Número Browse:27 Autor:editor do site Publicar Time: 2018-07-03 Origem:alimentado
O revestimento da superfície do laser por injeção de pó tornou -se uma técnica alternativa aos métodos convencionais para produzir revestimentos de alta qualidade e ligados metalurgicamente em substratos metálicos com baixa carga térmica na peça de trabalho [1]. Geralmente, o principal objetivo do revestimento a laser é modificar o desempenho da superfície do substrato, melhorando diferentes propriedades [2]: mecânica (dureza, resistência à fadiga e resistência ao desgaste) [3], resistência à corrosão [4], biocompatibilidade [5], etc.
Nesta técnica, a energia fornecida pelo laser é usada para derreter uma camada fina do substrato, enquanto as partículas de pó podem ser derretidas pela interação com o feixe do laser ou/e ao chegar ao pool de fusão formado no substrato. Um movimento relativo entre o substrato e o jato de laser/pó permite a formação de uma única pista revestida, enquanto a sobreposição dessas faixas oferece cobertura de área grande [6]. Uma grande variedade de materiais de revestimento precursor foi testada: das super -operações [7] a cerâmicas avançadas [8].
Várias fontes a laser estão disponíveis para fins industriais: CO2, ND: YAG, diodos a laser de alta potência e mais recentemente fontes de laser de alto brilho, como disco ou laser de fibra. A disponibilidade dessas novas fontes a laser de alto brilho abre algumas perguntas sobre sua utilidade. Para que possamos nos questionar: precisamos de fontes de alto brilho para o revestimento a laser? Existe algum benefício para usar uma fonte de alto brilho para revestimento a laser? Bem, o objetivo do presente artigo é tentar responder a essas perguntas. Para esse fim, selecionamos um ND: YAG e um laser de fibra para realizar ensaios revestidos nos quais todas as condições experimentais eram as mesmas (incluindo a mesma configuração experimental), exceto a fonte do laser.
2.1.Materials
Placas planas de aço inoxidável AISI 304 (50 × 50 mm2) com 10 mm de espessura foram usadas como substratos. Para delimitar perfeitamente as características geométricas das trilhas revestidas, todas as placas mostram um algodão de surfacis polido (RAB 0,5 μm). A super-alojada baseada em Co (ORIC; França) em pó (tamanho médio de partícula de 90 μm e densidade da TAP de 4,6 g/cm3) foi usada como material de revestimento precursor. As composições químicas do substrato e do material precursor são coletadas na Tabela 1.
2.2.. Modos
2.2.1.Laser Systems
A técnica de sopro de pó lateral foi aplicada para obter o revestimento pelo revestimento da superfície do laser. Um bico fora do eixo injeta o fluxo de pó na zona de interação entre o feixe a laser e o substrato, que é movido por um estágio motorizado para gerar a faixa de revestimento.
Foram utilizadas duas fontes a laser diferentes: a primeira fonte de laser foi uma ND: YAG Laser do tipo RSY500P, tipo RSY500, com uma potência máxima de 500 W, λ = 1064 nm. Foi guiado por meio de uma fibra de diâmetro do núcleo de 600 µm e acoplado à Estação de Trabalho por meio da expansão e colimação da óptica. A segunda fonte do laser foi um laser de fibra dopado com alto brilho do monomodo (SPI SP-200), fornecendo uma potência máxima de 200 W e trabalhando a λ = 1075 nm. Da mesma forma, foi guiado à estação de trabalho por meio de uma fibra passiva (diâmetro do núcleo 50 µm), expandida e colimada por uma lente colimadora.
Para medir a qualidade de ambos os vigas a laser, foi utilizado um analisador Spiricon (LBA-300PC). A Fig. 1 mostra um exemplo da análise realizada para ambos os lasers após a óptica em expansão e colimação. O valor medido do fator M2 é m2 = 10 para o laser nd: yag e m2 = 1,8 para o laser de fibra. Em todas as experiências, o feixe de laser foi focado exatamente na superfície do substrato usando a mesma óptica de foco: um dupleto cimentado de 80 mm de distância focal, obtendo um diâmetro de 250 μm no caso do laser nd: yag e 40 μm quando o foi utilizado o laser de fibra. A potência média óptica variou entre 40 e 100 W durante a experimentação.
2.2.2.
O pó precursor foi injetado na zona de interação por meio de um fluxo de transmissão de argônio e um injetor de gás -sólido acoplado a uma tremonha. A configuração do injetor de gás -sólido consistia em um bico axial e na tremonha vertical no lado [2]. Um valor de 20 mg/s foi mantido constante para o fluxo de massa com um fluxo volumétrico de gás de 2,7 L/min; O fluxo de pó apresentou aproximadamente 1 mm de diâmetro na zona de interação.
2.2.3. Geração e posicionamento de movimento
Durante a experimentação, a cabeça de trabalho, incluindo a óptica de foco e o sistema de injeção de pó pneumático, foi mantida imóvel. O substrato foi movido por meio de um estágio de tradução motorizado XY PI Modelo M-531.pd. As faixas de revestimento de 45 mm de comprimento foram produzidas variando a velocidade de varredura de 0,5 a 10,0 mm/s.
2.3. Caracterização da amostra
As faixas de revestimento obtidas foram geométricas caracterizadas por meio de um microscópio estereoscópico equipado com um posicionador de estágio XY com resolução de 1 µm (Nikon SMZ10-A). As amostras foram incorporadas em resina acrílica de acry para executar as observações de seção transversal da pista. Eles foram cortados e subsequentemente polidos com uma série de papéis SIC abrasivos até a 1200 anos, seguidos por acabamento de pasta de diamante até 0,1 µm. Em seguida, as amostras foram revestidas de carbono e examinadas por SEM. A dureza e o módulo de Young foram medidos por nanoindentação, aplicando uma carga máxima de 200 MN com um indentador de diamante de diamante de três lados da pirâmide. A técnica de medição de rigidez contínua foi usada em um equipamento XP Nanoindenter MTS.
Foi realizada uma análise detalhada e sistemática das faixas de revestimento produzidas pelas duas fontes a laser. Como mostrado na Fig. 2, observa -se que a largura depende principalmente da potência média do feixe do laser. Esse comportamento está de acordo com os trabalhos anteriores [9]. O ponto de feixe a laser na superfície do substrato é o fator limitante para o crescimento lateral da trilha revestida; Nesse sentido, a melhor focabilidade do laser de fibra é claramente observada, levando a faixas consideravelmente estreitas. O incremento de largura devido a incrementos médios de potência é bastante semelhante para as duas fontes do laser, enquanto o efeito de aumentar a velocidade de processamento parece ser uma redução muito ligeira da largura do revestimento (ver Fig. 2.b).
A altura revestida mostra uma redução quando a velocidade de varredura contém as duas fontes do laser. Em nosso lado, as experiências de revestimento a laser, o laser está focado na superfície do substrato e o pó é injetado do lado. Portanto, as partículas não são expostas à radiação a laser, tempo suficiente para derreter antes de afetar o pool fundido e, portanto, as partículas derretem principalmente por interação com o pool fundido do substrato. Do ponto de vista do substrato, a energia disponível por unidade de comprimento depende da potência média do laser, do tamanho do ponto e da velocidade de varredura. Pode ser estimado pelo parâmetro de densidade de energia (P/VD, onde P: Potência média, V: Velocidade de varredura e D: diâmetro do ponto) [1]. À medida que a velocidade de varredura aumenta menos energia por unidade de comprimento contribui para a formação de pool fundido. O comportamento da altura vestida em função da densidade de energia é plotado na Fig. 3. Comportamento semelhante foi obtido com os dois tipos de lasers.
Além disso, a quantidade de partículas de material precursor disponível por unidade de comprimento é modificada pela velocidade de varredura e pelo tamanho do ponto, assumindo que o ponto do feixe de laser seja totalmente coberto pelo diâmetro do fluxo de pó. A quantidade de partículas que chegam ao pool fundido pode ser considerada proporcional ao fluxo de massa e ao tamanho do ponto, e inversamente proporcional à velocidade de varredura (parâmetro m · d/v, onde m: fluxo em massa) [9]. Consequentemente, o aumento da velocidade de varredura tem um efeito duplo, reduzindo a densidade de energia e também a quantidade de partículas capturadas pelo pool derretido, que é refletido por uma redução da altura revestida. Para o laser de ND: YAG, foi encontrado uma correlação satisfatória (r = 0,98) da altura do revestimento com o parâmetro combinado (P - P0)/V2, onde P0 = 31 W (ver Fig. 4). O valor de P0 foi determinado experimentalmente e pode estar relacionado com a energia mínima necessária para produzir uma deposição apreciável do material. Para as faixas produzidas pelo laser da fibra, foi encontrada uma correlação (r = 0,95) da altura de revestimento a laser de fibra com o inverso da velocidade de processamento (ver Fig. 5). Esse comportamento pode ser explicado por seu maior brilho do feixe e pelos valores de densidade de energia elevados associados. A alta energia focada no pool fundido leva a uma proporção maior de partículas capturadas/impactadas. Nesta situação, as variações do poder médio têm menos importância e a quantidade de partículas que chegam têm grande influência no volume de material fundido e na altura de revestimento resultante.
O aspecto - ratio (largura/altura) das faixas é plotado contra a velocidade de processamento na Fig. 6. Pode -se ver claramente que a largura/altura do ND: YAG Transmite as faixas de revestimento progredirem acentuadamente, no oposto dos obtidos pelo laser de fibra. Como conseqüência da dependência de largura e altura revestida dos parâmetros de processamento discutidos anteriormente, a razão de aspecto dos resultados da faixa revestida a laser do ND: YAG é proporcional ao quadrado de velocidade de processamento; Enquanto no caso dos obtidos pelo laser da fibra, a razão de aspecto é proporcional à velocidade de processamento e cresce mais lenta com esse parâmetro de processamento.
Em uma velocidade de processamento fixada, a razão de aspecto das faixas geradas pelo laser de ND: YAG é consideravelmente maior que a das faixas geradas pelo laser de fibra. Ao trabalhar com o laser de fibra, é necessária uma velocidade de varredura mais alta para obter valores de proporção de aspecto adequados para produzir revestimentos por sobreposição de pista [6]. Para a mesma velocidade de processamento, a densidade de energia (P/VD) da radiação ND: YAG é menor devido a um ponto mais amplo do que o obtido por radiação de fibra. Como é sabido, esse fato é uma conseqüência da melhor qualidade do feixe do laser da fibra. A maior densidade de energia permitirá capturar mais partículas do fluxo de pó. Além disso, o diâmetro pontual reduzido do laser de fibra concentra a energia em uma área menor, evitando a piscina derretida que se espalha transversalmente na direção de varredura. A conseqüência de um pó de precursor mais derretido em uma área menor é o rápido crescimento da altura vestida das trilhas a laser de fibra. Esse fato é bem ilustrado na Fig. 7, que mostra as imagens SEM de seção transversal das faixas revestidas produzidas por ambos os tipos de lasers em condições semelhantes.
Em relação à diluição das faixas depositadas, a diluição geométrica medida (a diluição geométrica foi calculada de acordo com a seguinte fórmula geom. ]) foi plotado em função da velocidade de varredura (ver Figs. 8 e 9). A diluição geométrica obtida de ambas as fontes a laser mostra uma tendência semelhante e responde ao comportamento combinado da altura revestida e à penetração Fig. 10. Valores médios de dureza de acordo com a profundidade para lasers de ND: YAG e Fre -Bre (Laser Power 95 W, energia densidade 165 j/mm2) .Depth. Para o laser ND: YAG, é observada dependência logarítmica da velocidade de procesos, enquanto para o laser da fibra melhor ajustou-se com o parâmetro combinado PV. A maioria das condições testadas leva a altos valores de diluição geométrica devido ao baixo diâmetro do ponto e à densidade de energia elevada.
Verificou-se que a dureza diminuiu ligeiramente ao aumentar a profundidade na seção transversal da pista (ver Fig. 10); Esse comportamento está de acordo com a maior presença de elementos de substrato diluídos no material de revestimento enquanto se aproxima da interface. A zona abaixo da interface apresenta valores de dureza em certa medida mais altos que o substrato, conforme recebido. O comportamento da dureza na seção transversal é semelhante para ambas as fontes a laser; Os valores médios de dureza obtidos com o laser da fibra são ligeiramente superiores ao atingir uma certa profundidade devido à maior penetração a laser de fibra no substrato. Os valores médios do módulo de Young foram 250 GPa para as faixas obtidas com laser de ND: YAG e 290 GPa para os obtidos com o laser de fibra.
O revestimento a laser assistido pelo laser de fibra revelou uma janela de processamento mais ampla em termos de faixa de velocidade em comparação com um laser ND: YAG convencional. As faixas revestidas obtidas nas mesmas condições de processamento são mais espessas e mais estreitas do que as produzidas pelo laser ND: YAG. No entanto, a profundidade de diluição e penetração no substrato também é maior. Esse fato é atribuído à melhor qualidade do feixe do feixe de laser de fibra. Valores de dureza semelhantes foram obtidos para as faixas produzidas pelos dois tipos de lasers.
Portanto, na faixa de parâmetros estudados neste trabalho, pode -se concluir que um laser de alto brilho é recomendado apenas quando trilhas com revestimento muito estreitas são necessárias, mas não para trilhas amplas usadas para revestimentos grandes.
Agradecimentos
Este trabalho foi parcialmente financiado pelo governo espanhol (CYCYT MAT2006-10481, DEX-560410-2008-169 E FPU AP2006-03500 GRANT) e XUNTA de Galicia (PGIDIT06TMT00501CT, pgidit06pxia306 ° 21tmt1ct1ct1s10106f1 ° A assistência da equipe técnica de Cacti (Universidade de Vigo) é reconhecida com gratidão.
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