Okrepitev trdote laserske obloge

Na področju visokokakovostne proizvodnje površinske lastnosti delov neposredno vplivajo na zmogljivost in življenjsko dobo izdelka, obraba delov opreme pa pogosto povzroči dodatno izgubo časa in stroškov. Za izboljšanje površinske učinkovitosti mehanskih delov se običajno uporablja obdelava za krepitev površine, da se izboljša površinska zmogljivost in življenjska doba materiala. Poleg neposrednega površinskega utrjevanja materiala se na površini običajno pripravi premaz, kot je toplotno brizganje na površini materiala v metalurgiji, petrokemiji in na drugih področjih za izboljšanje življenjske dobe. Vendar pa zaradi pomanjkljivosti tehnologije termičnega brizganja ne more učinkovito izboljšati površinskih mehanskih lastnosti materialov. Poleg tega, ko so posebni premazi pripravljeni z magnetronskim razprševanjem, galvanizacijo in kemičnim nanašanjem iz pare, pogosto obstajajo pomanjkljivosti, kot sta omejena debelina in slab oprijem.

Tehnologija laserske obloge je nova tehnologija obdelave kovinske površine, ki se pogosto uporablja za pripravo visoko trdotnih premazov, odpornih proti obrabi, z močno vezno silo in malo napakami. Kot učinkovita tehnologija 3D oblikovanja brez odrezkov se je lasersko oplaščenje uspešno uporabilo za zeleno proizvodnjo in predelavo nekaterih vrhunskih inženirskih delov.

Laserska obloga je na površini substrata, ki ga je treba prevleči, z različnimi metodami dovajanja, z laserskim obsevanjem, da istočasno stopi tanko plast površine substrata in po hitrem strjevanju tvori zelo nizko razredčitev in metalurško vez z površinski premaz substrata. Za tehnologijo je značilna visoka gostota moči, visoka učinkovitost nanašanja, nizka toplotna deformacija, hitro ohlajanje, nizka stopnja redčenja in visoke metalurške lastnosti

Pri laserskih oblogah je laserski žarek usmerjen na majhno površino na površini materiala, zaradi česar se ta hitro segreje in doseže tališče materiala ali višjo temperaturo. Pri visokih temperaturah substrat tvori bazen taline z materialom obloge, atomi in molekule materiala pa začnejo postajati dinamični v bazenu taline in se lahko prerazporedijo v različne kristalne strukture ali kemične sestave. Ko se laserski žarek premakne na naslednje območje, se predhodno stopljeno območje hitro ohladi in tvori novo organizacijsko strukturo, zato je primerno za povečanje trdote materiala.

Mehanizem, s katerim lahko tehnologija laserske obloge izboljša trdoto materialov, vključuje naslednje vidike.

1. Rafiniranje zrn

Ker je sloj laserskega oplaščenja poseben in prehoden trdni kemični proces, ima visoko stopnjo taljenja in strjevanja, ki zavira rast zrn, spodbuja prečiščevanje zrn in tako izboljša trdoto prevleke. Prevleka iz visokoentropijske zlitine NbMoTaWTi je bila pripravljena na površini zlitine TC4 z laserskim nanosom in ugotovljeno je bilo, da je mikrotrdota 71,4 % višja kot pri substratu. Razlog je v tem, da hitro taljenje in ohlajanje v procesu laserskega oplaščanja vodi do tega, da zrna ne morejo hitro rasti, zato je zrno prečiščeno, trdota pa se močno izboljša.

2. Popačenje mreže

Popačenje kristalne mreže poveča trdoto materiala. V procesu plastične deformacije plasti laserske obloge bo uvedeno veliko število mrežnih napak, kot so dislokacije in prazna mesta, da bodo nekateri elementi izstopili iz ravnovesnega stanja in povzročili popačenje mreže. Po popačenju mreže pogosto povzroči povečanje energije v materialu, kar ima za posledico večjo mikronapetost, zaviranje dislokacijskega zdrsa in izboljšanje trdnosti in trdote materiala. Ker je zlitina z visoko entropijo sestavljena iz različnih elementov, so velikost, struktura in vezna energija vsakega atoma elementa bistveno drugačne, pri čemer so lahko atomska velikost, vrsta vezi in mrežna potencialna energija različnih elementov naključno porazdeljeni na mreži točke, kar ima za posledico resno mrežno popačenje kristalne strukture, zato je ta pojav bolj očiten v zlitini z visoko entropijo.

3. Fazna transformacija

S spremembo faze premaza se poveča trdota premaza. Lasersko oplaščenje je tehnologija visokotemperaturne obdelave, ki lahko v zelo kratkem času segreje površino materiala na visoke temperature, jo delno ali v celoti stopi in s hitrim ohlajanjem oblikuje različne organizacijske strukture. Pri tej visoki temperaturi postanejo atomi in molekule materiala dinamični in se lahko prerazporedijo v bolj stabilno ali optimizirano kristalno strukturo, kar povzroči fazni prehod materiala. CoCrNiMnTix visokoentropijska laserska obloga zlitine je bila pripravljena na površini jekla Q235. Ugotovljeno je bilo, da se je s povečanjem vsebnosti Ti v prevleki faza prevleke spremenila iz FCC faze v FCC+ Laves fazo.

Vrsta in delež praškov sta ključna dejavnika, ki vplivata na učinkovitost premazov. Zato je v poskusu zelo pomembno razumno oblikovati formulo prahu za oblaganje. Ker je metoda izboljšanja prevleke tesno povezana z njegovim utrjevalnim učinkom, je zelo pomembno, da se prašek oblikuje glede na učinek izboljšanja. Med njimi so krepitev druge faze, krepitev finih kristalov, krepitev trdne raztopine, optimizacija mikrostrukture, optimizacija amorfne in mikrostrukture učinkoviti načini za izboljšanje trdote in odpornosti proti obrabi prevleke. Učinki običajnih dodatkov na površinske lastnosti obloge so prikazani v tabeli 1.

Ker trdota materiala odraža sposobnost materiala, da se upre materialu, ki pritiska na površino, višja kot je trdota, manjša je globina pritiska materiala na površino materiala, manjši je volumen odrgnine, ki nastane pri rezanju, to pomeni, manjša kot je obraba, večja je odpornost proti obrabi. Zato se trdota lahko uporablja za merjenje odpornosti proti obrabi kovinskih materialov, in ko se trdota poveča, se poveča tudi njena odpornost proti obrabi.