Pelapisan laser ialah teknologi pengubahsuaian permukaan yang menggunakan pancaran laser tenaga tinggi sebagai sumber haba untuk mendepositkan salutan aloi dengan ciri khas pada substrat. Ia mempunyai kelebihan kadar pencairan yang rendah, zon terjejas haba yang kecil, kekuatan ikatan yang tinggi dengan substrat, dan sedikit pencemaran alam sekitar. Oleh itu, ia digunakan secara meluas dalam pembaikan permukaan dan pengukuhan komponen utama seperti pembuatan kereta, industri petrokimia, dan jentera perlombongan.
Pelapisan laserialah proses metalurgi yang kompleks yang melibatkan fizik, kimia, dan bahan. Ciri-ciri pemejalan pemanasan dan pelindapkejutannya yang cepat sering menyebabkan kecacatan seperti retak dan liang pada lapisan pelapisan. Dalam kajian terdahulu, sarjana tempatan dan asing terutamanya menghapuskan atau mengurangkan kecacatan salutan pelapisan laser melalui reka bentuk bahan dan pengoptimuman parameter proses. Walau bagaimanapun, untuk salutan aloi keras tinggi, masih sukar untuk menghapuskan kecacatan struktur dengan mengubah proses sedia ada, yang memerlukan pertimbangan untuk mengawal struktur pemejalan salutan dengan menggunakan medan luaran, dengan itu meningkatkan kualiti salutan. Sebagai teknologi tambahan medan luaran, medan elektromagnet mempunyai kelebihan pelbagai kombinasi, kebolehkawalan yang baik, dan keramahan alam sekitar. Ia telah digunakan dalam pemutus, kimpalan, pemprosesan laser, dan bidang lain. Daya elektromagnet yang dihasilkan oleh medan elektromagnet digunakan untuk mengacau cair, yang boleh menyebabkan perolakan kuat logam cecair di dalam kolam lebur, menyeragamkan medan suhu dan pengedaran bahan terlarut kolam lebur, dan memainkan peranan dalam mengurangkan tahap penyejukan super dan menapis struktur pemejalan.
1 Mekanisme pengaruh medan elektromagnet pada proses pelapisan laser
Medan elektromagnet adalah alat bantu medan luar bukan sentuhan. Semasa proses pelapisan laser, medan elektromagnet akan berinteraksi dengan leburan logam dalam kolam lebur untuk menghasilkan daya elektromagnet. Daya elektromagnet akan mengubah pergerakan perolakan dan pemindahan jisim dan proses pemindahan haba leburan, dan kemudian menjejaskan proses pemejalan lapisan pelapisan. Pengaruh medan elektromagnet pada tingkah laku pergerakan leburan terutamanya dicerminkan dalam beberapa aspek seperti kesan kacau elektromagnet, kesan brek elektromagnet, kesan cecair elektromagnet terma, kesan elektromigrasi, dan kesan kulit. Pengaruh medan elektromagnet pada proses pemejalan leburan terutamanya dicerminkan dalam beberapa aspek seperti pemecahan bijirin, kesan turun naik kumpulan atom, dan kesan pemanasan Joule.
2 Kesan bentuk medan elektromagnet yang berbeza pada struktur mikro dan sifat salutan pelapisan laser
- Medan magnet keadaan mantap: Medan magnet keadaan mantap membantu menyekat riak permukaan salutan, mengurangkan bilangan retak dan menapis struktur salutan. Medan magnet keadaan mantap boleh mengurangkan halaju aliran di dalam kolam lebur, tetapi ia tidak mempunyai kesan yang jelas pada medan suhu; apabila kekuatan medan magnet keadaan mantap lebih tinggi daripada nilai tertentu, ia mempunyai kesan perencatan yang ketara pada riak permukaan lapisan lebur.
- Medan magnet tidak mantap: Medan magnet berselang-seli mempunyai sedikit kesan pada lebar dan kadar pencairan lapisan pelapisan, manakala ketinggian dan sudut sentuhannya berkurangan dengan peningkatan kekuatan medan magnet, dan kerataan permukaan lapisan pelapisan juga dipengaruhi oleh kekuatan dan kekerapan medan magnet. Berbanding dengan medan magnet berselang-seli dan berputar, medan magnet berdenyut boleh digunakan secara berselang-seli pada kolam lebur dengan mengawal kekuatan dan kekerapan medan magnet. Walau bagaimanapun, disebabkan oleh pemanasan pantas dan ciri proses penyejukan pantas pelapisan laser, masa kewujudan kolam lebur adalah agak singkat, jadi terdapat sedikit kajian mengenai pelapisan laser bantuan medan magnet berdenyut. Seperti yang ditunjukkan dalam rajah, berbanding dengan sampel yang disediakan tanpa bantuan medan luaran, empat jenis medan magnet boleh mengurangkan bilangan keretakan dalam salutan, menapis butiran dan meningkatkan kekerasan salutan. Antaranya, pelapisan laser bantuan medan magnet berdenyut mempunyai kesan terbaik, tetapi fenomena pengasingan fasa keras muncul dalam salutan.
Satu medan elektrik digunakan secara meluas dalam kimpalan dan tuangan, tetapi kurang penyelidikan dilakukan dalam bidang pelapisan laser. Pada masa ini, terdapat dua bentuk utama medan elektrik yang digunakan dalam pelapisan laser: medan elektrik berselang-seli dan medan elektrik nadi.
- Medan elektrik berselang-seli: Kesan elektromigrasi menjadikan ion-ion dalam leburan bergerak mengikut arah, dan kesan pemanasan Joule arus akan mengubah suhu leburan, seterusnya menjejaskan proses pemejalan lapisan pelapisan. Arus ulang alik boleh menggalakkan penghalusan bijirin dan pada masa yang sama meningkatkan ketinggian kawasan berbutir halus di bahagian bawah salutan, yang membantu mengurangkan pembentukan retak. Pengenalan arus ulang alik akan membentuk daya elektromagnet teraruh dengan arah yang berubah secara berterusan dalam kolam lebur, yang akan bertindak sebagai kesan kacau elektromagnet pada logam cecair dalam kolam lebur, mengurangkan kecerunan suhu di hadapan pemejalan, dan dengan itu menyumbang kepada penghalusan bijirin.
- Medan elektrik nadi: Arus nadi mempunyai ciri-ciri ketakselanjaran, kebolehubahan, dan keberkalaan. Menggunakan arus nadi semasa proses pelapisan boleh mengubah halaju aliran cair, dan daya ricih yang terbentuk dalam leburan boleh memecahkan butiran yang terbentuk, meningkatkan kadar nukleasi, dan menapis butiran.
3 Sistem bahan salutan laser berbantukan medan elektromagnet
Pada masa ini, teknologi pelapisan laser berbantukan medan elektromagnet telah digunakan dalam penyediaan pelbagai salutan aloi dan salutan komposit. Untuk salutan aloi, medan elektromagnet membantu meningkatkan homogenisasi komponen salutan dan pengagihan fasa termendak. Untuk salutan komposit, kesan kacau elektromagnet medan elektromagnet boleh mengubah ciri pengedaran fasa pengukuhan dalam kolam lebur.
- Salutan berasaskan besi: Selepas menggunakan medan elektromagnet, apabila kekuatan medan magnet meningkat, kekasaran permukaan lapisan pelapisan berkurangan, strukturnya ditapis dengan ketara, dan kecacatan seperti liang dan retakan berkurangan; kekerasan, rintangan haus, dan rintangan kakisan salutan bertambah baik. Berbanding dengan salutan yang disediakan tanpa medan magnet, nilai kekerasan salutan yang disediakan dengan bantuan medan magnet adalah lebih stabil sepanjang arah kedalaman.
- Salutan berasaskan kobalt: Medan magnet keadaan mantap boleh menghalang perolakan kolam lebur, dan memperkayakan pengasingan makro, dan unsur matriks boleh lebih teragih di bahagian bawah kolam lebur, jadi lebih mudah untuk mendapatkan lapisan pelapisan dengan komposisi yang hampir dengan serbuk aloi. Kesan magnetostriktif yang dihasilkan oleh medan magnet boleh mengurangkan pekali pengembangan haba dan modulus elastik lapisan pelapisan secara berkesan, mengurangkan tegasan haba semasa proses pelapisan, dan kemudian mengurangkan sensitiviti retak.
- Salutan komposit: Medan magnet malar tidak menjejaskan komposisi fasa salutan komposit, tetapi mempunyai kesan yang ketara ke atas struktur mikro salutan dan pengagihan fasa tetulang seramik. Kekuatan medan magnet tertentu adalah kondusif untuk penghalusan struktur, dan pengagihan fasa tetulang seramik dalam struktur adalah padat. Rajah menunjukkan pengaruh medan komposit elektromagnet yang digabungkan dengan medan magnet keadaan mantap dan medan elektrik DC ke atas taburan dan struktur mikro zarah WC dalam salutan komposit In718/WC pelapisan laser. Daya Lorentz ke bawah yang dihasilkan oleh medan elektromagnet boleh meningkatkan perolakan Marangoni dalam kolam lebur, yang menyumbang kepada pengagihan seragam zarah WC dalam salutan komposit. Arus terus boleh meningkatkan kadar nukleasi karbida eutektik, dan perolakan Marangoni yang dipertingkatkan boleh memecahkan dendrit kolumnar, dengan itu menapis struktur.
4 Pandangan
Teknologi pelapisan laser berbantukan medan elektromagnet boleh merealisasikan kawalan struktur mikro lapisan pelapisan, menggalakkan penghalusan bijirin, mengurangkan pengasingan komposisi, menjadikan pengagihan fasa pengukuhan lebih seragam, dan menghalang permulaan kecacatan seperti lubang dan retak. Oleh itu, salutan dengan sifat yang sangat baik boleh disediakan oleh teknologi pelapisan laser berbantukan medan elektromagnet. Teknologi pelapisan laser berbantukan medan elektromagnet ialah inovasi teknologi pemprosesan laser tradisional. Ia bukan sahaja boleh menggalakkan penerapan teori elektromagnet dalam teknologi pemprosesan laser tetapi juga menggalakkan pembangunan teknologi pembuatan semula laser pada permukaan bahagian berprestasi tinggi. Ia mempunyai prospek aplikasi penyelidikan dan kejuruteraan teori yang luas.