Krytyczna rola morfologii proszków w napawaniu laserowym
W procesie napawania laserowego właściwości fizyczne proszku są tak samo istotne, jak jego skład chemiczny. Aby uzyskać skuteczne wiązanie metalurgiczne i jednolitą warstwę, proszek musi wykazywać doskonałą płynność i spójny rozkład wielkości cząstek. Preferowane są proszki sferyczne, zwykle wytwarzane poprzez atomizację gazu, ponieważ minimalizują tarcie wewnętrzne w systemie podajnika. Zapewnia to stałe natężenie przepływu masowego do jeziorka stopionego lasera, zapobiegając wahaniom, które mogą prowadzić do nierównej grubości lub „fałdowania” toru platerowanego. Kiedy cząstki są nieregularne lub postrzępione, mają tendencję do zatykania dysz dostarczających i powodują turbulencje w gazie osłonowym, co ostatecznie powoduje porowatość i zmniejsza ogólną gęstość powłoki ochronnej.
Rozkład wielkości cząstek (PSD) również odgrywa decydującą rolę w absorpcji energii. Zazwyczaj proszki do napawania laserowego dzieli się na kategorie w zakresie od 45 do 150 mikrometrów. Drobniejsze cząstki mogą stopić się zbyt szybko lub zostać zdmuchnięte przez strumień gazu przed dotarciem do podłoża, natomiast zbyt grube cząstki mogą nie stopić się całkowicie, co prowadzi do „niestopionych wtrąceń”, które działają jak koncentratory naprężeń. Osiągnięcie idealnej równowagi morfologicznej zapewnia równomierny rozkład energii lasera, co skutkuje gładkim wykończeniem powierzchni, które wymaga minimalnej obróbki końcowej.
Typowe systemy stopowe i ich zastosowania przemysłowe
Wybór odpowiedniego składu chemicznego materiału to pierwszy krok w dostosowywaniu komponentu do konkretnych wyzwań środowiskowych, takich jak ekstremalne temperatury, ścieranie lub agresja chemiczna. Proszki do napawania laserowego ogólnie dzieli się na cztery podstawowe rodziny: kompozyty na bazie żelaza, niklu, kobaltu i kompozyty wzmocnione węglikiem. Każdy system oferuje wyraźne korzyści w zależności od kompatybilności podłoża i pożądanych parametrów użytkowych części końcowej.
| Kategoria proszku | Kluczowa charakterystyka | Typowe zastosowanie |
| Na bazie żelaza | Ekonomiczne, dobra odporność na zużycie | Cylindry hydrauliczne, wały |
| Na bazie niklu | Doskonała odporność na korozję i ciepło | Zawory, rury kotłowe, części morskie |
| Na bazie kobaltu (stellit) | Twardość w wysokiej temperaturze, odporność na zacieranie | Łopatki turbin, zawory silnika |
| Węglik wolframu (WC) | Ekstremalna twardość i ochrona przed erozją | Wiertła górnicze, narzędzia naftowe i gazowe |
Proszki na bazie żelaza do odbudowy gospodarczej
Proszki na bazie żelaza są głównymi elementami przemysłu regeneracyjnego. Są one często używane do przywracania zużytych wymiarów elementów ze stali węglowej. Ponieważ ich współczynniki rozszerzalności cieplnej są podobne do wielu stali przemysłowych, ryzyko rozwarstwienia lub pękania na styku jest znacznie niższe w porównaniu do stopów egzotycznych. Proszki te są często dodawane stopowo z chromem i krzemem, aby zapewnić podstawową odporność na utlenianie i lepszą płynność w fazie topienia.
Stopy niklu i kobaltu do trudnych warunków
W przypadku komponentów pracujących w agresywnym środowisku chemicznym lub w temperaturach przekraczających 600°C niezbędne są proszki na bazie niklu i kobaltu. Stopy na bazie niklu, takie jak Inconel 625, zapewniają solidną barierę przed korozją wżerową i szczelinową. Stopy na bazie kobaltu, często określane jako materiały typu stellit, zachowują swoją twardość nawet w temperaturze czerwonej, co czyni je standardem branżowym w przypadku elementów turbin lotniczych i wysokociśnieniowych zaworów parowych.
Strategie optymalizacji wykorzystania proszku
Aby zmaksymalizować wydajność napawania laserowego i zmniejszyć straty materiału, operatorzy muszą skupić się na „efektywności wyłapywania” — stosunku proszku skutecznie wprowadzonego do jeziorka stopu w stosunku do całkowitej ilości natryskiwanego materiału. Wysokiej jakości proszki w połączeniu z precyzyjnym ustawieniem dysz mogą znacznie zmniejszyć „przetrysk”, który prowadzi do zwiększonych kosztów. Ponadto przechowywanie i obsługa tych proszków ma kluczowe znaczenie, aby zapobiec zanieczyszczeniu i absorpcji wilgoci, co może prowadzić do kruchości wodorowej lub porowatości gazowej w gotowej warstwie platerowanej.
- Wstępne podgrzanie proszku lub podłoża w celu zmniejszenia gradientów termicznych i zapobiegania pękaniu materiałów wysokowęglowych.
- Wykorzystanie specjalistycznych proszków „cermetalowych” (ceramiczno-metalicznych) w celu połączenia wytrzymałości metalowej osnowy z twardością cząstek ceramicznych.
- Regularna kalibracja podajnika proszku w celu zapewnienia stałej szybkości podawania (g/min) dla powtarzalnych wyników w dużych partiach.
- Wdrożenie suszenia próżniowego proszków narażonych na działanie wilgoci, zapewniające eliminację defektów wywołanych parą.
Rozumiejąc wzajemne oddziaływanie składu chemicznego proszku, morfologii i parametrów lasera, producenci mogą osiągnąć doskonałe właściwości powierzchni, które wydłużają żywotność infrastruktury krytycznej. Niezależnie od tego, czy chodzi o wytwarzanie przyrostowe nowych części, czy naprawę drogich maszyn, wybór proszku do napawania laserowego pozostaje najważniejszym czynnikiem wpływającym na trwałość i jakość produktu końcowego.
