numero Sfoglia:30 Autore:Editor del sito Pubblica Time: 2018-07-03 Origine:motorizzato
Il rivestimento della superficie laser mediante iniezione di polvere è diventata una tecnica alternativa ai metodi convenzionali per produrre rivestimenti di alta qualità, legati metallurgicamente su substrati metallici con basso carico termico nel pezzo [1]. Di solito, l'obiettivo principale del rivestimento laser è modificare le prestazioni della superficie del substrato migliorando le diverse proprietà [2]: meccanica (durezza, resistenza alla fatica e resistenza all'usura) [3], resistenza alla corrosione [4], biocompatibilità [5], ecc.
In questa tecnica l'energia fornita dal laser viene utilizzata per sciogliere uno strato sottile del substrato mentre le particelle di polvere possono essere fusi dall'interazione con il raggio laser o/e quando si arriva al pool di fusione formato sul substrato. Un movimento relativo tra il substrato e il getto laser/polvere consente di formare una singola pista rivestita, mentre sovrapposti queste tracce fornisce una copertura di grandi aree [6]. È stata testata un'ampia varietà di materiali di rivestimento precursore: dalle SuperAlloe [7] alla ceramica avanzata [8].
Sono disponibili diverse fonti laser per scopi industriali: CO2, ND: YAG, diodi laser ad alta potenza e più recentemente fonti laser ad alta luminosità come il disco di disco o il laser a figura. La disponibilità di queste nuove fonti laser ad alta luminosità apre alcune domande sulla sua utilità. Quindi possiamo metterci in discussione: abbiamo bisogno di fonti ad alta luminosità per il rivestimento laser? C'è qualche vantaggio per utilizzare una fonte di luminosità elevata per il rivestimento laser? Bene, l'obiettivo del presente documento è cercare di rispondere a queste domande. A tale scopo abbiamo selezionato un nd: YAG e un laser a fila per eseguire prove rivestite in cui tutte le condizioni sperimentali erano le stesse (inclusa la stessa configurazione sperimentale) tranne la fonte laser.
2.1.Materials
Le piastre piatte di acciaio inossidabile AISI 304 (50 × 50 mm2) 10 mm sono state utilizzate come substrati. Al fine di delimitare perfettamente le caratteristiche geometriche delle tracce rivestite, tutte le piastre mostrano un ad alta figura di superficie lucida (RAB 0,5 μm). La polvere SuperAlloy (Oric; Francia) a base di CO (dimensione media delle particelle di 90 μm e la densità del tap di 4,6 g/cm3) è stata utilizzata come materiale di rivestimento precursore. Le composizioni chimiche del substrato e del materiale precursore vengono raccolte nella Tabella 1.
2.2.Methods
2.2.1. Sistemi di livello
La tecnica di soffiaggio della polvere laterale è stata applicata per ottenere il rivestimento mediante rivestimento della superficie laser. Un ugello fuori asse inietta il flusso di polvere nella zona di interazione tra il raggio laser e il substrato, che viene spostato da una fase motorizzata per generare la traccia di rivestimento.
Sono state utilizzate due diverse fonti laser: la prima sorgente laser era una lampada da lampada RSY500P di tipo RSY500P RSY500P: YAG Laser con una potenza massima di 500 W, λ = 1064 nm. È stato guidato mediante un file di diametro del nucleo da 600 µm e accoppiato alla stazione di lavoro tramite l'ottica in espansione e collocazione. La seconda sorgente laser era un laser a fiide drogato con monomodo ad alta luminosità (SPI SP-200), fornendo una potenza massima di 200 W e lavorando a λ = 1075 nm. Allo stesso modo, è stato guidato alla stazione di lavoro per mezzo di un fi bre passivo (diametro del nucleo 50 µm), ampliato e collimato da una lente collimatrice.
Al fine di misurare la qualità di entrambi i raggi laser, è stato utilizzato un analizzatore Spiricon (LBA-300PC). La Fig. 1 mostra un esempio dell'analisi effettuata per entrambi i laser dopo l'ottica in espansione e collocazione. Il valore misurato del fattore M2 è M2 = 10 per il laser ND: YAG e M2 = 1,8 per il laser a fila. In tutti gli esperimenti, il raggio laser è stato focalizzato esattamente sulla superficie del substrato usando la stessa ottica di messa a fuoco: un doppio doppio cementato di lunghezza focale di 80 mm, ottenendo un diametro spot di 250 μm nel caso del laser Nd: YAG e 40 μm quando il È stato utilizzato il laser di fi bre. La potenza media ottica è stata variata tra 40 e 100 W durante la sperimentazione.
2.2.2. l'alimentazione della polvere di precursore
La polvere precursore è stata iniettata nella zona di interazione per mezzo di un argon che trasportava il flusso e un iniettore gas -solido accoppiato a una tramoggia. La con fi gurazione dell'iniettore gas -solide consisteva in un ugello assiale e nella tramoggia verticale sul lato [2]. Un valore di 20 mg/s è stato mantenuto costante per il flusso di massa con un flusso volumetrico a gas di 2,7 L/min; Il flusso di polvere presentava un diametro di circa 1 mm nella zona di interazione.
2.2.3. Generazione e posizionamento dei movimenti
Durante la sperimentazione la testa di lavoro tra cui l'ottica di messa a fuoco e il sistema pneumatico di iniezione di polvere è stata mantenuta immobile. Il substrato è stato spostato mediante una fase di traduzione motorizzata XY PI Modello M-531.pd. Le tracce di rivestimento di 45 mm sono state prodotte variando la velocità di scansione da 0,5 a 10,0 mm/s.
2.3. Caratterizzazione del campione
Le tracce di rivestimento ottenute erano geometriche caratterizzate per mezzo di un microscopio stereoscopico dotato di un posizionatore di stadi XY con risoluzione di 1 µm (Nikon SMZ10-A). I campioni sono stati incorporati nella resina acrilica di acry per eseguire le osservazioni trasversali della traccia. Sono stati tagliati e successivamente lucidati con una serie di documenti SIC abrasivi fino al grado 1200, seguiti da una pasta di diamanti fi nish fino a 0,1 µm. Successivamente, i campioni sono stati rivestiti in carbonio ed esaminati da SEM. La durezza e il modulo di Young sono stati misurati mediante nanoindentazione applicando un carico massimo di 200 mn con un rientro di Berkovich a diamante piramide a tre lati. La tecnica di misurazione della rigidità continua è stata utilizzata in un'attrezzatura XP Nanoindenter MTS.
È stata eseguita un'analisi dettagliata e sistematica delle tracce di rivestimento prodotte dalle due fonti laser. Come mostrato in Fig. 2, si osserva che la larghezza dipende principalmente dalla potenza media del raggio laser. Questo comportamento è in buon accordo con le opere precedenti [9]. Il punto del raggio laser sulla superficie del substrato è il fattore limitante per la crescita laterale della pista rivestita; In questo senso, la migliore focalibilità del laser di fi bre è chiaramente nota, portando a tracce considerevolmente strette. L'incremento della larghezza dovuta agli incrementi di potenza media è abbastanza simile per entrambe le fonti laser, mentre l'effetto dell'aumento della velocità di elaborazione sembra essere una leggera riduzione della larghezza del rivestimento (vedi Fig. 2.b).
L'altezza rivestita mostra una riduzione quando la velocità di scansione è una velocità per entrambe le fonti laser. Dal nostro lato, il laser è focalizzato sulla superficie del substrato e la polvere viene iniettata di lato. Pertanto, le particelle non sono esposte alle radiazioni laser sufficienti per scioglimento prima di immergersi sul pool fuso e, quindi, le particelle si sciolgono principalmente per interazione con il pool di substrato fuso. Dal punto di vista del substrato, l'energia disponibile per unità di lunghezza dipende dalla potenza media laser, dalla dimensione del punto e dalla velocità di scansione. Può essere stimato dal parametro di densità di energia (P/VD, dove P: potenza media, V: velocità di scansione e D: diametro spot) [1]. Poiché la velocità di scansione aumenta meno energia per unità di lunghezza contribuisce alla formazione del pool fuso. Il comportamento dell'altezza rivestita in funzione della densità di energia è tracciato in Fig. 3. Il comportamento simile è stato ottenuto con entrambi i tipi di laser.
Inoltre, la quantità di particelle di materiale precursore disponibile per unità di lunghezza è modificata dalla velocità di scansione e dalla dimensione del punto, supponendo che il punto del raggio laser sia completamente coperto dal diametro del flusso di polvere. La quantità di particelle che arrivano al pool fuso può essere considerata proporzionale al flusso di massa e alla dimensione del punto e inversamente proporzionali alla velocità di scansione (parametro m · d/v, dove m: flusso di massa) [9]. Di conseguenza, l'aumento della velocità di scansione ha un doppio effetto che riduce la densità di energia e anche la quantità di particelle catturate dal pool fuso, che viene riflessa da una riduzione dell'altezza rivestita. Per ND: laser YAG, è stata trovata una correlazione soddisfacente (r = 0,98) dell'altezza del rivestimento con il parametro combinato (P - P0)/V2, dove P0 = 31 W, (vedi Fig. 4). Il valore di P0 è stato determinato sperimentalmente e può essere correlato con l'energia minima richiesta per produrre una deposizione apprezzabile del materiale. Per le tracce prodotte dal laser a fila, è stata trovata una correlazione (r = 0,95) dell'altezza rivestita di laser a figura con l'inverso della velocità di elaborazione (vedi Fig. 5). Questo comportamento può essere spiegato dalla sua luminosità del raggio più elevato e dai valori di densità di energia elevati associati. L'elevata energia focalizzata sul pool fuso porta a una percentuale più elevata di particelle catturate/colpite. In questa situazione, le variazioni del potere medio hanno meno importanza e la quantità di particelle in arrivo ha una grande influenza sul volume di materiale fuso e sull'altezza rivestita risultante.
L'aspetto -ratio (larghezza/altezza) delle tracce è tracciato rispetto alla velocità di elaborazione in Fig. 6. Si può vedere chiaramente che la larghezza/altezza di Nd: YAG TRAD Tracks progredisce ripidamente, in opposizione a quelle ottenute dal laser di fi bre. Come conseguenza della larghezza del rivestimento e della dipendenza in altezza dai parametri di elaborazione precedentemente discussi, il rapporto di aspetto dei risultati della traccia del laser Nd: YAG è proporzionale al quadrato di elaborazione; Mentre nel caso di quelli ottenuti dal laser di fi bre, il rapporto di aspetto è proporzionale alla velocità di elaborazione e diventa più lento con questo parametro di elaborazione.
A una velocità di elaborazione fissa, il rapporto di aspetto delle tracce generate dal laser ND: YAG è considerevolmente più elevato di quello delle tracce generate dal laser di fi bre. Quando si lavora con il laser Fif Bre, è necessaria una velocità di scansione più elevata per ottenere valori di benessere adatti per la produzione di rivestimenti per sovrapposizione di binario [6]. Per la stessa velocità di elaborazione, la densità di energia (P/VD) della radiazione Nd: YAG è inferiore a causa di un punto più ampio di quello ottenuto dalla radiazione di fi bre. Come è ben noto, questo fatto è una conseguenza della migliore qualità del raggio del laser di fi bre. La maggiore densità di energia consentirà di catturare più particelle dal flusso di polvere. Inoltre, il diametro spot ridotto del laser a fi bra concentra l'energia in un'area più piccola, evitando la piscina fusa che si diffonde trasversalmente nella direzione di scansione. La conseguenza della polvere precursore più fusa in un'area più piccola è la rapida crescita dell'altezza rivestita delle tracce laser di fi bre. Questo fatto è ben illustrato in Fig. 7 che mostra le immagini SEM della sezione trasversale delle tracce rivestite prodotte da entrambi i tipi di laser in condizioni simili.
Per quanto riguarda la diluizione delle tracce depositate, la diluizione geometrica misurata (diluizione geometrica è stata calcolata secondo la seguente formula geom. Dilut. = H2/(H+ H2), dove H: altezza del rivestimento e H2: profondità di penetrazione del vestito, vedi Rif. [10 10 ]) è stato tracciato in funzione della velocità di scansione (vedi Figg. 8 e 9). La diluizione geometrica ottenuta da entrambe le fonti laser mostra una tendenza simile e risponde al comportamento combinato dell'altezza rivestita e alla penetrazione Fig. 10. Valori medi di durezza in base alla profondità per ND: YAG e laser a fi bra (Power Laser 95 W, Energy densità 165 J/mm2). Depth. Per il laser ND: YAG, si osserva la dipendenza logaritmica della velocità di procedura, mentre per il laser di fi bre è stata trovata una migliore cosa migliore con il parametro combinato PV. La maggior parte delle condizioni testate portano ad alti valori di diluizione geometrica dovuti al diametro del punto basso e alla densità di energia elevata.
Si è riscontrato che la durezza diminuisce leggermente quando si aumenta la profondità all'interno della sezione trasversale della traccia (vedi Fig. 10); Questo comportamento è in buon accordo con la maggiore presenza di elementi di substrato diluiti nel materiale del rivestimento mentre si avvicina all'interfaccia. La zona sotto l'interfaccia presenta i valori di durezza in una certa misura superiore al substrato ricevuto. Il comportamento della durezza attraverso la sezione trasversale è simile per entrambe le fonti laser; I valori di durezza medi ottenuti con il laser a fi bre sono leggermente superiori quando si raggiungono una certa profondità a causa della penetrazione laser a fibra più elevata sul substrato. I valori medi del modulo di Young erano 250 GPA per le tracce ottenute con Laser ND: YAG e 290 GPA per quelli ottenuti con il laser a fiume.
Il rivestimento laser assistito da Fif Bre Laser ha rivelato una finestra di elaborazione più ampia in termini di intervallo di velocità rispetto a un laser ND: YAG convenzionale. Le tracce rivestite ottenute nelle stesse condizioni di elaborazione sono più spesse e più strette di quelle prodotte dal laser ND: YAG. Tuttavia, anche la diluizione e la profondità di penetrazione nel substrato sono più elevate. Questo fatto è attribuibile alla migliore qualità del raggio del raggio laser a fila. Valori di durezza simili sono stati ottenuti per le tracce prodotte da entrambi i tipi di laser.
Pertanto, nella gamma di parametri studiati in questo lavoro, si può concludere che è consigliato un laser ad alta luminosità solo quando sono necessarie tracce rivestite molto strette ma non per le normali binari utilizzati per grandi rivestimenti.
Riconoscimenti
Questo lavoro è stato parzialmente finanziato dal governo spagnolo, (CICYT MAT2006-10481, DEX-560410-2008-169 e programma FPU AP2006-03500 Grant) e da Xunta de Galicia (PGIDIT06TMT00501CT, PGIDIT06PXIA3086IF, incite07PXIS. L'assistenza del personale tecnico di Cacti (Università di Vigo) è riconosciuta con gratitudine.
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