Revestimiento láser de recubrimientos superalloy basados ​​en Co: estudio comparativo entre el láser ND: YAG y el láser de fibra

1. Introducción

El revestimiento de la superficie láser por inyección de polvo se ha convertido en una técnica alternativa a los métodos convencionales para producir recubrimientos de alta calidad y unidos metalúrgicamente en sustratos metálicos con baja carga térmica en la pieza de trabajo [1]. Por lo general, el objetivo principal del revestimiento láser es modificar el rendimiento de la superficie del sustrato mejorando diferentes propiedades [2]: mecánica (dureza, resistencia a la fatiga y resistencia al desgaste) [3], resistencia a la corrosión [4], biocompatibilidad [5], etc.

En esta técnica, la energía proporcionada por el láser se usa para derretir una capa delgada del sustrato, mientras que las partículas de polvo pueden ser fundidas por la interacción con el haz del láser o al llegar al grupo de fusión formado en el sustrato. Un movimiento relativo entre el sustrato y el chorro láser/polvo permite formar una sola pista revestida, mientras que la superposición de estas pistas brinda cobertura de área grande [6]. Se ha probado una amplia variedad de materiales de recubrimiento precursores: desde superalloys [7] hasta cerámica avanzada [8].

Varias fuentes láser están disponibles para fines industriales: CO2, ND: YAG, diodos láser de alta potencia y más recientemente fuentes láser de alto brillo, como el disco o láser de fibra. La disponibilidad de estas nuevas fuentes láser de alto brillo abre algunas preguntas sobre su utilidad. Entonces podemos cuestionarnos: ¿necesitamos fuentes de alto brillo para el revestimiento de láser? ¿Hay algún beneficio para usar una fuente de alto brillo para el revestimiento láser? Bueno, el objetivo del presente documento es tratar de responder estas preguntas. Para este propósito, hemos seleccionado un láser y un láser de fibra para realizar ensayos vestidos en los que todas las condiciones experimentales eran las mismas (incluida la misma configuración experimental) excepto la fuente del láser.

2. Configuración experimental

2.1. Materiales

Las placas planas de acero inoxidable AISI 304 (50 × 50 mm2) de 10 mm de espesor se usaron como sustratos. Para delimitar perfectamente las características geométricas de las pistas revestidas, todas las placas muestran una alta definición de surfes pulido (RAB 0.5 μm). Se usó Superalloy (oric; Francia) en polvo (tamaño de partícula medio de 90 μm y densidad de grifo de 4.6 g/cm3) como material de recubrimiento precursor. Las composiciones químicas del sustrato y el material precursor se recogen en la Tabla 1.

2.2.metodos

2.2.1. Sistemas de láser

La técnica de soplado de polvo lateral se aplicó para obtener el recubrimiento por revestimiento de superficie láser. Una boquilla fuera del eje inyecta la corriente de polvo en la zona de interacción entre el haz láser y el sustrato, que se mueve por una etapa motorizada para generar la pista de revestimiento.

Se utilizaron dos fuentes láser diferentes: la primera fuente de láser fue un láser ND: YAG con una potencia máxima de 500 W, λ = 1064 nm. Se guió por medio de una cera de diámetro de 600 µm de núcleo y se acopló a la estación de trabajo mediante la expansión y colimación de la óptica. La segunda fuente de láser fue un láser de fibra dopado con monomodo de alto brillo (SPI SP-200), que ofreció una potencia máxima de 200 W y trabaja a λ = 1075 nm. Del mismo modo, se guió a la estación de trabajo mediante una fibra pasiva (diámetro del núcleo 50 µm), expandido y colimado por una lente colimadora.

Para medir la calidad de ambos haces láser, se utilizó un analizador Spiricon (LBA-300pc). La figura 1 muestra un ejemplo del análisis realizado para ambos láseres después de la óptica en expansión y colimación. El valor medido del factor M2 es M2 = 10 para el láser ND: YAG y M2 = 1.8 para el láser de fibra. En todos los experimentos, el haz láser se centró exactamente en la superficie del sustrato utilizando la misma óptica de enfoque: un doblete cementado de longitud focal de 80 mm, obteniendo un diámetro de punto de 250 μm en el caso del láser ND: YAG y 40 μm cuando el Se usó láser de fibra. La potencia media óptica varió entre 40 y 100 W durante la experimentación.

2.2.2. Alimentación de polvo precursor

El polvo precursor se inyectó en la zona de interacción mediante un argón que transmite la corriente y un inyector de gas -sólido acoplado a una tolva. La configuración del inyector gaseoso -sólido consistió en una boquilla axial y la tolva vertical en el costado [2]. Un valor de 20 mg/s se mantuvo constante para el flujo de masa con un flujo volumétrico de gas de 2.7 l/min; La corriente de polvo presentó aproximadamente 1 mm de diámetro en la zona de interacción.

2.2.3. Generación y posicionamiento de movimiento

Durante la experimentación, la cabeza de trabajo, incluida la óptica de enfoque y el sistema de inyección de polvo neumático, se mantuvo inmóvil. El sustrato se movió mediante una etapa de traducción motorizada XY Modelo M-531.PD. Se produjeron pistas de revestimiento de 45 mm de longitud variando la velocidad de escaneo de 0.5 a 10.0 mm/s.

2.3. Caracterización de muestra

Las pistas de revestimiento obtenidas se caracterizaron por medio de un microscopio estereoscópico equipado con un posicionador de etapa XY con resolución de 1 µm (Nikon SMZ10-A). Las muestras se incrustaron en resina acrílica acrígrica para ejecutar las observaciones de la sección transversal de la pista. Se cortaron y posteriormente se pulieron con una serie de documentos SIC abrasivos hasta el grado 1200, seguido de un acabado de pasta de diamante de hasta 0.1 µm. A continuación, las muestras fueron recubiertas de carbono y examinadas por SEM. La dureza y el módulo de Young se midieron mediante nanoindentación aplicando una carga máxima de 200 mn con un indentador piramidal de tres lados Berkovich. La técnica de medición de rigidez continua se utilizó en un equipo MTS Nanoindenter XP.

3. Resultados y discusión

Se realizó un análisis detallado y sistemático de las pistas de revestimiento producidas por las dos fuentes láser. Como se muestra en la Fig. 2, se observa que el ancho depende principalmente de la potencia media del haz láser. Este comportamiento está en buen acuerdo con trabajos anteriores [9]. El punto de haz láser en la superficie del sustrato es el factor limitante para el crecimiento lateral de la pista revestida; En este sentido, la mejor enfocabilidad del láser de fibra se observa claramente, lo que lleva a pistas considerablemente estrechas. El incremento de ancho debido a incrementos de potencia medios es bastante similar para ambas fuentes láser, mientras que el efecto de aumentar la velocidad de procesamiento parece ser una reducción muy ligera del ancho revestido (ver Fig. 2.b).

La altura revestida muestra una reducción cuando la velocidad de escaneo ingresa para ambas fuentes láser. A nuestro lado, el láser se centra en la superficie del sustrato y el polvo se inyecta desde el lado. Por lo tanto, las partículas no están expuestas a la radiación láser suficiente tiempo para derretirse antes de impulsar el grupo fundido y, por lo tanto, las partículas se funden principalmente por interacción con el grupo fundido de sustrato. Desde el punto de vista del sustrato, la energía disponible por unidad de longitud depende de la potencia media del láser, el tamaño de la mancha y la velocidad de escaneo. Se puede estimar mediante el parámetro de densidad de energía (P/VD, donde P: potencia media, V: velocidad de escaneo y D: diámetro de punto) [1]. A medida que la velocidad de escaneo aumenta menos energía por unidad de longitud, contribuye a la formación de la piscina fundida. El comportamiento de altura revestida en función de la densidad de energía se traza en la figura 3. Se obtuvo un comportamiento similar con ambos tipos de láseres.

Además, la cantidad de partículas de material precursor disponibles por unidad de longitud se modifica por la velocidad de escaneo y el tamaño de la mancha, suponiendo que el punto de haz láser está completamente cubierto por el diámetro de la corriente de polvo. La cantidad de partículas que llegan a la piscina fundida se puede considerar proporcional al flujo de masa y al tamaño de la mancha, e inversamente proporcional a la velocidad de escaneo (parámetro M · D/V, donde m: flujo de masa) [9]. En consecuencia, el aumento de la velocidad de escaneo tiene un efecto doble que reduce la densidad de energía y también la cantidad de partículas capturadas por el grupo fundido, que se refleja en una reducción de la altura revestida. Para el láser ND: YAG, se ha encontrado una correlación satisfactoria (r = 0.98) de la altura revestida con el parámetro combinado (p - p0)/v2, donde P0 = 31 W, (ver Fig. 4). El valor de P0 se determinó experimentalmente y puede estar relacionado con la energía mínima requerida para producir una deposición apreciable del material. Para las pistas producidas por el láser de fibra, se ha encontrado una correlación (r = 0.95) de la altura revestida del láser de fibra con la inversa de la velocidad de procesamiento (ver Fig. 5). Este comportamiento puede explicarse por su mayor brillo del haz y los valores de densidad de energía elevados asociados. La alta energía centrada en la piscina fundida conduce a una mayor proporción de partículas atrapadas/afectadas. En esta situación, las variaciones de la potencia media tienen menos importancia y la cantidad de partículas que llegan tienen una importante influencia en el volumen de material fundido y la altura revestida de la actualización.

El aspecto -ratio (ancho/altura) de las pistas se traza contra la velocidad de procesamiento en la Fig. 6. Se puede ver claramente que el ancho/altura de las pistas revestidas de ND: YAG progresa abruptamente, en opuesta a las obtenidas por el láser de la fibra. Como consecuencia de la dependencia del ancho y la altura vestidos de los parámetros de procesamiento discutidos anteriormente, la relación de aspecto de los resultados de la pista revestida de láser ND: YAG es proporcional al cuadrado de velocidad de procesamiento; Mientras que en el caso de los obtenidos por láser de fibra, la relación de aspecto es proporcional a la velocidad de procesamiento y crece más lento con este parámetro de procesamiento.

A una velocidad de procesamiento fijo, la relación de aspecto de las pistas generadas por el láser ND: YAG es considerablemente más alta que la de las pistas generadas por el láser de fibra. Cuando se trabaja con el láser de fibra, se requiere una mayor velocidad de escaneo para obtener valores de relación de aspecto adecuados para producir recubrimientos por superposición de la pista [6]. Para la misma velocidad de procesamiento, la densidad de energía (P/VD) de la radiación ND: YAG es menor debido a una mancha más amplia que la obtenida por la radiación de fibra. Como es bien sabido, este hecho es una consecuencia de la mejor calidad del haz del láser de fibra. La mayor densidad de energía permitirá atrapar más partículas de la corriente de polvo. Además, el diámetro de punto reducido del láser de fibra concentra la energía en un área más pequeña, evitando la piscina fundida que se extiende transversalmente a la dirección de escaneo. La consecuencia de más polvo precursor fundido en un área más pequeña es el rápido crecimiento de la altura revestida de las pistas láser de fibra. Este hecho está bien ilustrado en la Fig. 7 que muestra las imágenes SEM de sección transversal de las pistas revestidas producidas por ambos tipos de láseres en condiciones similares.

Con respecto a la dilución de las pistas depositadas, la dilución geométrica medida (la dilución geométrica se calculó de acuerdo con la siguiente fórmula Geom. Dilut. = H2/(H+ H2), donde H: altura revestida y H2: profundidad de penetración revestida, ver ref. [10 ]) se trazó en función de la velocidad de escaneo (ver Figs. 8 y 9). La dilución geométrica obtenida de ambas fuentes láser muestra una tendencia similar y responde al comportamiento combinado de la altura revestida y la penetración Fig. 10. Valores medios de dureza según la profundidad para los láseres de ND: YAG y force (láser 95 W, energía W, energía densidad 165 j/mm2). Para el láser ND: YAG, se observa dependencia logarítmica de la velocidad de procedimiento, mientras que para el láser de fibra se encontró mejor ajuste con el parámetro combinado PV. La mayoría de las condiciones probadas conducen a altos valores de dilución geométrica debido al diámetro de punto bajo y la densidad de energía elevada.

Se encontró que la dureza disminuye ligeramente al aumentar la profundidad dentro de la sección transversal de la pista (ver Fig. 10); Este comportamiento está en buen acuerdo con la mayor presencia de elementos de sustrato diluidos en el material de revestimiento mientras se acerca a la interfaz. La zona por debajo de la interfaz presenta valores de dureza en cierta medida más alto que el sustrato como se recibió. El comportamiento de la dureza a través de la sección transversal es similar para ambas fuentes láser; Los valores medios de dureza obtenidos con el láser de fibra son ligeramente superiores cuando alcanzan una cierta profundidad debido a la mayor penetración del láser de fibra en el sustrato. Los valores promedio del módulo de Young fueron 250 GPA para las pistas obtenidas con láser ND: YAG y 290 GPA para las obtenidas con el láser de fibra.

4. Conclusiones

El revestimiento láser asistido por láser de fibra reveló una ventana de procesamiento más amplia en términos de rango de velocidad en comparación con un láser ND: YAG convencional. Las pistas revestidas obtenidas en las mismas condiciones de procesamiento son más gruesas y más estrechas que las producidas por el láser ND: YAG. Sin embargo, la dilución y la profundidad de penetración en el sustrato también son más altas. Este hecho es atribuible a la mejor calidad del haz del haz láser de fibra. Se obtuvieron valores de dureza similares para las pistas producidas por ambos tipos de láseres.

Por lo tanto, en la gama de parámetros estudiados en este trabajo, se puede concluir que un láser de alto brillo solo se recomienda cuando se requieren pistas revestidas muy estrechas, pero no para pistas anchas regulares utilizadas para recubrimientos grandes.

Expresiones de gratitud

Este trabajo ha sido financiado parcialmente por el gobierno español (CYT MAT2006-10481, DEX-560410-2008-169 y el programa FPU AP2006-03500 subvención) y por Xunta de Galicia (PGIDIT06TMT00501CT, PGIDIT06PXIA3086IF, INCITE07PXI30311212S). Se agradece la asistencia del personal técnico de Cacti (Universidad de Vigo).