Causas e efeitos da redução da tenacidade do revestimento de revestimento a laser
1. Razões para a diminuição da tenacidade da camada de revestimento
(1). Estresse
Devido à grande diferença no coeficiente de expansão térmica entre o material de revestimento e a matriz, é fácil produzir tensões internas durante o revestimento. O processo de revestimento é um processo de rápida fusão e rápida solidificação. Neste processo, haverá uma diferença de gradiente de temperatura, e várias tensões serão geradas, como tensão de tração térmica causada pela contração desigual da camada de revestimento devido ao diferente gradiente de temperatura e coeficiente de expansão térmica do material, e estresse organizacional causado pela transição de fase do metal no processo de resfriamento. E a tensão de restrição causada pela extrusão da parte não contraída quando a camada de revestimento encolhe devido à diferença de gradiente de temperatura. A tensão interna inclui tensão térmica, tensão estrutural e tensão de restrição, e a tensão térmica é a tensão principal. No processo de revestimento a laser, a tenacidade à fratura é muito menor que a força de tração térmica gerada, que é a principal causa da produção de trincas. As fissuras se formam quando a tensão térmica excede o limite de resistência do material.
Os resultados mostram que a distribuição não uniforme de boretos e carbonetos de cromo de alto volume no revestimento a laser de carboneto de silício à base de níquel, resultando em estresse térmico excessivo, é a principal razão para a trinca. No processo de revestimento a laser, os compostos frágeis são fáceis de formar no limite do grão, e o coeficiente de expansão térmica desses compostos frágeis e da camada de revestimento é muito diferente, o que leva à concentração de tensão no limite do grão, e a fissuração é fácil de resultar da redução da tenacidade.
(2). Defeitos no processo de revestimento
Pequenos defeitos como poros e microfissuras também ocorrerão durante o processo de revestimento. A existência de poros pode ser causada pela dissociação e gaseificação de uma substância no material causada pelo laser de alta energia. Outra possibilidade é que o gás inerte seja necessário como gás protetor no processo de revestimento a laser, e o gás protetor estará envolvido na poça fundida. O gás é deixado na piscina de condensado tarde demais para ser descarregado e formar poros. No processo de condensação rápida, a existência de poros causará microfissuras. Se os componentes como a desoxigenação e a produção de escória no pó de revestimento não puderem flutuar com o tempo, eles serão preservados no revestimento de revestimento. Estas inclusões também aumentarão a possibilidade de fissuras no revestimento e reduzirão a resistência estrutural e a tenacidade da camada de revestimento. Ao mesmo tempo, a existência de poros também ajuda na iniciação e expansão de fissuras. Os poros soltam a camada de revestimento e é fácil produzir concentração de tensão ao redor dos poros, o que aumenta a sensibilidade das trincas na camada de revestimento.
2. Fatores que influenciam a tenacidade da camada de revestimento
A resistência à fratura da camada de revestimento a laser é afetada por muitos fatores, incluindo a escolha do material de revestimento, a potência do laser, a taxa de alimentação do pó e a temperatura da matriz de revestimento. A principal causa da fissuração do revestimento é o estresse interno causado pela diferença de propriedades físicas entre a camada de revestimento e o substrato. Quando o material em pó de revestimento e o material de substrato com propriedades físicas semelhantes são selecionados, a fusão e a solidificação dos dois materiais são quase sincronizadas, o que pode efetivamente reduzir a possibilidade de rachaduras da camada de revestimento e melhorar a tenacidade do revestimento. Os parâmetros do processo de revestimento a laser também influenciam diretamente na geração de trincas. Com o aumento da potência do laser, as rachaduras do revestimento primeiro aumentam e depois diminuem, e a taxa de varredura do laser e a taxa de alimentação do pó também têm efeitos semelhantes. O tratamento de pré-aquecimento do substrato antes do revestimento pode reduzir significativamente o gradiente de temperatura entre a poça fundida e o substrato e melhorar a distribuição de tensões da camada de revestimento.
Métodos para aumentar a tenacidade dos revestimentos
1. Otimização da composição do pó de revestimento
O revestimento a laser consiste em derreter o pó e a matriz para formar um revestimento metalúrgico, o desempenho do revestimento e a seleção e tratamento do pó são muito importantes. A tenacidade do revestimento de liga amorfa à base de Fe é relativamente baixa e é muito fácil produzir rachaduras no processo de preparação ou no uso real devido à tensão definida na zona de cisalhamento interna. As bordas continuam a se expandir até que ocorra uma fratura frágil, mas a estrutura especial do arranjo atômico desordenado e a ausência de limite cristalino fazem com que os cristais amorfos à base de ferro tenham excelente resistência ao desgaste e à corrosão. A zona de cisalhamento interna da liga amorfa é fácil de causar concentração de tensão, onde microfissuras são facilmente formadas, e a expansão das microfissuras pode produzir trincas de fratura. O revestimento com alta dureza e tenacidade foi obtido por teste de revestimento a laser na superfície de chapa de aço após mistura de nanotubos de carbono revestidos de níquel com pó amorfo à base de ferro por moagem de bolas. Verificou-se que a estrutura composta nanocristalina amorfa com boa tenacidade foi formada no revestimento após a adição de nanotubos de carbono revestidos com níquel. Enquanto isso, o revestimento de níquel e o fresamento de bolas podem efetivamente evitar a formação de carbonetos frágeis no processo de revestimento a laser, de modo a garantir que o revestimento tenha boa resistência à fratura.
A adição de uma quantidade apropriada de elementos de terras raras pode melhorar a taxa de absorção do pó ao feixe de laser de alta energia, fazer com que o pó de revestimento derreta de maneira uniforme e completa, formar melhor uma ligação metalúrgica com a matriz, reduzir a probabilidade de porosidade, e pode ser usado para homogeneizar, solução sólida forte e forte tenacidade do revestimento de metal duro.
2. Camada de transição adicional
Usar pó com boa tenacidade e boa correspondência com as propriedades físicas da matriz como camada inferior, ou seja, definir tal camada de transição ou camada gradiente no meio da matriz e a camada de revestimento pode reduzir a tensão interna entre a camada de revestimento com alta dureza e matriz, além de reduzir as trincas causadas por tensões excessivas. A zona de transição intermediária pode aliviar a tensão residual causada pelos diferentes coeficientes de expansão térmica entre o substrato e a camada de revestimento, aumentando assim a tenacidade do revestimento e evitando a fissuração do revestimento. Uma camada de revestimento Ni20Cr é depositada na superfície do aço da matriz como camada base e, em seguida, duas camadas de revestimento Ni60A são continuamente depositadas no revestimento Ni20Cr. Os resultados mostram que a adoção do revestimento Ni20Cr como camada base pode efetivamente melhorar a ligação metalúrgica entre o revestimento e o substrato. Reduz bastante rachaduras, poros e outros defeitos no revestimento.
3. Otimização dos parâmetros do processo
No processo de revestimento a laser, a potência do feixe de laser P, a taxa de varredura V, o diâmetro do ponto D, etc. têm efeitos importantes na qualidade da camada de revestimento. A taxa de liberação diluída é a modalidade da massa de revestimento, e a taxa de liberação diluída é afetada pela energia específica E.
Os resultados mostram que energia específica E muito grande ou muito pequena não conduz à obtenção do revestimento com excelente desempenho. Se E for muito baixo, a taxa de diluição do revestimento será correspondentemente baixa, a matriz e a camada de revestimento não poderão obter uma boa ligação metalúrgica e a superfície da camada de revestimento também estará sujeita a rachaduras por porosidade e outros defeitos. Se a energia específica E for muito alta, a taxa de diluição aumentará proporcionalmente, e os metais na poça fundida serão totalmente misturados, e as excelentes propriedades do pó de revestimento não poderão ser exercidas. Verifica-se que a velocidade de varredura a laser é muito rápida, resultando na formação irregular da camada de revestimento, a velocidade de varredura é muito lenta, formará uma estrutura cristalina maior, a velocidade de varredura apropriada pode obter uma camada de revestimento relativamente densa e melhor tenacidade.
3. Tratamento térmico
(1)Pré-aquecimento e pós-tratamento térmico
O tratamento térmico do revestimento a laser consiste basicamente em ordenar a fase e homogeneizar os elementos do revestimento. O pré-aquecimento adequado do substrato pode efetivamente reduzir o gradiente de temperatura no revestimento, reduzir o estresse térmico e melhorar a tenacidade do revestimento. Os resultados mostram que o pré-aquecimento adequado da matriz pode reduzir significativamente a taxa de resfriamento da camada de revestimento, reduzir a tensão residual e inibir a geração de trincas. Conforme mostrado na figura abaixo, podem ser observadas rachaduras quando a matriz não é pré-aquecida (a seta indica), mas nenhuma rachadura óbvia pode ser vista quando a matriz é pré-aquecida a 200 graus.
A fim de melhorar a tenacidade da camada de revestimento e reduzir a tendência de fissuração do revestimento, o método da matriz pré-aquecida é relativamente simples e às vezes não consegue atingir o efeito esperado. Verifica-se que o pré-aquecimento e a preservação do calor podem reduzir significativamente a taxa de resfriamento da poça fundida, melhorando assim a distribuição da temperatura da poça fundida, reduzindo a fase dura eutética intercristalina, aumentando a fase dúctil no processo de fusão, o que torna a tenacidade de a camada de revestimento aumentou e a tensão térmica residual diminuiu, e as fissuras diminuíram ou até desapareceram. O tratamento térmico do pó pode melhorar a capacidade de ligação do pó e da fase reforçada, e também melhorar a dureza e tenacidade do revestimento de revestimento. O tratamento térmico do revestimento obtido pode homogeneizar o revestimento, reduzir significativamente a densidade do defeito do revestimento, liberar a tensão residual do revestimento e melhorar a resistência e tenacidade do revestimento. O tratamento pós-térmico pode melhorar a resistência à tração e à fissuração do revestimento e a taxa de alongamento, a resistência ao escoamento e a resistência à tração final da camada de revestimento.
O pré-aquecimento e o tratamento pós-térmico podem reduzir significativamente o gradiente de temperatura da poça fundida, aumentar a tenacidade e inibir a geração de rachaduras, mas o processo de pré-aquecimento e pós-tratamento térmico produzirá temperatura muito alta, o que é fácil de afetar a distribuição de tensão interna de peças de paredes finas e pode levar à deformação da peça. Portanto, o pré-aquecimento e o pós-tratamento térmico são limitados no fortalecimento ou reparo de peças de precisão com paredes finas.
(2)Refusão a laser
Uma ou mais refusão a laser imediatamente após o revestimento a laser podem eliminar defeitos superficiais do revestimento e melhorar a tenacidade do revestimento. O revestimento compósito Ni60/50%WC sem trinca foi obtido por revestimento a laser + tratamento de refusão na superfície do aço 45. Verifica-se que a refusão a laser tem as funções de exaustão de escória secundária, cura de fissuras, melhoria da rugosidade superficial e melhoria da não uniformidade e compactação da estrutura do revestimento. O revestimento amorfo à base de Fe é preparado por três métodos de varredura a laser, ou seja, a primeira varredura a laser aquece a matriz, o segundo revestimento a laser forma o revestimento amorfo e, em seguida, a terceira refusão a laser do revestimento amorfo obtém o revestimento sem trincas . A refusão a laser basicamente elimina os defeitos do revestimento e melhora muito o módulo de elasticidade e a tenacidade do revestimento.
Xi'an Guosheng Laser Technology Co., Ltd. é uma empresa de alta tecnologia especializada em P&D, fabricação e vendas de máquina automática de revestimento a laser, máquina de revestimento a laser de alta velocidade, máquina de têmpera a laser, máquina de solda a laser e equipamento de impressão 3D a laser. Nossos produtos são econômicos e vendidos no mercado interno e no exterior. Se você estiver interessado em nossos produtos, entre em contato conosco em bob@gshenglaser.com.