Lasercladden is een technologie voor oppervlaktemodificatie waarbij een hoogenergetische laserstraal als warmtebron wordt gebruikt om een legeringscoating met speciale eigenschappen op een substraat aan te brengen. Het heeft de voordelen van een laag verdunningspercentage, een kleine door warmte beïnvloede zone, een hoge hechtsterkte met de ondergrond en weinig milieuvervuiling. Daarom wordt het veel gebruikt bij oppervlaktereparatie en versterking van belangrijke componenten zoals de automobielindustrie, de petrochemische industrie en mijnbouwmachines.
Lasercladdenis een complex metallurgisch proces waarbij natuurkunde, scheikunde en materialen betrokken zijn. De snelle verhitting en afschrikkende stollingseigenschappen veroorzaken vaak defecten zoals scheuren en poriën in de bekledingslaag. In eerdere studies hebben binnen- en buitenlandse wetenschappers voornamelijk de defecten van lasercladcoatings geëlimineerd of verminderd door middel van materiaalontwerp en procesparameteroptimalisatie. Voor coatings van zeer harde legeringen is het echter nog steeds moeilijk om structurele defecten te elimineren door het bestaande proces te wijzigen, waarbij moet worden overwogen de stollingsstructuur van de coating te beheersen door een extern veld aan te brengen, waardoor de kwaliteit van de coating wordt verbeterd. Als externe veldhulptechnologie heeft het elektromagnetische veld de voordelen van verschillende combinaties, goede beheersbaarheid en milieuvriendelijkheid. Het is toegepast bij het gieten, lassen, laserbewerking en andere gebieden. De elektromagnetische kracht die door het elektromagnetische veld wordt gegenereerd, wordt gebruikt om de smelt te roeren, wat een sterke convectie van het vloeibare metaal in de gesmolten plas kan veroorzaken, het temperatuurveld en de verdeling van opgeloste stoffen in de gesmolten plas kan homogeniseren en een rol kan spelen bij het verminderen van de mate van onderkoeling en verfijning van de stollingsstructuur.
1 Invloedsmechanisme van elektromagnetisch veld op lasercladproces
Het elektromagnetische veld is een contactloos extern veldhulpmiddel. Tijdens het laserbekledingsproces zal het elektromagnetische veld interageren met de metaalsmelt in het smeltbad om elektromagnetische kracht te genereren. De elektromagnetische kracht zal de convectiebeweging en het massa- en warmteoverdrachtsproces van de smelt veranderen en vervolgens het stollingsproces van de bekledingslaag beïnvloeden. De invloed van elektromagnetische velden op het bewegingsgedrag van smelt komt vooral tot uiting in verschillende aspecten, zoals het elektromagnetische roereffect, het elektromagnetische remeffect, het thermisch elektromagnetische vloeistofeffect, het elektromigratie-effect en het huideffect. De invloed van het elektromagnetische veld op het stollingsproces van de smelt wordt voornamelijk weerspiegeld in verschillende aspecten, zoals korrelfragmentatie, atoomgroepfluctuatie-effect en Joule-verwarmingseffect.
2 Effecten van verschillende vormen van elektromagnetische velden op de microstructuur en eigenschappen van lasercladcoatings
- Steady-state magnetisch veld: het stabiele magnetische veld helpt de oppervlakterimpeling van de coating te onderdrukken, het aantal scheuren te verminderen en de coatingstructuur te verfijnen. Het stabiele magnetische veld kan de stroomsnelheid in het smeltbad verminderen, maar heeft geen duidelijk effect op het temperatuurveld; wanneer de magnetische veldsterkte in stabiele toestand hoger is dan een bepaalde waarde, heeft dit een significant remmend effect op de oppervlakterimpelingen van de gesmolten laag.
- Instabiel magnetisch veld: het wisselende magnetische veld heeft weinig effect op de breedte en verdunningssnelheid van de bekledingslaag, terwijl de hoogte en contacthoek afnemen met de toename van de magnetische veldsterkte, en de oppervlaktevlakheid van de bekledingslaag wordt ook beïnvloed door de magnetische veldsterkte en frequentie. Vergeleken met de wisselende en roterende magnetische velden, kan het gepulseerde magnetische veld met tussenpozen worden toegepast op het smeltbad door de sterkte en frequentie van het magnetische veld te regelen. Vanwege de snelle verwarmings- en afkoelproceskenmerken van lasercladden, is de bestaanstijd van het smeltbad echter relatief kort, dus er zijn relatief weinig studies over gepulseerd magnetisch veld-ondersteund lasercladden. Zoals weergegeven in de figuur, kunnen de vier soorten magnetische velden, vergeleken met de monsters die zijn bereid zonder hulp van externe velden, het aantal scheuren in de coating verminderen, de korrels verfijnen en de hardheid van de coating verhogen. Onder hen heeft gepulseerd magnetisch veld-geassisteerde lasercladding het beste effect, maar het fenomeen van harde fase-segregatie verschijnt in de coating.
Een enkel elektrisch veld wordt veel gebruikt bij lassen en gieten, maar er wordt minder onderzoek gedaan op het gebied van lasercladden. Momenteel zijn er twee hoofdvormen van elektrisch veld die worden gebruikt bij lasercladden: wisselend elektrisch veld en pulserend elektrisch veld.
- Wisselend elektrisch veld: het elektromigratie-effect zorgt ervoor dat de ionen in de smelt in een richting bewegen, en het Joule-verwarmingseffect van de stroom zal de temperatuur van de smelt veranderen, waardoor het stollingsproces van de bekledingslaag wordt beïnvloed. Wisselstroom kan korrelverfijning bevorderen en tegelijkertijd de hoogte van het fijnkorrelige gebied aan de onderkant van de coating verhogen, wat helpt om scheurvorming te verminderen. De introductie van wisselstroom zal een geïnduceerde elektromagnetische kracht vormen met een continu veranderende richting in het smeltbad, die zal werken als een elektromagnetisch roereffect op het vloeibare metaal in het smeltbad, de temperatuurgradiënt aan het stolfront zal verminderen en zo zal bijdragen aan de verfijning van granen.
- Puls elektrisch veld: Pulsstroom heeft de kenmerken van discontinuïteit, variabiliteit en periodiciteit. Het toepassen van pulsstroom tijdens het bekledingsproces kan de stroomsnelheid van de smelt veranderen, en de afschuifkracht die in de smelt wordt gevormd, kan de gevormde korrels breken, de nucleatiesnelheid verhogen en de korrels verfijnen.
3 Elektromagnetisch veldondersteund laserbekledingssysteem voor coatingmateriaal
Op dit moment is lasercladtechnologie met behulp van elektromagnetische velden toegepast bij de bereiding van verschillende legeringscoatings en composietcoatings. Voor legeringscoatings helpt het elektromagnetische veld de homogenisatie van coatingcomponenten en de verdeling van geprecipiteerde fasen te verbeteren. Voor composietcoatings kan het elektromagnetische roereffect van het elektromagnetische veld de distributiekarakteristieken van de versterkingsfase in het smeltbad veranderen.
- Op ijzer gebaseerde coating: na het aanbrengen van het elektromagnetische veld, naarmate de magnetische veldsterkte toeneemt, neemt de oppervlakteruwheid van de bekledingslaag af, wordt de structuur aanzienlijk verfijnd en worden defecten zoals poriën en scheuren verminderd; de hardheid, slijtvastheid en corrosieweerstand van de coating worden verbeterd. Vergeleken met de coating die is vervaardigd zonder een magnetisch veld, is de hardheidswaarde van de coating die is vervaardigd met behulp van een magnetisch veld stabieler langs de diepterichting.
- Op kobalt gebaseerde coating: het magnetische veld in stabiele toestand kan de convectie van het smeltbad remmen en de macro-segregatie verrijken, en de matrixelementen kunnen meer worden verdeeld op de bodem van het smeltbad, dus het is gemakkelijker om een bekledingslaag met een samenstelling die dicht bij die van het legeringspoeder ligt. Het magnetostrictieve effect dat door het magnetische veld wordt gegenereerd, kan de thermische uitzettingscoëfficiënt en elasticiteitsmodulus van de bekledingslaag effectief verminderen, de thermische spanning tijdens het bekledingsproces verminderen en vervolgens de scheurgevoeligheid verminderen.
- Composietcoating: Het constante magnetische veld heeft geen invloed op de fasesamenstelling van de composietcoating, maar heeft een significante invloed op de microstructuur van de coating en de verdeling van de keramische versterkingsfase. Bepaalde magnetische veldsterkte is bevorderlijk voor de verfijning van de structuur en de verdeling van de keramische versterkingsfase in de structuur is dicht. De figuur toont de invloed van het elektromagnetische composietveld in combinatie met het stationaire magnetische veld en het DC elektrische veld op de verdeling en microstructuur van WC-deeltjes in de lasercladding In718/WC composietcoating. De neerwaartse Lorentz-kracht die wordt gegenereerd door het elektromagnetische veld kan de Marangoni-convectie in het smeltbad versterken, wat bijdraagt aan de uniforme verdeling van WC-deeltjes in de composietcoating. Gelijkstroom kan de nucleatiesnelheid van eutectische carbiden verhogen, en de verbeterde Marangoni-convectie kan kolomvormige dendrieten breken, waardoor de structuur wordt verfijnd.
4 Vooruitzichten
Elektromagnetische veldondersteunde laserbekledingstechnologie kan controle over de microstructuur van de bekledingslaag realiseren, korrelverfijning bevorderen, segregatie van de samenstelling verminderen, de verdeling van de versterkingsfase uniformer maken en het ontstaan van defecten zoals gaten en scheuren remmen. Daarom kunnen coatings met uitstekende eigenschappen worden bereid door middel van lasercladtechnologie met behulp van elektromagnetische velden. Elektromagnetische veldondersteunde lasercladtechnologie is een innovatie van traditionele laserverwerkingstechnologie. Het kan niet alleen de toepassing van elektromagnetische theorie in laserverwerkingstechnologie bevorderen, maar ook de ontwikkeling van laserrevisietechnologie op het oppervlak van hoogwaardige onderdelen bevorderen. Het heeft brede theoretische onderzoeks- en technische toepassingsmogelijkheden.