Laserové plátování je technologie povrchové úpravy, která využívá vysokoenergetický laserový paprsek jako zdroj tepla k nanášení slitinového povlaku se speciálními vlastnostmi na substrát. Má výhody nízké rychlosti ředění, malé tepelně ovlivněné zóny, vysoké pevnosti spojení se substrátem a malého znečištění životního prostředí. Proto je široce používán při opravách povrchů a zpevňování klíčových komponentů, jako je výroba automobilů, petrochemický průmysl a těžební stroje.
Laserové opláštěníje komplexní metalurgický proces zahrnující fyziku, chemii a materiály. Jeho vlastnosti rychlého zahřívání a tuhnutí při kalení často způsobují vady, jako jsou praskliny a póry v obkladové vrstvě. V předchozích studiích domácí i zahraniční vědci především eliminovali nebo redukovali vady laserových povlaků prostřednictvím materiálového návrhu a optimalizace parametrů procesu. U povlaků z vysoce tvrdých slitin je však stále obtížné odstranit strukturální defekty změnou stávajícího procesu, což vyžaduje zvážení řízení struktury tuhnutí povlaku aplikací vnějšího pole, čímž se zlepší kvalita povlaku. Jako pomocná technologie externího pole má elektromagnetické pole výhody různých kombinací, dobrou ovladatelnost a šetrnost k životnímu prostředí. Uplatňuje se při odlévání, svařování, laserovém zpracování a dalších oborech. Elektromagnetická síla generovaná elektromagnetickým polem se používá k míchání taveniny, což může způsobit silnou konvekci tekutého kovu v roztavené lázni, homogenizovat teplotní pole a distribuci rozpuštěných látek v roztavené lázni a hrát roli při snižování stupně přechlazení a zjemnění struktury tuhnutí.
1 Mechanismus vlivu elektromagnetického pole na proces laserového plátování
Elektromagnetické pole je bezkontaktní pomocný prostředek vnějšího pole. Během procesu pokovování laserem bude elektromagnetické pole interagovat s taveninou kovu v roztavené lázni, aby se vytvořila elektromagnetická síla. Elektromagnetická síla změní konvekční pohyb a přenos hmoty a proces přenosu tepla taveniny a následně ovlivní proces tuhnutí obkladové vrstvy. Vliv elektromagnetického pole na pohybové chování taveniny se odráží hlavně v několika aspektech, jako je elektromagnetický míchací efekt, elektromagnetický brzdný efekt, tepelný elektromagnetický fluidní efekt, elektromigrační efekt a kožní efekt. Vliv elektromagnetického pole na proces tuhnutí taveniny se odráží hlavně v několika aspektech, jako je fragmentace zrn, efekt fluktuace atomových skupin a efekt ohřevu Joule.
2 Vliv různých forem elektromagnetického pole na mikrostrukturu a vlastnosti laserových povlaků
- Ustálené magnetické pole: Ustálené magnetické pole pomáhá potlačit povrchové zvlnění povlaku, snížit počet trhlin a zjemnit strukturu povlaku. Ustálené magnetické pole může snížit rychlost proudění uvnitř roztavené lázně, ale nemá žádný zřejmý vliv na teplotní pole; když je síla magnetického pole v ustáleném stavu vyšší než určitá hodnota, má významný inhibiční účinek na povrchové zvlnění roztavené vrstvy.
- Nestacionární magnetické pole: Střídavé magnetické pole má malý vliv na šířku a rychlost zředění plátovací vrstvy, zatímco jeho výška a kontaktní úhel se s rostoucí silou magnetického pole zmenšují a rovinnost povrchu plátovací vrstvy je rovněž ovlivněna síla a frekvence magnetického pole. Ve srovnání se střídavými a rotujícími magnetickými poli může být pulzní magnetické pole přerušovaně aplikováno na roztavenou lázeň řízením síly a frekvence magnetického pole. Vzhledem k charakteristikám procesu rychlého ohřevu a rychlého chlazení laserového plátování je však doba existence roztavené lázně relativně krátká, takže existuje relativně málo studií o laserovém plátování s pomocí pulzního magnetického pole. Jak je znázorněno na obrázku, ve srovnání se vzorky připravenými bez pomoci vnějšího pole mohou čtyři typy magnetických polí snížit počet trhlin v povlaku, zjemnit zrna a zvýšit tvrdost povlaku. Mezi nimi má nejlepší efekt laserové plátování s pomocí pulzního magnetického pole, ale v povlaku se objevuje fenomén segregace tvrdé fáze.
Jedno elektrické pole je široce používáno při svařování a odlévání, ale méně výzkumu se provádí v oblasti laserového plátování. V současné době existují dvě hlavní formy elektrického pole používané v laserovém plátování: střídavé elektrické pole a pulzní elektrické pole.
- Střídavé elektrické pole: Elektromigrační efekt způsobuje, že se ionty v tavenině pohybují směrově a Jouleův tepelný efekt proudu změní teplotu taveniny, čímž ovlivní proces tuhnutí plátovací vrstvy. Střídavý proud může podporovat zjemnění zrna a současně zvýšit výšku jemnozrnné oblasti ve spodní části povlaku, což pomáhá snižovat tvorbu trhlin. Zavedení střídavého proudu vytvoří v roztavené lázni indukovanou elektromagnetickou sílu s plynule se měnícím směrem, která bude působit jako elektromagnetický míchací účinek na tekutý kov v roztavené lázni, sníží teplotní gradient na čele tuhnutí, a tím přispěje k zušlechťování zrn.
- Pulzní elektrické pole: Pulzní proud má vlastnosti diskontinuity, variability a periodicity. Aplikace pulzního proudu během procesu pokovování může změnit rychlost toku taveniny a smyková síla vytvořená v tavenině může rozbít vytvořená zrna, zvýšit rychlost nukleace a zjemnit zrna.
3 Systém nátěrových materiálů pro pokrytí laserem pomocí elektromagnetického pole
V současné době se při přípravě různých slitinových povlaků a kompozitních povlaků uplatňuje technologie laserového plátování s pomocí elektromagnetického pole. U slitinových povlaků pomáhá elektromagnetické pole zlepšit homogenizaci složek povlaku a distribuci vysrážených fází. U kompozitních povlaků může elektromagnetický míchací účinek elektromagnetického pole změnit distribuční charakteristiky zpevňovací fáze v roztavené lázni.
- Povlak na bázi železa: Po nanesení elektromagnetického pole se se zvyšující se intenzitou magnetického pole snižuje drsnost povrchu obkladové vrstvy, struktura se výrazně zjemňuje a zmenšují se defekty, jako jsou póry a praskliny; zlepšila se tvrdost, odolnost proti opotřebení a odolnost proti korozi povlaku. Ve srovnání s povlakem připraveným bez magnetického pole je hodnota tvrdosti povlaku připraveného s pomocí magnetického pole stabilnější ve směru hloubky.
- Povlak na bázi kobaltu: Magnetické pole v ustáleném stavu může inhibovat konvekci roztavené lázně a obohatit makrosegregaci a prvky matrice mohou být více distribuovány na dně roztavené lázně, takže je snazší získat krycí vrstva se složením blízkým složení slitinového prášku. Magnetostrikční efekt generovaný magnetickým polem může účinně snížit koeficient tepelné roztažnosti a modul pružnosti plátovací vrstvy, snížit tepelné namáhání během procesu plátování a následně snížit citlivost na trhliny.
- Kompozitní povlak: Konstantní magnetické pole neovlivňuje fázové složení kompozitního povlaku, ale má významný vliv na mikrostrukturu povlaku a distribuci fáze keramické výztuže. Určitá intenzita magnetického pole přispívá ke zjemnění struktury a distribuce fáze keramické výztuže ve struktuře je hustá. Obrázek ukazuje vliv elektromagnetického kompozitního pole kombinovaného s magnetickým polem v ustáleném stavu a stejnosměrným elektrickým polem na distribuci a mikrostrukturu WC částic v laserovém povlaku In718/WC kompozitního povlaku. Dolů směřující Lorentzova síla generovaná elektromagnetickým polem může zvýšit Marangoniho konvekci v roztavené lázni, což přispívá k rovnoměrné distribuci částic WC v kompozitním povlaku. Stejnosměrný proud může zvýšit rychlost nukleace eutektických karbidů a zvýšená Marangoniho konvekce může rozbít sloupcové dendrity, čímž zjemní strukturu.
4 Výhled
Technologie laserového opláštění s pomocí elektromagnetického pole může realizovat kontrolu mikrostruktury plátovací vrstvy, podporovat zjemnění zrna, snížit segregaci kompozice, učinit distribuci zpevňovací fáze rovnoměrnější a zabránit iniciaci defektů, jako jsou díry a praskliny. Proto lze povlaky s vynikajícími vlastnostmi připravovat technologií laserového plátování za pomoci elektromagnetického pole. Technologie laserového plátování s pomocí elektromagnetického pole je inovací tradiční technologie laserového zpracování. Může nejen podporovat aplikaci elektromagnetické teorie v technologii laserového zpracování, ale také podporovat vývoj technologie laserové renovace na povrchu vysoce výkonných dílů. Má široký teoretický výzkum a vyhlídky na inženýrské aplikace.