Le revêtement laser est une technologie de modification de surface qui utilise un faisceau laser à haute énergie comme source de chaleur pour déposer un revêtement d'alliage aux propriétés spéciales sur un substrat. Il présente les avantages d'un faible taux de dilution, d'une petite zone affectée par la chaleur, d'une force de liaison élevée avec le substrat et d'une faible pollution de l'environnement. Par conséquent, il est largement utilisé dans la réparation de surface et le renforcement de composants clés tels que la fabrication automobile, l'industrie pétrochimique et les machines minières.
Rechargement laserest un processus métallurgique complexe impliquant la physique, la chimie et les matériaux. Ses caractéristiques de chauffage rapide et de solidification par trempe provoquent souvent des défauts tels que des fissures et des pores dans la couche de placage. Dans des études précédentes, des chercheurs nationaux et étrangers ont principalement éliminé ou réduit les défauts des revêtements de revêtement laser grâce à la conception de matériaux et à l'optimisation des paramètres de processus. Cependant, pour les revêtements en alliage très dur, il est encore difficile d'éliminer les défauts structuraux en modifiant le procédé existant, ce qui nécessite d'envisager de contrôler la structure de solidification du revêtement en appliquant un champ externe, améliorant ainsi la qualité du revêtement. En tant que technologie auxiliaire de champ externe, le champ électromagnétique présente les avantages de diverses combinaisons, d'une bonne contrôlabilité et du respect de l'environnement. Il a été appliqué dans le moulage, le soudage, le traitement au laser et d'autres domaines. La force électromagnétique générée par le champ électromagnétique est utilisée pour agiter la masse fondue, ce qui peut provoquer une forte convection du métal liquide dans le bain en fusion, homogénéiser le champ de température et la distribution du soluté du bain en fusion, et jouer un rôle dans la réduction du degré de surfusion et raffinage de la structure de solidification.
1 Mécanisme d'influence du champ électromagnétique sur le processus de gainage laser
Le champ électromagnétique est un moyen auxiliaire de champ extérieur sans contact. Pendant le processus de placage au laser, le champ électromagnétique interagira avec le métal fondu dans le bain en fusion pour générer une force électromagnétique. La force électromagnétique modifiera le mouvement convectif et le processus de transfert de masse et de transfert de chaleur de la masse fondue, puis affectera le processus de solidification de la couche de revêtement. L'influence du champ électromagnétique sur le comportement de mouvement de la masse fondue se reflète principalement dans plusieurs aspects tels que l'effet d'agitation électromagnétique, l'effet de freinage électromagnétique, l'effet de fluide électromagnétique thermique, l'effet d'électromigration et l'effet de peau. L'influence du champ électromagnétique sur le processus de solidification de la masse fondue se reflète principalement dans plusieurs aspects tels que la fragmentation des grains, l'effet de fluctuation de groupe atomique et l'effet de chauffage Joule.
2 Effets de différentes formes de champs électromagnétiques sur la microstructure et les propriétés des revêtements de placage laser
- Champ magnétique en régime permanent : Le champ magnétique en régime permanent aide à supprimer l'ondulation de surface du revêtement, à réduire le nombre de fissures et à affiner la structure du revêtement. Le champ magnétique en régime permanent peut réduire la vitesse d'écoulement à l'intérieur du bain de fusion, mais il n'a pas d'effet évident sur le champ de température ; lorsque l'intensité du champ magnétique en régime permanent est supérieure à une certaine valeur, elle a un effet inhibiteur significatif sur les ondulations de surface de la couche fondue.
- Champ magnétique instable : le champ magnétique alternatif a peu d'effet sur la largeur et le taux de dilution de la couche de revêtement, tandis que sa hauteur et son angle de contact diminuent avec l'augmentation de l'intensité du champ magnétique, et la planéité de la surface de la couche de revêtement est également affectée par l'intensité et la fréquence du champ magnétique. Par rapport aux champs magnétiques alternatifs et rotatifs, le champ magnétique pulsé peut être appliqué par intermittence au bain en fusion en contrôlant la force et la fréquence du champ magnétique. Cependant, en raison des caractéristiques de chauffage et de refroidissement rapides du revêtement laser, le temps d'existence du bain de fusion est relativement court, il existe donc relativement peu d'études sur le revêtement laser assisté par champ magnétique pulsé. Comme le montre la figure, par rapport aux échantillons préparés sans assistance de champ externe, les quatre types de champs magnétiques peuvent réduire le nombre de fissures dans le revêtement, affiner les grains et augmenter la dureté du revêtement. Parmi eux, le placage laser assisté par champ magnétique pulsé a le meilleur effet, mais le phénomène de ségrégation de phase dure apparaît dans le revêtement.
Un seul champ électrique est largement utilisé dans le soudage et le moulage, mais moins de recherches sont menées dans le domaine du rechargement laser. À l'heure actuelle, il existe deux formes principales de champ électrique utilisées dans le revêtement laser : le champ électrique alternatif et le champ électrique pulsé.
- Champ électrique alternatif : L'effet d'électromigration fait que les ions dans la masse fondue se déplacent dans la direction, et l'effet de chauffage Joule du courant modifiera la température de la masse fondue, affectant ainsi le processus de solidification de la couche de revêtement. Le courant alternatif peut favoriser l'affinement du grain et en même temps augmenter la hauteur de la région à grain fin au bas du revêtement, ce qui aide à réduire la formation de fissures. L'introduction de courant alternatif va former une force électromagnétique induite à changement continu de direction dans le bain en fusion, qui va agir comme un effet d'agitation électromagnétique sur le métal liquide dans le bain en fusion, réduire le gradient de température au front de solidification, et contribuer ainsi à le raffinement des grains.
- Champ électrique pulsé : le courant pulsé présente les caractéristiques de discontinuité, de variabilité et de périodicité. L'application d'un courant pulsé pendant le processus de gainage peut modifier la vitesse d'écoulement de la masse fondue, et la force de cisaillement formée dans la masse fondue peut casser les grains formés, augmenter le taux de nucléation et affiner les grains.
3 Système de matériau de revêtement de revêtement laser assisté par champ électromagnétique
À l'heure actuelle, la technologie de placage laser assistée par champ électromagnétique a été appliquée dans la préparation de divers revêtements d'alliage et revêtements composites. Pour les revêtements en alliage, le champ électromagnétique permet d'améliorer l'homogénéisation des composants du revêtement et la répartition des phases précipitées. Pour les revêtements composites, l'effet d'agitation électromagnétique du champ électromagnétique peut modifier les caractéristiques de distribution de la phase de renforcement dans le bain de fusion.
- Revêtement à base de fer : après application du champ électromagnétique, à mesure que l'intensité du champ magnétique augmente, la rugosité de surface de la couche de revêtement diminue, la structure est considérablement affinée et les défauts tels que les pores et les fissures sont réduits ; la dureté, la résistance à l'usure et la résistance à la corrosion du revêtement sont améliorées. Par rapport au revêtement préparé sans champ magnétique, la valeur de dureté du revêtement préparé avec l'assistance d'un champ magnétique est plus stable le long de la direction de la profondeur.
- Revêtement à base de cobalt : le champ magnétique en régime permanent peut inhiber la convection du bain de fusion et enrichir la macro-ségrégation, et les éléments de la matrice peuvent être plus répartis au fond du bain de fusion, il est donc plus facile d'obtenir un couche de placage de composition proche de celle de la poudre d'alliage. L'effet magnétostrictif généré par le champ magnétique peut réduire efficacement le coefficient de dilatation thermique et le module élastique de la couche de revêtement, réduire la contrainte thermique pendant le processus de revêtement, puis réduire la sensibilité aux fissures.
- Revêtement composite : Le champ magnétique constant n'affecte pas la composition de phase du revêtement composite, mais a un impact significatif sur la microstructure du revêtement et la répartition de la phase de renforcement céramique. Une certaine intensité de champ magnétique est propice au raffinement de la structure, et la répartition de la phase de renforcement céramique dans la structure est dense. La figure montre l'influence du champ électromagnétique composite combiné au champ magnétique en régime permanent et au champ électrique continu sur la distribution et la microstructure des particules de WC dans le revêtement composite laser In718/WC. La force de Lorentz vers le bas générée par le champ électromagnétique peut améliorer la convection de Marangoni dans le bain en fusion, ce qui contribue à la distribution uniforme des particules de WC dans le revêtement composite. Le courant continu peut augmenter le taux de nucléation des carbures eutectiques, et la convection de Marangoni améliorée peut briser les dendrites colonnaires, affinant ainsi la structure.
4 Perspectives
La technologie de revêtement laser assistée par champ électromagnétique permet de contrôler la microstructure de la couche de revêtement, de favoriser le raffinement du grain, de réduire la ségrégation de la composition, d'uniformiser la distribution de la phase de renforcement et d'empêcher l'apparition de défauts tels que des trous et des fissures. Par conséquent, des revêtements dotés d'excellentes propriétés peuvent être préparés par la technologie de revêtement laser assistée par champ électromagnétique. La technologie de revêtement laser assistée par champ électromagnétique est une innovation de la technologie de traitement laser traditionnelle. Il peut non seulement promouvoir l'application de la théorie électromagnétique dans la technologie de traitement au laser, mais également favoriser le développement de la technologie de refabrication au laser à la surface de pièces hautes performances. Il a de larges perspectives de recherche théorique et d'application d'ingénierie.