الملخص:

القدرة على تصنيع الطلاء أمر بالغ الأهمية للهندسة التصميم. تتطلب العديد من المكونات تطبيق طبقات إضافية لتعزيز الخصائص والحماية الميكانيكية مقابل معادية البيئات. ترسب الليزر الأسرع من الصوت (SLD) هي طريقة طلاء جديدة تعتمد على رش الباردة (CS) مبادئ. في هذه التقنية، يمكن أن تكون سرد الترسبات أقل بكثير هؤلاء . مطلوب للترابط الفعال في CS التطبيقات. تسمح إضافة الطاقة الحرارية الليزرية بتغيير في الخبرة الديناميكية الحرارية في الجزيئات المتأثرة، وبالتالي تقدم فرصة أكبر للترابط الفعال في السرعات السفلية مقارنة بعملية CS . العمل المبلغ عنه في هذه الورقة يوضح قدرة SLD عملية تسليم Hardfacing مواد الهندسة الأسطح. Stellite-6 تم إيداعه على منخفض الكربون أنابيب الصلب على مجموعة من المعلمات العملية لإثبات القوة المستهدفة المناسبة وسرعات اجتياز للطلاء التكوين. تم فحص خصائص الطلاء والمعلمات لتحديد الخصائص الأساسية وهيكل الحبوب الحجم. بهم تمت دراسة التشكل والأداء من خلال المجهر البصري، المسح المجهر الإلكتروني (SEM)، حيود الأشعة السينية، قياسات صلابة وارتداء اختبار. أظهرت النتائج أن SLD قادر على إيداع طبقات Stellite-6، مع خصائص متفوقة على هؤلاء من بهم تصنيعها تقليديا النظراء.

مقدمة:

الطلب الصناعي الحالي على معقد، جودة عالية غالبا ما تتطلب الهياكل الهندسية استخدام المواد المعززة لتصنيع كل فرد مكون. في العديد من التطبيقات، لا تطلب خصائص محددة فقط محليا، وبالتالي فهي قابلة للتحقيق من خلال تكوين الطلاءات.

for . ترسب الطبقات المعدنية، عالية السرعة وقود الأكسجين والكسر الليزر (LC) 1،2 هي التقنيات الصناعية التي يبذلها جهود البحث الحديثة التركيز. كل طريقة تختلف في عملها ومع ذلك، فإن كلاهما يتطلب ذوبان أو ذوبان جزئي لمواد FeedStock ودرجة حرارة عالية نسبيا في الترسب الموقع. غالبا ما يؤدي ذوبان مواد FeedStock إلى الأكسدة الواسعة، تغيير في المجهرية وفي تكوين مراحل هشة غير مرغوب فيها خلال إعادة التصلب Process.3،4 for مثال، كورودا et al.5 وصفها عالية السرعة وقود الأكسجين عملية باعتبارها غير مناسبة لتشكيل طبقات التيتانيوم الحماية من التآكل على ركائز البحرية الصلب الكبيرة من الأكسجين العالي المحتوى. بالإضافة إلى ذلك، متى درجات حرارة العمل مرتفعة للغاية، يمكن أن يحدث تشويه وتكسير المواد الركائية . هذه الشروط غير مقبولة متى المرتبطة بالطلب الصناعي الحالي لإنتاج عالية الجودة مكونات في فعالة من حيث التكلفة

طريقة بديلة هي عملية ترسب الحالة الصلبة تعرف باسم الرش البارد (CS) .6 في هذه التكنولوجيا، مادة FeedStock (في بودرة نموذج) لا يذبح، ولكن بدلا من ذلك يتم تسريعه في سرعة SuperSonic بواسطة الناقل غاز. الجزيئات تولد تأثيرات عالية الطاقة عندما تصادم ضد يتميز سطح الركيزة، كل مادة مادية وحجم جسيم بحد أدنى سرعة لتحقيق الترسبات .9 لذلك، فإن استخدام الهيليوم بسعر تدفق مرتفع مع تسخين الغاز ضروري لتشكيل عالية الجودة الطلاءات مصنوعة من قوي، مقاومة للاهتراء مواد مثل WC-Co.9،10،11،12 ومع ذلك، فإن ارتفاع تكلفة الهيليوم يجعل العملية باهظة الثمن.

هذا تقدم الورق نتائج تجريبية تتعلق بترسب A C-CO-CR hardfacing سبيكة (الاسم التجاري هو Stellite-6) ركائز الصلب باستخدام عملية مبتكرة قيد التطوير في جامعة كامبريدج والمعروفة باسم ترسب الليزر الأسرع من الصوت (SLD). الغالبية العظمى من Stellite-6 يتم تصنيع الودائع حاليا عبر LC . أو لحام القوس 13،14 ومع ذلك، عيوب مثل صلبية البنية المجهرية بسبب ترسب المواد المنصهرة هي لا مفر منه. The SLD تتمتع العملية بإمكانية التغلب على عيوب التقنيات الحالية وتم تطبيقها بالفعل على ترسب التيتانيوم الصلب ركائز. في هذه التقنية، عيب النيتروجين كغاز الناقل (مع جسيمات منخفضة سرعة) يتم تعويض تنفيذ مصدر ليزر لإلقاء الضوء على الطلاء الموقع. يتم عرض معلمات العملية الأمثل جنبا إلى جنب مع تحليل الطلاء والنتائج الأولية على أداء ارتداء الرواسب .

The SLD عملية

The SLD تطورت التكنولوجيا من دراسة أولية ناجحة بواسطة Bray ET al.16،17 على تأثير التركيز تليين على تكوين الطلاء من خلال تطبيق A 1-KW مصدر الليزر في الترسب الموقع.

The SLD العملية مشابهة في آلياتها إلى CS؛ يتم عرض خططه في الشكل 1. مسحوق معدني، تسليمها من وحدة تغذية عالية الضغط (Praxair 1264HP؛ Praxair Inc.، Danbury، CT، USA)، تسارع إلى سرعة الصوت من خلال غاز الناقل (النيتروجين) داخل متباينة SuperSonic فوهة. يمكن أن تكون هندسة فوهة مختلفة تنفيذها؛ تم تحسين التصميم لتسريع مادة مسحوق محددة و الحجم. الحد الأقصى للضغط مدخل فوهة المسموح به هو 30 بار في النظام الحالي، مما يؤدي إلى سرعة تأثير الجسيمات داخل 400-900 م S-1 النطاق اعتمادا على الحجم ونوع المواد. يمكن زيادة مستويات العتبة مع سخان غاز (CGT الحركية 3000) لرفع درجة حرارة الغاز (500 ° C حد أقصى) في مدخل فوهة، وبالتالي لزيادة الخروج من الخروج السرعة. يتم الإبلاغ عن أمثلة القياسات التجريبية لسرعات الجسيمات القابلة للتحقيق مع نظام رش مماثل في الأدب .16 هذا تشتمل الدراسة على مقارنة بين النتائج العددية باستخدام تحليل ديناميكي محاسبي يوضح اتفاق وثيق بين التقنيتين

كما هو مبين في الشكل 1، تضيء منطقة الترسب بواسطة شعاع ليزر (4-كيلو واط أقصى طاقة، ليزر الألياف، IPG) لتليين (لا تذوب) مادة الركيزة والحد من ضغوط العائد، وبالتالي تمكين الطلاء لتشكيل دون الحاجة لتسريع المساحيق تصل إلى CS وهكذا، ترسب عالية القوة المواد ممكنة بطريقة فعالة من حيث التكلفة باستخدام النيتروجين مثل الناقل غاز. يتم توفير غاز النيتروجين بواسطة اسطوانة متعددة المنصات. بعد المعالجة، تتم إزالته من غرفة العمل من خلال استخراج نظام.

يوضح الشكل 2 منطقة عمل العملية والترتيب المكاني للمكونات الرئيسية: رئيس الليزر، فوهة الأسرع من الصوت، البيرومتر الأشعة تحت الحمراء (لونين) و المغزل. يمكن استخدام Byrometer بالأشعة تحت الحمراء لمراقبة درجة الحرارة في مكان على الطلاء والحفاظ عليه في قيمة مجموعة من خلال PID حلقة مغلقة السيطرة مع الليزر. يتم تنفيذ المغزل في النظام للسماح بطلاء أنابيب.

SLD . من Stellite-6

Stellite-6 الخصائص والتطبيقات

Stellite-6 هو كوبالت سبائك تتكون من كاربيد معقدة في مصفوفة. يظهر تكوينه الكيميائي في الجدول 1. مقاوم للارتداء والرضيع والتآكل والاحتفاظ بها هذه العقارات في درجات الحرارة المرتفعة بسبب الخصائص المتأصلة في مرحلة كربيد الصلب المنتشرة في CO-CR سبيكة مصفوفة. المزيد من الأفكار في سلوك ارتداء Stellite-6 تم توفيرها مؤخرا بواسطة الخشب الساعة . يعتبر المعيار الصناعي لمقاومة التآكل للأغراض العامة ضد العديد من أشكال التدهور الميكانيكية والكيميائية على نطاق درجة حرارة واسعة (الاحتفاظ بها مستوى معقول من صلابة عالية درجات حرارة) ولديه مقاومة جيدة للتأثير و التجويف تآكل. Stellite-6 مناسب لمجموعة متنوعة من Hardfacing العمليات ويمكن تشكيلها مع كربيد الأدوات. الاستخدامات تشمل مقاعد الصمامات والبوابات، مهاوي مضخة ومحامل، دروع التآكل، الأزواج المتداول وإصلاح توربينات البخار المتآكلة شفرات.

تصنيع الطلاء و الخصائص:

The SLD تم استخدام عملية لإنتاج Stellite-6 طلاءات على منخفض الكربون ركائز الصلب (43C) في شكل أنابيب. قياس الأنابيب 50 ملم بالقطر الخارجي مع سمك الجدار 3 مم. كروية تجارية Stellite-6 مسحوق 18 -45 ميكرون في الحجم، كان المستخدمة. تم تنفيذ عملية الرش مع النيتروجين في ضغط مدخل من 30 بار، وساخنة إلى 500 ° C لزيادة سرعة نفاثة الغاز في فوهة الخروج. وكان الفوهة الأسرع من الصوت المستخدمة في التجارب قطر تقييد مقطعي من 2.7 مم، طول عام 200 ملم، وتم تصنيعها في WC لتقليل تأثير تآكل المسحوق على ملف التعريف الداخلي النموذج الديناميكي السوائل الحاسوبية للفوهة الصوتية المطورة مع Ansys - بطلاقة 12.1 كشفت سرعة غاز الناقل القصوى من حوالي 1000 م S-1 المقابلة للخروج المقطع العرضي. تسريع Stellite-6 تم محاكاة الجزيئات داخل الغاز الناقل من خلال خوارزمية نموذج المرحلة المنفصلة (اتجاه واحد اقتران)، و السحب Law.20 أسفرت النتائج الحاسوبية على سرعة أقصى قدرها تقريبا 640 م S-1 ل 30-μm قطر الجسيمات، التي تتوافق مع متوسط ​​الحجم في التجاري FeedStock. هذا أقل بكثير من الحد الأدنى لسرعة الترسبات النظري لهذا النوع من المواد (775 م S-1) تحسب باستخدام الصيغة المنشورة بواسطة Assadi et al.8 أكدت التجارب أن الطلاء يمكن لا تشكل تحت هذه معالجة ظروف مع النيتروجين كغاز الناقل في غير رسمي CS.

تم التحقيق في عملية الطلاء مع مجموعة مختارة من معلمات التشغيل لتحديد الإعدادات المثلى . تم تغيير طاقة الليزر مع كل تجربة داخل نطاق 1.2-3 KW واختبارها بسرعات عرضية منخفضة الركيزة، على سبيل المثال، السرعة الخطية في المحيط الخارجي للأنبوب. كان تأثير معدل تغذية مسحوق العملية على خصائص الترسب أيضا تم التحقيق فيها.

الشكل 3، تم الحصول عليها مع المجهر البصري، يعرض مقطعا عرضيا من نموذجي Stellite-6 مسار واحد إنتاج عبر SLD. كان الطلاء عبر التسليح والأرض شقة مع حصى SIC ورقة. تم تحقيق الدولة المصقولة النهائية مع التطبيق المتسلسل A 9-μm تعليق الماس، A 3-μm معلق الماس و A 0.04-μm السيليكا الغروية تعليق. يشير الرقم إلى أن الوديعة تتميز بمسامية منخفضة نسبيا وقليل تتأثر بالحرارة المنطقة على الركيزة. تآكل أو تكسير الركيزة الصلب والطلاء لم يحدث تحدث.

في المقابل، يوضح الشكل 4 المقطع العرضي من A Stellite-6 طلاء الناتج عن الكسوة بالليزر، تتطلب الانصهار الكامل للأعلاف المواد. 21 تتأثر الحرارة المنطقة كبيرة، تقترب 1 مم في عمق. في هذه الحالة، من المرجح أن يحدث تشويه قطعة العمل يمكن أن يحدث تكسير الطلاء بسبب ارتفاع الضغوط التي يمكن أن تشكل من خلال الانكماش التفاضلي بعد الطائرات تشكيل. جيل طبقات التخفيف أمر لا مفر منه ويمكن أن يؤدي إلى خصائص الطلاء الفقيرة و صلابة .13 كعملية ترسب الحالة الصلبة، SLD لديه القدرة على التغلب على هذه الصعوبات و العيوب.

يمكن ببساطة متداخلة المسارات الفردية لتشكيل طلاء أوسع ك Microphography المقطع العرضي لركيزة فولاذية مسطحة في الشكل 5 يوضح. لم يلاحظ أي شقوق إما الركيزة أو طلاء.

كان من الممكن إيداع الكفاءة Stellite-6 في مستويات السرعة العرضية تصل إلى 40 مم S-1 للحصول على معدل بناء طلاء تقريبا 2.2 كجم H-1، باستخدام 3-KW الليزر السلطة. في ظل ظروف المعالجة هذه، تم قياس مسامية الطبقة المودعة (بصريا) في <1٪، في حين أن الطبقات الصغيرة اقتربت 610 HV . (كما هو مقاس مع تجاري Mitutoyo Vickers آلة اختبار)، أعلى أن المواد في النموذج السائبة كما هو موضح في الجدول 1. كما تم قياس قوة الالتصاق للطلاء من خلال تجربة الانحناء Dolly المعدنية (8 مم القطر) يتم لصقها على السطح الخارجي للطلاء مع إيبوكسي الراتنج. الضغط اللازم لسحب Dolly يعطي السندات القوة. ومع ذلك، في هذه الحالة، فشل الراتنج في 62.4 MPA . مما يؤدي إلى استنتاج مفاده أن قوة السندات الفعلية بين الطلاء والركيزة هي كبيرة أعلى.

طلاء المجهرية تحليل و الأداء:

الشكل 6 يوضح ميكروغرافي مقطع عرضي (بصري المجهر) من Stellite-6 طلاء محفور كيميائيا مع أكوا ريجيا. تم تصنيع الوديعة على ركيزة أنبوب الصلب مع 3-KW قوة الليزر السرعة العرضية 40 ملم S-1. يشير الرقم بوضوح إلى أن الجزيئات مشوهة بلاستيكية بسبب من التأثيرات عالية الطاقة على الركيزة السطح. هذا السلوك هو أيضا نموذجي في CS. نظرا لأن حدود الجسيمات مرئية بوضوح، يمكن للمرء أن يؤكد أنه لم يحدث ذوبان الطلاء خلال الترسب عملية. هيكل الحبوب وحجمه العام، وقياس أقل 1 ميكرون في معظم المواقع، يمكن ملاحظتها داخل كل جسيم مشوه في الشكل 6.

حبة Stellite-6 يتم ملاحظة الوديعة بشكل أكثر وضوحا في المجهر الإلكترون الفحص المحفور (SEM) الصور المعروضة في الشكل 7. موقع مراحل كربيد، أكثر مقاومة للعمل المسبب للحمض الحفر، يمكن كن أبرز. الشكل 8 يؤكد أن الحجم صغير نسبيا، في 200-400 NM نطاق.

الشكل 9 يوضح SEM صورة واحدة Stellite-6 الجسيمات قبل الرش عملية. بنية الحبوب مرئية ومماثلة في الحجم إلى الطلاء في الشكل 7 تأكيد النزاهة الهيكلية الممتازة والحفاظ على المواد من قبل إلى ما بعد المعالجة التكوين.

for . المقارنة، الشكل 10 يوفر هيكل الحبوب من الليزر - كلاد Stellite-6 طلاء. dendrites مشابهة ل هؤلاء من SLD هي لوحظ؛ ومع ذلك، فإن الحجم الكلي أكبر بكثير وأبلغ عنها تقريبا 1.1 μm.22 متى الطلاء ملحومة، و SEM الصور تكشف حجم الحبوب من أكثر من 20 μm.14

عيب رئيسي لتقنيات ترسب المعادن على أساس ذوبان كامل أو جزئي للمواد والخدمات الخادمة والركيزة هو تشكيل مراحل غير مرغوب فيها خلال التصلب عملية. وبالتالي، تم إجراء تحليل حيود الأشعة السينية في كل من Stellite-6 مسحوق و SLD طلاء لفحص الفرق المحتمل بين اثنين. تم تنفيذ حيود الأشعة السينية للطلاء على الطبقة الخارجية . يتم رسم النتائج في الشكل 11. تحتوي القمم المقابلة على مراحل محددة على نتائج مماثلة في كل من المسحوق والطلاء، مما يؤكد أن هذه المواد يمكن أن تحتفظ بنيةها الأصلية من خلال SLD المعالجة. ومع ذلك، كانت بعض الاختلافات لوحظ؛ تظهر مراحل إضافية في الطلاء، ولكن ليس في مسحوق . من المرجح أن يرتبط الذروة السائدة بمرحلة CRO، على الرغم من أن التحليل الأكثر تفصيلا ضروريا لتأكيد ذلك النتيجة.

إلى . تقييم الأداء الميكانيكي للطلاء، تم تنفيذ اختبار ارتداء باستخدام تناوب تجاري اختبار ارتداء آلة بكروية SI3N4 السيراميك أداة. 200 غرام ما قبل التحميل تم تطبيقه على العينة، وتم إجراء الاختبار لمدة 120 دقيقة تقريبا في سرعة أداة 800 دورة في الدقيقة. تم إجراء نفس الاختبار على Stellite-6 عينة المنتجة مع LC باستخدام 1.8 كيلوواط قوة الليزر في السرعة العرضية 8.3 مم S-1. يوضح الشكل 12 معامل الاحتكاك المقاس لتقنيات الترسبات خلال اختبار ارتداء في الوقت الحالي بعد 20 دقيقة وقبل نهاية التجربة. The Stellite-6 المودعة بواسطة SLD أداء أفضل من لها كلية الليزر النظير، وجود معامل احتكاك أقل إلى حد كبير وتقلبات طفيفة خلال الاختبار لذلك، هذه النتائج الأولية تشير إلى أن SLD معالجتها Stellite-6 لديه القدرة على مستوى أعلى من الأداء و التحمل. التفسيرات الأساسية ل هؤلاء ترتبط النتائج مباشرة بالهيكل الملحوظ من SLD طلاء Nanocrystalline من المعروف أن الطلاءات تمتلك خصائص كيميائية وميكانيكية فريدة من نوعها (متفوقة صلابة و قوة) مع إمكانية التطبيقات التكنولوجية الجديدة كما ذكرت Tjong و Chen.23

الاستنتاجات:

The SLD كانت العملية قدمت. هذا طريقة الطلاء مشابهة في مبدأ العمل في CS تقنية؛ ومع ذلك، فإن الترسب ممكن دون تسريع الجزيئات المعدنية إلى حرجة كاملة السرعة. SLD . تم تطبيقه على Hardfacing من الكربون المنخفض أنابيب الصلب مع ستيليت -6. وكانت نافذة معلمة الترسب تم التحقيق فيها؛ كان من الممكن تشكيل الودائع على الركيزة في السرعة العرضية 40 ملم S-1 مع 3-KW قوة الليزر، الناتجة عن A 2.2 كجم H-1 بناء معدل. SLD . طلاء Stellite-6 عرضت خالية من الكراك هيكل، مسامية منخفضة وقوة السندات الممتازة مع الركيزة. هذه تم تحقيق خصائص دون ذوبان مواد FeedStock أو التسبب في تلف دائم وتشويه إلى الركيزة. تم العثور على حجم الحبوب الطلاء Suitcron (200-400 نانومتر)، مما أدى إلى تحسين اختبار ارتداء الأداء مقابل الكسوة بالليزر الطلاء. وجدت دراسة أولية معامل الاحتكاك المقاس ل Stellite-6 طبقة مصنوعة مع SLD ليكون تقريبا 2.4 مرات أقل من هذا مع الليزر الكسوة.

معلومات الكاتب

الانتماءات

قسم الهندسة، معهد تصنيع، جامعة كامبريدج، كامبريدج CB3 0fs، المملكة المتحدة

روكو Lupoi، أندرو كوكبرن، كريس بريان، مارتن سباريات & وليام أونيل

كلية تشجيانغ، تشجيانغ جامعة التكنولوجيا، هانغتشو 310024، الصين

فانغ لو

المؤلف المقابل

المراسلات مع وليام أونيل.