1. Làm cứng bề mặt bằng laser
Làm cứng bề mặt bằng laser chủ yếu sử dụng chùm tia laser năng lượng cao để chiếu xạ bề mặt kim loại hoặc hợp kim, và hiệu ứng nhiệt được tạo ra làm cho bề mặt của chất nền tạo thành một quá trình gia nhiệt rắn không vượt quá điểm nóng chảy. Đồng thời, sự biến đổi pha được tăng cường trên bề mặt kim loại bằng cách sử dụng sự hiện diện của sự biến đổi đồng phân trong vật liệu ma trận kết hợp với hiệu ứng gia nhiệt bằng laser và tự làm mát vật liệu. Đối với hợp kim titan, đã có những nghiên cứu trong lĩnh vực này kể từ đầu thế kỷ thứ 2. Đại Zhendong và cộng sự. đã cải thiện đáng kể độ cứng của hợp kim titan TC11 bằng phương pháp làm nguội bằng laser quét bề mặt và hệ số ma sát của nó có thể giảm xuống mức 0.2 ~ 0,3 ban đầu, đồng thời khả năng chống mài mòn do băn khoăn tăng lên 123 lần, điều này đã cải thiện đáng kể tính chất bề mặt hợp kim. Cấu trúc bề mặt và tính chất của hợp kim titan TC11 đã được Zhang Hong và cộng sự tối ưu hóa. Kết quả cho thấy quá trình làm nguội bằng laser có thể tinh chỉnh rõ ràng cấu trúc bề mặt, cải thiện độ cứng và khả năng chống mài mòn. Zhang Qi và cộng sự, thông qua nghiên cứu các hợp kim titan khác nhau được xử lý bằng phương pháp tự làm nguội bằng laser và hóa rắn nhanh, đã xác nhận rằng phương pháp xử lý tự làm nguội không chỉ tinh chỉnh cấu trúc hạt của hợp kim mà còn làm cho thành phần hóa học bề mặt đồng nhất hơn , và tỷ lệ phân tách sau khi dập tắt có thể giảm từ trạng thái ban đầu từ 1,28 xuống 1,04, và không tìm thấy lỗ, vết nứt và các khuyết tật khác trong lớp dập tắt. Có thể thu được bề mặt hợp kim mịn và đồng đều.
2. Làm nóng lại bề mặt bằng laser
Làm nóng lại bề mặt bằng laser là phương pháp làm tan chảy và đông cứng bề mặt chất nền nhanh chóng bằng cách tỏa ra bề mặt vật liệu dưới sự bảo vệ của khí quyển argon, để tinh chỉnh cấu trúc và cải thiện hiệu suất của vật liệu. Guo Chun và cộng sự. tiến hành xử lý nấu chảy lại bề mặt hợp kim TC4 bằng chùm tia laser. Sau khi quan sát bằng kính hiển vi, cấu trúc bề mặt của ma trận đã được tinh chỉnh và các tính chất bề mặt như độ cứng và khả năng chống mài mòn cũng được cải thiện đáng kể. Ngoài ra, một số nhà nghiên cứu đã sử dụng laser Nd∶YAG để nấu chảy lại bề mặt hợp kim TiNi, lớp phủ và sự kết hợp luyện kim ma trận rất tốt, có thể tạo thành màng thụ động liên tục và dày đặc, đồng thời khả năng chống ăn mòn được tăng cường đáng kể. Bằng cách xử lý nấu chảy lại bề mặt bằng laser của titan nguyên chất công nghiệp TA2, Dai Jingjie tin rằng việc cải thiện khả năng chống mài mòn bề mặt là do sự biến dạng của mạng tinh thể, tăng cường tinh thể mịn và tăng cường sai lệch do quá trình nóng chảy gây ra. Tuy nhiên, việc nấu chảy lại bề mặt không cải thiện được hiệu suất của tất cả các vật liệu hợp kim titan và hiệu suất của nó cũng có thể bị suy giảm. Kết quả cho thấy các hạt hình thành do sự nóng chảy bề mặt bằng laser của hợp kim titan TA15 bị thô hóa bất thường. Sau khi xử lý nóng chảy bề mặt bằng laser của hợp kim TiZr, Xu Bo nhận thấy cấu trúc vi mô của vùng nóng chảy lại là các hạt vảy thô, độ cứng vi mô của vùng biến đổi thấp hơn so với ma trận và khả năng chống mài mòn không được cải thiện đáng kể.
3. Sửa chữa bề mặt bằng Laser
Sửa chữa bề mặt bằng laser có thể được phân loại là một nhánh của công nghệ sửa chữa tạo hình bằng laser, đồng thời nó cũng là sự tổng hợp giữa công nghệ tạo hình bằng laser và công nghệ phủ laser, là một ứng dụng và phát triển tiếp theo trong lĩnh vực sửa chữa các bộ phận kim loại. Các khuyết tật bề mặt của titan và hợp kim titan có thể được loại bỏ bằng cách sử dụng công nghệ sửa chữa bề mặt bằng laser. Đặng Dewei và cộng sự. đã xác minh rằng sửa chữa bằng laser có thể chữa lành các vết nứt trên bề mặt hợp kim titan. Sau khi xử lý sửa chữa bằng laser, giá trị độ cứng ma trận xung quanh vùng được sửa đổi tăng lên và đường cong thay đổi độ cứng giữa vùng được sửa đổi và vùng chịu ảnh hưởng nhiệt tương đối bằng phẳng. Gong Xinyong và cộng sự. đã sử dụng tính năng quét liên tục bằng laser để sửa chữa cánh quạt hợp kim titan TC11 bằng cách nấu chảy và kết tủa bằng laser, đồng thời thử nghiệm đã xác minh rằng hiệu suất của cánh quạt vẫn còn nguyên vẹn và việc sửa chữa các bộ phận hoàn hảo đã được thực hiện. Cui Aiyong và cộng sự. thu được lớp phủ Cr2O3/Ti không có vết nứt bên trong trên bề mặt hợp kim TC4 thông qua công nghệ sửa chữa lớp phủ bằng laser. Bề mặt của lớp biến tính mịn và có liên kết luyện kim tốt với chất nền, do đó có thể sửa chữa bằng laser các bộ phận bị hư hỏng của cánh máy nén.
4. Hợp kim bề mặt bằng laser
Hợp kim bề mặt bằng laser là phương pháp sử dụng chùm tia laser năng lượng cao để làm nóng nhanh và làm nóng chảy bề mặt vật liệu nhằm thúc đẩy phản ứng hợp kim bề mặt, nhằm cải thiện tính chất bề mặt của hợp kim, có thể được chia thành hợp kim khí bề mặt và hợp kim bột bề mặt.
Khí được tạo ra bởi quá trình hợp kim hóa khí chủ yếu là N2 hoặc hỗn hợp của nó, còn được gọi là quá trình thấm nitơ khí bằng laser. Đó là trong bầu không khí nitơ, việc sử dụng chùm tia laser năng lượng cao để kích hoạt các nguyên tử nitơ, tác động ở nhiệt độ cao để làm tan chảy bề mặt vật liệu, nguyên tử N hoạt động và pha lỏng của phản ứng hợp kim Ti nóng chảy kim loại, tạo thành một pha cứng TiN. Sau khi xử lý thấm nitơ khí bằng laser đối với titan nguyên chất TA2 bằng laser Nd∶YAG, Wang Pei và cộng sự. nhận thấy rằng hệ số ma sát trên bề mặt vật liệu là khoảng 0,22, bằng khoảng 1/4 ma trận và khả năng chống mài mòn được cải thiện rất nhiều. Đồng thời, sự phân bố diện tích tăng cường thấm nitơ càng dày đặc thì hệ số ma sát càng nhỏ và khả năng chống mài mòn càng tốt. Đường cong phân bố độ cứng vi mô kéo dài từ bề mặt thấm nitơ đến ma trận cho thấy quá trình thấm nitơ khí bằng laser có thể cải thiện độ cứng của bề mặt hợp kim titan.
Hợp kim bột bề mặt bằng laser là việc sử dụng tia laser có năng lượng cao và đặc tính gia nhiệt nhanh, để bề mặt nền và phản ứng nóng chảy bột hợp kim được thêm vào đông cứng lại, tạo thành vật liệu nền dựa trên lớp hợp kim bề mặt. Ge Xiaolan và cộng sự. đã sử dụng chùm tia laser năng lượng cao để hợp kim bề mặt hợp kim TC4 với bột hỗn hợp Ti, Al và Nb để tạo ra lớp phủ hợp kim TiAlNb. Độ cứng của lớp phủ hợp kim cho thấy sự chuyển đổi nhẹ nhàng theo chiều sâu của lớp phủ và tăng dần từ trong ra ngoài. Độ cứng trung bình của lớp phủ cao hơn đáng kể so với ma trận TC4, hệ số ma sát giảm và khả năng chống mài mòn cao hơn gần 3 lần so với ma trận. Liu Qinghui và cộng sự. phủ bột hỗn hợp nguyên tố Ti/Si/C lên bề mặt hợp kim TC4 và sử dụng công nghệ hợp kim laser để tạo lớp phủ hợp kim trên bề mặt của nền. Người ta thấy rằng lớp phủ hợp kim bao gồm các hợp chất Ti, Si và C. Độ cứng vi mô trung bình của lớp phủ cao hơn 80% so với chất nền và hệ số ma sát trung bình của lớp phủ là khoảng 0,38, thấp hơn khoảng 16% so với chất nền. Độ cứng bề mặt và khả năng chống mài mòn được cải thiện đáng kể.
5. Tấm ốp bề mặt bằng Laser
Tấm ốp bề mặt bằng laser cũng có thể được phân loại là một công nghệ sửa đổi bề mặt, là cơ sở của việc sửa chữa bề mặt bằng laser. Đó là việc sử dụng chùm tia laser mật độ năng lượng cao để thêm vật liệu ốp vào bề mặt đế, tạo thành vật liệu ốp và chất nền kết hợp luyện kim tốt của lớp ốp trên bề mặt đế. Sơ đồ quá trình ốp được thể hiện trong hình dưới đây.
Quá trình ốp laze đi kèm với hợp kim laze, nhưng so với hợp kim laze đơn giản, vật liệu lớp phủ không được trộn hoàn toàn với ma trận để phản ứng hợp kim, có thể phản ánh tốt hơn các tính chất đặc biệt của vật liệu ốp. Hiện nay, có nhiều hệ thống vật liệu được sử dụng để phủ laser cho titan và hợp kim titan, bao gồm C, B, N, Si và Ni. Theo thành phần và tính chất của lớp phủ, lớp phủ đã chuẩn bị có thể được chia thành lớp phủ chống mài mòn, lớp phủ chống oxy hóa ở nhiệt độ cao, lớp phủ sinh học và lớp phủ rào cản nhiệt.
5.1 Lớp phủ chống mài mòn
Khả năng chống mài mòn của hợp kim titan kém so với các đặc tính khác, do đó việc sửa đổi bề mặt bằng laser tập trung nhiều hơn vào việc cải thiện khả năng chống mài mòn của ma trận. Nhìn chung, hàm lượng pha cứng trong lớp phủ chống mài mòn càng cao thì độ cứng càng cao và khả năng chống mài mòn càng tốt. Có nhiều vật liệu ốp có thể cải thiện khả năng chống mài mòn của hợp kim titan, bao gồm B, C, Ni, Si, B4C, Cr2C3, TiC, BN, SiC, TiB, TiB2 và Al2O3. Sử dụng bột hỗn hợp NiCr/Cr3C2 và WS2 làm nguyên liệu thô, Wu Shaohua và cộng sự đã nghiên cứu sự cải thiện khả năng chống mài mòn của lớp phủ hỗn hợp NiCr/Cr3C2 bằng cách so sánh lớp phủ laser với lượng WS2 khác nhau. Kết quả cho thấy lớp phủ composite có khả năng chống mài mòn tốt nhất khi thêm 20% WS2 vào vật liệu ốp. Kết quả cho thấy lượng WS2 thích hợp có thể tạo thành pha tự bôi trơn, từ đó thể hiện đặc tính chống mài mòn và chống ma sát tốt. Sun Ronglu và cộng sự. đã sử dụng tia laser để thực hiện các thí nghiệm phủ laser trên bề mặt mẫu TC4. Bột hỗn hợp Ni và MoS2 được sử dụng làm vật liệu phủ. Trong quá trình phủ, các phản ứng luyện kim xảy ra giữa lớp bề mặt của mẫu, bột hỗn hợp và bột hỗn hợp, các hạt CrxSy hình cầu được trộn đều trong các sợi nhánh của lớp phủ. Hệ số ma sát giảm trong khi khả năng chống mài mòn được cải thiện. Lưu và cộng sự. đã chọn bột hợp kim gốc Co làm vật liệu ốp và thu được lớp phủ composite gốc coban với các pha gia cố dạng đuôi gai và dạng hạt mịn bằng công nghệ phủ laser. Khả năng chống mài mòn của lớp ma trận và lớp phủ được đo bằng máy kiểm tra độ mòn và người ta thấy rằng tốc độ mài mòn của lớp ốp chỉ bằng 1/12 ma trận và khả năng chống mài mòn được cải thiện đáng kể. Weng và cộng sự. phủ laser TiN và bột hỗn hợp gốc Co trên bề mặt hợp kim TC4, kết quả cho thấy các hợp chất liên kim loại Co / Ti có khả năng chống mài mòn và pha tăng cường phân tán tuyệt vời có thể được hình thành trên lớp phủ và khả năng chống mài mòn của lớp phủ composite sẽ được cải thiện hơn nữa với việc tăng cường bổ sung bột TiN.
5.2 Lớp phủ chống oxy hóa
Các bộ phận kết cấu dành cho các ứng dụng kỹ thuật thường được sử dụng lâu dài trong điều kiện nhiệt độ cao. Để giảm hoặc tránh phản ứng hóa học hoặc điện hóa giữa O, S, N và các nguyên tố khác trong môi trường làm việc ở nhiệt độ cao và ma trận, một lớp bảo vệ nhiệt độ cao dày đặc thường được xây dựng trên bề mặt để bảo vệ ma trận khỏi bị bị phá hủy. Yu Bành Thành và cộng sự. đã sử dụng công nghệ ốp laser để chuẩn bị lớp phủ composite trên bề mặt hợp kim TC4 với bột hợp kim NiCr-Al-Si làm vật liệu phủ. Các lớp phủ phủ có cấu trúc dày đặc liên tục được trộn đều với Al2O3, NiO, TiO2, NiCr2O4 và các hợp chất khác bằng phương pháp này. Kết quả thực nghiệm cho thấy khả năng chống oxy hóa ở nhiệt độ cao của lớp phủ cao hơn 7 ~ 9 lần so với chất nền. Lưu và cộng sự. phủ laser hỗn hợp TiN+Ti3Al lên bề mặt hợp kim TC4 và chuẩn bị lớp phủ composite gồm các pha hỗn hợp -Ti, TiN, Al2O3 và TiO2. Họ đã thực hiện các thử nghiệm oxy hóa đẳng nhiệt ở nhiệt độ 600 và 800 độ tương ứng. Kết quả thực nghiệm cho thấy lớp phủ composite có khả năng chống oxy hóa ở nhiệt độ cao tốt hơn so với ma trận hợp kim titan.
5.3 Lớp phủ rào cản nhiệt
Nhiệt độ hoạt động trong động cơ hàng không vũ trụ, động cơ tua-bin khí và các môi trường khác đã đạt đến nhiệt độ giới hạn của vật liệu siêu hợp kim. Lớp phủ rào cản nhiệt của vật liệu hợp kim kết hợp hiệu suất của vật liệu kim loại với ưu điểm chịu nhiệt độ cao của vật liệu gốm để đóng vai trò cách nhiệt của vật liệu gốm, để các bộ phận có thể hoạt động bình thường trong điều kiện nhiệt độ cao. Shan Xiaohao và cộng sự. đã sử dụng công nghệ phủ laser để chuẩn bị lớp phủ rào cản nhiệt ở nhiệt độ cao bằng cách trộn bột Nb, Al và Ti và nhận thấy rằng khả năng chống oxy hóa ở nhiệt độ cao của lớp phủ có liên quan đến mức độ phân tách Ti và hàm lượng hợp chất Nb2Al trong hợp kim. Khi phần khối lượng của Ti là 15,18% trọng lượng, mức độ phân tách của Ti trong hợp kim là thấp nhất và khả năng chống oxy hóa của lớp phủ là tốt nhất. Xét thấy thực tế rằng TiO2 xốp lỏng lẻo là nguyên nhân chính dẫn đến khả năng chống oxy hóa kém của hợp kim TC4, Xu Jiangning et al. phủ laser hỗn hợp bột NiCrNiSi lên bề mặt của nó. Kết quả thí nghiệm cho thấy lớp phủ màng oxit bao gồm Al2O3 và NiO dày đặc liên tục có thể ngăn chặn hiệu quả sự ăn mòn của các nguyên tử oxy trên ma trận và khả năng chống oxy hóa có thể được tăng cường đáng kể.
5.4 Lớp phủ sinh học
Một lớp phủ hoạt tính sinh học được lắng đọng trên bề mặt hợp kim titan bằng công nghệ phủ laser, giúp cho việc cấy ghép hợp kim titan có khả năng tương thích sinh học tốt hơn. Li Fuquan và cộng sự. phủ lớp phủ sinh học hydroxyapatite lên bề mặt TC4. Phân tích pha của lớp phủ chủ yếu bao gồm các pha gốm cứng như -Ti, Ti3P, TiO và CaTiO3, và sự kết hợp gốm tốt, bề mặt đồng đều và mịn, khả năng chống mài mòn và độ ẩm sinh học tốt. Ngoài ra, để đảm bảo rằng ma trận hợp kim titan hình thành một lớp phủ sinh học đồng nhất, phẳng, có liên kết luyện kim mạnh mẽ, bằng cách phủ lớp phủ gradient và nhiều lớp phủ, để ngăn chặn cấu trúc lớp phủ, đột biến ứng suất để giảm ứng suất bên trong. Shi Lei và cộng sự. phủ HA tinh khiết, hỗn hợp HA và lớp phủ gradient HA trên bề mặt TC4 và qua các thí nghiệm so sánh nhận thấy lớp phủ gradient HA cho thấy hiệu suất tuyệt vời hơn, với độ bền liên kết cao với chất nền, tỷ lệ Ga/P gần với xương tự nhiên hơn, tương ứng với hàm lượng HA cao hơn và hoạt tính sinh học vượt trội.
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 thiết bị ốp laser tự động, thiết bị ốp laser tốc độ cao, thiết bị dập tắt laser, thiết bị hàn laser và thiết bị in 3D. Thiết bị hàn Laser có giá thành hợp lý 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 địa chỉbob@gshenglaser.com.