Lazerinio paviršiaus legiravimo mikrostruktūrinė raida

Lazerinis paviršiaus legiravimas (LSA) yra sudėtingas paviršiaus modifikavimo metodas, kurio metu lazerio energija ištirpsta medžiagos paviršius ir legiruojamas su priedais, kad pagerintų jo savybes. Šis procesas sulaukė didelio dėmesio dėl jo gebėjimo gaminti dangas, kurių kietumas, atsparumas korozijai ir atsparumas dilimui ant įvairių pagrindų. Mikrostruktūrinė evoliucija LSA metu vaidina lemiamą vaidmenį nustatant apdoroto paviršiaus veikimą. Šios raidos supratimas yra būtinas norint optimizuoti proceso parametrus ir pasiekti norimas medžiagos savybes.

Lazerinis paviršiaus legiravimas apima didelio intensyvumo lazerio spindulio naudojimą, kad lokaliai išlydytų substrato medžiagos paviršių. Proceso metu legiravimo elementai arba milteliai patenka į išlydytą baseiną, kur jie susimaišo su pagrindo medžiaga. Lazeris greitai sukietina išlydytą baseiną, sudarydamas naują paviršiaus sluoksnį, turintį skirtingas mikrostruktūrines savybes, palyginti su pagrindine medžiaga. Šis lokalizuotas lydymasis ir greitas kietėjimas sukelia unikalius mikrostruktūrinius pokyčius, kurie daro didelę įtaką legiruoto paviršiaus veikimui.

LSA mikrostruktūros evoliucijai įtakos turi įvairūs veiksniai, įskaitant lazerio parametrus, legiravimo elementus ir substrato medžiagos savybes. Pagrindiniai mikrostruktūrinių pokyčių aspektai LSA metu apima fazių formavimąsi, grūdelių struktūrą ir legiravimo elementų pasiskirstymą.

Fazės formavimas

Lazeriu apdoroto paviršiaus fazinė sudėtis yra labai svarbi nustatant medžiagos savybes. Dėl greito aušinimo greičio, susieto su LSA, susidaro nesubalansuotos fazės, kurių nėra pagrindinėje medžiagoje. Pavyzdžiui, legiruojant plieną su chromu, gali susidaryti daug chromo turinčių fazių, tokių kaip chromo karbidai. Šios fazės žymiai padidina paviršiaus sluoksnio atsparumą dilimui ir kietumą.

Tyrimai parodė, kad aušinimo greitis LSA metu gali turėti įtakos fazių transformacijoms. Pavyzdžiui, dėl didelio aušinimo greičio gali susidaryti metastabilios fazės, pvz., išlikęs austenitas plieno lydiniuose, o tai gali pagerinti kietumą, tačiau taip pat gali prireikti vėlesnio terminio apdorojimo, kad stabilizuotų mikrostruktūrą.

Grūdų struktūra

Legiruoto paviršiaus grūdėtumo struktūrai įtakos turi lazerio skenavimo greitis, galia ir pluošto skersmuo. Greitas kietėjimas LSA metu sukelia smulkiagrūdžių mikrostruktūrų susidarymą, palyginti su stambiais pagrindinės medžiagos grūdeliais. Grūdelių dydis ir morfologija yra kritiniai veiksniai, turintys įtakos legiruoto sluoksnio mechaninėms savybėms.

Apskritai, didesnė lazerio galia ir lėtesnis skenavimo greitis lemia didesnius išlydytus telkinius ir rafinuotesnes grūdelių struktūras. Ir atvirkščiai, didesnis nuskaitymo greitis ir mažesnė lazerio galia gali lemti smulkesnius grūdelius. Smulkiagrūdė struktūra paprastai padidina kietumą ir atsparumą dilimui. Tačiau dėl pernelyg greito kietėjimo taip pat gali susidaryti nepageidaujamos fazės, tokios kaip martensitas, kurios gali neigiamai paveikti legiruoto sluoksnio kietumą.

Legiruojamųjų elementų platinimas

Legiruojamųjų elementų pasiskirstymas lazeriu apdorotame paviršiuje yra dar vienas esminis mikrostruktūros evoliucijos aspektas. Lazerio spindulio ir legiravimo miltelių ar elementų sąveika turi įtakos jų pasiskirstymui išlydytame baseine. Tokie veiksniai kaip miltelių padavimo greitis, dalelių dydis ir paskirstymo metodas gali turėti įtakos legiravimo elementų pasiskirstymo tolygumui.

Pavyzdžiui, lazeriu legiruojant aliuminį su titanu, tolygus titano pasiskirstymas yra būtinas formuojant TiAl3 intermetalinius junginius, kurie pagerina paviršiaus kietumą ir stabilumą aukštoje temperatūroje. Nehomogeniškas legiravimo elementų pasiskirstymas gali sukelti fazių segregaciją ir netolygias savybes legiruotojo sluoksnyje.

Empiriniai tyrimai suteikė vertingų duomenų apie LSA metu vykstančius mikrostruktūrinius pokyčius. Pavyzdžiui, Li ir kt. (2017) tyrė AISI 1045 plieno lazerinio paviršiaus legiravimo su chromu mikrostruktūros raidą. Tyrėjai pastebėjo, kad legiruotame sluoksnyje susidaro daug chromo turinčių karbidų ir rafinuota grūdelių struktūra. Legiruoto paviršiaus kietumas buvo žymiai didesnis nei pagrindinės medžiagos, o tai rodo LSA veiksmingumą gerinant medžiagos savybes.

Kitas Xie ir kt. tyrimas. (2018) daugiausia dėmesio skyrė nikelio pagrindu pagamintų superlydinių lazeriniam legiravimui su kobaltu. Tyrimas atskleidė, kad lazerio apdorojimo parametrai turėjo įtakos kobalto pasiskirstymui ir kobalto fazių susidarymui. Optimalūs apdorojimo parametrai lėmė tolygų kobalto pasiskirstymą ir pagerino paviršiaus sluoksnio atsparumą dilimui.

Norint pasiekti norimas mikrostruktūrines charakteristikas ir našumą, būtina optimizuoti LSA parametrus. Pagrindiniai parametrai, į kuriuos reikia atsižvelgti, yra lazerio galia, skenavimo greitis, pluošto skersmuo ir legiravimo elementų tipas bei koncentracija. Optimalioms apdorojimo sąlygoms nustatyti gali būti naudojami eksperimentinio projektavimo ir optimizavimo metodai, tokie kaip atsako paviršiaus metodika (RSM) ir Taguchi metodai.

Pavyzdžiui, lazerio galios ir nuskaitymo greičio optimizavimas gali padėti kontroliuoti legiruotojo sluoksnio aušinimo greitį ir grūdelių dydį. Be to, reguliuojant miltelių padavimo greitį ir dalelių dydį, galima pagerinti legiravimo elementų pasiskirstymo vienodumą. Naudojant pažangius apibūdinimo metodus, tokius kaip skenuojanti elektroninė mikroskopija (SEM), energiją dispersinė rentgeno spindulių spektroskopija (EDS) ir rentgeno spindulių difrakcija (XRD), galima gauti išsamių įžvalgų apie mikrostruktūros evoliuciją ir padėti optimizavimo procese.

Mikrostruktūros evoliucija lazerinio paviršiaus legiravimo metu yra sudėtingas procesas, kurį įtakoja įvairūs veiksniai, įskaitant lazerio parametrus, legiravimo elementus ir substrato medžiagas. Norint optimizuoti procesą ir pasiekti norimas medžiagos savybes, labai svarbu suprasti fazių formavimosi, grūdelių struktūros ir legiravimo elementų pasiskirstymo pokyčius. Empiriniai tyrimai ir duomenų analizė atlieka gyvybiškai svarbų vaidmenį nustatant optimalias apdorojimo sąlygas įvairioms programoms. Nuolatiniai LSA technologijos tyrimai ir pažanga dar labiau padidins šios universalios paviršiaus modifikavimo technikos galimybes ir pritaikymą.