레이저 클래딩(Laser Cladding)은 고에너지 레이저 빔을 열원으로 이용해 기판 표면에 코팅된 충진재를 녹여 응고시켜 둘 사이에 야금적 결합을 형성해 표면 특성을 개선하는 기술이다. 다른 표면 강화 기술과 비교하여 레이저 클래딩은 빠른 냉각 속도, 코팅과 기판 사이의 쉬운 야금 접합, 작은 열 영향 영역, 낮은 희석률, 기판의 작은 변형, 쉬운 자동화 및 오염 없음과 같은 일련의 장점을 가지고 있습니다. 따라서 이 기술은 항공우주, 광산 기계, 석유화학, 자동차, 선박, 전력, 철도 및 기타 산업 분야에 폭넓게 응용할 수 있는 전망을 가지고 있습니다.
그러나 레이저 클래딩은 빠른 가열 및 냉각 과정입니다. 기판과 클래딩층의 온도 구배, 클래딩층의 불균일한 경질 분포, 클래딩층과 매트릭스 재료 간의 물리적 특성 차이는 클래딩층의 치수 안정성과 기계적 특성에 일정한 영향을 미칩니다. , 이는 균열의 시작과 확산으로 이어질 것입니다. 클래딩 층의 균열 형성은 부품의 수명에 큰 영향을 미치며 이는 레이저 클래딩 기술의 산업적 응용에서 해결해야 할 시급한 문제입니다.
레이저 클래딩은 급속 가열 및 냉각과 복잡한 야금 반응의 과정입니다. 현재 클래딩층 균열에 대한 연구는 주로 단일 제어방식에 집중되어 있어 체계적인 연구가 부족한 실정이다. 본 연구에서는 사전 배치된 분말 레이저 클래딩 기술을 사용하여 42CrMo 강철 표면에 Ni60 합금 클래딩 층을 준비했습니다. 먼저, 균열 형성 메커니즘과 균열 민감도를 분석한 후, 레이저 클래딩 Ni계 합금의 균열 제어에 대한 참고 자료를 제공하기 위해 다양한 레이저 출력 및 예열 온도가 균열에 미치는 영향을 연구했습니다.
시험 재료 및 방법
1. 시험재료
이 테스트에서는 레이저 클래딩 테스트에서 매트릭스 재료로 42CrMo 합금강을 선택했으며 원형 플레이트 크기는 Φ150mm×10mm입니다. 레이저 클래딩 전 42CrMo 강철 표면을 사포로 샌딩하고 알코올과 아세톤으로 닦아 기판에 다른 불순물이 없는지 확인합니다. 클래딩 분말은 Ni60 합금으로 선택되었으며, 입자 크기는 53~150μm였습니다. Ni60 합금의 화학 조성은 표 1에 나와 있습니다.
표 1 Ni60 합금의 화학 조성 %
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m(C) |
m(시) |
m(크) |
m(니) |
m(모) |
m(페) |
m(B) |
|
=0.70 |
=4.50 |
= 17.0 |
=60.0 |
= 3.0 |
=5.0 |
=2.70 |
2. 시험방법
LWS-1000 Nd: YAG 레이저는 분말을 미리 배치하고 다중 랩 공정을 거쳐 레이저 클래딩을 위해 선택되었습니다. 샘플 준비 매개변수는 다음과 같습니다: 레이저 출력 270~300W, 스캔 속도 300mm/min, 예열 온도 170~270도, 랩률 50%. 레이저 클래딩 테스트 후 Zeiss Stemi305 입체경을 사용하여 클래딩 층의 표면 형태를 관찰했습니다. 준비된 클래딩층을 5mm×10mm×10mm의 샘플 크기로 절단한 후, 부피비가 3:1인 HCl+HNO3 용액을 사용하여 연마된 클래딩층 단면을 부식시킨다. Ni60 클래딩층의 미세구조를 관찰하기 위해 Jiangnan MR5000 금속조직현미경과 Regulus8230 주사전자현미경을 사용하였고, 클래딩층의 크랙 주변 및 없는 원소의 분포를 정성적, 정량적으로 분석하기 위해 EDS를 사용하였다. VTD401 디지털 microVickers 경도 시험기를 사용하여 클래딩층 단면의 미세 경도를 측정했습니다. 로딩 하중은 50g이었고 유지 시간은 10초였습니다. 위상은 D/MAX2500VL/PC 회전 표적 X-선 회절계로 분석되었습니다.
결론
1. 클래딩층의 미세구조는 주로 -(Fe, Ni), Fe0.64Ni0.36 및 M23C6으로 구성됩니다. 본 시험에서의 균열은 기본적으로 관통균열로, 일반적으로 클래딩층의 표면에서 발생하여 클래딩층과 매트릭스의 접합부까지 확장되며, 대부분의 균열은 클래딩층 전체를 직접 관통하여 확장됩니다. 매트릭스와 클래딩 층 사이의 열 특성 차이, 온도 구배 및 클래딩 층의 경질 상의 분리는 균열 민감도에 일부 영향을 미칩니다.
2. 레이저 출력이 증가함에 따라 클래딩층의 균열 불량이 분명히 개선되었습니다. 전력이 290W일 때 클래딩층에 균열이 거의 없고 양호한 기계적 특성이 유지됩니다. 전력을 더 높이면 클래딩층의 희석율이 너무 커져서 성능이 저하됩니다.
3. 예열온도가 증가함에 따라 피복층의 균열파괴는 점차적으로 감소하였다. 예열 온도가 270도일 경우 클래딩층에 약간의 크랙만 남지만, 예열 온도가 너무 높으면 기판과 클래딩층의 성능이 저하되므로 더 높은 온도의 예열은 실시하지 않습니다.
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