6. LASEROWE NATAPIANIE POWŁOK

Do najczęściej stosowanych na skalę przemysłową wysokoenergetycznych tech­nologii otrzymywania powłok metalicznych i ceramicznych, o szerokim zakresie gru­bości, należy w chwili obecnej zaliczyć: natryskiwanie cieplne [1-4] oraz metody spa­walnicze [5, 6]. Procesy te swą popularność, przy pokrywaniu nowych lub regeneracji zużytych części, zawdzięczają określonym zaletom, do których zalicza się: dużą wy-'abiność w nakładaniu relatywnie grubych powłok, różnorodność nakładanych mate­riałów, prostą technologię, łatwość obsługi urządzeń i przeszkolenia personelu [7]. TNatapianie laserowe jest techniką konkurencyjną do powyższych, technologicznie Miską metodom spawalniczym, ale różniącą się szczególnymi właściwościami źródła energii [8].

Natapianie laserowe (LSC - ang: laser surface ciadding) zasadniczo różni się od wymienionych technologii tym, że do topienia materiału powłokowego wykorzystuje crergię wiązki laserowej. Schemat procesu przedstawia rys. 6.1, na którym pokazano

-' :-owe natapianie powłok przy wykorzystaniu jako materiału natapianego proszku. - rys. 6.1b pokazano w powiększeniu fragment rys. 6. la, który wyjaśnia proces for-

- - ^;. ania powłoki na podłożu w wyniku laserowego przetapiania podawanego proszku

•:.irychmiastowej krystalizacji. Na granicy powłoki i materiału podłoża tworzy się arefa przejściowa, której skład chemiczny zależy od udziału procentowego materiału z

•adiopionego podłoża.

Proszek materiału natapianego podawany jest współosiowo lub zewnętrznie (jak im pokazano na rys. 6.1) w obszar oddziaływania promieniowania laserowego na po­wierzchnię przedmiotu. Tam jest topiony wraz z cienką warstwą podłoża i krzepnąc ' : ~zy napoinę metalurgicznie z nim zespoloną. Dzięki stosowaniu układów optycz-: -n. których najprostszą odmianą jest soczewka płasko-wypukła, można nadawać '•'-ązce laserowej pożądany kształt i rozkład energii na przekroju. Można też ognisko­wać ją, uzyskując niemal dowolną gęstość mocy na obrabianej powierzchni, w zakresie k lO^ do l O³ W/cm² [9], zależnie od dostępnej mocy wiązki oraz średnicy wiązki lase-awej. Zapewnia to niezwykłą elastyczność przy doborze warunków natapiania lase-iii«w«>ego, pozwalając dostosowywać je indywidualnie dla określonych materiałów

\ Zwierciadło

a

Wiązka laserowa

Argon ł

-^

:•:•:•:•:•:•»:• Pojemnik

'i'y.'y^'w z

';•;•;•;•;«;•;•;•; proszkiem $^^^===-«- Argon

Soczewkaobiektywowa •ł'-~g—-lf

Powłoka

Podajnik proszku Osłona

Materiał Kierunek ruchu materiału

b

Wiązka laserowa

Rys. 6. l. Schemat procesu laserowego natapiania powłok - a, powiększony fragment z „a" pokazujący oddziaływanie wiązki promieniowania z proszkiem i tworzenie powłoki - b.

powłoki i podłoża. Oprócz mocy wiązki i średnicy plamki laserowej, istotnymi para­metrami kontroli procesu są: szybkość ruchu obrabianej powierzchni względem wiązki lasera oraz ilość dostarczanego proszku. Precyzyjna kontrola energii wykorzystywanej w procesie oraz jej rozkładu na powierzchni obrabianej, pozwala w szerokim zakresie regulować szybkość chłodzenia natapianego materiału, przy czym może ona osiągać wartość powyżej l O⁶ K/s [10]. W porównaniu do powłok otrzymanych technikami natryskiwania cieplnego i spawalniczymi, strukturę powłok nanoszonych laserowo charakteryzuje drobnoziamistość, przesycenie roztworów stałych pierwiastkami sto­powymi, mały wpływ podłoża na skład chemiczny powłoki, większa twardość i znacz-

212 Lasery i ich zastosowanie w inżynierii materiałowe/

warstwy o określonej, możliwie małej grubości. Część promieniowania, odbita od pc wierzchni, jest absorbowana przez dostarczany w sposób ciągły proszek (rys. 6.2 A Następnie nagrzany proszek pada na nadtopioną powierzchnię podłoża, gdzie uleg, całkowitemu stopieniu [27], po czym następuje intensywne mieszanie obu materiałów dzięki dyfuzji w stanie ciekłym oraz prądów konwekcyjnych w ciekłym metali (rys. 6.2 B i C). Ze względu na intensywne odprowadzanie ciepła przez chłodne, głę­biej położone warstwy podłoża, ciekły metal krzepnie natychmiast po przejściu wiązki laserowej do nowego obszaru. Front krzepnięcia przesuwa się od podłoża w kierunku powierzchni warstwy natapianej (rys. 6.2 D). Według obliczeń Frenka i Kurza [l O], w zależności od parametrów obróbki, gradient temperatury na granicy faz ciekłej i stałej mieści się w zakresie od 2-10⁵ do l.5-10⁶ K/m. Szybkość przemieszczania frontu kry­stalizacji wynosi wtedy od 1,67-10'³ do l,67-10'¹ m/s. W rezultacie na podłożu uzy­skuje się powłokę o składzie chemicznym Ax+Bi-x- (rys. 6.2 E). Zawartość składnika B w stopie zależy od parametrów procesu i własności materiałów A i B [12J.

^

Proszek metalu

Warstwa natopiona

Rys. 6.2. Schemat kolejnych faz procesu natapiania laserowego [26].

6. 2. Zalety i ograniczenia stosowania laserów do natapiania powłok

Dzięki szczególnym własnościom wiązki laserowej jako źródła energii, technika natapiania powłok laserem posiada szereg zalet wyróżniających ją spośród konwencjo­nalnych metod spawalniczych lub natryskowych. Ze stosowania laserów do nakładania powłok na powierzchnie materiałów wynikają następujące korzyści:

• dzięki precyzyjnej kontroli grubości nadtopionej warstwy podłoża, zmiana składu chemicznego materiału powłoki skutkiem rozpuszczania w niej materiału podłoża mo­że zostać zredukowana poniżej 2°/o udziału pierwiastków z podłoża [28],

• kontrola gęstości mocy i jej rozkładu na przekroju wiązki laserowej powoduje, że na­grzewanie ma charakter lokalny, zmniejszając tym samym ryzyko wystąpienia od-

6. Laserowe natapianie powłok 213

kształceń termicznych obrabianych elementów, jak również minimalizując wielkość strefy wpływu ciepła w podłożu [23],

• poprzez odpowiedni dobór parametrów procesu uzyskuje się drobnoziarnistą struktu­rę, z możliwością j ej kształtowania od komórkowej do ukierunkowanej, dendrytycznej [25, 29],

• proces stwarza możliwość wytwarzania nowych materiałów zawierających fazy meta-stabilne i przesycone roztwory stale [30],

• po natapianiu powłoka metaliczna osiąga 100% gęstości i jest metalurgicznie połą­czona z podłożem [23],

• istnieje możliwość kontroli grubości i kształtu natapianej warstwy, dzięki czemu po natapianiu uzyskuje się wymiary bliskie wymiarom gotowego elementu, co obniża koszty obróbki wykańczającej [12, 23, 27, 31],

• powierzchnia po natapianiu jest dostatecznie gładka [11, 32],

• wiele materiałów o różnych własnościach może być natapianych przy użyciu jednego urządzenia [23],

• podczas procesu natapiania można płynnie zmieniać skład chemiczny powłoki, dozując proszek jednocześnie z dwóch lub więcej podajników sterowanych kompute­rowo [33],

• dzięki możliwości szybkiego tworzenia stopów o zmodyfikowanym składzie chemi­cznym, można szybko i przy małych nakładach badać ich własności [34],

• stosując proces dwustopniowy, w połączeniu np. z natryskiem plazmowym, można natapiać materiały o wysokiej temperaturze topnienia na niskotopliwe, przy czym istnieje ryzyko wystąpienia porowatości na granicy materiałów [31, 35],

• proces jest łatwy do automatyzacji i kontroli w trakcie natapiania [32, 36],

• istnieje możliwość powlekania dużych powierzchni przez wzajemne, częściowe zacho­dzenie kolejno natapianych ścieżek [37], przy czym modyfikacją tej metody jest proces napawania powierzchni rur przez natapianie pojedynczej ścieżki w kształcie spirali, opracowany przez Nippon Koken [38],

• energia promieniowania laserowego jest czysta chemicznie [24],

• metoda jest bezkontaktowa [37],

• natapianie można realizować w dowolnym kierunku i pod różnymi kątami [32, 36],

• powłoki można wykonywać w miejscach trudnodostępnych, np. wewnątrz rury o śred­nicy ok. 50 mm [23],

• wiązka laserowa nie wymaga próżni podczas pracy i nie wytwarza promieniowania rentgenowskiego [37],

• wiązka laserowa jest kształtowana i kierowana bez użycia cewek elektromagne­tycznych i nie ulega ugięciu w polu magnetycznym [37].

Zjawiskiem niekorzystnym, obserwowanym przy laserowym natapianiu warstw na dużych powierzchniach, jest występowanie stref wpływu ciepła w powłoce, w któ-

214 Lasery i ich zastosowanie w inżynierii materia/owe/

rych następuje rozrost ziaren w obszarach wzajemnego zachodzenia pojedyncz ścieżek [UJ. Pewnym ograniczeniem stosowania laserowej technologii nanoszę powłok jest również wysoki koszt inwestycji związanych z zakupem sprzętu i niezb nego oprzyrządowania.

6.3. Czynniki wpływające na geometryczne i fizyczne cechy natapianej warstwy

W wyniku natapiania laserowego uzyskuje się na powierzchni przedmiotu w stwę w postaci ścieżki o przekroju poprzecznym pokazanym schematycznie na rys. 6 Geometryczne cechy pojedynczej ścieżki laserowej opisują następujące parametr szerokość S, całkowita grubość warstwy H, przyrost grubości elementu G (przy czy różnica (H-G) określa grubość przetopiego podłoża) oraz kąt boczny warstwy 9, mi rzony między podłożem, a styczną do powierzchni ścieżki przy zetknięciu z podłoże) [23].

podłoże metaliczne ^\ strefa

przejściowa

S- szerokość warstwy H - grubość warstwy G - przyrost grubości elementu O • kąt boczny warstwy

Rys. 6.3. Schemat przekroju poprzecznego i parametry opisujące pojedynczą ścieżkę uzyskaną w procesie natapiania laserem [23].

y^' .2 punktu widzenia użytkowego powłoki istotne są następujące jej własności: mi­krostruktura, twardość, skład chemiczny materiału po natapianiu, ciągliwość, grubość, przyleganie do podłoża, ciągłość oraz odporność na zużycie, korozję i zmęczenie [23J.

Uzyskanie optymalnych własności warstw natapianych laserowo, przy odpowied­nio dużej wydajności metody, ściśle zależy od prawidłowego doboru parametrów pro­cesu. Należy przy tym uwzględnić typ stosowanego lasera, konfigurację układu optycznego, własności materiału natapianego oraz sposób jego podawania, jak też wła­sności i geometrię podłoża. Ze względu na dużą ilość zmiennych kontrolujących pro-