Laser cladding é uma tecnologia de modificação de superfície que usa um feixe de laser de alta energia como fonte de calor para depositar um revestimento de liga com propriedades especiais em um substrato. Tem as vantagens de uma baixa taxa de diluição, uma pequena zona afetada pelo calor, alta resistência de ligação com o substrato e pouca poluição ambiental. Portanto, é amplamente utilizado no reparo de superfícies e fortalecimento de componentes-chave, como fabricação de automóveis, indústria petroquímica e máquinas de mineração.
Revestimento a laseré um processo metalúrgico complexo envolvendo física, química e materiais. Suas características de solidificação de rápido aquecimento e têmpera geralmente causam defeitos como rachaduras e poros na camada de revestimento. Em estudos anteriores, estudiosos nacionais e estrangeiros eliminaram ou reduziram principalmente os defeitos dos revestimentos de revestimento a laser por meio do design do material e da otimização dos parâmetros do processo. No entanto, para revestimentos de ligas de alta dureza, ainda é difícil eliminar defeitos estruturais alterando o processo existente, o que requer considerar o controle da estrutura de solidificação do revestimento pela aplicação de um campo externo, melhorando assim a qualidade do revestimento. Como uma tecnologia auxiliar de campo externo, o campo eletromagnético tem as vantagens de várias combinações, boa controlabilidade e respeito ao meio ambiente. Tem sido aplicado em fundição, soldagem, processamento a laser e outros campos. A força eletromagnética gerada pelo campo eletromagnético é usada para agitar o fundido, o que pode causar forte convecção do metal líquido na poça fundida, homogeneizar o campo de temperatura e a distribuição do soluto da poça fundida e desempenhar um papel na redução do grau de superresfriamento e refino da estrutura de solidificação.
1 Mecanismo de influência do campo eletromagnético no processo de laser cladding
O campo eletromagnético é um meio auxiliar de campo externo sem contato. Durante o processo de revestimento a laser, o campo eletromagnético irá interagir com o metal fundido na poça fundida para gerar força eletromagnética. A força eletromagnética mudará o movimento convectivo e a transferência de massa e o processo de transferência de calor do derretimento e, em seguida, afetará o processo de solidificação da camada de revestimento. A influência do campo eletromagnético no comportamento do movimento do fundido é refletida principalmente em vários aspectos, como o efeito de agitação eletromagnética, efeito de frenagem eletromagnética, efeito de fluido eletromagnético térmico, efeito de eletromigração e efeito de pele. A influência do campo eletromagnético no processo de solidificação do fundido se reflete principalmente em vários aspectos, como fragmentação de grãos, efeito de flutuação do grupo atômico e efeito de aquecimento Joule.
2 Efeitos de diferentes formas de campo eletromagnético na microestrutura e propriedades de revestimentos de laser cladding
- Campo magnético de estado estacionário: O campo magnético de estado estacionário ajuda a suprimir a ondulação da superfície do revestimento, reduz o número de rachaduras e refina a estrutura do revestimento. O campo magnético de estado estacionário pode reduzir a velocidade do fluxo dentro da poça de fusão, mas não tem nenhum efeito óbvio no campo de temperatura; quando a força do campo magnético em estado estacionário é maior que um certo valor, ela tem um efeito inibitório significativo nas ondulações da superfície da camada fundida.
- Campo magnético instável: O campo magnético alternado tem pouco efeito na largura e na taxa de diluição da camada de revestimento, enquanto sua altura e ângulo de contato diminuem com o aumento da intensidade do campo magnético, e o nivelamento da superfície da camada de revestimento também é afetado por intensidade e frequência do campo magnético. Comparado com os campos magnéticos alternados e rotativos, o campo magnético pulsado pode ser aplicado intermitentemente à poça de fusão controlando a força e a frequência do campo magnético. No entanto, devido ao aquecimento rápido e às características do processo de resfriamento rápido do laser cladding, o tempo de existência da poça fundida é relativamente curto, portanto, há relativamente poucos estudos sobre laser cladding assistido por campo magnético pulsado. Conforme mostrado na figura, em comparação com as amostras preparadas sem auxílio de campo externo, os quatro tipos de campos magnéticos podem reduzir o número de trincas no revestimento, refinar os grãos e aumentar a dureza do revestimento. Entre eles, o revestimento a laser assistido por campo magnético pulsado tem o melhor efeito, mas o fenômeno da segregação de fase dura aparece no revestimento.
Um único campo elétrico é amplamente utilizado em soldagem e fundição, mas menos pesquisas são feitas no campo de revestimento a laser. Atualmente, existem duas formas principais de campo elétrico usadas em laser cladding: campo elétrico alternado e campo elétrico de pulso.
- Campo elétrico alternado: O efeito de eletromigração faz com que os íons no fundido se movam direcionalmente, e o efeito de aquecimento Joule da corrente mudará a temperatura do fundido, afetando assim o processo de solidificação da camada de revestimento. A corrente alternada pode promover o refinamento do grão e ao mesmo tempo aumentar a altura da região de grão fino na parte inferior do revestimento, o que ajuda a reduzir a formação de trincas. A introdução de corrente alternada formará uma força eletromagnética induzida com mudança contínua de direção na poça de fusão, que atuará como um efeito de agitação eletromagnética no metal líquido na poça de fusão, reduzirá o gradiente de temperatura na frente de solidificação e, assim, contribuirá para o refinamento dos grãos.
- Campo elétrico de pulso: A corrente de pulso tem as características de descontinuidade, variabilidade e periodicidade. A aplicação de corrente de pulso durante o processo de revestimento pode alterar a velocidade do fluxo de fusão e a força de cisalhamento formada na fusão pode quebrar os grãos formados, aumentar a taxa de nucleação e refinar os grãos.
3 Sistema de material de revestimento de revestimento a laser assistido por campo eletromagnético
Atualmente, a tecnologia de revestimento a laser assistida por campo eletromagnético tem sido aplicada na preparação de vários revestimentos de liga e revestimentos compostos. Para revestimentos de liga, o campo eletromagnético ajuda a melhorar a homogeneização dos componentes do revestimento e a distribuição das fases precipitadas. Para revestimentos compostos, o efeito de agitação eletromagnética do campo eletromagnético pode alterar as características de distribuição da fase de reforço na poça de fusão.
- Revestimento à base de ferro: Após a aplicação do campo eletromagnético, à medida que a intensidade do campo magnético aumenta, a rugosidade da superfície da camada de revestimento diminui, a estrutura é significativamente refinada e defeitos como poros e rachaduras são reduzidos; a dureza, resistência ao desgaste e resistência à corrosão do revestimento são melhoradas. Comparado com o revestimento preparado sem campo magnético, o valor de dureza do revestimento preparado com auxílio de campo magnético é mais estável ao longo da direção da profundidade.
- Revestimento à base de cobalto: O campo magnético de estado estacionário pode inibir a convecção da poça fundida e enriquecer a macrossegregação, e os elementos da matriz podem ser mais distribuídos no fundo da poça fundida, por isso é mais fácil obter um camada de revestimento com uma composição próxima à do pó de liga. O efeito magnetostrictivo gerado pelo campo magnético pode efetivamente reduzir o coeficiente de expansão térmica e o módulo elástico da camada de revestimento, reduzir o estresse térmico durante o processo de revestimento e, em seguida, reduzir a sensibilidade à trinca.
- Revestimento composto: O campo magnético constante não afeta a composição de fase do revestimento composto, mas tem um impacto significativo na microestrutura do revestimento e na distribuição da fase de reforço cerâmico. Certa força do campo magnético é propícia ao refinamento da estrutura, e a distribuição da fase de reforço cerâmico na estrutura é densa. A figura mostra a influência do campo eletromagnético composto combinado com o campo magnético de estado estacionário e o campo elétrico DC na distribuição e microestrutura das partículas de WC no revestimento composto In718/WC laser cladding. A força de Lorentz descendente gerada pelo campo eletromagnético pode aumentar a convecção de Marangoni na poça de fusão, o que contribui para a distribuição uniforme das partículas de WC no revestimento composto. A corrente contínua pode aumentar a taxa de nucleação de carbonetos eutéticos, e a convecção de Marangoni aprimorada pode quebrar dendritos colunares, refinando assim a estrutura.
4 Perspectivas
A tecnologia de revestimento a laser assistida por campo eletromagnético pode realizar o controle da microestrutura da camada de revestimento, promover o refinamento do grão, reduzir a segregação da composição, tornar a distribuição da fase de reforço mais uniforme e inibir o início de defeitos como furos e rachaduras. Portanto, revestimentos com excelentes propriedades podem ser preparados pela tecnologia de revestimento a laser assistida por campo eletromagnético. A tecnologia de revestimento a laser assistida por campo eletromagnético é uma inovação da tecnologia tradicional de processamento a laser. Ele pode não apenas promover a aplicação da teoria eletromagnética na tecnologia de processamento a laser, mas também promover o desenvolvimento da tecnologia de remanufatura a laser na superfície de peças de alto desempenho. Possui ampla pesquisa teórica e perspectivas de aplicação de engenharia.