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Revestimiento láser de recubrimientos de superaleación a base de Co: estudio comparativo entre láser Nd: YAG y láser de fibra

Número Navegar:33     Autor:Editor del Sitio     publicar Tiempo: 2018-07-03      Origen:motorizado Su mensaje

  1. Introducción

  El revestimiento de la superficie del láser mediante inyección de polvo se ha convertido en una técnica alternativa a los métodos convencionales para producir revestimientos metalúrgicamente unidos de alta calidad en sustratos metálicos con baja carga térmica en la pieza de trabajo [1]. Por lo general, el objetivo principal del revestimiento con 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 utiliza para fundir una capa delgada del sustrato, mientras que las partículas de polvo pueden fundirse por la interacción con el rayo láser y / o cuando llegan al grupo de fusión formado en el sustrato. Un movimiento relativo entre el sustrato y el láser / chorro de polvo permite formar una sola pista revestida, mientras que la superposición de estas pistas proporciona una gran cobertura de área [6]. Se ha probado una amplia variedad de materiales de revestimiento de precursores: desde superaleaciones [7] hasta cerámicas avanzadas [8].

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

  2. Configuración experimental

  2.1.Materiales

  Placas planas de acero inoxidable AISI 304 (50 × 50 mm2) de 10 mm de espesor se utilizaron como sustratos. Para delimitar perfectamente las características geométricas de las pistas revestidas, todas las placas muestran un acabado superficial altamente pulido (Rab 0,5 μm). Se usó polvo de superaleación basado en co (ORIC; Francia) (tamaño de partícula medio de 90 μm y densidad de tap de 4,6 g / cm3) como material de revestimiento precursor. Las composiciones químicas del sustrato y el material precursor se recogen en la Tabla 1.

 2.2.Métodos

 2.2.1.Los sistemas láser

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

  Se utilizaron dos fuentes de láser diferentes: la primera fuente de láser fue un láser Nd: YAG con lámpara de tipo Roy-Sinar RSY500P con una potencia máxima de 500 W, λ = 1064 nm. Se guió por medio de una fibra de diámetro de núcleo de 600 μm y se acopló a la estación de trabajo a través de ópticas de expansión y colimación. La segunda fuente de láser era un láser monomodo de fibra dopada con Ytterbium de alto brillo (SPI SP-200), que proporcionaba una potencia máxima de 200 W y trabajaba a λ = 1075 nm. De forma similar, se guió a la estación de trabajo por medio de una fibra pasiva (diámetro del núcleo de 50 μm), expandido y colimado por una lente de colimación.

Revestimiento láser (1)

  Para medir la calidad de ambos rayos láser, se utilizó un analizador Spiricon (LBA-300PC). La figura 1 muestra un ejemplo del análisis llevado a cabo para ambos láseres después de la óptica de 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 rayo láser se enfocó exactamente sobre la superficie del sustrato utilizando la misma óptica de enfoque: un doblete cementado de 80 mm de distancia focal, 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 se varió entre 40 y 100 W durante la experimentación.

  2.2.2.Preparación de polvo en polvo

  El polvo precursor se inyectó en la zona de interacción por medio de una corriente de transporte de argón y un inyector de gas sólido acoplado a una tolva. La configuración del inyector de gas sólido consistió en una boquilla axial y la tolva vertical en el lateral [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.Movimiento y generación de movimiento

  Durante la experimentación, el cabezal de trabajo que incluía la óptica de enfoque y el sistema de inyección de polvo neumático se mantuvo inmóvil. El sustrato se movió por medio de una etapa de traducción motorizada XY modelo PI 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.

Revestimiento láser (2)

  2.3. Caracterización de la muestra

  Las pistas de revestimiento obtenidas se caracterizaron geométricamente por medio de un microscopio estereoscópico equipado con un posicionador de escenario XY con una resolución de 1 μm (Nikon SMZ10-A). Las muestras se incrustaron en resina acrílica Acry fi x para ejecutar las observaciones de la sección transversal de la vía. Se cortaron y posteriormente se pulieron con una serie de papeles abrasivos de SiC hasta grado 1200, seguido de acabado de pasta de diamante de hasta 0,1 μm. A continuación, las muestras se recubrieron con carbono y se examinaron mediante SEM. La dureza y el módulo de Young se midieron mediante nanoindentación aplicando una carga máxima de 200 mN con un diamante piramidal de tres lados Berkovich. La técnica de medición de rigidez continua se usó en un equipo MTS nanoindenter XP.

  3. Resultados y discusión

  Se llevó a cabo 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]. La mancha del rayo láser en la superficie del sustrato es el factor limitante para el crecimiento lateral de la pista revestida; en este sentido, se observa claramente una mejor capacidad de enfoque del láser de fibra, lo que conduce a pistas considerablemente angostas. El incremento de ancho debido a los incrementos medios de potencia es bastante similar para ambas fuentes láser, mientras que el efecto de aumentar la velocidad de procesamiento parece ser una reducción muy pequeña del ancho del revestimiento (véase la Fig. 2.b).

Revestimiento láser (3)

Revestimiento láser (4)

  La altura del revestimiento muestra una reducción cuando aumenta la velocidad de escaneo para ambas fuentes de láser. En nuestros experimentos de revestimiento láser lateral, el láser se enfoca en la superficie del sustrato y el polvo se inyecta desde un lado. Por lo tanto, las partículas no se exponen a la radiación láser tiempo suficiente para fundirse antes de incidir en el grupo fundido y, por lo tanto, las partículas se funden principalmente por interacción con el grupo fundido del sustrato. Desde el punto de vista del sustrato, la energía disponible por unidad de longitud depende de la potencia media del láser, el tamaño del punto y la velocidad de exploración. Se puede estimar mediante el parámetro de densidad de energía (P / vD, donde P: potencia media, v: velocidad de exploración y D: diámetro del punto) [1]. A medida que la velocidad de exploración aumenta, menor cantidad de energía por unidad de longitud contribuye a la formación de piscinas fundidas. El comportamiento de la altura del revestimiento como una función de la densidad de energía se representa gráficamente en la Fig. 3. Se obtuvo un comportamiento similar con ambos tipos de láseres.

Revestimiento láser (5)

  Además, la cantidad de partículas de material precursor disponibles por unidad de longitud se modifica por la velocidad de exploración y el tamaño del punto, suponiendo que la mancha del rayo láser está completamente cubierta por el diámetro de la corriente de polvo. La cantidad de partículas que llegan al grupo fundido puede considerarse proporcional al flujo de masa y al tamaño del punto, e inversamente proporcional a la velocidad de exploración (parámetro m · D / v, donde m: flujo de masa) [9]. En consecuencia, el aumento de la velocidad de exploración tiene un efecto doble que reduce la densidad de energía y también la cantidad de partículas atrapadas por el conjunto fundido, que se refleja por una reducción de la altura del revestimiento. Para el láser Nd: YAG, se ha encontrado una correlación satisfactoria (R = 0,98) de la altura del revestimiento con el parámetro combinado (P - P0) / v2, donde P0 = 31 W (véase la Fig. 4). El valor de P0 fue determinado experimentalmente, y puede relacionarse 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 del revestimiento del láser de fibra con la inversa de la velocidad de procesamiento (ver Fig. 5). Este comportamiento se puede explicar por su mayor brillo de haz y los valores asociados de densidad de energía elevada. La alta energía concentrada en el conjunto fundido conduce a una mayor proporción de partículas atrapadas / incrustadas. En esta situación, las variaciones de la potencia media tienen menos importancia y la cantidad de partículas que llegan tiene una gran influencia en el volumen de material fundido y la altura de revestimiento resultante.

Revestimiento láser (6)

  La relación de aspecto (ancho / alto) de las pistas se representa frente a la velocidad de procesamiento en la Fig. 6. Se puede ver claramente que el ancho / alto de las pistas revestidas Nd: YAG progresa de forma pronunciada, en oposición a las obtenidas con láser de fibra. Como consecuencia de la dependencia de la anchura y altura del revestimiento con los parámetros de procesamiento previamente discutidos, la relación de aspecto de los resultados de la pista revestida con 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 lentamente con este parámetro de procesamiento.

A una velocidad de procesamiento fija, 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 velocidad de exploración más alta para obtener valores de relación de aspecto adecuados para producir recubrimientos mediante superposición de pistas [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 de haz del láser de fibra. La mayor densidad de energía permitirá capturar 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 que el grupo fundido se extienda transversalmente a la dirección de exploración. La consecuencia de más polvo precursor fundido en un área más pequeña es el rápido crecimiento de la altura del revestimiento de las pistas láser de fibra. Este hecho está bien ilustrado en la Fig. 7 que muestra las imágenes de SEM de sección transversal de las pistas revestidas producidas por ambos tipos de láseres en condiciones similares.

Revestimiento láser (7)

Revestimiento láser (8)

Con respecto a la dilución de las pistas depositadas, la dilución geométrica medida (dilución geométrica se calculó según la siguiente fórmula geom. Dilut. = H2 / (h + h2), donde h: altura de revestimiento y h2: profundidad de penetración de revestimiento, ver Ref. [10 ]) se trazó en función de la velocidad de exploración (véanse las figuras 8 y 9). La dilución geométrica obtenida de ambas fuentes láser muestra una tendencia similar, y responde al comportamiento combinado de la altura del revestimiento y la penetración. Fig. 10. Valores medios de dureza según la profundidad para láser Nd: YAG y fi bre (potencia del láser: 95 W, energía densidad 165 J / mm2) .depth. Para el láser Nd: YAG, se observa una dependencia logarítmica de la velocidad de procesamiento, mientras que para el láser de fibra se encontró un mejor ajuste con el parámetro combinado Pv. La mayoría de las condiciones probadas conducen a altos valores de dilución geométrica debido al bajo diámetro del punto y la densidad de energía elevada.

Revestimiento láser (11)

Revestimiento láser (10)

Revestimiento láser


  Se encontró que la dureza disminuía ligeramente al aumentar la profundidad dentro de la sección transversal de la vía (ver Fig. 10); este comportamiento está de acuerdo con la mayor presencia de elementos de sustrato diluidos en el material de revestimiento al acercarse a la interfaz. La zona debajo de la interfaz presenta valores de dureza en algún grado más altos que el sustrato tal 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 se alcanza una cierta profundidad debido a la mayor penetración de láser de fibra en el sustrato. Los valores promedio del módulo de Young fueron de 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 con 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 bajo 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 de haz del rayo láser de fibra. Se obtuvieron valores de dureza similares para las pistas producidas por ambos tipos de láseres.

  Por lo tanto, en el rango de parámetros estudiados en este trabajo, se puede concluir que un láser de alto brillo solo se recomienda cuando se requieren pistas de revestimiento muy angostas, pero no para pistas anchas regulares utilizadas para revestimientos grandes.

  Expresiones de gratitud

  Este trabajo ha sido parcialmente financiado por el Gobierno español (CICYT MAT2006-10481, DEX-560410-2008-169 y el programa FPU AP2006-03500) y por Xunta de Galicia (PGIDIT06TMT00501CT, PGIDIT06PXIA303086IF, INCITE07PXI303112ES e INCITE08E1-R30300ES). Se agradece la asistencia del personal técnico de CACTI (Universidad de Vigo).

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