Laserowe okładziny powłok superalloyowych opartych na CO: badanie porównawcze między laserem ND: YAG i laserem

1. Wstęp

Ograniczenie powierzchni laserowej przez wtrysk proszkowy stało się alternatywną techniką konwencjonalnych metod wytwarzania wysokiej jakości powłok wiązanych metalurgicznie na metalowych podłożach o niskim obciążeniu termicznym do pracy [1]. Zwykle głównym celem okładziny laserowej jest modyfikacja wydajności powierzchni podłoża, poprawiając różne właściwości [2]: mechaniczna (twardość, odporność na zmęczenie i odporność na zużycie) [3], odporność na korozję [4], biokompatybilność [5] itp.

W tej technice energia dostarczana przez laser służy do stopienia cienkiej warstwy podłoża, podczas gdy cząstki proszkowe mogą być stopione przez interakcję z wiązką laserową lub/i po przybyciu do topnienia utworzonego na podłożu. Względny ruch między podłożem a strumieniem lasera/proszkiem umożliwia utworzenie pojedynczego ubrania, a nakładanie tych ścieżek daje zasięg dużego obszaru [6]. Przetestowano szeroką gamę materiałów powłokowych prekursorowych: od Superalloys [7] po zaawansowaną ceramikę [8].

Dostępnych jest kilka źródeł laserowych do celów przemysłowych: CO2, ND: YAG, diody laserowe o dużej mocy, a ostatnio źródła laserowe o wysokiej jasności, takie jak laser dyskowy lub filitowy. Dostępność tych nowych źródeł laserowych o wysokiej jasności otwiera kilka pytań dotyczących jego przydatności. Możemy więc zadawać sobie pytanie: czy potrzebujemy źródeł o wysokiej jasności do okładziny laserowej? Czy istnieje jakaś korzyść, aby użyć źródła wysokiej jasności dla okładziny laserowej? Cóż, celem niniejszego artykułu jest próba odpowiedzi na te pytania. W tym celu wybraliśmy i laser z YAG i filirem do wykonania odzianych prób, w których wszystkie warunki eksperymentalne były takie same (w tym ta sama konfiguracja eksperymentalna), z wyjątkiem źródła lasera.

2. Konfiguracja eksperymentalna

2.1. Materiały

Płaskie płyty ze stali nierdzewnej AISI 304 (50 × 50 mm2) o grubości 10 mm zastosowano jako substraty. W celu doskonale ograniczenia cech geometrycznych kladów, wszystkie płytki wykazują wysokie wypolerowane wydzielanie powierzchni (RAB 0,5 μm). Poszukiwanie Superalloy (Oric; France) (średnia wielkość cząstek 90 μm i gęstość kranowa 4,6 g/cm3) zastosowano jako materiał powłoki prekursorowej. Składy chemiczne podłoża i materiału prekursorowego zbierano w tabeli 1.

2.2. Metody

2.2.1. Systemy władzy

Zastosowano technikę dmuchania w proszku bocznym w celu uzyskania powłoki przez okładziny powierzchni laserowej. Dysza pozaosiowa wstrzykuje strumień proszkowy w strefie interakcji między wiązką laserową a podłożem, który jest poruszany przez etap zmotoryzowany w celu wygenerowania ścieżki okładzinowej.

Zastosowano dwa różne źródła lasera: pierwsze źródło lasera było laser Lampy z lampy typu RSY500P RSY500P o maksymalnej mocy 500 W, λ = 1064 nm. Kierowano go za pomocą średnicy rdzenia 600 µm i sprzężonego ze stacją roboczą poprzez rozszerzanie i kolimowanie optyki. Drugim źródłem laserowym był laser monomody o wysokiej jasności itterbium z domieszkowanym filirem (SPI SP-200), zapewniając maksymalną moc 200 W i działając przy λ = 1075 nm. Podobnie był kierowany do stacji roboczej za pomocą biernego połowów (średnica rdzenia 50 µm), rozszerzonej i kolimowanej przez soczewkę kolimacyjną.

Aby zmierzyć jakość obu wiązek laserowych, zastosowano analizator Spiricon (LBA-300PC). Ryc. 1 pokazuje przykład analizy przeprowadzonej dla obu laserów po rozszerzającej się i kolimacyjnej optyce. Zmierzona wartość współczynnika M2 wynosi M2 = 10 dla lasera ND: YAG i M2 = 1,8 dla lasera włókien. We wszystkich eksperymentach wiązka laserowa skupiono dokładnie nad powierzchnią substratu przy użyciu tej samej optyki ogniskowej: cementowany dublet o ogniskowej 80 mm, uzyskując średnicę punktową 250 μm w przypadku lasera ND: YAG i 40 μm, gdy jest Zastosowano laser z włókna. Średnia moc optyczna różniła się od 40 do 100 W podczas eksperymentów.

2.2.2. PRECRUSORSOR PROSZTO

Proszek prekursorowy wstrzyknięto w strefie interakcji za pomocą strumienia przekazującego argon i wtryskiwacza gazu -solidowego połączonego z lejkiem. Konfiguracja wtryskiwacza gazu -stolidowego składała się z osiowej dyszy i pionowego leja z boku [2]. Wartość 20 mg/s była utrzymywana stała dla przepływu masy z przepływem objętościowym gazu 2,7 l/min; Strumień proszkowy prezentował około 1 mm średnicy w strefie interakcji.

2.2.3. Polecenie i pozycjonowanie

Podczas eksperymentu głowica robocza, w tym optyka ogniskowa i pneumatyczny system wtrysku proszku, utrzymywano nieruchome. Podłoże przesuwano za pomocą modelu translacji motoryzowanego XY Model PI M-531.pd. Wytworzono ścieżki okładzin o długości 45 mm, zmieniając prędkość skanowania od 0,5 do 10,0 mm/s.

2.3. Charakterystyka próbki

Uzyskane ścieżki okładzinowe scharakteryzowały się za pomocą mikroskopu stereoskopowego wyposażonego w pozycjoner na etapie XY z rozdzielczością 1 µm (Nikon SMZ10-A). Próbki osadzono w akryjnej żywicy akrylowej w celu wykonania obserwacji przekroju toru. Zostały one wycięte, a następnie wypolerowane serią ściernych papierów SIC do klasy 1200, a następnie Diamond Paste -zakończone do 0,1 µm. Następnie próbki zostały pokryte węglem i badane przez SEM. Twardość i moduł Younga zmierzono za pomocą nanoindentacji, stosując maksymalne obciążenie 200 mn z trójstronnym piramidowym diamentem Berkovich. Technikę pomiaru ciągłego sztywności zastosowano w sprzęcie MTS Nanoindenter XP.

3. Wyniki i dyskusja

Przeprowadzono szczegółową i systematyczną analizę ścieżek okładzinowych wytwarzanych przez dwa źródła laserowe. Jak pokazano na ryc. 2, obserwuje się, że szerokość zależy głównie od średniej mocy wiązki laserowej. To zachowanie jest zgodne z poprzednimi pracami [9]. Laserowa plamka wiązki na powierzchni podłoża jest czynnikiem ograniczającym bocznego wzrostu toru odzianego; W tym sensie wyraźnie odnotowano lepszą koncentrację lasera z włókna, co prowadzi do znacznie wąskich utworów. Przyrost szerokości ze względu na średnie przyrosty mocy jest dość podobne dla obu źródeł laserowych, podczas gdy efekt zwiększania prędkości przetwarzania wydaje się być bardzo niewielkim zmniejszeniem szerokości odzianej (patrz ryc. 2.B).

Wysokość odziana wykazuje redukcję, gdy prędkość skanowania wbudowuje się na oba źródła laserowe. Po naszych bocznych doświadczeniach laserowych laser koncentruje się na powierzchni podłoża, a proszek jest wstrzykiwany z boku. Dlatego cząstki nie są narażone na promieniowanie laserowe wystarczająco dużo czasu, aby stopić się przed uderzeniem na stopioną pulę, a zatem cząstki topią się głównie przez interakcję z stopioną pulą podłoża. Z punktu widzenia podłoża energia dostępna na jednostkę długości zależy od średniej mocy lasera, wielkości miejsca i prędkości skanowania. Można go oszacować na podstawie parametru gęstości energii (P/VD, gdzie p: średnia moc, V: prędkość skanowania i d: średnica miejsca) [1]. Ponieważ prędkość skanowania zwiększa mniej energii na jednostkę długości, przyczynia się do tworzenia stopionego puli. Zachowanie wysokości ubrania jako funkcja gęstości energii wykreślono na ryc. 3. Podobne zachowanie uzyskano z oba rodzaje laserów.

Ponadto ilość dostępnych cząstek materiału prekursorowego na jednostkę jest modyfikowana przez prędkość skanowania i rozmiar plamki, zakładając, że plamka wiązki laserowej jest w pełni pokryta średnicą strumienia proszku. Ilość cząstek przybywających do stopionej puli można uznać za proporcjonalne do przepływu masy i wielkości plamki oraz odwrotnie proporcjonalnej do prędkości skanowania (parametr m · d/v, gdzie m: przepływ masy) [9]. W konsekwencji wzrost prędkości skanowania ma podwójny efekt zmniejszający gęstość energii, a także ilość cząstek złapanych przez stopioną pulę, która jest odzwierciedlona przez zmniejszenie wysokości odzianej. W przypadku lasera ND: YAG znaleziono go zadowalającą korelację (r = 0,98) wysokości odzianej z połączonym parametrem (p - p0)/v2, gdzie p0 = 31 W, (patrz ryc. 4). Wartość P0 została eksperymentalnie określona i może być powiązana z minimalną energią wymaganą do uzyskania znacznego osadzania materiału. W przypadku śladów wytwarzanych przez laser fikselowy stwierdzono korelację (r = 0,95) wysokości lasera z odwrotnością prędkości przetwarzania (patrz ryc. 5). Zachowanie to można wytłumaczyć wyższą jasnością wiązki i powiązanymi wartościami podwyższonej gęstości energii. Wysoka energia koncentrowała się na stopionej puli prowadzi do wyższego odsetka złapanych/uderzonych cząstek. W tej sytuacji zmiany średniej mocy mają mniejsze znaczenie, a ilość przybywających cząstek ma duży wpływ na objętość stopionego materiału i wynikową wysokość odzianą.

Aspect -Ratio (szerokość/wysokość) ścieżek jest wykreślane w stosunku do prędkości przetwarzania na ryc. 6. Można wyraźnie zobaczyć, że szerokość/wysokość nd: YAG tory postępuje stromo, w przeciwieństwie do tych uzyskanych przez laser. W wyniku ubrania szerokości i zależności wysokości od wcześniej omawianych parametrów przetwarzania, aspekt Ratio aspekt wyników toru lasera ND: YAG jest proporcjonalne do kwadratu prędkości przetwarzania; Podczas gdy w przypadku tych uzyskanych przez laser fikselowy, aspekt Ratio jest proporcjonalne do prędkości przetwarzania i staje się wolniej wraz z tym parametrem przetwarzania.

Przy ustalonej prędkości przetwarzania, aspekt śladów wygenerowanych przez laser ND: YAG jest znacznie wyższy niż w ścieżkach generowanych przez laser piętrowego. Podczas pracy z laserem fikselowym wymagana jest wyższa prędkość skanowania, aby uzyskać wartości aspektu odpowiednie do wytwarzania powłok przez nakładanie się ścieżki [6]. Dla tej samej prędkości przetwarzania gęstość energii (P/VD) promieniowania ND: YAG jest niższa z powodu szerszego miejsca niż ta uzyskana przez promieniowanie fikselowe. Jak dobrze wiadomo, fakt ten jest konsekwencją lepszej jakości wiązki lasera. Wyższa gęstość energii pozwoli złapać więcej cząstek ze strumienia proszkowego. Ponadto zmniejszona średnica miejsca lasera koncentruje energię w mniejszym obszarze, unikając stopionego puli rozprzestrzeniającej się poprzecznie do kierunku skanowania. Konsekwencją bardziej stopionego proszku prekursorowego w mniejszym obszarze jest szybki wzrost liczby odzianych ścieżek laserowych. Fakt ten jest dobrze zilustrowany na ryc. 7, który pokazuje obrazy SEM przekroju kladów wytwarzanych przez oba typy laserów w podobnych warunkach.

Jeśli chodzi o rozcieńczenie zdeponowanych śladów, zmierzone rozcieńczenie geometryczne (rozcieńczenie geometryczne obliczono zgodnie z następującym wzorem geom. ]) wykreślono w funkcji prędkości skanowania (patrz ryc. 8 i 9). Rozcieńczenie geometryczne uzyskane z obu źródeł laserowych wykazuje podobny trend i reaguje na połączone zachowanie wysokości odzińców i penetrację Ryc. 10. Średnie wartości twardości zgodnie z głębokością dla laserów ND: Gęstość 165 J/mm2). Depieta. W przypadku lasera ND: YAG obserwuje się logarytmiczną zależność prędkości procesu, podczas gdy w przypadku lasera fiksowego lepiej znaleziono za pomocą połączonego parametru PV. Większość testowanych warunków prowadzi do wysokich wartości rozcieńczenia geometrycznego ze względu na niską średnicę plamki i podwyższoną gęstość energii.

Stwierdzono, że twardość nieznacznie maleje podczas zwiększania głębokości w przekroju toru (patrz ryc. 10); To zachowanie jest zgodne z wyższą obecnością elementów podłoża rozcieńczonych w materiale okładzinowym przy jednoczesnym zbliżeniu się do interfejsu. Strefa poniżej interfejsu przedstawia wartości twardości w pewnym stopniu wyższe niż podłoże, jak otrzymano. Zachowanie twardości w przekroju jest podobne dla obu źródeł laserowych; Średnie wartości twardości uzyskane za pomocą lasera z włókna są nieco lepsze po osiągnięciu pewnej głębokości ze względu na wyższą penetrację lasera na podłożu. Średnie wartości modułu Younga wynosiły 250 GPa dla śladów uzyskanych z laserem ND: YAG i 290 GPA dla tych uzyskanych z laserem fikselowym.

4. Wnioski

Ograniczenie laserowe wspomagane przez Laser Filu Bre ujawnił szersze okno przetwarzania pod względem zakresu prędkości w porównaniu z konwencjonalnym laserem ND: YAG. Ubrane ścieżki uzyskane w tych samych warunkach przetwarzania są grubsze i węższe niż te wytwarzane przez laser ND: YAG. Niemniej jednak rozcieńczenie i głębokość penetracji do podłoża są również wyższe. Fakt ten można przypisać lepszej jakości wiązki wiązki laserowej. Podobne wartości twardości uzyskano dla ścieżek wytwarzanych przez oba typy laserów.

Dlatego w zakresie parametrów badanych w tej pracy można stwierdzić, że laser o wysokiej jasności jest zalecany tylko wtedy, gdy wymagane są bardzo wąskie ubrane ścieżki, ale nie do zwykłych szerokich torów używanych do dużych powłok.

Podziękowanie

Prace te zostały częściowo ukończone przez rząd hiszpański (CICYT MAT2006-10481, DEX-560410-2008-169 i program FPU AP2006-03500 Dotacja) oraz przez Xunta de Galicia (PGIDIT06TMT00501CT, PGIDIT06PXIA303086IF, INCITE03112ES, i incite08e1-RO. Z wdzięcznością uznaje się pomoc personelu technicznego CACTI (University of Vigo).