Die neu eingeführte Laserauftragschweißtechnologie kann die Verschleißfestigkeit von Verbundbeschichtungen effektiv verbessern!_PTJ Blog

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Die neu eingeführte Laserauftragstechnologie kann die Verschleißfestigkeit von Verbundbeschichtungen effektiv verbessern!

2021-11-24

Um die Leistung der Mantelschicht zu verbessern, verwendet diese Studie das Taguchi-Design, um die Auswirkungen von Laserleistung, Scangeschwindigkeit, Gasfluss und SiC-Pulververhältnis auf die Mikrohärte und das Verschleißvolumen der Mantelschicht zu untersuchen.

Die Ergebnisse zeigen, dass das SiC-Pulververhältnis der Hauptfaktor ist, der die Mikrohärte und den Verschleiß der Mantelschicht beeinflusst. Der Beitrag des Verhältnisses von Siliciumcarbidpulver zur Mikrohärte und zum Verschleißvolumen beträgt 92.08 % bzw. 79.39 %. Durch Signal-Rausch-Verhältnis-Transformation und Graukorrelationsanalyse wird eine Mehrzieloptimierung realisiert.

Die neu eingeführte Laserauftragstechnologie kann die Verschleißfestigkeit von Verbundbeschichtungen effektiv verbessern!

Ausgehend von maximaler Mikrohärte und minimalem Verschleiß wird das Graukorrelationsanalyseverfahren verwendet, um den besten Verarbeitungsparametersatz zu erhalten und den entsprechenden Graukorrelationspegel vorherzusagen. Die Fehlerquote der Vorhersage und experimentellen Überprüfung beträgt 5.3%. Diese Studie bietet eine Anleitung für die Anwendung der Graukorrelationsanalysemethode für die Leistung von Laserauftragsbeschichtungen in praktischen industriellen Anwendungen, um mehrere Ziele gleichzeitig zu optimieren, und liefert eine theoretische Grundlage für die Optimierung von Prozessparametern mit den Zielen Mikrohärte und Verschleißfestigkeit.

Laserauftragschweißen ist eine Beschichtungstechnologie, bei der hochenergetische Laserstrahlen verwendet werden, um die Oberfläche des Substrats und die Oberfläche des Pulvers zu bestrahlen, um das Pulver schnell zu schmelzen und abzukühlen, um die erforderliche Metallbindungsbeschichtung mit dem Substrat zu bilden. Aufgrund seiner hohen Energiedichte, seines hohen Wirkungsgrades und seiner hervorragenden mechanischen und physikalischen Eigenschaften wird das Laserauftragschweißen häufig bei der Oberflächenreparatur verwendet, um eine Mehrzweck-Kohäsionsbeschichtung mit geringer Verdünnung zu bilden. Die Reparatur von Verbundbeschichtungen hat sich in den letzten Jahren rasant entwickelt. 316L Edelstahlpulver wird in der Industrie wegen seiner geringen Kosten, Korrosionsbeständigkeit und Selbstauflösungseigenschaft weit verbreitet verwendet. 316L weist jedoch auch die Einschränkungen einer geringen Härte und unzureichenden Verschleißfestigkeit auf. Mit der Entwicklung von Verbundwerkstoffen können diese Einschränkungen durch die Zugabe von Verstärkungspartikeln verbessert werden. Siliziumkarbid-Partikel haben die Vorteile einer hohen Mikrohärte und einer guten Verschleißfestigkeit. Daher ist SiC ein gutes Verstärkungsmaterial für Verbundmaterialien. Sie untersuchten auch die Mikrohärte und die Verschleißfestigkeit der SiC-verstärkten 316L-Edelstahl-Pulverbeschichtung während des Laserbeschichtungsprozesses.

Wenet al. fanden heraus, dass Laserauftragschweißen in 3.5 Gew.-% NaCl-Lösung die Mikrohärte und Korrosionsbeständigkeit von 316L effektiv verbessern kann. Meiet al. untersuchten die selektive Laserbeschichtung von 316L und Inconel 718. Sie fanden heraus, dass die Kontaktfläche der beiden Materialien unterschiedliche Mikrohärte und Mikrostruktur, Poren und Risse aufweist. Murkuteet al. untersuchten die 316L-Beschichtung auf dem AISI 1018-Stahlsubstrat und fanden heraus, dass die Härte der Nanoeindrückung mit zunehmender Scangeschwindigkeit abnimmt. Riquelmeet al. abgeschiedene Al-, Si-, Ti- und SiC-Verbundbeschichtungen auf der Magnesiumlegierung ZE41. Es hat sich herausgestellt, dass das Legierungselementverhältnis die Mikrohärte und die mechanischen Eigenschaften der Legierung verbessern kann. Ramakrishnan und andere haben eine mit Siliciumcarbid verstärkte Haynes 282 (HY282) funktionell abgestufte Superlegierung mit unterschiedlichen Siliciumcarbid-Zusammensetzungen, -Strukturen und -Eigenschaften hergestellt. Die Studie ergab, dass mit der Zunahme der Siliziumkarbid-Partikel die Mikrohärte und die Verschleißfestigkeit von Superlegierungen deutlich verbessert wurden. Zhao et al. 8.5 Vol.-% SiC/AlSi10 Mg SiC keramisch verstärkte Aluminiummatrix-Verbundwerkstoffe durch selektives Laserschmelzen hergestellt. Sie wiesen darauf hin, dass Nanohärte und Elastizitätsmodul traditionellen Materialien in der Mitte und am Rand überlegen sind.

Derzeit konzentriert sich die Forschung der Forscher zum Laserauftragschweißen von 316L-Edelstahlpulver hauptsächlich auf die Verbesserung der Mikrohärte und der Verschleißfestigkeit durch Hinzufügen von Verstärkungsmaterialien. Der Einfluss der Prozessparameter des Laserauftragschweißens und der verstärkten Verbundwerkstoffe auf die Mikrohärte und das Verschleißausmaß der Auftragschicht wird selten gefunden. Die Leistung der Deckschicht bestimmt den Erfolg oder Misserfolg der Reparatur. Die Mikrohärte und die Verschleißfestigkeit der Mantelschicht sind wichtige Indikatoren, um die Leistung der Mantelschicht zu messen. In dieser Studie wurde das Taguchi-Design für Vorversuche verwendet. Nach der Analyse der Prozessparameter wurde die Graukorrelationsanalyse verwendet, um die maximale Mikrohärte und den minimalen Verschleiß der 316L-Edelstahl- und SiC-Verbundbeschichtungsschicht zu optimieren und vorherzusagen.

Forschungsmaterialien und -methoden

Als Matrix wurde in dieser Studie ASTM-5140-Stahl mit einer Größe von 40 mm × 20 mm × 10 mm gewählt, Hintergrund ist eine IndustriekurbelWelle Reparaturanwendung; seine Elementzusammensetzung ist in Tabelle 1 gezeigt. Das beim Laserauftragschweißen verwendete Pulver ist eine Mischung aus 316L-Edelstahlpulver und SiC-Pulver, hergestellt von Xiangcheng Yuteng Ceramic Products Co., Ltd. Die Partikelgröße der beiden Pulver liegt zwischen 48 und 106°m, was den Gerätespezifikationen entspricht. Tabelle 1 zeigt auch die elementare Zusammensetzung der obigen zwei beschichteten Pulver.

Das in dieser Studie verwendete Laserbeschichtungssystem. Das Gesamtsystem besteht aus vier Teilsystemen, nämlich dem Steuerungssystem, dem Lasersystem, dem Brennkammersystem und dem Pulvergasfördersystem. Das gesamte System läuft unter der SPS-Steuerung der japanischen Mitsubishi Corporation. Das Lasersystem umfasst den Lasergenerator YLS-3000 und die gepulste Laserpulssteuerung sx14-012 von IPG Optoelectronics. Die erzeugte Laserenergie wird auf die Laserauftragsdüse FDH0273 und den 300 mm Brennweitenraum übertragen, um das Laserauftragsschweißprozesssystem im Industrieroboter m-710 ic / 50 und der Wasserkühlung tflw-4000 World Development Report-01-3385 ​​zu vervollständigen Systemausrüstung . Das Pulvergasfördersystem CR-PGF-D-2 verwendet während des Beschichtungsprozesses Argon als Träger- und Schutzgas.

Vor dem Laserauftragschweißen wurde die Oberfläche des ASTM-5140-Stahlsubstrats mit Aceton gereinigt. Bei der Herstellung der Laserbeschichtungspulvermischung wurden 316L-Edelstahlpulver und SiC-Pulver in einer MITR-YXQM-2L-Kugelmühle bei 400 U/min für 30 Minuten gemischt und dann in einem Vakuumtrockner bei 80°C für 30 Minuten getrocknet. Diese Studie verwendet eine orthogonale Kombination von fünf Faktoren und vier Ebenen, von denen eine leer ist. Die anderen vier Faktoren sind die vier in dieser Studie zu untersuchenden Verarbeitungsparameter, wie in Tabelle 2 gezeigt. Ein vollständiger faktorieller Versuchsplan erfordert 44 = 256 Durchläufe, um alle Kombinationen der vier Faktoren und des vierschichtigen Versuchsplans zu berücksichtigen. Taguchi-Design ist eine experimentelle Designmethode. Im Vergleich zum vollfaktoriellen Design wird die Anzahl der Durchläufe reduziert und die optimale Kombination wird durch eine orthogonale Matrix erhalten.

Das Laserauftragschweißen wird gemäß den Einstellungen in Tabelle 3 durchgeführt und für jeden Durchlauf wird eine Probe entnommen. Nach der Fertigstellung wurden 16 Proben für eine spätere Messung und Prüfung einem linearen Schneiden, Schleifen und Eintauchen in Königswasser unterzogen. Nachdem die Probe hergestellt worden war, wurde ihre Mikrohärte mit einem 402TS Mikrohärtetester (HDNS, Shanghai, China) gemessen und eine Kraft von 500 g wurde 30 Sekunden lang aufgebracht. Die Messposition befindet sich unter der Mantelschicht, um die Genauigkeit zu gewährleisten, da sich das unvollständig geschmolzene Material auf der oberen Oberfläche der Mantelschicht befindet und die untere Schicht der Mantelschicht durch Cr- und C-Elemente aus dem Substrat diffundiert. Verwenden Sie den Verschleißindex, um die Verschleißfestigkeit des Materials zu erklären. Die Abriebmenge wurde mit dem UMT-2 High Load Scratch Tester (Brook, MA, USA) getestet und die hin- und hergehenden Kratzer wurden 30 Minuten lang fortgesetzt. Dann wurde die dreidimensionale Morphologie der zerkratzten Oberfläche jeder Probe durch Weißlichtinterferometrie erhalten. Ermitteln Sie dann die Abnutzungsmenge für jede Probe.

Varianzanalyse

Vor der Durchführung der Varianzanalyse (ANOVA) ist ein Normalitätstest erforderlich, da große Fehler auftreten können, wenn der Datensatz nicht der Normalverteilung entspricht. Minitab 17 verwendet den Anderson-Darling-Test, um die Normalität zu testen. Wenn der p-Wert größer als 0.05 ist, wird er normalverteilt. Wie aus Abbildung 2 unten ersichtlich ist, sind die p-Werte der S/N-Umwandlung der Mikrohärte und des Verschleißvolumens im Anderson-Darling-Test beide größer als 0.05. Daher wurde die Normalverteilung dieser beiden Antworten überprüft, gefolgt von einer Varianzanalyse.

Verschleißanalyse

Mit zunehmendem Verhältnis von SiC-Pulver zu Material nimmt das S/N des Verschleißes zu. Da das S/N der Abnutzungsmenge umgerechnet werden kann, ist das S/N der Abnutzungsmenge umso besser, je kleiner die zu erwartende Abnutzungsmenge ist, so dass das S/N der Abnutzungsmenge negativ mit der tatsächlichen Abnutzungsmenge korreliert. In 3 führt die Erhöhung des SiC-Pulververhältnisses zu einer Erhöhung des S/N-Abnutzungsbetrags, was tatsächlich die Abnahme des tatsächlichen Abnutzungsbetrags der Verbundschicht darstellt. Es wird allgemein angenommen, dass die Verschleißfestigkeit eines Materials mit der Härte des Materials zusammenhängt. Nach der Archard-Verschleißgleichung ist das Verschleißvolumen negativ mit der Härte verbunden. Durch die Erhöhung des Siliziumcarbid-Pulververhältnisses wird die Mikrohärte der Beschichtung verbessert, wodurch die tatsächliche Kontakt- und Reibungsfläche der Beschichtung während des Kratzvorgangs verringert und die Verformungsbeständigkeit der Beschichtung verbessert wird. Daher wird der Verschleiß verringert.

abschließend

In diesem Artikel wird das experimentelle Design von Taguchi verwendet, um die Auswirkungen von Laserleistung, Scangeschwindigkeit, Gasfluss, SiC-Pulververhältnis und anderen Faktoren auf die Mikrohärte und das Verschleißvolumen der Plattierungsschicht zu untersuchen. Auf der Grundlage der Signal-Rausch-Verhältnis-Umwandlung wird das Verfahren der Gray-Relational-Analyse angewendet, um eine simultane Mehrzieloptimierung zu erreichen. Der vorhergesagte Verarbeitungsparametersatz wird durch Experimente verifiziert. Fazit wie folgt:

·Nur die Analyse der Mikrohärte zeigt, dass diese hauptsächlich vom Anteil des Siliziumkarbid-Pulvers beeinflusst wird und der Einfluss anderer Prozessparameter statistisch nicht signifikant ist. Die Mikrohärte der Mantelschicht nimmt mit der Zunahme des Siliziumkarbid-Pulververhältnisses zu.

·Aus der Analyse des Verschleißvolumens selbst ist ersichtlich, dass der Hauptfaktor für das Verschleißvolumen das Siliziumkarbid-Pulververhältnis ist und der Einfluss anderer Prozessparameter statistisch nicht signifikant ist. Das Verschleißvolumen der Mantelschicht nimmt mit der Zunahme des Siliziumkarbid-Pulververhältnisses ab.

·Der Beitrag des SiC-Pulververhältnisses zur Mikrohärte und zum Verschleißvolumen beträgt 92.08 % bzw. 79.39 %. Es zeigt, dass die Mikrohärte und der Verschleiß hauptsächlich durch das Verhältnis des Siliziumkarbidpulvers beeinflusst werden und andere Prozessparameter weniger beeinflusst werden.

·Mit der Methode der grau-relationalen Analyse wird das Ziel maximaler Mikrohärte und minimalem Verschleiß erreicht. Um dieses Ziel zu erreichen, wurden folgende Bearbeitungsparameter festgelegt: Laserleistung 1800 W, Scangeschwindigkeit 6 mm/s, Gasdurchfluss 110 l/h, SiC-Pulveranteil 30%.

·Prognostizieren Sie den Grad der Graukorrelation und führen Sie eine experimentelle Überprüfung bei der Analyse der Graukorrelation mit mehreren Zielen durch. Die Fehlerquote zwischen dem prognostizierten Wert und dem tatsächlichen Wert beträgt 5.3 %. Die Anwendbarkeit der Gray-Relational-Analyse in multi-objektiven Optimierungsproblemen wird verifiziert.

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