Lasersko oblaganje je tehnologija modifikacije površine koja koristi visokoenergetsku lasersku zraku kao izvor topline za nanošenje sloja legure s posebnim svojstvima na podlogu. Ima prednosti niske stope razrjeđivanja, male zone utjecaja topline, visoke čvrstoće prianjanja s podlogom i malog zagađenja okoliša. Stoga se naširoko koristi u površinskom popravku i ojačavanju ključnih komponenti kao što su proizvodnja automobila, petrokemijska industrija i rudarski strojevi.
Lasersko oblaganjeje složen metalurški proces koji uključuje fiziku, kemiju i materijale. Njegovo brzo zagrijavanje i karakteristike skrućivanja pri kaljenju često uzrokuju nedostatke kao što su pukotine i pore u sloju obloge. U dosadašnjim istraživanjima domaći i strani znanstvenici uglavnom su eliminirali ili smanjili nedostatke laserskih obloga dizajnom materijala i optimizacijom procesnih parametara. Međutim, za prevlake od legura visoke tvrdoće još je uvijek teško eliminirati strukturne nedostatke promjenom postojećeg procesa, što zahtijeva razmatranje kontrole strukture skrućivanja prevlake primjenom vanjskog polja, čime se poboljšava kvaliteta prevlake. Kao pomoćna tehnologija vanjskog polja, elektromagnetsko polje ima prednosti različitih kombinacija, dobru upravljivost i prihvatljivost za okoliš. Primijenjen je u lijevanju, zavarivanju, laserskoj obradi i drugim područjima. Elektromagnetska sila koju stvara elektromagnetsko polje koristi se za miješanje taline, što može uzrokovati snažnu konvekciju tekućeg metala u bazenu rastaline, homogenizirati temperaturno polje i distribuciju otopine u bazenu rastaline i igrati ulogu u smanjenju stupnja prehlađenje i pročišćavanje strukture skrućivanja.
1 Mehanizam utjecaja elektromagnetskog polja na proces laserskog oblaganja
Elektromagnetsko polje je beskontaktno pomoćno sredstvo vanjskog polja. Tijekom procesa laserskog oblaganja, elektromagnetsko polje će djelovati u interakciji s metalnom talinom u rastaljenoj lonci i generirati elektromagnetsku silu. Elektromagnetska sila će promijeniti konvektivno kretanje i prijenos mase i proces prijenosa topline taline, a zatim utjecati na proces skrućivanja sloja obloge. Utjecaj elektromagnetskog polja na kretanje taline uglavnom se odražava u nekoliko aspekata kao što su učinak elektromagnetskog miješanja, učinak elektromagnetskog kočenja, učinak toplinske elektromagnetske tekućine, učinak elektromigracije i učinak kože. Utjecaj elektromagnetskog polja na proces skrućivanja taline uglavnom se odražava u nekoliko aspekata kao što su fragmentacija zrna, učinak fluktuacije atomske skupine i Jouleov učinak zagrijavanja.
2 Učinci različitih oblika elektromagnetskog polja na mikrostrukturu i svojstva laserskih obloga
- Stabilno magnetsko polje: Stabilno magnetsko polje pomaže u suzbijanju površinskih mreškanja premaza, smanjenju broja pukotina i poboljšanju strukture premaza. Magnetsko polje u stacionarnom stanju može smanjiti brzinu protoka unutar rastaljenog bazena, ali nema očit učinak na temperaturno polje; kada je čvrstoća magnetskog polja u stacionarnom stanju veća od određene vrijednosti, ona ima značajan inhibitorni učinak na površinske valove rastaljenog sloja.
- Nestacionarno magnetsko polje: izmjenično magnetsko polje ima mali učinak na širinu i stupanj razrjeđivanja sloja obloge, dok se njegova visina i kontaktni kut smanjuju s povećanjem jakosti magnetskog polja, a na ravnost površine sloja obloge također utječe jačina i frekvencija magnetskog polja. U usporedbi s izmjeničnim i rotirajućim magnetskim poljima, pulsirajuće magnetsko polje može se povremeno primijeniti na rastaljenu bazenom kontroliranjem jakosti i frekvencije magnetskog polja. Međutim, zbog karakteristika procesa brzog zagrijavanja i brzog hlađenja laserskog oblaganja, vrijeme postojanja rastaljenog bazena je relativno kratko, tako da postoji relativno malo studija o laserskom oblaganju potpomognutim pulsnim magnetskim poljem. Kao što je prikazano na slici, u usporedbi s uzorcima pripremljenim bez pomoći vanjskog polja, četiri vrste magnetskih polja mogu smanjiti broj pukotina u premazu, pročistiti zrna i povećati tvrdoću premaza. Među njima najbolji učinak ima lasersko oblaganje pulsirajućim magnetskim poljem, ali se u premazu pojavljuje fenomen segregacije tvrde faze.
Jedno električno polje naširoko se koristi u zavarivanju i lijevanju, ali manje se istražuje u području laserskog oblaganja. Trenutno postoje dva glavna oblika električnog polja koja se koriste u laserskom oblaganju: izmjenično električno polje i pulsno električno polje.
- Izmjenično električno polje: Učinak elektromigracije čini da se ioni u talini kreću u smjeru, a Jouleov učinak zagrijavanja struje promijenit će temperaturu taline, čime utječe na proces skrućivanja sloja obloge. Izmjenična struja može pospješiti usitnjavanje zrna i istovremeno povećati visinu fino zrnatog područja na dnu premaza, što pomaže smanjiti stvaranje pukotina. Uvođenje izmjenične struje stvorit će induciranu elektromagnetsku silu sa kontinuiranom promjenom smjera u bazenu rastaline, koja će djelovati kao elektromagnetski učinak miješanja na tekući metal u bazenu rastaline, smanjiti temperaturni gradijent na fronti skrućivanja i tako doprinijeti pročišćavanje zrna.
- Pulsno električno polje: Pulsna struja ima karakteristike diskontinuiteta, varijabilnosti i periodičnosti. Primjena pulsne struje tijekom procesa oblaganja može promijeniti brzinu protoka taline, a posmična sila nastala u talini može razbiti formirana zrna, povećati brzinu nukleacije i pročistiti zrna.
3 Sustav materijala za oblaganje laserom potpomognutim elektromagnetskim poljem
Trenutačno se tehnologija laserskog oblaganja potpomognuta elektromagnetskim poljem primjenjuje u pripremi različitih prevlaka od legura i kompozitnih prevlaka. Za prevlake od legura, elektromagnetsko polje pomaže u poboljšanju homogenizacije komponenti prevlake i distribucije istaloženih faza. Za kompozitne prevlake, učinak elektromagnetskog miješanja elektromagnetskog polja može promijeniti karakteristike distribucije faze ojačanja u bazenu rastaljevine.
- Premaz na bazi željeza: Nakon primjene elektromagnetskog polja, kako se jakost magnetskog polja povećava, hrapavost površine sloja obloge se smanjuje, struktura je značajno pročišćena, a nedostaci poput pora i pukotina su smanjeni; poboljšana je tvrdoća, otpornost na trošenje i otpornost na koroziju premaza. U usporedbi s premazom pripremljenim bez magnetskog polja, vrijednost tvrdoće premaza pripremljenog uz pomoć magnetskog polja stabilnija je duž smjera dubine.
- Premaz na bazi kobalta: magnetsko polje u stabilnom stanju može spriječiti konvekciju bazena rastaljevine i obogatiti makro-segregaciju, a elementi matrice mogu biti više raspoređeni na dnu bazena rastaline, tako da je lakše dobiti sloj obloge sastava bliskog prahu legure. Magnetostrikcijski učinak koji stvara magnetsko polje može učinkovito smanjiti koeficijent toplinske ekspanzije i modul elastičnosti sloja obloge, smanjiti toplinsko naprezanje tijekom procesa oblaganja, a zatim smanjiti osjetljivost na pukotine.
- Kompozitna prevlaka: Konstantno magnetsko polje ne utječe na fazni sastav kompozitne prevlake, ali ima značajan utjecaj na mikrostrukturu prevlake i raspodjelu faze ojačanja keramike. Određena jakost magnetskog polja pogoduje profinjenosti strukture, a raspodjela keramičke faze ojačanja u strukturi je gusta. Slika prikazuje utjecaj elektromagnetskog kompozitnog polja u kombinaciji sa stacionarnim magnetskim poljem i istosmjernim električnim poljem na distribuciju i mikrostrukturu WC čestica u laserskoj oblogi In718/WC kompozitnoj prevlaci. Lorentzova sila prema dolje koju generira elektromagnetsko polje može poboljšati Marangonijevu konvekciju u rastaljenoj lonci, što pridonosi jednolikoj raspodjeli WC čestica u kompozitnoj prevlaci. Istosmjerna struja može povećati brzinu nukleacije eutektičkih karbida, a pojačana Marangonijeva konvekcija može razbiti stupne dendrite, čime se pročišćava struktura.
4 Outlook
Tehnologija laserskog oblaganja potpomognuta elektromagnetskim poljem može ostvariti kontrolu mikrostrukture sloja oblaganja, pospješiti usitnjavanje zrna, smanjiti segregaciju sastava, učiniti distribuciju faze ojačanja ravnomjernijom i spriječiti nastanak nedostataka kao što su rupe i pukotine. Stoga se premazi s izvrsnim svojstvima mogu pripremiti tehnologijom laserskog oblaganja uz pomoć elektromagnetskog polja. Tehnologija laserskog oblaganja potpomognuta elektromagnetskim poljem je inovacija tradicionalne tehnologije laserske obrade. Ne samo da može promicati primjenu elektromagnetske teorije u tehnologiji laserske obrade, već i promicati razvoj tehnologije laserske prerade na površini dijelova visokih performansi. Ima široke perspektive teorijskog istraživanja i inženjerske primjene.