Laserkatted on pinna modifitseerimise tehnoloogia, mis kasutab suure energiaga laserkiirt soojusallikana, et sadestada aluspinnale eriomadustega sulamkate. Selle eelisteks on madal lahjendusmäär, väike kuumusest mõjutatud tsoon, kõrge aluspinnaga sidumistugevus ja väike keskkonnareostus. Seetõttu kasutatakse seda laialdaselt pindade parandamisel ja selliste põhikomponentide tugevdamisel nagu autotootmine, naftakeemiatööstus ja kaevandusmasinad.
Laserkattedon keeruline metallurgiline protsess, mis hõlmab füüsikat, keemiat ja materjale. Selle kiire kuumutamise ja karastamise tahkestumise omadused põhjustavad sageli defekte, nagu praod ja poorid kattekihis. Varasemates uuringutes kõrvaldasid kodu- ja välismaised teadlased peamiselt laserkatte katete defekte või vähendasid neid materjali kavandamise ja protsessiparameetrite optimeerimise kaudu. Kõrge kõvadusega sulamist katete puhul on aga endiselt raske kõrvaldada struktuurseid defekte, muutes olemasolevat protsessi, mis nõuab katte tahkestumise struktuuri kontrollimist välise välja abil, parandades seeläbi katte kvaliteeti. Välise välja abitehnoloogiana on elektromagnetvälja eelisteks erinevad kombinatsioonid, hea juhitavus ja keskkonnasõbralikkus. Seda on kasutatud valamisel, keevitamisel, lasertöötlusel ja muudes valdkondades. Elektromagnetvälja tekitatud elektromagnetilist jõudu kasutatakse sulatise segamiseks, mis võib põhjustada vedela metalli tugevat konvektsiooni sulabasseinis, homogeniseerida sulabasseini temperatuurivälja ja lahustunud ainete jaotust ning mängida rolli sulamistemperatuuri vähendamisel. ülejahutamine ja tahkestumise struktuuri viimistlemine.
1 Elektromagnetvälja mõjumehhanism laserkatte protsessile
Elektromagnetväli on kontaktivaba välisvälja abivahend. Laserkatte protsessi käigus interakteerub elektromagnetväli sulabasseinis oleva metallisulaga, et tekitada elektromagnetjõudu. Elektromagnetiline jõud muudab sulandi konvektiivset liikumist ning massiülekande ja soojusülekande protsessi ning seejärel mõjutab kattekihi tahkestumise protsessi. Elektromagnetvälja mõju sulatise liikumiskäitumisele kajastub peamiselt mitmes aspektis, nagu elektromagnetiline segamisefekt, elektromagnetiline pidurdusefekt, termilise elektromagnetilise vedeliku efekt, elektromigratsiooniefekt ja nahaefekt. Elektromagnetvälja mõju sulatise tahkestumise protsessile kajastub peamiselt mitmes aspektis, nagu tera killustumine, aatomirühma kõikumise efekt ja Joule'i kuumutusefekt.
2 Erinevate elektromagnetväljavormide mõju laserkattekihtide mikrostruktuurile ja omadustele
- Püsiseisundi magnetväli: Püsiseisundi magnetväli aitab summutada katte pinna lainetust, vähendada pragude arvu ja täpsustada katte struktuuri. Püsiseisundi magnetväli võib vähendada voolukiirust sulabasseinis, kuid sellel ei ole ilmset mõju temperatuuriväljale; kui püsiseisundi magnetvälja tugevus on teatud väärtusest suurem, on sellel märkimisväärne pärssiv toime sulakihi pinnalainele.
- Ebastabiilne magnetväli: vahelduv magnetväli mõjutab kattekihi laiust ja lahjenduskiirust vähe, samas kui selle kõrgus ja kontaktnurk vähenevad koos magnetvälja tugevuse suurenemisega ning kattekihi pinna tasasust mõjutavad ka magnetvälja tugevus ja sagedus. Võrreldes vahelduvate ja pöörlevate magnetväljadega saab impulssmagnetvälja perioodiliselt rakendada sulabasseinile, kontrollides magnetvälja tugevust ja sagedust. Laserkatte kiire kuumenemise ja kiire jahutamise protsessiomaduste tõttu on sulabasseini olemasolu aeg aga suhteliselt lühike, seega on impulssmagnetväljaga laserkattega seotud uuringuid suhteliselt vähe. Nagu joonisel näha, võivad nelja tüüpi magnetväljad võrreldes välise väljaabita valmistatud proovidega vähendada kattes tekkivate pragude arvu, täpsustada terasid ja suurendada katte kõvadust. Nende hulgas on impulss-magnetvälja abil laserkattel parim efekt, kuid kattes ilmneb kõva faasi eraldamise nähtus.
Ühtset elektrivälja kasutatakse laialdaselt keevitamisel ja valamisel, kuid laserkatte valdkonnas tehakse vähem uuringuid. Praegu kasutatakse laserkattes kahte peamist elektrivälja vormi: vahelduv elektriväli ja impulsselektriväli.
- Vahelduv elektriväli: elektromigratsiooniefekt paneb sulas olevad ioonid suunaga liikuma ja voolu džauli kuumutusefekt muudab sulandi temperatuuri, mõjutades seeläbi kattekihi tahkumisprotsessi. Vahelduvvool võib soodustada terade rafineerimist ja samal ajal suurendada katte põhjas oleva peeneteralise piirkonna kõrgust, mis aitab vähendada pragude teket. Vahelduvvoolu sisseviimine tekitab sulabasseinis pidevalt muutuva suunaga indutseeritud elektromagnetilise jõu, mis toimib sulabasseinis olevale vedelale metallile elektromagnetilise segava efektina, vähendab temperatuuri gradienti tahkestumise rindel ja aitab seega kaasa terade rafineerimine.
- Impulsselektriväli: impulssvoolul on katkestuse, varieeruvuse ja perioodilisuse omadused. Katteprotsessi ajal impulssvoolu rakendamine võib muuta sulamisvoolu kiirust ja sulas tekkiv nihkejõud võib moodustunud terad purustada, suurendada tuumade moodustumise kiirust ja täpsustada terad.
3 Elektromagnetvälja abiga laserkattematerjalide süsteem
Praegu on elektromagnetvälja abil põhinevat laserkatte tehnoloogiat rakendatud mitmesuguste legeeritud katete ja komposiitkatete valmistamisel. Sulamkatete puhul aitab elektromagnetväli parandada kattekomponentide homogeniseerimist ja sadestunud faaside jaotumist. Komposiitkatete puhul võib elektromagnetvälja elektromagnetiline segamisefekt muuta tugevdusfaasi jaotusomadusi sulabasseinis.
- Rauapõhine kate: Pärast elektromagnetvälja rakendamist väheneb magnetvälja tugevuse suurenedes kattekihi pinnakaredus, struktuur on oluliselt rafineeritud ning vähenevad defektid nagu poorid ja praod; paraneb katte kõvadus, kulumiskindlus ja korrosioonikindlus. Võrreldes ilma magnetväljata valmistatud kattekihiga, on magnetvälja abiga valmistatud katte kõvadusväärtus sügavuse suunas stabiilsem.
- Koobaltipõhine kate: Püsiseisundi magnetväli võib pärssida sulakogumi konvektsiooni ja rikastada makrosegregatsiooni ning maatriksielemendid võivad olla sulakogumi põhjas paremini jaotunud, nii et on lihtsam saavutada kattekiht, mille koostis on lähedane sulamipulbri koostisele. Magnetvälja tekitatud magnetostriktiivne efekt võib tõhusalt vähendada kattekihi soojuspaisumistegurit ja elastsusmoodulit, vähendada katteprotsessi ajal soojuspinget ja seejärel vähendada pragude tundlikkust.
- Komposiitkate: konstantne magnetväli ei mõjuta komposiitkatte faasilist koostist, kuid avaldab olulist mõju katte mikrostruktuurile ja keraamilise tugevdusfaasi jaotusele. Teatud magnetvälja tugevus soodustab konstruktsiooni viimistlemist ja keraamilise tugevdusfaasi jaotus konstruktsioonis on tihe. Joonisel on kujutatud elektromagnetilise komposiitvälja mõju koos püsiseisundi magnetvälja ja alalisvoolu elektriväljaga WC-osakeste jaotusele ja mikrostruktuurile laserkatte In718/WC komposiitkattes. Elektromagnetvälja tekitatud allapoole suunatud Lorentzi jõud võib suurendada Marangoni konvektsiooni sulabasseinis, mis aitab kaasa WC-osakeste ühtlasele jaotumisele komposiitkattes. Alalisvool võib suurendada eutektiliste karbiidide tuumade moodustumist ja täiustatud Marangoni konvektsioon võib purustada kolonnikujulisi dendriite, täpsustades seeläbi struktuuri.
4 Outlook
Elektromagnetvälja abil põhineva laserkattetehnoloogia abil saab juhtida kattekihi mikrostruktuuri, soodustada tera rafineerimist, vähendada koostise segregatsiooni, muuta tugevdusfaasi ühtlasemaks ja takistada defektide, näiteks aukude ja pragude teket. Seetõttu saab elektromagnetvälja abil laserkattetehnoloogia abil valmistada suurepäraste omadustega katteid. Elektromagnetvälja abiga laserkattetehnoloogia on traditsioonilise lasertöötlustehnoloogia uuendus. See ei saa mitte ainult edendada elektromagnetilise teooria rakendamist lasertöötlustehnoloogias, vaid soodustada ka laseri ümbertöötlemise tehnoloogia arendamist suure jõudlusega osade pinnal. Sellel on laialdased teoreetilised uuringud ja insenerirakenduste väljavaated.