Causes et effets de la réduction de la ténacité du revêtement laser
1. Raisons de la diminution de la ténacité de la couche de revêtement
(1). Stresser
En raison de la grande différence de coefficient de dilatation thermique entre le matériau de revêtement et la matrice, il est facile de produire des contraintes internes lors du revêtement. Le processus de revêtement est un processus de fusion et de solidification rapides. Dans ce processus, il y aura une différence de gradient de température et diverses contraintes seront générées, telles que des contraintes de traction thermique causées par une contraction inégale de la couche de revêtement en raison des différents gradients de température et coefficients de dilatation thermique du matériau, et des contraintes organisationnelles causées. par la transition de phase du métal dans le processus de refroidissement. Et la contrainte de contrainte provoquée par l'extrusion de la partie non contractée lorsque la couche de revêtement rétrécit en raison de la différence de gradient de température. La contrainte interne comprend la contrainte thermique, la contrainte structurelle et la contrainte de contrainte, et la contrainte thermique est la contrainte principale. Lors du processus de revêtement laser, la ténacité à la rupture est bien inférieure à la force de traction thermique générée, qui est la principale cause de la production de fissures. Des fissures se forment lorsque la contrainte thermique dépasse la limite de résistance du matériau.
Les résultats montrent que la répartition non uniforme de borures et de carbures de chrome en grand volume dans le revêtement laser en carbure de silicium à base de nickel, entraînant une contrainte thermique excessive, est la principale raison de la fissure. Dans le processus de revêtement laser, des composés fragiles se forment facilement au joint de grain, et le coefficient de dilatation thermique de ces composés fragiles et de la couche de revêtement est très différent, ce qui conduit à une concentration de contraintes au joint de grain, et la fissuration est facile à résulter de la réduction de la ténacité.
(2). Défauts dans le processus de revêtement
De petits défauts tels que des pores et des microfissures se produiront également lors du processus de revêtement. L'existence de pores peut être provoquée par la dissociation et la gazéification d'une substance dans le matériau provoquée par un laser à haute énergie. Une autre possibilité est qu'un gaz inerte soit nécessaire comme gaz protecteur dans le processus de revêtement laser, et que le gaz protecteur soit impliqué dans le bain de fusion. Le gaz reste dans le bassin de condensat trop tard pour être évacué et former des pores. Lors d'un processus de condensation rapide, l'existence de pores provoquera des microfissures. Si les composants tels que la désoxygénation et la formation de scories dans la poudre de revêtement ne peuvent pas flotter avec le temps, ils seront conservés dans le revêtement de revêtement. Ces inclusions augmenteront également le risque de fissures dans le revêtement et réduiront la résistance structurelle et la ténacité de la couche de revêtement. Dans le même temps, l’existence de pores contribue également à l’initiation et à l’expansion des fissures. Les pores rendent la couche de revêtement lâche et il est facile de produire une concentration de contraintes autour des pores, ce qui augmente la sensibilité des fissures dans la couche de revêtement.
2. Facteurs influençant la ténacité de la couche de revêtement
La résistance à la rupture de la couche de revêtement laser est affectée par de nombreux facteurs, notamment le choix du matériau de revêtement, la puissance du laser, la vitesse d'alimentation en poudre et la température de la matrice de revêtement. La principale cause de fissuration du revêtement est la contrainte interne provoquée par la différence de propriétés physiques entre la couche de revêtement et le substrat. Lorsque le matériau en poudre de revêtement et le matériau de substrat présentant des propriétés physiques similaires sont sélectionnés, la fusion et la solidification des deux matériaux sont presque synchronisées, ce qui peut réduire efficacement le risque de fissuration de la couche de revêtement et améliorer la ténacité du revêtement. Les paramètres du processus de rechargement laser ont également une influence directe sur la génération de fissures. Avec l'augmentation de la puissance du laser, les fissures du revêtement augmentent d'abord puis diminuent, et la vitesse de balayage laser et la vitesse d'alimentation en poudre ont également des effets similaires. Le traitement de préchauffage du substrat avant le revêtement peut réduire considérablement le gradient de température entre le bain de fusion et le substrat et améliorer la répartition des contraintes de la couche de revêtement.
Méthodes pour améliorer la ténacité des revêtements
1. Optimisation de la composition des poudres de revêtement
Le revêtement laser consiste à faire fondre la poudre et la matrice pour former un revêtement métallurgique, les performances du revêtement ainsi que la sélection et le traitement de la poudre sont très importants. La ténacité du revêtement en alliage amorphe à base de Fe est relativement mauvaise et il est très facile de produire des fissures lors du processus de préparation ou lors de l'utilisation réelle en raison de la contrainte définie dans la zone de cisaillement interne. Les jantes continuent de se dilater jusqu'à ce qu'une fracture fragile se produise, mais la structure particulière de l'arrangement atomique désordonné et l'absence de limite cristalline confèrent aux cristaux amorphes à base de fer une excellente résistance à l'usure et à la corrosion. La zone de cisaillement interne de l'alliage amorphe est facile à provoquer une concentration de contraintes, où des microfissures se forment facilement, et l'expansion des microfissures peut produire des fissures de fracture. Le revêtement d'une dureté et d'une ténacité élevées a été obtenu par test de revêtement laser sur la surface d'une plaque d'acier après avoir mélangé des nanotubes de carbone recouverts de nickel avec de la poudre amorphe à base de fer par broyage à boulets. Il a été constaté que la structure composite nanocristalline amorphe présentant une bonne ténacité s'est formée dans le revêtement après l'ajout de nanotubes de carbone recouverts de nickel. Parallèlement, le nickelage et le fraisage à billes peuvent efficacement éviter la formation de carbures cassants lors du processus de revêtement laser, afin de garantir que le revêtement présente une bonne ténacité à la rupture.
L'ajout d'une quantité appropriée d'éléments de terres rares peut améliorer le taux d'absorption de la poudre au faisceau laser à haute énergie, faire fondre la poudre de revêtement uniformément et complètement, mieux former une liaison métallurgique avec la matrice, réduire la probabilité de porosité, et peut être utilisé pour homogénéiser, solution solide forte et fort durcissement du revêtement en carbure cémenté.
2. Couche de transition supplémentaire
Utiliser une poudre avec une bonne ténacité et une bonne adéquation avec les propriétés physiques de la matrice comme couche inférieure, c'est-à-dire que placer une telle couche de transition ou couche de gradient au milieu de la matrice et la couche de revêtement peut réduire la contrainte interne entre la couche de revêtement avec une dureté élevée et la matrice, et réduire les fissures causées par une contrainte excessive. La zone de transition intermédiaire peut atténuer la contrainte résiduelle provoquée par le coefficient de dilatation thermique différent entre le substrat et la couche de revêtement, améliorant ainsi la ténacité du revêtement et empêchant la fissuration du revêtement. Une couche de revêtement Ni20Cr est déposée sur la surface de l'acier de la matrice comme couche de base, puis deux couches de revêtement Ni60A sont déposées en continu sur le revêtement Ni20Cr. Les résultats montrent que l'adoption d'un revêtement Ni20Cr comme couche de base peut améliorer efficacement la liaison métallurgique entre le revêtement et le substrat. Réduit considérablement les fissures, les pores et autres défauts du revêtement.
3. Optimisation des paramètres du processus
Lors du processus de revêtement laser, la puissance du faisceau laser P, la vitesse de balayage V, le diamètre du spot D, etc. ont des effets importants sur la qualité de la couche de revêtement. Le taux de libération dilué est la forme de réalisation de la masse de revêtement, et le taux de libération dilué est affecté par l'énergie spécifique E.
Les résultats montrent qu'une énergie spécifique E trop grande ou trop faible n'est pas propice à l'obtention d'un revêtement présentant d'excellentes performances. Si E est trop faible, le taux de dilution du revêtement sera d'autant plus faible, la matrice et la couche de revêtement ne pourront pas obtenir une bonne liaison métallurgique, et la surface de la couche de revêtement est également sujette aux fissures de porosité et à d'autres défauts. Si l'énergie spécifique E est trop élevée, le taux de dilution augmentera en conséquence, et les métaux dans le bain fondu seront entièrement mélangés et les excellentes propriétés de la poudre de revêtement ne pourront pas être exercées. Il s'avère que la vitesse de balayage laser est trop rapide, ce qui entraîne une formation inégale de la couche de revêtement, la vitesse de balayage est trop lente, formera une structure cristalline plus grande, la vitesse de balayage appropriée peut obtenir une couche de revêtement relativement dense et une meilleure ténacité.
3. Traitement thermique
(1) Préchauffage et post-traitement thermique
Le traitement thermique du revêtement laser consiste essentiellement à ordonner la phase et à homogénéiser les éléments du revêtement. Un préchauffage approprié du substrat peut réduire efficacement le gradient de température dans le revêtement, réduire la contrainte thermique et améliorer la ténacité du revêtement. Les résultats montrent qu'un préchauffage approprié de la matrice peut réduire considérablement la vitesse de refroidissement de la couche de revêtement, réduire les contraintes résiduelles et inhiber la génération de fissures. Comme le montre la figure ci-dessous, des fissures peuvent être observées lorsque la matrice n'est pas préchauffée (la flèche l'indique), mais aucune fissure évidente n'est visible lorsque la matrice est préchauffée à 200 degrés.
Afin d'améliorer la ténacité de la couche de revêtement et de réduire la tendance à la fissuration du revêtement, la méthode de la matrice préchauffée est relativement simple et ne permet parfois pas d'obtenir l'effet escompté. Il a été constaté que le préchauffage et la conservation de la chaleur peuvent réduire considérablement la vitesse de refroidissement du bain fondu, améliorant ainsi la répartition de la température du bain fondu, réduisant la phase dure eutectique intercristalline, augmentant la phase ductile dans le processus de fusion, ce qui rend la ténacité du la couche de revêtement a augmenté et la contrainte thermique résiduelle a diminué, et les fissures ont diminué, voire disparu. Le traitement thermique de la poudre peut améliorer la capacité de liaison de la poudre et de la phase renforcée, ainsi que la dureté et la ténacité du revêtement de revêtement. Le traitement thermique du revêtement obtenu peut homogénéiser le revêtement, réduire considérablement la densité de défauts du revêtement, libérer la contrainte résiduelle du revêtement et améliorer la résistance et la ténacité du revêtement. Le traitement post-thermique peut améliorer la résistance à la traction et à la fissuration du revêtement ainsi que le taux d'allongement, la limite d'élasticité et la résistance à la traction ultime de la couche de revêtement.
Le préchauffage et le post-traitement thermique peuvent réduire considérablement le gradient de température du bain fondu, augmenter la ténacité et inhiber la génération de fissures, mais le processus de préchauffage et de post-traitement thermique produira une température trop élevée, ce qui affectera facilement la répartition des contraintes internes. des pièces à paroi mince et peut entraîner une déformation de la pièce. Par conséquent, le préchauffage et le post-traitement thermique sont limités au renforcement ou à la réparation de pièces de précision à parois minces.
(2)Refusion laser
Une ou plusieurs refusions au laser immédiatement après le revêtement au laser peuvent éliminer les défauts de surface du revêtement et améliorer la ténacité du revêtement. Le revêtement composite Ni60/50%WC sans fissure a été obtenu par revêtement laser + traitement de refusion sur surface en acier 45. Il s'avère que la refusion au laser a pour fonction d'évacuer les scories secondaires, de guérir les fissures, d'améliorer la rugosité de la surface et d'améliorer la non-uniformité et la compacité de la structure du revêtement. Le revêtement amorphe à base de Fe est préparé par trois méthodes de balayage laser, c'est-à-dire que le premier balayage laser chauffe la matrice, le deuxième revêtement laser forme le revêtement amorphe, puis la troisième refusion laser du revêtement amorphe obtient le revêtement non fissuré. . La refusion au laser élimine essentiellement les défauts du revêtement et améliore considérablement le module élastique et la ténacité du revêtement.
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