الكسوة بالليزر للطلاء الفائق القائم على CO: دراسة مقارنة بين ND: YAG Laser و ‘Bre Laser

1 المقدمة

أصبحت الكسوة السطحية بالليزر عن طريق حقن المسحوق تقنية بديلة للطرق التقليدية لإنتاج الطلاء عالي الجودة والربط المعدني على ركائز معدنية مع حمل حراري منخفض في قطعة العمل [1]. عادةً ما يكون الهدف الرئيسي من الكسوة بالليزر هو تعديل أداء سطح الركيزة تحسين الخواص المختلفة [2]: الميكانيكية (الصلابة ، مقاومة التعب ، ومقاومة التآكل) [3] ، مقاومة التآكل [4] ، التوافق الحيوي [5] ، إلخ.

في هذه التقنية ، يتم استخدام الطاقة التي يوفرها الليزر لإذابة طبقة رقيقة من الركيزة بينما يمكن أن تكون جزيئات المسحوق من قبل التفاعل مع شعاع الليزر أو/عند الوصول إلى تجمع الذوبان المكون على الركيزة. تتيح حركة نسبية بين الركيزة والليزر/طائرة مسحوق تشكيل مسار مُساط ، في حين أن تداخل هذه المسارات يعطي تغطية كبيرة للمساحة [6]. تم اختبار مجموعة واسعة من مواد طلاء السلائف: من Superalloys [7] إلى السيراميك المتقدم [8].

تتوفر العديد من مصادر الليزر للأغراض الصناعية: CO2 ، ND: YAG ، ثنائيات الليزر عالية الطاقة ومصادر ليزر عالية السطوع في الآونة الأخيرة مثل القرص أو ليزر. يفتح توافر مصادر الليزر الجديدة عالية السطوع بعض الأسئلة حول فائدتها. لذلك يمكننا أن نتساءل عن أنفسنا: هل نحتاج إلى مصادر عالية السطوع لكسد الليزر؟ هل هناك أي فائدة لاستخدام مصدر سطوع عالي لتكتل الليزر؟ حسنًا ، الهدف من هذه الورقة هو محاولة الإجابة على هذه الأسئلة. لهذا الغرض ، اخترنا ND: YAG و laser ليزر لإجراء تجارب CAM التي كانت جميع الظروف التجريبية هي نفسها (بما في ذلك نفس الإعداد التجريبي) باستثناء مصدر الليزر.

2. الإعداد التجريبي

2.1. materials

تم استخدام ألواح مسطحة من الفولاذ المقاوم للصدأ AISI 304 (50 × 50 مم 2) 10 مم كركائز. من أجل تحديد السمات الهندسية للمسارات المغطاة تمامًا ، تُظهر جميع اللوحات عبارة عن صقل مصقول (RAB 0.5 ميكرون). تم استخدام مسحوق Superalloy المستند إلى CO (ORIC ؛ فرنسا) (متوسط ​​حجم الجسيمات 90 ميكرون وكثافة الصنبور 4.6 جم/سم 3) كمواد طلاء السلائف. يتم جمع التركيبات الكيميائية للركيزة والمادة السلائف في الجدول 1.

2.2.Methods

2.2.1.laser Systems

تم تطبيق تقنية نفخ المسحوق الجانبي للحصول على الطلاء بواسطة الكسوة السطحية بالليزر. يضخ الفوهة خارج المحور دفق المسحوق في منطقة التفاعل بين شعاع الليزر والركيزة ، والتي يتم تحريكها بواسطة مرحلة مزودة بمحركات من أجل توليد مسار الكسوة.

تم استخدام مصدرين مختلفين للليزر: كان مصدر الليزر الأول عبارة عن مجموعة من نوع RSY500P المُضاءة المصباح بمصباح ND: YAG بأقصى قدر من 500 واط ، λ = 1064 نانومتر. تم توجيهه من خلال القطر الأساسي 600 ميكرومتر وتواصل مع محطة العمل من خلال التوسع والبصريات المتوازنة. كان مصدر الليزر الثاني هو ليزر مونومود عالي السطوع ytterbium doped bre bre (SPI SP-200) ، حيث يقدم أقصى قدر من 200 واط ويعمل في λ = 1075 نانومتر. وبالمثل ، تم توجيهه إلى محطة العمل عن طريق سلبي (القطر الأساسي 50 ميكرون) ، تم توسيعه وتوليفه من خلال عدسة موازية.

من أجل قياس جودة كل من عوارض الليزر ، تم استخدام محلل spiricon (LBA-300PC). يوضح الشكل 1 مثالاً على التحليل الذي تم إجراؤه لكلا الليزر بعد التوسع والبصريات المتوافقة. القيمة المقاسة لعامل M2 هي M2 = 10 للليزر ND: YAG و M2 = 1.8 للليزر. في جميع التجارب ، تم تركيز شعاع الليزر على سطح الركيزة بالضبط باستخدام نفس البصريات التركيز: مضاعفة مزدوجة من 80 مم ، الحصول على قطر بقعة 250 ميكرومتر في حالة ND: YAG و 40 ميكرومتر تم استخدام ليزر bre. كانت الطاقة البصرية المتوسطة تتنوع بين 40 و 100 واط أثناء التجريب.

2.2.2. Precursor مسحوق التغذية

تم حقن مسحوق السلائف في منطقة التفاعل عن طريق مجرى نقل الأرجون وحقن غاز سيليد إلى جانب النطاط. يتألف توافق الحاقن الصلب الغاز في فوهة محورية والقادوس العمودي على الجانب [2]. تم الحفاظ على قيمة 20 ملغ/ثانية ثابتة للكتلة مع حجمي الغاز ow ow من 2.7 لتر/دقيقة ؛ قدم تيار المسحوق حوالي 1 مم في منطقة التفاعل.

2.2.3. توليد التسمية وتحديد المواقع

خلال التجربة ، تم الحفاظ على رأس العمل بما في ذلك البصريات المركزة ونظام حقن المسحوق الهوائي غير متحرك. تم نقل الركيزة عن طريق مرحلة الترجمة المحرك XY نموذج PI Model M-531.pd. تم إنتاج مسارات الكسوة التي يبلغ طولها 45 مم تختلف سرعة المسح من 0.5 إلى 10.0 مم/ثانية.

2.3. توصيف العينة

كانت مسارات الكسوة التي تم الحصول عليها هندسيًا تتميز بمجهر مجسم مجسم مجهز بمركز مرحلة XY بدقة 1 ميكرون (Nikon SMZ10-A). تم تضمين العينات في راتنج الأكريليك الأكري لتنفيذ ملاحظات المقطع العرضي. تم قطعها وبعد ذلك مصقول بسلسلة من أوراق SIC الكاشطة تصل إلى الصف 1200 ، تليها معجون الماس يصل إلى 0.1 ميكرون. بعد ذلك ، كانت العينات مغلفة بالكربون وفحصها بواسطة SEM. تم قياس صلابة ومعامل يونغ عن طريق الترتيب النانوي لتطبيق حمولة أقصى قدرها 200 مليون مع ثلاثة من جانب الهرم الهرم بيركوفيتش. تم استخدام تقنية قياس الصلابة المستمرة في معدات MTS NanoindEnter XP.

3. النتائج والمناقشة

تم إجراء تحليل مفصل ومنهجي لمسارات الكسوة التي تنتجها المصدرين بالليزر. كما هو مبين في الشكل 2 ، لوحظ أن العرض يعتمد بشكل رئيسي على قوة شعاع الليزر. هذا السلوك في اتفاق جيد مع الأعمال السابقة [9]. بقعة شعاع الليزر على سطح الركيزة هو العامل المحدد للنمو الجانبي للمسار المغطى ؛ وبهذا المعنى ، لوحظ بوضوح إمكانية التركيز بشكل أفضل للليزر ، مما يؤدي إلى مسارات ضيقة إلى حد كبير. تشبه زيادة العرض الناتجة عن زيادة الطاقة في كل من مصادر الليزر ، في حين يبدو أن تأثير زيادة سرعة المعالجة بمثابة انخفاض طفيف للغاية لعرض Clad (انظر الشكل 2.B).

يُظهر ارتفاع المغطى انخفاضًا عند قيام سرعة المسح في كل من مصادر الليزر. على تجارب الكسوة بالليزر الجانبية لدينا ، يركز الليزر على سطح الركيزة ويتم حقن المسحوق من الجانب. لذلك ، لا تتعرض الجسيمات للإشعاع بالليزر وقتًا كافيًا للذوبان قبل أن تؤثر على تجمع المنصهر ، وبالتالي فإن الجزيئات تذوب بشكل رئيسي عن طريق التفاعل مع تجمع المصقول الركيزة. من وجهة نظر الركيزة ، تعتمد الطاقة المتوفرة لكل وحدة طول على متوسط ​​الطاقة ، وحجم البقعة ، وسرعة المسح. يمكن تقديره بمعلمة كثافة الطاقة (P/VD ، حيث P: متوسط ​​الطاقة ، V: سرعة المسح و D: قطر بقعة) [1]. نظرًا لأن سرعة المسح تزيد من طاقة أقل لكل وحدة طولها تساهم في تكوين حمام السباحة المنصهر. يتم رسم سلوك الارتفاع المغطى كدالة لكثافة الطاقة في الشكل 3. تم الحصول على سلوك مماثل مع كلا النوعين من الليزر.

بالإضافة إلى ذلك ، يتم تعديل كمية جزيئات مادة السلائف المتوفرة لكل وحدة طولها بسرعة المسح وحجم البقعة ، على افتراض أن بقعة شعاع الليزر مغطاة بالكامل بقطر تيار المسحوق. يمكن اعتبار كمية الجسيمات التي تصل إلى تجمع المنصهر متناسبًا مع الكتلة والحجم الفوري ، وتتناسب عكسيا مع سرعة المسح الضوئي (المعلمة M · D/V ، حيث M: MCAL ow) [9]. وبالتالي ، فإن زيادة سرعة المسح لها تأثير مزدوج مما يقلل من كثافة الطاقة وأيضًا كمية الجسيمات التي يتم صيدها بواسطة المسبح المنصهر ، والتي تتم تنظيمها عن طريق تقليل ارتفاع الغطاء. بالنسبة إلى ND: YAG Laser ، فقد تم العثور على ارتباط مرضي (ص = 0.98) من ارتفاع CLAD مع المعلمة المشتركة (P - P0)/V2 ، حيث P0 = 31 W ، (انظر الشكل 4). تم تحديد قيمة P0 بشكل تجريبي ، ويمكن أن تكون مرتبطة مع الحد الأدنى للطاقة اللازمة لإنتاج ترسب ملموس للمادة. بالنسبة للمسارات التي ينتجها الليزر ، تم العثور على ارتباط (r = 0.95) من ارتفاع يرتدون ملابس الليزر مع عكس سرعة المعالجة (انظر الشكل 5). يمكن تفسير هذا السلوك من خلال سطوع الحزمة العالي وقيم كثافة الطاقة المرتفعة المرتبطة بها. تؤدي الطاقة العالية التي تركز على المسبح المنصهر إلى نسبة أعلى من الجزيئات التي تم صيدها/المؤقتة. في هذه الحالة ، يكون لأشكال المتوسطة المتوسطة أهمية أقل ، كما أن مقدار الجزيئات القادمة لها تأثير كبير على حجم المادة المنصهرة وارتفاع الملبس الناتج.

يتم رسم الجانب - الجوانب (عرض/ارتفاع) للمسارات مقابل سرعة المعالجة في الشكل 6. يمكن أن نرى بوضوح أن عرض/ارتفاع ND: ياج مسارات YAG يتقدم بشكل حاد ، على عكس تلك التي تم الحصول عليها بواسطة ليزر. كنتيجة لعرض العهد والاعتماد على الارتفاع على معلمات المعالجة التي تمت مناقشتها مسبقًا ، تتناسب نسبة الجوانب التي تتناسب مع نتائج مسار الليزر ND: YAG مع مربع سرعة المعالجة ؛ بينما في حالة تلك التي تم الحصول عليها عن طريق الليزر ، فإن نسبة الجانب تتناسب مع سرعة المعالجة وتنمو أبطأ مع معلمة المعالجة هذه.

عند سرعة المعالجة المحددة ، يكون نسبة الجوانب للمسارات الناتجة عن ليزر ND: YAG أعلى بكثير من المسارات التي تم إنشاؤها بواسطة ليزر ". عند العمل مع الليزر ، هناك حاجة إلى سرعة المسح المرتفعة للحصول على قيم راتية مناسبة لإنتاج الطلاء عن طريق تداخل المسار [6]. لنفس سرعة المعالجة ، تكون كثافة الطاقة (P/VD) للإشعاع ND: YAG أقل بسبب بقعة أوسع من تلك التي تم الحصول عليها بواسطة إشعاع. كما هو معروف ، هذه الحقيقة هي نتيجة لجودة شعاع أفضل للليزر. سوف تسمح كثافة الطاقة العالية بالقبض على المزيد من الجزيئات من تيار المسحوق. علاوة على ذلك ، يركز القطر الموضعي المنخفض لليزر على الطاقة في منطقة أصغر ، وتجنب انتشار المسبح المنصهر بشكل مستعرض إلى اتجاه المسح. تتمثل نتيجة مسحوق السلائف المنصهر في منطقة أصغر في النمو السريع لارتفاع مركبة مسارات الليزر. هذه الحقيقة موضحة جيدًا في الشكل 7 والتي تُظهر صور SEM المقطع العرضي للمسارات المغطاة التي تنتجها كلا النوعين من الليزر في ظل ظروف مماثلة.

فيما يتعلق بتخفيف المسارات المودعة ، تم حساب التخفيف الهندسي المقاس (تم حساب التخفيف الهندسي وفقًا للصيغة التالية geom. dilut. = H2/(H+ H2) ، حيث H: ارتفاع المغطى و H2: عمق اختراق Clad ، انظر المرجع. ]) تم رسمها كدالة لسرعة المسح (انظر الشكلين 8 و 9). يظهر التخفيف الهندسي الذي تم الحصول عليه من كلا المصادر بالليزر اتجاهًا مشابهًا ، ويستجيب للسلوك المشترك لارتفاع الالتزام والاختراق الشكل 10. الصلابة يعني القيم وفقًا للعمق لـ ND: YAG و ‘Bre (Power Laser 95 W ، الطاقة الكثافة 165 ي/مم 2). العمق. بالنسبة إلى ND: YAG Laser ، لوحظ الاعتماد اللوغاريتمي لسرعة الغناء ، بينما تم العثور على الليزر بشكل أفضل مع المعلمة المشتركة الكهروضوئية. تؤدي معظم الظروف التي تم اختبارها إلى قيم تخفيف هندسية عالية بسبب قطر البقعة المنخفض وكثافة الطاقة المرتفعة.

تم العثور على صلابة تقل قليلاً عند زيادة العمق داخل المقطع العرضي للمقطوعة (انظر الشكل 10) ؛ يتوافق هذا السلوك بشكل جيد مع وجود عناصر الركيزة العالية المخففة في مادة الكسوة مع الاقتراب من الواجهة. تقدم المنطقة أسفل الواجهة قيم الصلابة إلى حد ما من الركيزة كما تم استلامها. يتشابه سلوك الصلابة عبر المقطع العرضي لكلا مصادر الليزر ؛ متوسط ​​قيم الصلابة التي تم الحصول عليها مع الليزر pre متفوق قليلاً عند الوصول إلى عمق معين بسبب تغلغل الليزر الأعلى على الركيزة. كان متوسط ​​القيم لمعامل Young 250 GPA للمسارات التي تم الحصول عليها باستخدام ND: YAG Laser و 290 GPA لتلك التي تم الحصول عليها باستخدام الليزر.

4 - نتائج

كشفت الكسوة بالليزر بمساعدة ليزر "ليزر" عن نافذة معالجة أوسع من حيث نطاق السرعة بالمقارنة مع ليزر ND: YAG التقليدي. المسارات المغطاة التي تم الحصول عليها تحت نفس ظروف المعالجة أكثر سمكا وأضيق من تلك التي تنتجها ND: YAG ليزر. ومع ذلك ، فإن التخفيف وعمق الاختراق في الركيزة أعلى أيضا. تعزى هذه الحقيقة إلى جودة شعاع أفضل لحزمة الليزر. تم الحصول على قيم صلابة مماثلة للمسارات التي ينتجها كلا النوعين من الليزر.

لذلك ، في نطاق المعلمات التي تمت دراستها في هذا العمل ، يمكن أن نستنتج أن ليزر السطوع العالي يوصى به فقط عندما تكون المسارات الضيقة جدًا مطلوبة ولكن ليس للمسارات العريضة العادية المستخدمة في الطلاءات الكبيرة.

شكر وتقدير

تم تحديد هذا العمل جزئيًا من قبل الحكومة الإسبانية ، (Cicyt MAT2006-10481 و DEX-560410-2008-169 وبرنامج FPU AP2006-03500) و Xunta de de Galicia (PGIDIT06TMT00501CT ، PGIDIT06PXIA3086IFENCENTER مساعدة من الموظفين التقنيين في Cacti (جامعة VIGO) معترف بها بامتنان.