ổn định có thể ức chế sự đối lưu của bể nóng chảy và làm phong phú thêm sự phân tách vĩ mô, đồng thời các phần tử ma trận có thể được phân bổ nhiều hơn ở đáy bể nóng chảy, do đó dễ dàng thu được một lớp phủ có thành phần gần giống với bột hợp kim. Hiệu ứng từ giảo do từ trường tạo ra có thể làm giảm hiệu quả hệ số giãn nở nhiệt và mô đun đàn hồi của lớp phủ, giảm ứng suất nhiệt trong quá trình phủ, sau đó giảm độ nhạy của vết nứt.
- Lớp phủ composite: Từ trường không đổi không ảnh hưởng đến thành phần pha của lớp phủ composite, nhưng có tác động đáng kể đến vi cấu trúc của lớp phủ và sự phân bố của pha gia cố gốm. Cường độ từ trường nhất định có lợi cho việc tinh chỉnh cấu trúc và sự phân bố của pha gia cố gốm trong cấu trúc là dày đặc. Hình vẽ cho thấy ảnh hưởng của trường hỗn hợp điện từ kết hợp với từ trường trạng thái ổn định và điện trường DC đối với sự phân bố và cấu trúc vi mô của các hạt WC trong lớp phủ hỗn hợp In718/WC của lớp phủ laze. Lực Lorentz hướng xuống do trường điện từ tạo ra có thể tăng cường sự đối lưu Marangoni trong bể nóng chảy, góp phần vào sự phân bố đồng đều của các hạt WC trong lớp phủ composite. Dòng điện một chiều có thể làm tăng tốc độ tạo mầm của cacbua eutectic và sự đối lưu Marangoni được tăng cường có thể phá vỡ các đuôi gai dạng cột, từ đó tinh chỉnh cấu trúc.
4 triển vọng
Công nghệ ốp laser hỗ trợ trường điện từ có thể thực hiện kiểm soát cấu trúc vi mô của lớp ốp, thúc đẩy quá trình tinh chế hạt, giảm sự phân tách thành phần, làm cho sự phân bố của pha tăng cường đồng đều hơn và ngăn chặn sự khởi đầu của các khuyết tật như lỗ và vết nứt. Do đó, các lớp phủ có đặc tính tuyệt vời có thể được chuẩn bị bằng công nghệ phủ laser hỗ trợ trường điện từ. Công nghệ ốp laser hỗ trợ trường điện từ là một sự đổi mới của công nghệ xử lý laser truyền thống. Nó không chỉ có thể thúc đẩy ứng dụng lý thuyết điện từ trong công nghệ xử lý laser mà còn thúc đẩy sự phát triển của công nghệ tái sản xuất laser trên bề mặt của các bộ phận hiệu suất cao. Nó có triển vọng nghiên cứu lý thuyết và ứng dụng kỹ thuật rộng rãi.