Лазерното облицоване е технология за модифициране на повърхността, която използва високоенергиен лазерен лъч като източник на топлина за отлагане на покритие от сплав със специални свойства върху субстрат. Има предимствата на ниска степен на разреждане, малка зона на топлинно въздействие, висока якост на свързване със субстрата и малко замърсяване на околната среда. Поради това той се използва широко при ремонт на повърхности и укрепване на ключови компоненти като автомобилостроенето, нефтохимическата промишленост и минните машини.
Лазерно облицованее сложен металургичен процес, включващ физика, химия и материали. Неговите характеристики на бързо нагряване и охлаждане на втвърдяване често причиняват дефекти като пукнатини и пори в облицовъчния слой. В предишни проучвания местни и чуждестранни учени основно елиминираха или намалиха дефектите на лазерните облицовъчни покрития чрез дизайн на материала и оптимизиране на параметрите на процеса. Въпреки това, за покрития от високотвърда сплав все още е трудно да се елиминират структурни дефекти чрез промяна на съществуващия процес, което изисква разглеждане на контролиране на структурата на втвърдяване на покритието чрез прилагане на външно поле, като по този начин се подобрява качеството на покритието. Като спомагателна технология за външно поле, електромагнитното поле има предимствата на различни комбинации, добра управляемост и екологичност. Прилага се в леене, заваряване, лазерна обработка и други области. Електромагнитната сила, генерирана от електромагнитното поле, се използва за разбъркване на стопилката, което може да причини силна конвекция на течния метал в разтопения басейн, да хомогенизира температурното поле и разпределението на разтвореното вещество в разтопения басейн и да играе роля в намаляването на степента на преохлаждане и рафиниране на структурата на втвърдяване.
1 Механизъм на влияние на електромагнитното поле върху процеса на лазерно покритие
Електромагнитното поле е помощно средство за безконтактно външно поле. По време на процеса на лазерно облицоване, електромагнитното поле ще взаимодейства с металната стопилка в разтопения басейн, за да генерира електромагнитна сила. Електромагнитната сила ще промени конвективното движение и преноса на маса и процеса на пренос на топлина на стопилката и след това ще повлияе на процеса на втвърдяване на облицовъчния слой. Влиянието на електромагнитното поле върху поведението на движение на стопилката се отразява главно в няколко аспекта, като електромагнитния ефект на разбъркване, електромагнитния спирачен ефект, топлинния електромагнитен флуиден ефект, електромиграционния ефект и ефекта на кожата. Влиянието на електромагнитното поле върху процеса на втвърдяване на стопилката се отразява главно в няколко аспекта, като фрагментация на зърното, ефект на флуктуация на атомната група и ефект на нагряване на Джаул.
2 Ефекти на различни форми на електромагнитно поле върху микроструктурата и свойствата на лазерните облицовъчни покрития
- Стационарно магнитно поле: Стационарното магнитно поле помага за потискане на вълните на повърхността на покритието, намаляване на броя на пукнатините и усъвършенстване на структурата на покритието. Магнитното поле в стационарно състояние може да намали скоростта на потока вътре в разтопения басейн, но няма очевиден ефект върху температурното поле; когато силата на стационарното магнитно поле е по-висока от определена стойност, тя има значителен инхибиторен ефект върху повърхностните вълни на разтопения слой.
- Нестабилно магнитно поле: Променливото магнитно поле има малък ефект върху ширината и степента на разреждане на облицовъчния слой, докато неговата височина и контактен ъгъл намаляват с увеличаването на силата на магнитното поле, а плоскостта на повърхността на облицовъчния слой също се влияе от силата и честотата на магнитното поле. В сравнение с променливите и въртящите се магнитни полета, импулсното магнитно поле може периодично да се прилага към разтопения басейн чрез контролиране на силата и честотата на магнитното поле. Въпреки това, поради характеристиките на процеса на бързо нагряване и бързо охлаждане на лазерната облицовка, времето за съществуване на разтопения басейн е сравнително кратко, така че има сравнително малко проучвания за лазерно облицоване, подпомагано от импулсно магнитно поле. Както е показано на фигурата, в сравнение с пробите, приготвени без помощ от външно поле, четирите вида магнитни полета могат да намалят броя на пукнатините в покритието, да прецизират зърната и да увеличат твърдостта на покритието. Сред тях лазерното облицоване с импулсно магнитно поле има най-добър ефект, но в покритието се появява феноменът на сегрегация на твърдата фаза.
Единично електрическо поле се използва широко при заваряване и леене, но по-малко изследвания се правят в областта на лазерното облицоване. Понастоящем има две основни форми на електрическо поле, използвани в лазерното облицоване: променливо електрическо поле и импулсно електрическо поле.
- Променливо електрическо поле: Ефектът на електромиграцията кара йоните в стопилката да се движат насочено, а ефектът на нагряване на джаул на тока ще промени температурата на стопилката, като по този начин ще повлияе на процеса на втвърдяване на облицовъчния слой. Променливият ток може да насърчи изтъняването на зърната и в същото време да увеличи височината на финозърнестия участък в долната част на покритието, което помага да се намали образуването на пукнатини. Въвеждането на променлив ток ще формира индуцирана електромагнитна сила с непрекъснато променяща се посока в разтопения басейн, който ще действа като електромагнитен разбъркващ ефект върху течния метал в разтопения басейн, намалява температурния градиент на фронта на втвърдяване и по този начин ще допринесе за рафинирането на зърната.
- Импулсно електрическо поле: Импулсният ток има характеристиките на прекъсване, променливост и периодичност. Прилагането на импулсен ток по време на процеса на облицовка може да промени скоростта на потока на стопилката, а силата на срязване, образувана в стопилката, може да разруши образуваните зърна, да увеличи скоростта на нуклеация и да усъвършенства зърната.
3 Система за покритие с лазерно покритие с електромагнитно поле
Понастоящем технологията за лазерно облицоване с помощта на електромагнитно поле се прилага при получаването на различни покрития от сплави и композитни покрития. За покритията от сплави електромагнитното поле спомага за подобряване на хомогенизирането на компонентите на покритието и разпределението на утаените фази. За композитните покрития електромагнитният разбъркващ ефект на електромагнитното поле може да промени характеристиките на разпределение на укрепващата фаза в разтопения басейн.
- Покритие на базата на желязо: След прилагане на електромагнитното поле, тъй като силата на магнитното поле се увеличава, грапавостта на повърхността на облицовъчния слой намалява, структурата е значително рафинирана и дефектите като пори и пукнатини намаляват; твърдостта, устойчивостта на износване и устойчивостта на корозия на покритието са подобрени. В сравнение с покритието, приготвено без магнитно поле, стойността на твърдостта на покритието, приготвено с помощта на магнитно поле, е по-стабилна по посока на дълбочината.
- Покритие на базата на кобалт: Магнитното поле в стационарно състояние може да попречи на конвекцията на разтопения басейн и да обогати макросегрегацията, а матричните елементи могат да бъдат по-разпределени на дъното на разтопения басейн, така че е по-лесно да се получи облицовъчен слой със състав, близък до този на праха на сплавта. Магнитострикционният ефект, генериран от магнитното поле, може ефективно да намали коефициента на топлинно разширение и модула на еластичност на облицовъчния слой, да намали топлинния стрес по време на процеса на облицовка и след това да намали чувствителността на пукнатини.
- Композитно покритие: Постоянното магнитно поле не влияе на фазовия състав на композитното покритие, но има значително влияние върху микроструктурата на покритието и разпределението на фазата на керамичната армировка. Определена сила на магнитното поле благоприятства усъвършенстването на структурата и разпределението на фазата на керамичната армировка в структурата е плътно. Фигурата показва влиянието на електромагнитното композитно поле, комбинирано със стационарното магнитно поле и постояннотоковото електрическо поле върху разпределението и микроструктурата на WC частици в лазерната облицовка In718/WC композитно покритие. Насочената надолу сила на Лоренц, генерирана от електромагнитното поле, може да подобри конвекцията на Марангони в разтопения басейн, което допринася за равномерното разпределение на WC частиците в композитното покритие. Правият ток може да увеличи скоростта на нуклеация на евтектични карбиди, а подобрената конвекция на Марангони може да разруши колонните дендрити, като по този начин усъвършенства структурата.
4 Outlook
Технологията за лазерно облицоване с помощта на електромагнитно поле може да реализира контрол върху микроструктурата на облицовъчния слой, да насърчи усъвършенстването на зърната, да намали сегрегацията на състава, да направи разпределението на укрепващата фаза по-равномерно и да възпрепятства появата на дефекти като дупки и пукнатини. Следователно, покрития с отлични свойства могат да бъдат получени чрез технология за лазерно облицоване с електромагнитно поле. Технологията за лазерно облицоване с помощта на електромагнитно поле е иновация на традиционната технология за лазерна обработка. Той може не само да насърчи прилагането на електромагнитната теория в технологията за лазерна обработка, но също така да насърчи развитието на технология за лазерно повторно производство на повърхността на високоефективни части. Има широки перспективи за теоретични изследвания и инженерни приложения.