Analýza vztahu mezi trhlinami a zbytkovým vnitřním napětím v procesu laserového pláště
Jako klíčová technologie v oborech, jako je mechanická výroba a letecký průvod, se laserové opláštění běžně používá pro opravu dílů, posilování povrchu a přípravu funkčního povlaku. Zatímco jeho základní charakteristika „rychlého zahřívání a rychlého chlazení“ umožňuje efektivní opláštění, snadno indukuje zbytkové vnitřní napětí mezi vrstvou opláštění a substrátem. Když vnitřní napětí překročí výnosovou sílu vrstvy opláštění, iniciují trhliny, které vážně ovlivňují kvalitu produktu a životnost. Tento článek systematicky analyzuje typy, příčiny zbytkového vnitřního napětí v laserovém plášti a jejich korelaci s trhlinami, což poskytuje teoretické odkazy na řešení problémů trhlin v tomto odvětví.
Laserové opláštění Tepelné napětí: Hlavní hnací faktor pro tvorbu trhlin
Tepelné napětí je zbytkový vnitřní napětí, které má největší dopad na praskliny v laserovém plášti, a jeho tvorba přímo souvisí s „teplotním rozdílem“ a „rozdílem v koeficientů tepelné roztažnosti“. Během laserového působení je plášťová vrstva okamžitě zahřívána do roztaveného stavu, zatímco teplota substrátu je blízká teplotě místnosti, což vede k významnému teplotnímu rozdílu mezi nimi. Ve fázi chlazení se musí vrstva pláště rychle zmenšit; Avšak vzhledem k tomu, že substrát má nižší koeficient tepelné roztažnosti než vrstva opláštění (např. Slitina z pláště a substrátu uhlíkové oceli), smrštění substrátu je mnohem menší. Shrinkáž vrstvy opláštění je omezeno substrátem, což vede k akumulaci tahového napětí. Simulační studie o multi - Pass Laser Cladding ukazují, že tato „tepelná roztažnost a kontrakce“ také způsobuje nerovnoměrnou deformaci vrstvy opláštění, zesilující koncentraci napětí a nakonec se stává jádrem pro iniciaci trhlin.
Strukturální napětí laserového opláštění: Potenciální nebezpečí způsobené transformací mikroskopické fáze
Strukturální napětí pochází z krystalické fázové transformace „kapalného kovu na pevný kov“ během procesu laserového pláště, což je výsledkem nerovnoměrné transformace mikroskopické struktury. Po roztavení materiálu a substrátu obkladu tvoří kapalný kov během chlazení a ztuhnutí různé typy pevných struktur (jako je martenzit a austenit) a existují rozdíly ve specifickém objemu různých struktur. Mezitím se kompoziční rozdíl mezi pláštěm a substrátem (např. Vrstva obkladu obsahuje prvky, jako je wolfram a chrom, zatímco substrát je obyčejnou ocel) dále rozšiřuje rozdíl v mikroskopické struktuře po krystalizaci, což vede k „nekoordinaci“ ve změně hlasitosti. Tato nekoordinace je omezena ve vrstvě opláštění a nakonec se transformuje na strukturální napětí. Ačkoli jeho dopad na trhliny je slabší než dopad tepelného napětí, vytváří napětí - oslabené oblasti uvnitř vrstvy opláštění a poskytuje kanály pro šíření trhlin.
Napětí omezení laserového opláštění: Bod rizika zlomenin se dvěma transformacemi -
Napětí omezení je napětí generováno, když je vrstva opláštění omezena substrátem během dvou stádií „zahřívání a expanze“ a „chlazení a smršťování“ a existuje zjevný proces transformace napětí. Ve fázi zahřívání se první roztavený materiál v roztaveném bazénu při zahřívání rozšiřuje, ale okolní substrát zůstává v nízkém pevném stavu teploty, což blokuje expanzi, čímž se generuje tlakové napětí uvnitř vrstvy opláštění. Ve fázi chlazení se zahřívaná vrstva opláštění (a kompozitní povlak) musí zmenšit, ale substrátem je omezena s nižší teplotou a vyšší rigiditou, takže tlakové napětí se postupně mění na tahové napětí. Studie ukázaly, že houževnatost vrstev laserového opláštění je obecně nízká a konečný napětí, který vydrží, je mnohem nižší než kritická hodnota pro křehké zlomeniny vyvolané napětím v tahu, což činí napětí omezení pro iniciaci trhlin.
Rozdíly v dopadu tří typů zbytkového vnitřního napětí na praskliny v laserových pláštích
Ačkoli tři typy zbytkového vnitřního napětí v laserových obkladech indukují trhliny, jejich příčiny a dopady se výrazně liší. Z pohledu základních příčin: tepelné napětí pochází z makroskopických teplotních rozdílů a rozdílů vlastností materiálu; Strukturální napětí pochází ze změn objemu způsobeného mikroskopickou fázovou transformací; Napětí omezení je expanzní a kontrakční odezva při omezení substrátu. Z pohledu stupně nárazu: Tepelné napětí má nejsilnější účinek na praskliny, které mohou proniknout do vrstvy opláštění - substrátu a způsobit rozhraní mezifázové trhliny; Omezení napětí přímo spouští křehké zlomeniny v důsledku tahového napětí s druhým nejsilnějším dopadem; Strukturální napětí je soustředěno hlavně uvnitř vrstvy opláštění, většinou způsobuje místní mikrokracty. Z pohledu distribučních charakteristik: tepelné napětí je nerovnoměrně distribuováno; omezení stresu má zjevnou transformaci fáze; Strukturální napětí je koncentrováno v aktivních oblastech fázové transformace.
Základní komponenty systému laserového pláště
Pokyny pro ovládání trhlin laserového pláště
Stručně řečeno, podstata trhlin laserových opláchnutí je výsledkem zbytkového vnitřního napětí přesahujícího ložiskovou kapacitu vrstvy opláštění. Mezi nimi je tepelné napětí jádrem hnacího faktoru, napětí omezení je přímým faktorem spouštění a strukturální napětí vytváří podmínky pro šíření trhlin. Na základě toho by se měla kontrola trhlin laserového opláštění zaměřit na „snižování tepelného napětí“, jako je optimalizace výkonu laseru a rychlost skenování, aby se zpomalil rychlost chlazení, nebo výběr oplášťovacích materiálů s koeficientem tepelné roztažnosti odpovídající účinku substrátu. Současně může být strukturální napětí sníženo úpravou složení oplášťovacích materiálů, aby se minimalizovalo rozdíly v mikroskopické struktuře, a omezení napětí může být zmírněno předehříváním substrátu. Analýzou vztahu mezi třemi typy zbytkového vnitřního napětí a trhlin poskytuje tento článek jasný směr pro optimalizaci procesu technologie laserového opláštění, který pomáhá zlepšit spolehlivost a životnost laseru - oblečených produktů.