Tăng cường độ cứng của lớp phủ phủ Laser

Trong lĩnh vực sản xuất cao cấp, đặc tính bề mặt của các bộ phận ảnh hưởng trực tiếp đến hiệu suất và tuổi thọ của sản phẩm, sự hao mòn của các bộ phận thiết bị thường gây thêm thời gian và tổn thất kinh tế. Để cải thiện hiệu suất bề mặt của các bộ phận cơ khí, xử lý tăng cường bề mặt thường được sử dụng để cải thiện hiệu suất bề mặt và tuổi thọ của vật liệu. Ngoài việc tăng cường bề mặt trực tiếp của vật liệu, lớp phủ thường được chuẩn bị trên bề mặt, chẳng hạn như phun nhiệt lên bề mặt vật liệu trong luyện kim, hóa dầu và các lĩnh vực khác để cải thiện tuổi thọ sử dụng. Tuy nhiên, do những hạn chế của công nghệ phun nhiệt, nó không thể cải thiện hiệu quả các tính chất cơ học bề mặt của vật liệu. Ngoài ra, khi các lớp phủ đặc biệt được chuẩn bị bằng phương pháp phún xạ magnetron, mạ điện và lắng đọng hơi hóa học, thường có những khuyết điểm như độ dày hạn chế và độ bám dính kém.

Công nghệ phủ laser là công nghệ xử lý bề mặt kim loại mới, thường được sử dụng để chuẩn bị các lớp phủ chống mài mòn có độ cứng cao, lực liên kết mạnh và ít khuyết tật. Là một công nghệ tạo hình 3D hiệu quả và không cần chip, lớp phủ laser đã được áp dụng thành công vào sản xuất xanh và tái sản xuất một số bộ phận kỹ thuật cao cấp.

Lớp phủ laser nằm trên bề mặt của chất nền cần phủ, với các phương pháp cấp liệu khác nhau, thông qua chiếu xạ laser để làm tan chảy một lớp mỏng của bề mặt chất nền cùng một lúc, và sau khi đông đặc nhanh chóng để tạo thành độ pha loãng rất thấp và liên kết luyện kim với lớp phủ bề mặt chất nền. Công nghệ này được đặc trưng bởi mật độ năng lượng cao, hiệu suất lắng đọng cao, biến dạng nhiệt thấp, làm mát nhanh, tốc độ pha loãng thấp và tính chất luyện kim cao

Trong tấm ốp laser, chùm tia laser tập trung vào một vùng nhỏ trên bề mặt vật liệu khiến vật liệu nóng lên nhanh chóng, đạt đến điểm nóng chảy của vật liệu hoặc nhiệt độ cao hơn. Ở nhiệt độ cao, chất nền tạo thành bể tan chảy với vật liệu phủ, và các nguyên tử và phân tử của vật liệu bắt đầu chuyển động trong bể tan chảy và có thể được sắp xếp lại thành các cấu trúc tinh thể hoặc thành phần hóa học khác nhau. Khi chùm tia laser di chuyển sang khu vực tiếp theo, khu vực nóng chảy trước đó nguội đi nhanh chóng, hình thành cơ cấu tổ chức mới nên phù hợp để tăng độ cứng của vật liệu.

Cơ chế mà công nghệ ốp laze có thể cải thiện độ cứng của vật liệu bao gồm các khía cạnh sau.

1. Tinh chế hạt

Bởi vì lớp phủ laser là một quá trình hóa học rắn đặc biệt và tạm thời, nó có tốc độ nóng chảy và hóa rắn cao, ức chế sự phát triển của hạt, thúc đẩy quá trình sàng lọc hạt và do đó cải thiện độ cứng của lớp phủ. Lớp phủ hợp kim entropy cao NbMoTaWTi được chuẩn bị trên bề mặt hợp kim TC4 bằng lớp phủ laser và độ cứng vi mô được phát hiện là cao hơn 71,4% so với chất nền. Nguyên nhân là do sự tan chảy và làm nguội nhanh trong quá trình phủ laser dẫn đến hạt không thể phát triển nhanh, do đó hạt được tinh chế và độ cứng được cải thiện rất nhiều.

2. Biến dạng mạng

Sự biến dạng của mạng tinh thể làm tăng độ cứng của vật liệu. Trong quá trình biến dạng dẻo của lớp phủ bằng laser, một số lượng lớn các khuyết tật mạng, chẳng hạn như trật khớp và chỗ trống, sẽ được đưa ra để làm cho một số phần tử thoát khỏi trạng thái cân bằng và gây biến dạng mạng. Sau khi biến dạng mạng, nó thường dẫn đến sự gia tăng năng lượng trong vật liệu, dẫn đến ứng suất vi mô lớn hơn, ức chế sự trượt trật khớp và cải thiện độ bền và độ cứng của vật liệu. Do hợp kim có entropy cao bao gồm nhiều nguyên tố khác nhau nên kích thước, cấu trúc và năng lượng liên kết của mỗi nguyên tử nguyên tố khác nhau đáng kể, trong đó kích thước nguyên tử, loại liên kết và thế năng mạng của các nguyên tố khác nhau có thể được phân bố ngẫu nhiên trên mạng điểm, dẫn đến sự biến dạng mạng tinh thể nghiêm trọng, do đó hiện tượng này rõ ràng hơn ở hợp kim có entropy cao.

3. Chuyển pha

Sự thay đổi pha phủ làm cho độ cứng của lớp phủ tăng lên. Tấm ốp laser là công nghệ xử lý nhiệt độ cao, có thể làm nóng bề mặt vật liệu đến nhiệt độ cao trong thời gian rất ngắn, làm nóng chảy một phần hoặc toàn bộ và hình thành các cấu trúc tổ chức khác nhau thông qua việc làm lạnh nhanh. Ở nhiệt độ cao này, các nguyên tử và phân tử của vật liệu trở nên năng động và có thể được sắp xếp lại thành cấu trúc tinh thể ổn định hơn hoặc tối ưu hơn, gây ra sự chuyển pha của vật liệu. Lớp phủ phủ laser hợp kim entropy cao CoCrNiMnTix đã được chuẩn bị trên bề mặt thép Q235. Người ta nhận thấy rằng với sự gia tăng hàm lượng Ti trong lớp phủ, pha phủ đã thay đổi từ pha FCC sang pha FCC+ Laves.

Loại và tỷ lệ bột là những yếu tố chính ảnh hưởng đến hiệu suất của lớp phủ. Vì vậy, trong thí nghiệm việc thiết kế công thức bột phủ hợp lý là rất quan trọng. Ngoài ra, do phương pháp tăng cường lớp phủ có liên quan chặt chẽ đến tác dụng tăng cường của nó nên việc thiết kế bột theo hiệu quả tăng cường là rất quan trọng. Trong số đó, tăng cường giai đoạn thứ hai, tăng cường tinh thể mịn, tăng cường dung dịch rắn, tối ưu hóa cấu trúc vi mô, tối ưu hóa cấu trúc vi mô và vô định hình là những cách hiệu quả để cải thiện độ cứng và khả năng chống mài mòn của lớp phủ. Ảnh hưởng của các nguyên tố phụ gia thông thường đến tính chất bề mặt của lớp phủ phủ được thể hiện trong Bảng 1.

Do độ cứng của vật liệu phản ánh khả năng vật liệu chống lại lực ép của vật liệu vào bề mặt nên độ cứng càng cao, độ sâu của vật liệu ép vào bề mặt vật liệu càng nông thì lượng mài mòn tạo ra khi cắt càng nhỏ, nghĩa là độ mòn càng nhỏ thì khả năng chống mài mòn càng cao. Do đó, độ cứng có thể được sử dụng để đo khả năng chống mài mòn của vật liệu kim loại và khi độ cứng tăng lên, khả năng chống mài mòn của nó cũng sẽ tăng lên.