Nguyên nhân và tác hại của việc giảm độ bền lớp phủ phủ bằng laser
1. Nguyên nhân làm độ dẻo dai của lớp ốp giảm
(1). Nhấn mạnh
Do sự khác biệt lớn về hệ số giãn nở nhiệt giữa vật liệu ốp và ma trận nên dễ sinh ra ứng suất bên trong trong quá trình ốp. Quá trình ốp là một quá trình nóng chảy nhanh và đông đặc nhanh. Trong quá trình này, sẽ có sự chênh lệch độ dốc nhiệt độ và các ứng suất khác nhau sẽ được tạo ra, chẳng hạn như ứng suất kéo nhiệt gây ra bởi sự co lại không đồng đều của lớp ốp do độ dốc nhiệt độ và hệ số giãn nở nhiệt khác nhau của vật liệu và ứng suất tổ chức gây ra. bởi sự chuyển pha của kim loại trong quá trình làm nguội. Và ứng suất hạn chế gây ra bởi việc đùn phần không bị co lại khi lớp ốp co lại do chênh lệch độ dốc nhiệt độ. Ứng suất bên trong bao gồm ứng suất nhiệt, ứng suất kết cấu và ứng suất ràng buộc, trong đó ứng suất nhiệt là ứng suất chính. Trong quá trình phủ laser, độ bền đứt gãy nhỏ hơn nhiều so với lực kéo nhiệt sinh ra, đây là nguyên nhân chính gây ra vết nứt. Các vết nứt hình thành khi ứng suất nhiệt vượt quá giới hạn cường độ của vật liệu.
Kết quả cho thấy sự phân bố không đồng đều của borit crom và cacbua thể tích lớn trong lớp phủ cacbua silic gốc niken phủ laze, dẫn đến ứng suất nhiệt quá mức, là nguyên nhân chính gây ra vết nứt. Trong quá trình phủ laser, các hợp chất giòn dễ hình thành ở ranh giới hạt và hệ số giãn nở nhiệt của các hợp chất giòn này và lớp phủ rất khác nhau, dẫn đến nồng độ ứng suất ở ranh giới hạt và vết nứt là dễ dàng xảy ra do giảm độ dẻo dai.
(2). Khiếm khuyết trong quá trình ốp
Các khuyết tật nhỏ như lỗ chân lông và vết nứt vi mô cũng sẽ xảy ra trong quá trình ốp. Sự tồn tại của lỗ chân lông có thể là do sự phân ly và khí hóa của một chất trong vật liệu do tia laser năng lượng cao gây ra. Một khả năng khác là khí trơ cần thiết làm khí bảo vệ trong quá trình phủ laser và khí bảo vệ sẽ tham gia vào bể nóng chảy. Khí còn lại trong bể ngưng tụ quá muộn để thoát ra ngoài tạo thành các lỗ rỗng. Trong quá trình ngưng tụ nhanh, sự tồn tại của lỗ chân lông sẽ gây ra các vết nứt nhỏ. Nếu các thành phần khử oxy, tạo xỉ trong bột tấm ốp không thể nổi lên kịp thời sẽ được bảo quản trong lớp phủ ốp. Những tạp chất này cũng sẽ làm tăng khả năng xảy ra các vết nứt trên lớp phủ và làm giảm độ bền kết cấu cũng như độ dẻo dai của lớp ốp. Đồng thời, sự tồn tại của lỗ chân lông cũng là tác nhân giúp hình thành và mở rộng vết nứt. Các lỗ rỗng làm cho lớp vỏ bị lỏng lẻo, dễ tạo ra sự tập trung ứng suất xung quanh các lỗ chân lông, làm tăng độ nhạy cảm của các vết nứt trên lớp vỏ.
2. Các yếu tố ảnh hưởng đến độ bền của lớp phủ
Độ bền đứt gãy của lớp phủ bằng laser bị ảnh hưởng bởi nhiều yếu tố, bao gồm việc lựa chọn vật liệu ốp, công suất laser, tốc độ nạp bột và nhiệt độ của ma trận phủ. Nguyên nhân chính gây ra hiện tượng nứt lớp phủ là ứng suất bên trong do sự khác biệt về tính chất vật lý giữa lớp phủ và lớp nền. Khi vật liệu bột phủ và vật liệu nền có đặc tính vật lý tương tự được chọn, quá trình nóng chảy và hóa rắn của hai vật liệu gần như đồng bộ, điều này có thể làm giảm hiệu quả khả năng nứt của lớp ốp và cải thiện độ dẻo dai của lớp phủ. Các thông số của quá trình phủ laser cũng có ảnh hưởng trực tiếp đến việc tạo ra các vết nứt. Với sự gia tăng công suất laser, các vết nứt của lớp phủ đầu tiên tăng lên, sau đó giảm xuống, tốc độ quét laser và tốc độ nạp bột cũng có tác dụng tương tự. Xử lý nhiệt trước bề mặt trước khi phủ có thể làm giảm đáng kể độ dốc nhiệt độ giữa bể nóng chảy và bề mặt và cải thiện sự phân bố ứng suất của lớp phủ.
Các phương pháp tăng cường độ bền của lớp phủ
1. Tối ưu hóa thành phần bột phủ
Lớp phủ laser là để làm tan chảy bột và ma trận để tạo thành lớp phủ luyện kim, hiệu suất lớp phủ và việc lựa chọn và xử lý bột là rất quan trọng. Độ dẻo dai của lớp phủ hợp kim vô định hình gốc Fe tương đối kém và rất dễ tạo ra các vết nứt trong quá trình chuẩn bị hoặc trong quá trình sử dụng thực tế do ứng suất đặt trong vùng cắt bên trong. Các vành tiếp tục mở rộng cho đến khi xảy ra hiện tượng gãy giòn, nhưng cấu trúc sắp xếp nguyên tử rối loạn đặc biệt và không có ranh giới tinh thể làm cho các tinh thể vô định hình gốc sắt có khả năng chống mài mòn và chống ăn mòn tuyệt vời. Vùng cắt bên trong của hợp kim vô định hình dễ gây ra sự tập trung ứng suất, trong đó các vết nứt vi mô dễ hình thành và sự mở rộng của các vết nứt vi mô có thể tạo ra các vết nứt gãy. Lớp phủ có độ cứng và độ bền cao thu được bằng thử nghiệm lớp phủ laser trên bề mặt tấm thép sau khi trộn các ống nano carbon phủ niken với bột vô định hình gốc sắt bằng phương pháp nghiền bi. Người ta phát hiện ra rằng cấu trúc hỗn hợp tinh thể nano vô định hình có độ bền tốt đã được hình thành trong lớp phủ sau khi các ống nano carbon phủ niken được thêm vào. Trong khi đó, mạ niken và nghiền bi có thể tránh được sự hình thành cacbua giòn trong quá trình phủ laser một cách hiệu quả, để đảm bảo lớp phủ có độ bền gãy tốt.
Việc bổ sung một lượng nguyên tố đất hiếm thích hợp có thể cải thiện tốc độ hấp thụ của bột đối với chùm tia laser năng lượng cao, làm cho bột phủ tan chảy đồng đều và đầy đủ, tạo thành liên kết luyện kim với ma trận tốt hơn, giảm xác suất xốp, và có thể được sử dụng để đồng nhất, dung dịch rắn làm cứng mạnh và bền vững lớp phủ cacbua xi măng.
2. Lớp chuyển tiếp bổ sung
Sử dụng bột có độ dẻo dai tốt và phù hợp tốt với các tính chất vật lý của ma trận làm lớp dưới cùng, nghĩa là đặt lớp chuyển tiếp hoặc lớp gradient như vậy ở giữa ma trận và lớp ốp có thể làm giảm ứng suất bên trong giữa lớp ốp với độ cứng và ma trận cao, đồng thời giảm các vết nứt do căng thẳng quá mức. Vùng chuyển tiếp trung gian có thể làm giảm ứng suất dư do hệ số giãn nở nhiệt khác nhau giữa lớp nền và lớp phủ, từ đó tăng cường độ dẻo dai của lớp phủ và ngăn ngừa hiện tượng nứt lớp phủ. Một lớp phủ Ni20Cr được lắng đọng trên bề mặt thép khuôn làm lớp nền, sau đó hai lớp phủ Ni60A liên tục được lắng đọng trên lớp phủ Ni20Cr. Kết quả cho thấy việc sử dụng lớp phủ Ni20Cr làm lớp nền có thể cải thiện hiệu quả liên kết luyện kim giữa lớp phủ và chất nền. Giảm đáng kể các vết nứt, lỗ chân lông và các khuyết tật khác trên lớp phủ.
3. Tối ưu hóa các thông số quy trình
Trong quá trình phủ laser, công suất chùm tia laser P, tốc độ quét V, đường kính điểm D, v.v. có ảnh hưởng quan trọng đến chất lượng của lớp phủ. Tốc độ giải phóng pha loãng là biểu hiện của khối lượng lớp phủ và tốc độ giải phóng pha loãng bị ảnh hưởng bởi năng lượng riêng E.
Kết quả cho thấy năng lượng riêng E quá lớn hoặc quá nhỏ đều không có lợi cho việc thu được lớp phủ có hiệu suất vượt trội. Nếu E quá thấp, tốc độ pha loãng của lớp phủ sẽ thấp tương ứng, ma trận và lớp ốp không thể có được liên kết luyện kim tốt và bề mặt của lớp ốp cũng dễ bị nứt xốp và các khuyết tật khác. Nếu năng lượng riêng E quá cao, tốc độ pha loãng sẽ tăng tương ứng và các kim loại trong bể nóng chảy sẽ được trộn lẫn hoàn toàn và không thể phát huy được các đặc tính tuyệt vời của bột phủ. Người ta nhận thấy rằng tốc độ quét laser quá nhanh dẫn đến sự hình thành lớp phủ không đồng đều, tốc độ quét quá chậm sẽ hình thành cấu trúc tinh thể lớn hơn, tốc độ quét thích hợp có thể thu được lớp phủ tương đối dày đặc và độ bền tốt hơn.
3. Xử lý nhiệt
(1) Làm nóng trước và xử lý nhiệt sau
Việc xử lý nhiệt của lớp phủ phủ bằng laser về cơ bản là sắp xếp pha và đồng nhất các thành phần trong lớp phủ. Việc gia nhiệt trước chất nền đúng cách có thể làm giảm gradient nhiệt độ trong lớp phủ một cách hiệu quả, giảm ứng suất nhiệt và cải thiện độ bền của lớp phủ. Kết quả cho thấy rằng việc gia nhiệt sơ bộ nền trước một cách thích hợp có thể làm giảm đáng kể tốc độ làm nguội của lớp phủ, giảm ứng suất dư và ức chế sự hình thành vết nứt. Như thể hiện trong hình bên dưới, có thể quan sát thấy các vết nứt khi nền không được làm nóng trước (mũi tên chỉ ra), nhưng không thể nhìn thấy vết nứt rõ ràng khi nền được làm nóng trước ở 200 độ.
Để cải thiện độ dẻo dai của lớp phủ và giảm xu hướng nứt của lớp phủ, phương pháp ma trận nung nóng trước tương đối đơn giản và đôi khi không thể đạt được hiệu quả như mong đợi. Người ta thấy rằng việc làm nóng sơ bộ và bảo quản nhiệt có thể làm giảm đáng kể tốc độ làm mát của bể nóng chảy, từ đó cải thiện sự phân bố nhiệt độ của bể nóng chảy, làm giảm pha cứng eutectic liên tinh thể, tăng pha dẻo trong quá trình nóng chảy, làm cho độ dẻo dai của lớp ốp tăng lên và ứng suất nhiệt dư giảm, các vết nứt giảm hoặc thậm chí biến mất. Xử lý nhiệt bột có thể cải thiện khả năng liên kết của bột và pha gia cố, đồng thời cải thiện độ cứng và độ bền của lớp phủ. Xử lý nhiệt của lớp phủ thu được có thể đồng nhất hóa lớp phủ, giảm đáng kể mật độ khuyết tật của lớp phủ, giải phóng ứng suất dư của lớp phủ và cải thiện độ bền và độ dẻo dai của lớp phủ. Quá trình xử lý nhiệt sau có thể cải thiện độ bền kéo và khả năng chống nứt của lớp phủ cũng như tỷ lệ giãn dài, cường độ chảy và độ bền kéo cuối cùng của lớp phủ.
Làm nóng trước và xử lý sau nhiệt có thể làm giảm đáng kể độ dốc nhiệt độ của bể nóng chảy, tăng độ dẻo dai và ức chế tạo ra các vết nứt, nhưng quá trình làm nóng trước và xử lý sau nhiệt sẽ tạo ra nhiệt độ quá cao, dễ ảnh hưởng đến sự phân bố ứng suất bên trong của các bộ phận có thành mỏng và có thể dẫn đến biến dạng phôi. Do đó, việc gia nhiệt trước và xử lý sau nhiệt bị hạn chế trong việc tăng cường hoặc sửa chữa các bộ phận có thành mỏng chính xác.
(2) Làm nóng lại bằng laser
Một hoặc nhiều lần nấu chảy lại tia laser ngay sau khi phủ lớp phủ bằng laser có thể loại bỏ các khuyết tật bề mặt của lớp phủ và cải thiện độ dẻo dai của lớp phủ. Lớp phủ composite Ni60/50%WC không có vết nứt thu được bằng cách phủ laze + xử lý nóng chảy lại trên bề mặt thép 45. Người ta nhận thấy rằng quá trình nấu chảy lại bằng laser có chức năng xả xỉ thứ cấp, chữa lành các vết nứt, cải thiện độ nhám bề mặt và cải thiện tính không đồng nhất và độ nén của cấu trúc lớp phủ. Lớp phủ vô định hình gốc Fe được chuẩn bị bằng ba phương pháp quét laser, nghĩa là, lần quét laser đầu tiên làm nóng ma trận, lớp phủ laser thứ hai tạo thành lớp phủ vô định hình, và sau đó là lần quét lại bằng laser thứ ba của lớp phủ vô định hình để có được lớp phủ không bị nứt . Về cơ bản, việc nấu chảy lại bằng laser sẽ loại bỏ các khuyết tật của lớp phủ và cải thiện đáng kể mô đun đàn hồi và độ bền của lớp phủ.
Công ty TNHH Công nghệ Laser Tây An Guosheng là một doanh nghiệp công nghệ cao chuyên về R&D, sản xuất và kinh doanh máy ốp laser tự động, máy ốp laser tốc độ cao, máy dập tắt laser, máy hàn laser và thiết bị in laser 3D. Sản phẩm của chúng tôi có hiệu quả về chi phí và được bán trong và ngoài nước. Nếu bạn quan tâm đến sản phẩm của chúng tôi, vui lòng liên hệ với chúng tôi theo số bob@gshenglaser.com.