Лазерне плакування — це технологія модифікації поверхні, яка використовує лазерний промінь високої енергії як джерело тепла для нанесення покриття зі сплаву зі спеціальними властивостями на підкладку. Він має такі переваги, як низька швидкість розведення, невелика зона термічного впливу, висока міцність зв’язку з основою та незначне забруднення навколишнього середовища. Тому він широко використовується для поверхневого ремонту та зміцнення ключових компонентів, таких як автомобілебудування, нафтохімічна промисловість та гірниче обладнання.
Лазерне облицюванняце складний металургійний процес, що включає фізику, хімію та матеріали. Характеристики його швидкого нагрівання та загартування затвердіння часто викликають такі дефекти, як тріщини та пори в шарі облицювання. У попередніх дослідженнях вітчизняні та зарубіжні вчені в основному усували або зменшували дефекти покриттів лазерної оболонки за допомогою дизайну матеріалу та оптимізації параметрів процесу. Однак для покриттів з високотвердих сплавів все ще важко усунути структурні дефекти шляхом зміни існуючого процесу, що вимагає розгляду контролю структури затвердіння покриття шляхом застосування зовнішнього поля, тим самим покращуючи якість покриття. Як допоміжна технологія зовнішнього поля, електромагнітне поле має переваги різних комбінацій, хорошу керованість і екологічність. Він застосовувався в лиття, зварювання, лазерної обробки та інших областях. Електромагнітна сила, створювана електромагнітним полем, використовується для перемішування розплаву, що може спричинити сильну конвекцію рідкого металу в розплавленому басейні, гомогенізувати температурне поле та розподіл розчиненої речовини в розплавленому басейні та зіграти роль у зниженні ступеня переохолодження та уточнення структури затвердіння.
1 Механізм впливу електромагнітного поля на процес лазерного наплавлення
Електромагнітне поле є безконтактним допоміжним засобом зовнішнього поля. Під час процесу лазерного наплавлення електромагнітне поле взаємодітиме з розплавом металу в розплавленому басейні, створюючи електромагнітну силу. Електромагнітна сила змінить конвективний рух і процес масообміну та теплообміну розплаву, а потім вплине на процес затвердіння шару оболонки. Вплив електромагнітного поля на поведінку руху розплаву в основному відображається в кількох аспектах, таких як ефект електромагнітного перемішування, ефект електромагнітного гальмування, ефект теплової електромагнітної рідини, ефект електроміграції та ефект шкіри. Вплив електромагнітного поля на процес затвердіння розплаву в основному відображається в кількох аспектах, таких як фрагментація зерна, ефект флуктуації атомної групи та ефект нагрівання Джоуля.
2 Вплив різних форм електромагнітного поля на мікроструктуру та властивості лазерних наплавлених покриттів
- Стабільне магнітне поле: Стабільне магнітне поле допомагає придушити поверхневу хвилястість покриття, зменшити кількість тріщин і покращити структуру покриття. Стаціонарне магнітне поле може зменшити швидкість потоку всередині басейну розплаву, але воно не має явного впливу на температурне поле; коли стабільна напруженість магнітного поля вища за певне значення, вона має значний гальмівний вплив на хвилі поверхні розплавленого шару.
- Непостійне магнітне поле: змінне магнітне поле мало впливає на ширину та швидкість розрідження шару облицювання, тоді як його висота та контактний кут зменшуються зі збільшенням напруженості магнітного поля, а на площинність поверхні шару облицювання також впливає напруженість і частоту магнітного поля. У порівнянні зі змінним і обертовим магнітними полями, імпульсне магнітне поле можна періодично прикладати до розплавленої ванни шляхом контролю сили та частоти магнітного поля. Однак через характеристики процесу швидкого нагрівання та швидкого охолодження лазерної оболонки час існування розплавленої ванни є відносно коротким, тому існує порівняно небагато досліджень лазерної оболонки за допомогою імпульсного магнітного поля. Як показано на малюнку, порівняно зі зразками, отриманими без допомоги зовнішнього поля, чотири типи магнітних полів можуть зменшити кількість тріщин у покритті, подрібнити зерна та підвищити твердість покриття. Серед них найкращий ефект має лазерне наплавлення за допомогою імпульсного магнітного поля, але в покритті виникає явище сегрегації жорсткої фази.
Єдине електричне поле широко використовується при зварюванні та литті, але менше досліджень проводиться в області лазерного наплавлення. В даний час існують дві основні форми електричного поля, що використовуються в лазерному наплавленні: змінне електричне поле та імпульсне електричне поле.
- Змінне електричне поле: Ефект електроміграції змушує іони в розплаві рухатися спрямовано, а ефект нагріву Джоуля від струму змінює температуру розплаву, тим самим впливаючи на процес затвердіння шару оболонки. Змінний струм може сприяти подрібненню зерна і водночас збільшити висоту дрібнозернистої області в нижній частині покриття, що допомагає зменшити утворення тріщин. Введення змінного струму сформує індуковану електромагнітну силу з безперервним змінним напрямком у розплавленій ванні, яка буде діяти як електромагнітне перемішування рідкого металу в розплавленій ванні, зменшувати температурний градієнт на фронті затвердіння, і таким чином сприяти подрібнення зерен.
- Імпульсне електричне поле: Імпульсний струм має характеристики переривчастості, мінливості та періодичності. Застосування імпульсного струму під час процесу плакування може змінити швидкість потоку розплаву, а сила зсуву, що утворюється в розплаві, може розбити сформовані зерна, збільшити швидкість зародження та подрібнити зерна.
3 Система нанесення покриттів із застосуванням лазерного електромагнітного поля
В даний час технологія лазерного наплавлення з використанням електромагнітного поля застосована при виготовленні різних сплавів і композитних покриттів. Для покриттів зі сплавів електромагнітне поле сприяє покращенню гомогенізації компонентів покриття та розподілу виділених фаз. Для композитних покриттів ефект електромагнітного перемішування електромагнітного поля може змінити характеристики розподілу зміцнюючої фази в розплавленій ванні.
- Покриття на основі заліза: після застосування електромагнітного поля зі збільшенням напруженості магнітного поля шорсткість поверхні шару облицювання зменшується, структура значно вдосконалюється, а дефекти, такі як пори та тріщини, зменшуються; підвищується твердість, зносостійкість і корозійна стійкість покриття. Порівняно з покриттям, отриманим без магнітного поля, значення твердості покриття, отриманого за допомогою магнітного поля, більш стабільне вздовж напрямку глибини.
- Покриття на основі кобальту: постійне магнітне поле може перешкоджати конвекції басейну розплаву та збагачувати макросегрегацію, а елементи матриці можуть бути більш розподілені на дні басейну розплаву, тому легше отримати плакувальний шар зі складом, близьким до складу порошку сплаву. Магнітострикційний ефект, створюваний магнітним полем, може ефективно зменшити коефіцієнт теплового розширення та модуль пружності шару облицювання, зменшити термічне напруження під час процесу облицювання, а потім зменшити чутливість до тріщин.
- Композитне покриття: Постійне магнітне поле не впливає на фазовий склад композитного покриття, але має значний вплив на мікроструктуру покриття та розподіл фази керамічного зміцнення. Певна напруженість магнітного поля сприяє уточненню структури, а розподіл фази керамічного зміцнення в структурі є щільним. На малюнку показано вплив електромагнітного композитного поля в поєднанні зі стаціонарним магнітним полем і електричним полем постійного струму на розподіл і мікроструктуру частинок WC в лазерному покритті з композиту In718/WC. Спрямована вниз сила Лоренца, створена електромагнітним полем, може посилити конвекцію Марангоні в розплавленому басейні, що сприяє рівномірному розподілу частинок WC у композитному покритті. Постійний струм може збільшити швидкість зародження евтектичних карбідів, а посилена конвекція Марангоні може розбити стовпчасті дендрити, тим самим покращуючи структуру.
4 Outlook
Технологія лазерного наплавлення за допомогою електромагнітного поля може реалізувати контроль мікроструктури шару накриття, сприяти подрібненню зерна, зменшити сегрегацію композиції, зробити розподіл фази зміцнення більш рівномірним і перешкоджати виникненню дефектів, таких як отвори та тріщини. Таким чином, покриття з чудовими властивостями можна отримати за допомогою технології лазерного наплавлення з використанням електромагнітного поля. Технологія лазерного покриття за допомогою електромагнітного поля є інновацією традиційної технології лазерної обробки. Це може не тільки сприяти застосуванню електромагнітної теорії в технології лазерної обробки, але й сприяти розвитку технології лазерного відновлення на поверхні високоефективних деталей. Він має широкі теоретичні дослідження та перспективи інженерного застосування.