Nombre Parcourir:22 auteur:Éditeur du site publier Temps: 2018-07-03 origine:Propulsé
Le revêtement de surface laser par injection de poudre est devenu une technique alternative aux méthodes conventionnelles pour produire des revêtements liés métallurgiquement de haute qualité sur des substrats métalliques avec une faible charge thermique dans la pièce [1]. Habituellement, l'objectif principal du revêtement laser est de modifier les performances de surface du substrat améliorant différentes propriétés [2]: mécanique (dureté, résistance à la fatigue et résistance à l'usure) [3], résistance à la corrosion [4], biocompatibilité [5], etc.
Dans cette technique, l'énergie fournie par le laser est utilisée pour faire fondre une fine couche du substrat tandis que les particules de poudre peuvent être fondues par l'interaction avec le faisceau laser ou / et lors de l'arrivée dans le pool de fusion formé sur le substrat. Un mouvement relatif entre le substrat et le jet laser / poudre permet de former une seule piste revêtue, tandis que le chevauchement de ces pistes donne une couverture grande surface [6]. Une grande variété de matériaux de revêtement précurseur a été testée: des superalliages [7] à la céramique avancée [8].
Plusieurs sources laser sont disponibles à des fins industrielles: CO2, ND: YAG, diodes laser à haute puissance et plus récemment des sources laser à haute luminosité telles que le disque ou le laser fibre. La disponibilité de ces nouvelles sources laser à haute luminosité ouvre quelques questions sur son utilité. Nous pouvons donc nous questionner: avons-nous besoin de sources de luminosité élevées pour le revêtement laser? Y a-t-il un avantage d'utiliser une source de luminosité élevée pour le revêtement laser? Eh bien, l'objectif du présent document est d'essayer de répondre à ces questions. À cette fin, nous avons sélectionné un laser ND: YAG et un laser pour effectuer des essais revêtus dans lesquels toutes les conditions expérimentales étaient les mêmes (y compris la même configuration expérimentale) à l'exception de la source laser.
2.1.
Des plaques plates de l'AISI 304 en acier inoxydable (50 × 50 mm2) 10 mm d'épaisseur ont été utilisées comme substrats. Afin de délimiter parfaitement les caractéristiques géométriques des pistes revêtues, toutes les plaques montrent un fi nishing élevé poli (RAB 0,5 μm). La poudre de superalliage à base de Co (ORIC; France) (taille moyenne des particules de 90 μm et de la densité du robinet de 4,6 g / cm3) a été utilisée comme matériau de revêtement précurseur. Les compositions chimiques du substrat et du matériau précurseur sont collectées dans le tableau 1.
2.2.methods
2.2.1.Laser Systèmes
La technique de soufflage de poudre latérale a été appliquée pour obtenir le revêtement par revêtement de surface laser. Une buse hors axe injecte le flux de poudre dans la zone d'interaction entre le faisceau laser et le substrat, qui est déplacé par une étape motorisée afin de générer la piste de revêtement.
Deux sources laser différentes ont été utilisées: la première source laser était un laser ND: YAG de type Ro fi n-Sinar RSY500p ND: YAG avec une puissance maximale de 500 W, λ = 1064 nm. Il a été guidé au moyen d'un fibre de diamètre de noyau de 600 µm et couplé à la station de travail via l'optique en expansion et en collimation. La deuxième source laser était un laser à filet dopé à la monomode à luminosité élevée (SPI SP-200), offrant une puissance maximale de 200 W et fonctionnant à λ = 1075 nm. De même, il a été guidé vers la station de travail au moyen d'un filet passif (diamètre du noyau 50 µm), étendu et collimaté par une lentille de collimation.
Afin de mesurer la qualité des deux faisceaux laser, un analyseur Spiricon (LBA-300PC) a été utilisé. La figure 1 montre un exemple de l'analyse réalisée pour les deux lasers après l'optique en expansion et en collimation. La valeur mesurée du facteur M2 est M2 = 10 pour le laser ND: YAG et M2 = 1,8 pour le laser fibre. Dans toutes les expériences, le faisceau laser a été focalisé exactement sur la surface du substrat en utilisant la même optique de mise au point: un doublet cimenté de 80 mm de distance focale, obtenant un diamètre de tache de 250 μm dans le cas du laser ND: YAG et 40 μm lorsque le Le laser fixe a été utilisé. La puissance moyenne optique variait entre 40 et 100 W pendant l'expérimentation.
2.2.2.
La poudre de précurseur a été injectée dans la zone d'interaction au moyen d'un ruisseau en argon et d'un injecteur gaz-solide couplé à une trémie. La con fi guration de l'injecteur gaz-solide était constituée en une buse axiale et la trémie verticale sur le côté [2]. Une valeur de 20 mg / s a été maintenue constante pour le flux de masse avec un flux volumétrique de gaz de 2,7 l / min; Le flux de poudre présentait environ 1 mm de diamètre dans la zone d'interaction.
2.2.3.3 génération de mouvement et positionnement
Pendant l'expérimentation, la tête de travail, y compris l'optique de mise au point et le système d'injection de poudre pneumatique, a été maintenue immobile. Le substrat a été déplacé au moyen d'une étape de traduction motorisée XY Modèle PI M-531.pd. Des pistes de revêtement d'une longueur de 45 mm ont été produites en variant la vitesse de balayage de 0,5 à 10,0 mm / s.
2.3. Caractérisation de l'échantillon
Les pistes de revêtement obtenues étaient géométriques caractérisées au moyen d'un microscope stéréoscopique équipé d'un positionneur de scène XY avec une résolution de 1 µm (Nikon SMZ10-A). Les échantillons ont été intégrés dans de la résine acrylique acry-fi x pour exécuter les observations en coupe transversale de la piste. Ils ont été coupés puis polis avec une série de papiers SIC abrasifs jusqu'au grade 1200, suivis d'une pâte de diamant jusqu'à 0,1 µm. Ensuite, les échantillons ont été enrobés en carbone et examinés par SEM. La dureté et le module de Young ont été mesurés par nanoindentation appliquant une charge maximale de 200 mN avec un indente de berkovich en diamant pyramide à trois côtés. La technique de mesure de la rigidité continue a été utilisée dans un équipement XP nanoindenter MTS.
Une analyse détaillée et systématique des pistes de revêtement produites par les deux sources laser a été réalisée. Comme le montre la figure 2, la largeur dépend principalement de la puissance moyenne du faisceau laser. Ce comportement est en bon accord avec les travaux précédents [9]. La tache de faisceau laser sur la surface du substrat est le facteur limitant de la croissance latérale de la piste recouverte; En ce sens, la meilleure focalisation du laser fibre est clairement notée, conduisant à des pistes considérablement étroites. L'incrément de largeur en raison des incréments de puissance moyenne est assez similaire pour les deux sources laser, tandis que l'effet de l'augmentation de la vitesse de traitement semble être une très légère réduction de la largeur vêtue (voir Fig. 2.b).
La hauteur vêtue montre une réduction lorsque les intérêts de la vitesse de balayage pour les deux sources laser. De nos expériences de revêtement laser côté, le laser se concentre sur la surface du substrat et la poudre est injectée du côté. Par conséquent, les particules ne sont pas exposées au rayonnement laser suffisamment de temps pour fondre avant d'empiéter sur le pool fondu et, par conséquent, les particules fondent principalement par interaction avec le pool fondu du substrat. Du point de vue du substrat, l'énergie disponible par unité dépend de la puissance moyenne laser, de la taille du spot et de la vitesse de balayage. Il peut être estimé par le paramètre de densité d'énergie (P / Vd, où P: Power moyenne, V: vitesse de balayage et D: diamètre du point) [1]. Comme la vitesse de balayage augmente moins d'énergie par unité de longueur contribue à la formation de pool fondu. Le comportement de la hauteur de la gigue en fonction de la densité d'énergie est tracé sur la figure 3. un comportement similaire a été obtenu avec les deux types de lasers.
De plus, la quantité de particules de matériau précurseur disponibles par unité de longueur est modifiée par la vitesse de balayage et la taille du spot, en supposant que la tache du faisceau laser est entièrement recouverte du diamètre du flux de poudre. La quantité de particules arrivant à la piscine fondue peut être considérée comme proportionnelle au flux de masse et à la taille du spot, et inversement proportionnelle à la vitesse de balayage (paramètre m · d / v, où m: flux de masse) [9]. Par conséquent, l'augmentation de la vitesse de balayage a un double effet réduisant la densité d'énergie et également la quantité de particules capturées par le pool fondu, qui est reflété par une réduction de la hauteur vêtue. Pour le laser ND: YAG, il a été constaté une corrélation satisfaisante (r = 0,98) de la hauteur de la revêtement avec le paramètre combiné (P - P0) / V2, où p0 = 31 W, (voir Fig. 4). La valeur de P0 a été déterminée expérimentalement et peut être liée à l'énergie minimale requise pour produire un dépôt appréciable du matériau. Pour les pistes produites par le laser fibre, une corrélation (r = 0,95) de la hauteur du laser fibre avec l'inverse de la vitesse de traitement a été trouvée (voir Fig. 5). Ce comportement peut s'expliquer par sa luminosité supérieure du faisceau et les valeurs de densité d'énergie élevées associées. La forte énergie axée sur le pool fondu conduit à une proportion plus élevée de particules capturées / gênées. Dans cette situation, les variations du pouvoir moyen ont moins d'importance et la quantité de particules arrivant a une influence majeure sur le volume de matériau fondu et la hauteur vêtue résultante.
L'aspect - ratio (largeur / hauteur) des pistes est tracé par rapport à la vitesse de traitement sur la figure 6. On peut clairement voir que la largeur / hauteur de Nd: YAG revêtement progresse fortement, dans l'opposé de celles obtenues par le laser fibre. En conséquence de la largeur vêtu et de la dépendance de la hauteur des paramètres de traitement précédemment discutés, le rapport d'aspect du ND: YAG Laser Clad Track Results est proportionnel au carré de vitesse de traitement; Alors que dans le cas de ceux obtenus par le laser fibre, le rapport d'aspect est proportionnel à la vitesse de traitement et se développe plus lent avec ce paramètre de traitement.
À une vitesse de traitement fixe, le rapport d'aspect des pistes généré par le laser ND: YAG est considérablement plus élevé que celui des pistes générées par le laser fibre. Lorsque vous travaillez avec le laser fibre, une vitesse de balayage plus élevée est nécessaire pour obtenir des valeurs de rapport d'aspect adaptées à la production de revêtements par chevauchement de piste [6]. Pour la même vitesse de traitement, la densité d'énergie (P / VD) du rayonnement ND: YAG est plus faible en raison d'une tache plus large que celle obtenue par rayonnement fibre. Comme il est bien connu, ce fait est une conséquence de la meilleure qualité de faisceau du laser fibre. La densité d'énergie plus élevée permettra d'attraper plus de particules du flux de poudre. De plus, le diamètre de la tache réduit du laser fibre concentre l'énergie dans une zone plus petite, en évitant la piscine foncière, se propageant de manière transversale dans la direction de balayage. La conséquence d'une poudre de précurseur plus fondue dans une zone plus petite est la croissance rapide de la hauteur vêtue des pistes laser fibre. Ce fait est bien illustré sur la figure 7 qui montre les images SEM en coupe transversale des pistes revêtues produites par les deux types de lasers dans des conditions similaires.
En ce qui concerne la dilution des pistes déposées, la dilution géométrique mesurée (dilution géométrique a été calculée en fonction de la formule suivante géom. DilUt. = H2 / (H + H2), où H: Hauteur de revêtement et H2: profondeur de pénétration revêtue, voir Réf. [10 ]) a été tracé en fonction de la vitesse de balayage (voir les figures 8 et 9). La dilution géométrique obtenue à partir des deux sources laser montre une tendance similaire, et répond au comportement combiné de la hauteur vêtu et de la pénétration Fig. 10. Valeurs moyennes de dureté en fonction de la profondeur pour les lasers ND: YAG et FIGE (puissance laser 95 W, énergie densité 165 J / mm2) .Depth. Pour le laser ND: YAG, la dépendance logarithmique de la vitesse de protection est observée, tandis que pour le laser fibre, un meilleur ajustement a été trouvé avec le paramètre combiné PV. La plupart des conditions testées conduisent à des valeurs de dilution géométrique élevées en raison du faible diamètre de la tache et de la densité d'énergie élevée.
Il a été constaté que la dureté diminuait légèrement lors de l'augmentation de la profondeur dans la section transversale de la piste (voir Fig. 10); Ce comportement est en bon accord avec la présence plus élevée d'éléments de substrat dilués dans le matériel de revêtement tout en se rapprochant de l'interface. La zone en dessous de l'interface présente des valeurs de dureté dans une certaine mesure plus élevées que le substrat tel qu'intermédiaire. Le comportement de la dureté à travers la section transversale est similaire pour les deux sources laser; Les valeurs de dureté moyennes obtenues avec le laser fibre sont légèrement supérieures lorsqu'ils atteignent une certaine profondeur en raison de la pénétration du laser plus élevée sur le substrat. Les valeurs moyennes du module du jeune étaient de 250 GPa pour les pistes obtenues avec le laser ND: YAG et 290 GPa pour celles obtenues avec le laser fibre.
Le revêtement laser assisté par le laser fibre a révélé une fenêtre de traitement plus large en termes de plage de vitesse par rapport à un laser ND: YAG conventionnel. Les pistes rectifiées obtenues dans les mêmes conditions de traitement sont plus épaisses et plus étroites que celles produites par le laser ND: YAG. Néanmoins, la dilution et la profondeur de pénétration dans le substrat sont également plus élevées. Ce fait est attribuable à la meilleure qualité de faisceau du faisceau laser fibre. Des valeurs de dureté similaires ont été obtenues pour les pistes produites par les deux types de lasers.
Par conséquent, dans la gamme des paramètres étudiés dans ce travail, on peut conclure qu'un laser à luminosité élevée n'est recommandé que lorsque des pistes revêtues très étroites sont nécessaires mais pas pour les pistes larges régulières utilisées pour les gros revêtements.
Remerciements
Ce travail a été partiellement financé par le gouvernement espagnol (CICYT MAT2006-10481, Dex-560410-2008-169 et FPU AP2006-03500 Grant) et par Xunta de Galicia (PGID06TMT00501CT, PGIDID06PXIA3086IF, INCTI07PXI303112ES, et 300800. L'assistance du personnel technique de CACTI (Université de Vigo) est remerciée.
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