Cause ed effetti della riduzione della tenacità del rivestimento del rivestimento laser
1. Ragioni per la diminuzione della tenacità dello strato di rivestimento
(1). Fatica
A causa della grande differenza nel coefficiente di dilatazione termica tra il materiale del rivestimento e la matrice, è facile produrre tensioni interne durante il rivestimento. Il processo di rivestimento è un processo di rapida fusione e rapida solidificazione. In questo processo, ci sarà una differenza di gradiente di temperatura e verranno generate varie sollecitazioni, come la sollecitazione di trazione termica causata dalla contrazione irregolare dello strato di rivestimento a causa del diverso gradiente di temperatura e del coefficiente di dilatazione termica del materiale, e lo stress organizzativo causato dalla transizione di fase del metallo nel processo di raffreddamento. E lo stress da vincolo causato dall'estrusione della parte non contratta quando lo strato di rivestimento si restringe a causa della differenza del gradiente di temperatura. Lo stress interno comprende lo stress termico, lo stress strutturale e lo stress vincolo, e lo stress termico è lo stress principale. Nel processo di rivestimento laser, la tenacità alla frattura è molto inferiore alla forza di trazione termica generata, che è la causa principale della produzione di cricche. Le crepe si formano quando lo stress termico supera il limite di resistenza del materiale.
I risultati mostrano che la distribuzione non uniforme di boruri e carburi di cromo ad alto volume nel rivestimento laser di carburo di silicio a base di nichel, con conseguente eccessivo stress termico, è la ragione principale della cricca. Nel processo di rivestimento laser, è facile che i composti fragili si formino al confine del grano e il coefficiente di dilatazione termica di questi composti fragili e dello strato di rivestimento è molto diverso, il che porta alla concentrazione dello stress al confine del grano e la fessurazione è facile da ottenere dalla riduzione della tenacità.
(2). Difetti nel processo di rivestimento
Durante il processo di rivestimento si verificheranno anche piccoli difetti come pori e microfessure. L'esistenza di pori può essere causata dalla dissociazione e gassificazione di una sostanza nel materiale causata dal laser ad alta energia. Un'altra possibilità è che sia necessario gas inerte come gas protettivo nel processo di rivestimento laser e che il gas protettivo venga coinvolto nel bagno di fusione. Il gas rimane nella vasca di condensa troppo tardi per essere scaricato e formare pori. Nel processo di rapida condensazione, la presenza di pori causerà microfessure. Se i componenti come la deossigenazione e la formazione di scorie nella polvere del rivestimento non riescono a galleggiare in tempo, verranno preservati nel rivestimento del rivestimento. Queste inclusioni aumenteranno anche la possibilità di crepe nel rivestimento e ridurranno la resistenza strutturale e la tenacità dello strato di rivestimento. Allo stesso tempo, l’esistenza dei pori contribuisce anche all’innesco e all’espansione delle crepe. I pori allentano lo strato di rivestimento ed è facile produrre una concentrazione di stress attorno ai pori, che aumenta la sensibilità delle crepe nello strato di rivestimento.
2. Fattori che influenzano la tenacità dello strato di rivestimento
La resistenza alla frattura dello strato di rivestimento laser è influenzata da molti fattori, tra cui la scelta del materiale di rivestimento, la potenza del laser, la velocità di alimentazione della polvere e la temperatura della matrice di rivestimento. La causa principale della fessurazione del rivestimento è lo stress interno causato dalla differenza di proprietà fisiche tra lo strato di rivestimento e il substrato. Quando vengono selezionati il materiale in polvere di rivestimento e il materiale del substrato con proprietà fisiche simili, la fusione e la solidificazione dei due materiali sono quasi sincronizzate, il che può ridurre efficacemente la possibilità di fessurazioni dello strato di rivestimento e migliorare la tenacità del rivestimento. Anche i parametri di processo del rivestimento laser hanno un'influenza diretta sulla formazione di crepe. Con l'aumento della potenza del laser, le crepe del rivestimento prima aumentano e poi diminuiscono, e anche la velocità di scansione laser e la velocità di alimentazione della polvere hanno effetti simili. Il trattamento di preriscaldamento del substrato prima del rivestimento può ridurre significativamente il gradiente di temperatura tra il bagno di fusione e il substrato e migliorare la distribuzione delle sollecitazioni dello strato di rivestimento.
Metodi per aumentare la tenacità dei rivestimenti
1. Ottimizzazione della composizione delle polveri di rivestimento
Il rivestimento laser consiste nel fondere la polvere e la matrice per formare un rivestimento metallurgico, le prestazioni del rivestimento, la selezione e il trattamento della polvere sono molto importanti. La tenacità del rivestimento della lega amorfa a base di Fe è relativamente scarsa ed è molto facile produrre crepe nel processo di preparazione o nell'uso effettivo a causa dello stress imposto nella zona di taglio interna. I bordi continuano ad espandersi fino a quando non si verifica una frattura fragile, ma la speciale struttura di disposizione atomica disordinata e l'assenza di confini cristallini fanno sì che i cristalli amorfi a base di ferro abbiano un'eccellente resistenza all'usura e alla corrosione. La zona di taglio interna della lega amorfa è facile da provocare una concentrazione di stress, dove si formano facilmente microfessure e l'espansione delle microfessure può produrre cricche da frattura. Il rivestimento con elevata durezza e tenacità è stato ottenuto mediante test di rivestimento laser sulla superficie della piastra di acciaio dopo aver mescolato nanotubi di carbonio rivestiti di nichel con polvere amorfa a base di ferro mediante macinazione a sfere. Si è scoperto che la struttura composita nanocristallina amorfa con buona tenacità si formava nel rivestimento dopo l'aggiunta di nanotubi di carbonio rivestiti di nichel. Nel frattempo, la nichelatura e la fresatura a sfere possono efficacemente evitare la formazione di carburi fragili nel processo di rivestimento laser, in modo da garantire che il rivestimento abbia una buona resistenza alla frattura.
L'aggiunta di una quantità adeguata di elementi delle terre rare può migliorare il tasso di assorbimento della polvere nel raggio laser ad alta energia, far sì che la polvere del rivestimento si sciolga in modo uniforme e completo, formare meglio un legame metallurgico con la matrice, ridurre la probabilità di porosità, e può essere utilizzato per l'omogeneizzazione, la soluzione solida e il forte indurimento del rivestimento in carburo cementato.
2. Livello di transizione aggiuntivo
L'uso di polvere con buona tenacità e buon adattamento alle proprietà fisiche della matrice come strato inferiore, ovvero l'impostazione di uno strato di transizione o di uno strato gradiente al centro della matrice e dello strato di rivestimento può ridurre lo stress interno tra lo strato di rivestimento con elevata durezza e matrice, e ridurre le fessurazioni causate da sollecitazioni eccessive. La zona di transizione intermedia può alleviare lo stress residuo causato dal diverso coefficiente di dilatazione termica tra il substrato e lo strato di rivestimento, migliorando così la tenacità del rivestimento e prevenendone la rottura. Uno strato di rivestimento Ni20Cr viene depositato sulla superficie dell'acciaio dello stampo come strato di base, quindi due strati di rivestimento Ni60A vengono depositati continuamente sul rivestimento Ni20Cr. I risultati mostrano che l'adozione del rivestimento Ni20Cr come strato di base può migliorare efficacemente il legame metallurgico tra il rivestimento e il substrato. Riduce notevolmente crepe, pori e altri difetti nel rivestimento.
3. Ottimizzazione dei parametri di processo
Nel processo di rivestimento laser, la potenza del raggio laser P, la velocità di scansione V, il diametro dello spot D, ecc. hanno effetti importanti sulla qualità dello strato di rivestimento. La velocità di rilascio diluito è l'incarnazione della massa di rivestimento e la velocità di rilascio diluito è influenzata dall'energia specifica E.
I risultati mostrano che un'energia specifica E troppo grande o troppo piccola non è favorevole all'ottenimento del rivestimento con prestazioni eccellenti. Se E è troppo basso, il tasso di diluizione del rivestimento sarà corrispondentemente basso, la matrice e lo strato di rivestimento non potranno ottenere un buon legame metallurgico e anche la superficie dello strato di rivestimento sarà soggetta a crepe di porosità e altri difetti. Se l'energia specifica E è troppo elevata, il tasso di diluizione aumenterà di conseguenza e i metalli nel bagno fuso saranno completamente miscelati e le eccellenti proprietà della polvere di rivestimento non potranno essere esercitate. Si è scoperto che la velocità di scansione laser è troppo elevata, con conseguente formazione irregolare dello strato di rivestimento, la velocità di scansione è troppo lenta, formerà una struttura cristallina più grande, la velocità di scansione appropriata può ottenere uno strato di rivestimento relativamente denso e una migliore tenacità.
3. Trattamento termico
(1)Preriscaldamento e posttrattamento termico
Il trattamento termico del rivestimento del rivestimento laser consiste fondamentalmente nell'ordinare la fase e omogeneizzare gli elementi nel rivestimento. Un adeguato preriscaldamento del substrato può ridurre efficacemente il gradiente di temperatura nel rivestimento, ridurre lo stress termico e migliorare la tenacità del rivestimento. I risultati mostrano che un adeguato preriscaldamento della matrice può ridurre significativamente la velocità di raffreddamento dello strato di rivestimento, ridurre lo stress residuo e inibire la generazione di crepe. Come mostrato nella figura seguente, si possono osservare delle crepe quando la matrice non è preriscaldata (la freccia indica), ma non si possono vedere crepe evidenti quando la matrice è preriscaldata a 200 gradi.
Al fine di migliorare la tenacità dello strato di rivestimento e ridurre la tendenza alla fessurazione del rivestimento, il metodo della matrice preriscaldata è relativamente semplice e talvolta non riesce a ottenere l'effetto atteso. Si è scoperto che il preriscaldamento e la conservazione del calore possono ridurre significativamente la velocità di raffreddamento del bagno fuso, migliorando così la distribuzione della temperatura del bagno fuso, riducendo la fase dura eutettica intercristallina, aumentando la fase duttile nel processo di fusione, che rende la tenacità del bagno fuso lo strato di rivestimento è aumentato, lo stress termico residuo è diminuito e le fessurazioni sono diminuite o addirittura scomparse. Il trattamento termico della polvere può migliorare la capacità di legame della polvere e della fase rinforzata e anche migliorare la durezza e la tenacità del rivestimento del rivestimento. Il trattamento termico del rivestimento ottenuto può omogeneizzare il rivestimento, ridurre significativamente la densità dei difetti del rivestimento, rilasciare lo stress residuo del rivestimento e migliorare la resistenza e la tenacità del rivestimento. Il trattamento post-termico può migliorare la resistenza alla trazione e alla rottura del rivestimento, nonché il rapporto di allungamento, il carico di snervamento e la resistenza alla trazione finale dello strato di rivestimento.
Il preriscaldamento e il trattamento post-riscaldamento possono ridurre significativamente il gradiente di temperatura del bagno di fusione, aumentare la tenacità e inibire la generazione di cricche, ma il processo di preriscaldamento e trattamento post-riscaldamento produrrà temperature troppo elevate, che possono facilmente influenzare la distribuzione delle sollecitazioni interne. di parti a pareti sottili e potrebbe causare la deformazione del pezzo. Pertanto, il preriscaldamento e il trattamento post-riscaldamento sono limitati nel rafforzamento o nella riparazione di parti di precisione a parete sottile.
(2)Rifusione laser
Una o più rifusioni laser immediatamente dopo il rivestimento laser possono eliminare i difetti superficiali del rivestimento e migliorarne la tenacità. Il rivestimento composito Ni60/50%WC senza crepe è stato ottenuto mediante rivestimento laser + trattamento di rifusione su una superficie di acciaio 45. Si è scoperto che la rifusione laser ha le funzioni di scarico delle scorie secondarie, di guarigione delle crepe, di miglioramento della ruvidità superficiale e di miglioramento della non uniformità e della compattezza della struttura del rivestimento. Il rivestimento amorfo a base di Fe viene preparato mediante tre metodi di scansione laser, ovvero la prima scansione laser riscalda la matrice, il secondo rivestimento laser forma il rivestimento amorfo e quindi la terza rifusione laser del rivestimento amorfo ottiene il rivestimento anti-crepa . La rifusione laser elimina sostanzialmente i difetti del rivestimento e migliora notevolmente il modulo elastico e la tenacità del rivestimento.
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