lézeres felületkezelés, bevonatolás -...

1

Miskolci Egyetem Gépészmérnöki és Informatikai Kar

Műszaki Menedzser Szak

Lézeres felületkezelés, bevonatolás

Hajdú Attila, EIOGMX 3529, Miskolc

Felsőruzsin körút 24.

2

Szakdolgozat kiírás! MISKOLCI EGYETEM

MISKOLC-EGYETEMVÁROS, H-3515 Tel.: (36)(46) 365-111, Telefax: (36) (46) 363-929

Universität Miskolc University of Miskolc

MECHANIKAI TECHNOLÓGIAI TANSZÉK

Université de Miskolc

FELADAT KIÍRÁS Projektfeladat GEMTT056B c. tárgyból

Műszaki Menedzser Szak, Technológiai Blokk, 6. félév

Hajdú Attila, EIOGMX hallgató részére

A feladat címe:

Lézeres felületkezelés, bevonatolás

Témavezető: Kocsisné dr. Baán Mária, egyetemi docens

Konzulens: Kerekes Gábor, mérnök-tanár

I. A) Szakirodalom kutatás

Az on-line irodalomkutatás módszereit felhasználva szakirodalmi adatbázisokban, valamint a könyvtári forrásokban végezzen szakirodalom kutatást az alábbi témakörökben:

1. Készítsen irodalmi összefoglalást a lézeres felület-technológiai lehetőségek szisztematikus bemutatása céljával – ismertesse ezen eljárások elvi megoldásait és gyakorlati alkalmazásait.

2. Gyűjtsön a szakirodalomból lézeres felülettechnológiák – kiemelten a felület-ötvözés és felület-ráolvasztás - alkalmazási példáit bemutató esettanulmányokat!

3. Részletesen mutassa be a BAYATI Lézertechnológiai laboratóriumának berendezéseit, az általuk alkalmazott technológiai megoldásokat, K+F tevékenységeik fő irányait.

Adja meg feladatpontonként a keresés alapjául szolgáló kulcsszavakat és gyűjtsön témakörönként megfelelő mennyiségű szakirodalmat. (pl. szakfolyóiratok esetében az utóbbi 8-10 évben, szakkönyvek esetében az utóbbi 15-20 évben megjelent anyagokból válogasson.)

B) Szakirodalom feldolgozás

� Rendszerezze a szakirodalom kutatás során kapott találatokat az A) pontban részletezett témakörök szerint és válassza ki az adott témakörökhöz kapcsolódóan a legrelevánsabb találatokat.

� Készítsen részletes, téma szerint csoportosított irodalomjegyzéket a bibliográfiai adatok pontos megnevezésével. Az irodalomjegyzéket a szakdolgozat formai

3

előírásait tartalmazó, kiadott mintafile-ban (template) található hivatkozási mintát követve készítse el.

� Készítsen tematikus összefoglalást a feldolgozásra szánt szakirodalmakból a tervezésvezető útmutatása, valamint a szemináriumokon elhangzott szempontrendszer alapján.

II. Kísérlettervezés, előkísérletek

Készítsen kísérleti tervet és próbaméréseket diplomatervének gyakorlati munkájához, a BAYATI Lézertechnológiai Laboratóriumában, Dr. Felde Imre, csoportvezető irányításával. Végezzen felület-ráolvasztás technológiájával előkísérleteket a technológiai paraméterek helyes megválasztása céljával, különböző paraméterkombinációkkal.

III. Felületkezelési kísérletek és azok értékelése

Vizsgálja a felületkezelés eredményeit a nyomvonalak keresztmetszetében keménység-eloszlási görbék felvételével, végezzen mikroszkópos vizsgálatokat a bevonat geometriájának megállapítására és a mikroszerkezet, valamint a keménység-értékek összevetésére, végezzen méréseket és számításokat a hígulási mérték összehasonlítására.

A Projektfeladat GEMTT056B tárgy keretében (e félévben) kötelezően teljesítendő feladatok:

1. Az I. feladatpontnak megfelelően egy min. 20 oldal terjedelmű írásbeli dolgozat beadása elektronikus és nyomtatott formában: Határid ő: 2011. április 26. 12:00 óra, továbbá

2. Az irodalomkutatás témából készített maximum 8-10 perces Power Point bemutató megtartása. Időpont: 2011. május 09. 8:00-11:00 óra.

A feladat ütemezett végrehajtásáról a tantárgy féléves időbeosztása szerint megadott PFE időpontokban a szemináriumot vezető oktatónak, illetve egyénileg egyeztetett időpontokban a tervezésvezetőknek rendszeresen adjon számot.

Miskolc, 2011. február 07.

Kocsisné dr. Baán Mária egyetemi docens, témavezető

4

TARTALOMJEGYZÉK 1. Bevezetés ...............................................................................................................5 2. Szakirodalmi áttekintés..........................................................................................6

2.1. A lézeres megmunkálások fizikai alapjai ...............................................................6

2.2. A lézeres felületkezelési eljárások paraméterei...................................................... 9

2.3. Lézeres felületi ráolvasztás (cladding) ................................................................. 11

2.3.1. Az eljárás bemutatása ................................................................................... 11

2.3.2. Egylépéses eljárás por injektálással.............................................................. 12

2.3.3. Egylépéses eljárás pasztás porkeverék alkalmazásával................................ 13

2.3.4. Egylépéses eljárás huzal adagolással............................................................ 13

2.3.5. Kétlépéses eljárások ..................................................................................... 14

2.3.6. Laser cladding konfiguráció ......................................................................... 14

2.4. Cladding esettanulmáyok ..................................................................................... 17 2.4.1. MRI 153M magnézium ötvözet felületkezelése Al+Al2O3-al...................... 17 2.4.2. Turbina lapátok lézeres felületi ráolvasztással való kezelése....................... 21

2.4.3. Egy alkatrész javítása huzaladagolásos lézeres ráolvasztás segítségével..... 24

2.5. A BAYATI lézertechnológiai laboratóriumának bemutatása .............................. 32

3. Önálló Laser Cladding kísérleti munka...............................................................36

3.1. Kísérleti program.................................................................................................. 36 3.1.1. Anyagminőségek: ......................................................................................... 36

3.1.2. A kezelt nyomvonalak elrendezése .............................................................. 37

3.1.3. Lézer, poradagoló berendezés ...................................................................... 38

3.1.4. Felület előkészítés: ....................................................................................... 40

3.1.5. A kísérlet technológiai paraméterei:............................................................. 40

3.2. Próbatestek előkészítése: ...................................................................................... 41

3.3. Mikroszkópos vizsgálatok .................................................................................... 42 3.4. Mikrokeménység .................................................................................................. 43 3.5. Technológiai paraméterek változásának elemzése............................................... 49

3.5.1. A változó foltátmérő hatása a keménység eloszlásra. .................................. 50 3.5.2. A cladding sebesség változtatásának hatása a keménységre ........................ 51

3.5.3. A teljesítmény változtatásának hatása a keménységre. ................................ 52

3.5.4. Technológiai paraméterek hatása a bevonat geometriájára.......................... 53

3.5.5. A kísérleti eredmények összefoglalása, további vizsgálatok........................ 55

4. Összefoglalás .......................................................................................................56 5. Köszönetnyilvánítás.............................................................................................56 6. Irodalomjegyzék ..................................................................................................57

5

1. BEVEZETÉS

A korszerű felülettudomány és felülettechnológia új és komplex szemléletmódú, interdiszciplináris szakterületté vált néhány évtizede. Az angol nyelvű szakirodalom hasonló tartalommal lefordíthatatlan kifejezése, a "Surface Engineering" ezt a komplexitást tükrözi.

"A Surface Engineering magába foglalja mindazoknak a hagyományos és innovatív felületi technológiáknak az alkalmazását, amelyek során a műszaki gyakorlatban alkalmazott alkatrészek és anyagok kezelésének célja olyan kompozit-anyag előállítása, melynek tulajdonságaival sem az alapanyag sem a felületi réteg anyaga önmagában nem rendelkezik. Gyakran a különféle felületi technológiákat már előzetesen megtervezett alkatrészek kezelésére alkalmazzák, de ideális esetben a "Surface Engineering" magába foglalja a tervezés fázisát is, amely eleve figyelembe veszi az alkalmazandó felületkezeléssel elérendő sajátságokat." Prof. Tom Bell

A fogalom tehát magában foglal minden mérnöki tevékenységet - a tervezéstől a gyártáson át a minőségellenőrző vizsgálatok és a felhasználás körülményeinek és következményeinek vizsgálatáig - amely a műszaki felületek optimális tulajdonságkombinációjának biztosításával az ipari termékek, szerkezeti és gépalkatrészek élettartamát, felhasználói tulajdonságait kedvezően befolyásolhatja. E szakterület szükségszerűen magába integrál számos, akár több évszázados múltra is visszatekintő szakmai ismeretanyagot, melyek eddig egymástól elszigetelten, más-más szakterületek művelőinek tevékenységébe tartoztak, így a korrózióállóság fokozásának lehetőségeivel többnyire a vegyészek, a tribológiai tulajdonságok megismerésével és javításával, vagyis a kopásállóság fokozásának lehetőségeivel a gépgyártás-technológusok, a szerszámgépek tervezői, gyártói és alkalmazói foglalkoznak, a végtermékek tulajdonságmódosító felületi hőkezelése a kohász és gépész alapképzettségű hőkezelők felségterülete, a felrakóhegesztés természetszerűleg a hegesztők szakmai kompetenciájába esik, a fizikusok egyre jelentősebb részt vállalnak a plazma és sugártechnológiák alkalmazott kutatásaiban.[1] A jelen dolgozat rövid ismertetőt kíván adni a felülettechnológiák elméleti hátteréről, majd átfogó összefoglalást a lézeres felületkezelés lehetőségeiről, azok sokoldalúságáról és egyedi megoldásairól. Ezen belül elsődlegesen a kémiai összetételt is megváltoztató eljárások, a felrakóhegesztéssel rokon eljárás, a felületráolvasztás kerül a fókuszba, megadott szempontrendszer szerinti bemutatva néhány, ezt a technológiát alkalmazó esettanulmányt. A dolgozat tartalmazza egy saját kísérleti munka részletes dokumentációját, eredményeit és a feldolgozott esettanulmányok közti összefüggéseket, párhuzamokat.

6

2. SZAKIRODALMI ÁTTEKINTÉS

2.1. A lézeres megmunkálások fizikai alapjai

A lézer a jelenség angol kifejezésének kezdőbetűiből képzett betűszó (Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation), melynek magyar jelentése: fényerősítés a sugárzás indukált emissziójával. Ahhoz, hogy megértsük a lézerfény keletkezésének elvét, három alapfogalommal kell tisztában lennünk: abszorpció, indukált-emisszió, és populáció inverzió. Abszorpciónak nevezzük, ha egy, az atommag körül keringő elektron energiát nyel el, és ezáltal egy nagyobb energiaszinttel jellemzett pályára kerül (1. ábra). Ekkor az atom gerjesztett állapotban van, ebből az állapotából spontán emisszióval, azaz fotonkisugárzással kerül vissza alapállapotába. Ekkor az elnyelt fotont időbeli késéssel adja le.

1. ábra: Az abszorpció és az indukált emisszió [2]

Az indukált emisszió az abszorpció fordított folyamata, olyan kényszerített energiacsökkenéssel járó átmenet, ahol az emissziót egy foton ütközése váltja ki, de ez a foton nem nyelődik el, hanem hatására egy újabb foton lép ki a gerjesztett anyagból. Ehhez a folyamathoz az szükséges, hogy egy tetszőleges foton 50%-nál nagyobb valószínűséggel gerjesztett részecskével ütközzön, azaz, hogy a lézerátmenetet adó részecskék több mint 50%-a gerjesztett állapotban legyen. Az ilyen mértékben

7

gerjesztett állapotot nevezzük populáció inverziónak. A lézer sugárforrásban az aktív anyagot gerjesztjük, azaz az aktív atomokon, ionokon, molekulákon populáció inverziót hozunk létre. Emiatt, ha egy foton kilép a közbenső energiaszintről (E2) akkor ez bizonyos (50%-nál nagyobb) valószínűséggel egy újabb fotont gerjeszt, azaz ütközésével kikényszeríti az aktív anyagból a foton kibocsátást. A kibocsátott foton hullámhossza, energiája, fázisa megegyezik az első fotonéval. Mindegyik foton új fotonok emisszióját képes indukálni.[2]

A továbbiakban a lézert felületmódosításra alkalmas berendezésként, a felület hevítésének nagy energiasűrűségű hőbeviteli lehetőségeként fogjuk használni. Ezen kezelések célja általában a felület szilárdítása, teherviselő képességének növelése, kedvezőbb súrlódási viszonyok kialakítása, korrózióállóság növelése, kopásállóság növelése, a kifáradással szembeni ellenálás növelése maradó feszültségek optimalizálásával.[3]

A 2. ábra a lézeres felülettechnológiák csoportosítási lehetőségét mutatja be. A szilárd állapotú, azaz olvadáspont alatti kezeléseknél edzésről beszélünk, az eljárás a lángedzéssel, indukciós edzéssel azonos fémtani alapokra, anyagszerkezeti változásokra épít. A lézeres felületedzés (laser transformation hardening) során az anyag felületi rétegének kopásállóságát növelik, a kifáradási hajlamát pedig csökkentik olyan módon, hogy a felületet lézerrel melegítik úgy, hogy a felületi rétegben ausztenites, majd edző hatású hűlés következtében martenzites szövet alakul ki. [2]

Az olvadáspontot meghaladó kezelések esetén a további osztályozás alapja, hogy a felületi rétegben történik-e kémiai összetétel változás, vagy sem. A kémiai összetételt megváltoztató kezelések mindig meghaladják az olvadáspontot, így az alapján csoportosítjuk őket, hogy a külső forrásból történő anyagbevitel célja a felület ötvözés, vagyis az alapanyag és a bevitt anyag keveredésével, a felület ötvözésével állítjuk elő a kívánt tulajdonságokat, vagy az a cél, hogy a bevitt anyag az alapanyaggal egyáltalán ne, vagy csak kis mértékben keveredjen, az új réteget ráolvasztjuk a szubsztrátra. [3]

8

2. ábra: A lézeres felületkezelések egy csoportosítása [1]

A lézeres felületi átolvasztás (laser remelting) során lézerrel megolvasztják az anyag felületi rétegét, amely ezt követően gyorsan lehűlve újra megszilárdul. Így az összetétel nem változik, de a felületi réteg szerkezete igen, pl. fém esetén amorf (üvegfém) vagy mikrokristályos felületi fázis képződhet, ami javíthatja a felület kopás- vagy korrózióállóságát, vagy csökkentheti a kifáradási hajlamát.[4] A lézeres felületi ötvözés (laser surface alloying) során a szubsztrát megolvasztott felületi rétegébe az adalékanyagok bevitelét előzetesen felvitt vékony réteg lézeres átolvasztásával (két lépéses eljárás), vagy célszerűen választott pornak az olvadéktócsába való befújásával, illetve huzal adalékolással (egylépéses eljárás) oldhatjuk meg. Az adalékanyag a szubsztrát felületi rétegével együtt megolvad és keveredik, így ötvözött réteg képződik [5], mely előnyös, a tömbi anyagtól eltérő fizikai, kémiai, illetve mechanikai tulajdonságokkal rendelkezhet. Hasonló eljárás a részecske belövés, a diszpergálás technológiája, ez esetben az adalékanyag beolvadása nem teljes, így szilárd fázisú, finom eloszlású, a kiválásos keményítéshez hasonló hatásmechanizmust eredményező második fázis jelenlétét biztosítjuk. A lézeres felületi ráolvasztás vagy felrakás (laser surface cladding) hasonlít a lézeres felületi ötvözésre. A különbség az, hogy a szubsztrát nem, vagy csak kevésbé olvad meg, hogy ne hígítsa a kialakuló – a termikusan szórt réteghez képest tömörebb, pórusmentesebb – bevonatot.[3]

Ma még ipari méretekben nem alkalmazzák elterjedten a lökéshullám okozta felületszilárdítás lehetőségeit, melyek során a rácshibák kialakulását, az alakított fém felkeményedéséhez hasonló jelenséget hasznosítjuk.

9

2.2. A lézeres felületkezelési eljárások paraméterei

A nagy energiasűrűségű lézersugár és az anyag kölcsönhatását, így az ennek következtében létrehozott/módosított tulajdonságokat alapvetően a következő technológiai paraméterek határozzák meg:

• Lézerteljesítmény,

• Hullámhossz,

• Sugárnyaláb alakja, mérete,

• A besugárzott területen belüli intenzitás-eloszlás jellege,

• Pásztázási (előtolási) sebesség.

A felsorolt jellemzőkből származtatható paraméterek:

• Teljesítménysűrűség = teljesítmény/besugárzott felület, [W/mm2]

• Hatóidő = nyomvonal hossza / pásztázási sebesség [s]

Az anyagban bekövetkező változások anyagi minőségtől függő paraméterei:

• Abszorpciós képesség

• Hővezetőképesség,

• Sűrűség

• Fajhő

• Fázisátalakulások hőmérséklete

• Átalakulásokat kísérő látens hő

A lézeres felületkezelések optimális megvalósításához bonyolult szabályozási feladatokat kell megoldani. A lézer sugárforrás rezonátorában keletkezett koherens sugarat optikai átviteli eszközök (tükrök, szál-optika) segítségével irányítjuk a kezelendő felületre. Egy átlagos kimenő sugárteljesítményből kiindulva a szükséges teljesítménysűrűség és intenzitás-eloszlás a besugárzott területen belül úgy érhető el, hogy fókuszáló és/vagy sugár-alakformáló eszközöket - lencséket, tükröket, pásztázó egységeket vagy sugár-integrátorokat alkalmazunk.

Az élesen fókuszált sugár alkalmazása nem célszerű, részben mert túl keskeny lesz a kezelt nyomvonal, részben pedig a felület túlhevítésének (pl. edzésnél megolvadás)

10

elkerülése érdekében. A besugárzott terület növelése céljából defókuszált sugarat alkalmazunk. A további sugármanipulációs lehetőségek egyikét mutatja be a 3. ábra. Szilárd állapotban végzett kezelésekhez általában a négyzetes, vagy négyszögletes sugárforma ajánlott, átolvasztáshoz gyakran vonalszerű sugárformát alkalmaznak. Ráolvasztásos eljárásnál célszerű minél nagyobb méretű olvadék-tócsát létrehozni, hogy az adalékanyagoknak lehetőségük legyen közvetlenül az olvadékzónába bejutni.

3 ábra: Egy sugármanipulációs lehetőség: oszcillátor tükrök alkalmazása [1]

A sugárnyaláb és a munkadarab relatív mozgását többnyire CNC vezérlésű asztal segítségével valósítják meg. A munkadarab mozgatására szolgáló rendszer megtervezésénél, kiválasztásánál figyelembe kell venni a munkadarab geometriáját, a kezelendő felület bonyolultságát, a megkívánt pontosságot, az eljárás sebességét, a mozgatandó darab tömegét. A gazdaságossági szempontok mérlegelésekor természetesen a gyártás volumene is jelentős tényező. [1]

11

2.3. Lézeres felületi ráolvasztás (cladding)

2.3.1. Az eljárás bemutatása

A következőkben bemutatom a lézeres felületi ráolvasztás technológiájának fontosabb lépéseit, kitérek az alkalmazási területeire, a felhasznált anyagokra, végül esettanulmányokat fogok bemutatni, összegezni, és értékelni.

A lézeres technológiák körében a felületi ráolvasztás rejti magában a lehetőségek legszélesebb tárházát, ha a felület tulajdonságait kívánjuk módosítani. Ez az eljárás tekinthető az egyik legköltséghatékonyabb módszernek arra, hogy a felületromlás miatti anyagveszteséget pótoljuk (pl. korrózió, kopás).

A technológia lényege, hogy kis mértékű keveredés lép fel az alapanyag és az adalékanyag között. Az eljárás paramétereit úgy kell megválasztani, hogy a bevonat anyaga adhéziós kötést alakítson ki az alapanyaggal, s emellett a keveredés olyan kis mértékű legyen, hogy ne romoljanak a bevonó anyag tulajdonságai. Ha a felületen lévő nyom magassága h, a teljes vastagság h+d, akkor a hígulás mértékét a d/ (h+d) arányszámmal jellemezhetjük (4. ábra). A hígulás mértékének mintegy 5% alá csökkenése viszont már a kötés minőségét, erősségét veszélyezteti. [6]

4. ábra: A bevonat keresztmetszetének geometriai jellemzői

A felület teljes befedéséhez az egyes nyomvonalak között átfedésnek kell lennie. figyelembe kell venni viszont azt, hogy az új nyomvonal lerakáskor az előző nyom és az alapanyag vékony felületi rétege megolvad, ami kulcsfontosságú a hibamentes és jól tapadó bevonat kialakulásában. A bevonatolást követő utómunkák csökkentése céljából törekedni kell a felületi érdesség minimalizálására. Megfelelő bevonattulajdonságok érhetőek el, ha az átfedés mértéke 50-60%. A bevonat geometriájának jellemzésére a 4. ábrán jelölt α szög alkalmazható. Ha α ≤ 90°, azaz

12

hegyesszög, az egymás mellett, nem megfelelő átlapolással elhelyezett rétegek között porozitás alakulhat ki.

A lézeres bevonatolási eljárásokat technológiai kivitelezésük alapján két fő csoportba sorolhatjuk. (4. ábra) Az egylépéses eljárás során a szükséges bevonatoló anyagot por, paszta vagy huzal formájában közvetlenül a megolvadt fürdőbe juttatják a folyamat alatt, amely ott megolvad és kialakítja a bevonatot. A kétlépéses eljárás során a bevonat anyagát megfelelő vastagságban előzetes felrakással juttatják a felületre a lézeres kezelést, olvasztást megelőzően. Ez esetben az előre felrakott anyag lehet por, fólia, huzal, termikusan szórt réteg.

5. ábra: Lézeres bevonatolás két fő csoportjának elvi vázlata[7]

A további fejezetekben rövid áttekintést kívánok adni a legelterjedtebben alkalmazott adalék-beviteli módszerek sajátosságairól.

2.3.2. Egylépéses eljárás por injektálással

A leggyakrabban alkalmazott megoldás, hogy porkeveréket olvasztunk a felületre egylépéses folyamatban. A por használata az iparban sokkal inkább elterjedt, annak köszönhetően, hogy rugalmasabban lehet alkalmazni bonyolultabb geometriájú felületeken, és könnyebb beállítani a keverék komponenseinek kívánt arányát. Számos paramétert szükséges optimalizálni a kívánt eredmény elérése érdekében.

Az eljárás eredményét befolyásoló paramétereket célszerű abból a szempontból csoportosítani, hogy a technológia vagy az adalékanyag, azaz porinjektálásnál a por paraméterei.[8]

Az eljárási paraméterek:

• Foltátmérő

13

• Lézer teljesítmény és energia sűrűség

• Pásztázási sebesség

• Az adalékolás módja, helyzete, a porbefúvó szöge és elhelyezkedése a felülethez képest

Az adalékanyag, a por paraméterei:

• a por mérete és összetétele

• por adagolási sebesség

• védő és szállító gáz típusa és mennyisége

• olvasztási hőmérséklet

• befecskendezési pont

• abszorpciós együttható.

A fentiek mellett számos fizikai jelenség szerepet játszik a folyamatban pl. abszorpció, hővezetés, diffúzió, olvadék mező dinamikája, folyadék konvekció, gáz/olvadék mező kölcsönhatása. Az input paraméterek kismértékű változtatása az output paraméterek nagymértékű változását hozza, de előfordulhat, hogy az input paraméterek szándékos változtatása nélkül is eltérő eredményt kapunk.[5]

2.3.3. Egylépéses eljárás pasztás porkeverék alkalmazásával

Az egylépéses ráolvasztásos folyamatban, a porkeveréket közvetlenül a lézer és a szubsztrát közötti kölcsönhatás révén kialakuló olvadékzónába juttatjuk. A lézer megolvasztja a pasztát, és a felületi réteget. A fő probléma ennél a technikánál a kötőanyag, a felület szennyezettsége, és gáz porozitás a rétegben. Ez azzal magyarázható , hogy a kötőanyagnak gyorsan meg kell tudnia száradni, párologni, és ezzel egy időben a ráolvasztott anyagot kompakt formában megtartani.[8]

2.3.4. Egylépéses eljárás huzal adagolással

A huzal adagolásos módszer az egyik módja, hogy kiküszöböljük poradagolásos módszerrel járó problémákat. Mivel a huzal megolvasztásának energiaszükséglete nagy, így a lézer teljesítményét növelni kell, vagy előmelegíteni a huzalt. Kutatások igazolták, hogy 1000°C közeli hőmérsékletre előmelegített huzalok hatékonyabbak a ráolvasztás során. Az anyagveszteség majdnem 0%, az olvadási ráta 3 kg/óra. Ha a lézert MIG tápegységgel kombináljuk, a felvihető alapanyag négyszeresére növelhető, 5 mm-es vastagságban, alacsony keveredéssel.[8]

14

2.3.5. Kétlépéses eljárások

A kétlépéses lézeres bevonatolás során a bevonat anyagát előre felvisszük a felületre, és azután olvasztjuk rá a szubsztrát felületére lézerrel. A kétlépéses folyamat előnye, hogy 1 mm-nél vékonyabb rétegek is felvihetők, jól szabályozható, s így nagyon alacsony mértékű a keveredés a felvitt anyag és az alapanyag között, viszont ezt csak majdnem teljesen sík munkadarabokon lehet alkalmazni. Ezt a technológiát drága alapanyagú munkadarabok bevonására és védelmére használjuk, így állíthatunk elő korrózióval és környezeti hatásokkal szemben ellenálló, egyben jó mechanikai tulajdonságokkal rendelkező alkatrészeket (szuperötvözetek, szerszámacélok, Ni és Co alapú ötvözetek), ezzel többszörösére megnövelve a komponensek élettartamát. Az egyik lehetséges megoldás a bevonat anyagának a felületre való felvitelére, hogy a porkeveréket vagy előötvözött port előzőleg valamilyen kötőanyaggal összekeverik, így egy sűrű szuszpenzió képződik.

A folyamat kezdetén a lézersugár felhevíti az anyagot, az olvadási front keresztülhalad az alacsony hővezetőképességű pasztán, majd amikor az olvadási front eléri az alapanyagot, a hővezetés drasztikusan megnő, és ez megszilárdulást eredményez. A jó adhéziót és az alacsony mértékű hígulást az alapanyag nagyon vékony rétegének megolvasztásához szükséges energia biztosításával érhetjük el. Több energia hígulást okozna, míg a kevesebb rossz adhéziót. Így a folyamat szabályozása igen kényes feladat, de a megfelelő bevonatolási eredmény eléréséhez mindig nagy működési tartomány áll rendelkezésre. Az eljárás fő hátránya, hogy a sűrű szuszpenzió előkészítése és felvitele időigényes és ipari körülmények között, bonyolult geometriáknál nehezen automatizálható. További hátrány, hogy az elkészült bevonat gyakran tartalmaz pórusokat a ragasztóanyag felbomlása és elgőzölgése miatt.[8]

2.3.6. Laser cladding konfiguráció

A laser cladding folyamata magába foglalja a lézer, CAD, robottechnológia, szenzortechnika és a porkohászat területeit is. A CPU (Central Processing Unit) a berendezés összes elemével kapcsolatban áll és kommunikál, annak érdekében hogy a folyamat tökéletesen automatizált legyen. Többféle konfiguráció létezik a lézeres bevonatolási folyamatokra, az alábbi tulajdonságok alapján.

Lézer: A CO2 különféle típusai, lámpa-szivattyús Nd:YAG, dióta szivattyús Nd:YAG, és nagy energiájú dióda lézerek (HPDL, High Power Diode Lasers). A megfelelő típusú lézer kiválasztása az alkalmazás fajtájától függ. Pulzáló és folyamatos hullámú lézerek használhatók a claddingben, habár az egyes pulzálások energiájának csúcsértéke nem haladhat meg egy bizonyos értéket, ha mégis, az a por elpárolgásához vezethet, mielőtt elérné a felületet.

15

Lézer típusa Lámpa pumpált Nd:YAG

Dióda pumpált Nd:YAG CO2 Dióda

Hullámhossz [nm] 1064 1064 10600 810…940

Fajlagos méret [cm3/W]

20 20 1000 1

Hatásfok [%] 2…4 10…20 5…12 20…40

Abszorpció acélban [%]

25…30 25…30 5…10 30…40

Abszorpció Al-ban [%]

5 5 2 15

Karbantartási időköz [h]

200 400 500 nincs

1. táblázat: Lézerek fajtái[7]

A lézeres ráolvasztási folyamat magas lézerteljesítményt kíván. Néhány kivételtől eltekintve a gyakorlatban a minimum teljesítmény 2kW, így megbízható megoldásoknak a CO2 és Nd:YAG berendezések tekinthetőek, amelyek elegendő teljesítményt tudnak nyújtani a sikeres felületkezeléshez. A CO2 elegendően nagy teljesítményű ahhoz, hogy egy vastag réteget felmelegítsen anélkül, hogy többször végig kellene vezetni a felületen, így ez a típus a bevonatolás esetén a leggyakrabban használt berendezés. Ezzel szemben az olyan alkatrészeken, ahol kis felületet kell megmunkálni, a Nd:YAG impulzus lézert jobb választásnak tekinthetjük, mivel ennél könnyebben kontrollálható a hőbevitel, továbbá ennek a berendezésnek a hullámhosszúsága ideálisabb a fémek megmunkálására.[8]

Por adagoló: Különféle adagoló-típusokat fejlesztettek e célra, ezek között a legelterjedtebbek a következők: fluid-ágyas, gravitációs, forgó korongos mérő-adagoló.

Por fúvóka: Néhány konfiguráció oldalsó fúvókát használ, míg más esetekben koaxiális befúvást alkalmaznak. A koaxiális befúvás előnye, hogy független a mozgás irányától, habár az anyagveszteség, mely itt azt a pormennyiséget jelenti, ami nem olvad a felületre, sokkal magasabb, mint az oldalsó fűvókánál.

16

Mozgatás: Többféle konfigurációt fejlesztettek ki a szubsztrát és a lézerfej közötti relatív mozgás generálásához. Némelyikben a lézerfej áll és a szubsztrát mozog egy többtengelyű CNC gép segítségével. Más esetekben a szubsztrát áll, és a lézerfej és a por adagoló rendszer mozog egy robot segítségével, több szabadságfokon. Vannak esetek, amikor mind a lézerfej, mind pedig a szubsztrát mozog - a 6. ábra bemutatja, miképpen történik ez a művelet. [7]

6. ábra: Mozgó robotfej és mozgó munkadarab, koaxiális befúvással[7]

17

2.4. Cladding esettanulmáyok

A következőkben esettanulmányokat mutatok be, röviden összefoglalva a felhasznált alapanyagokat, ötvözőket, az alkalmazott berendezések paramétereit, és a kísérletek céljait, illetve eredményeit.

2.4.1. MRI 153M magnézium ötvözet felületkezelése Al+Al2O3-al.

Cím: MRI153M magnézium ötvözet felületi ráolvasztással való kezelése Al+ Al2O3-al

Cím eredeti nyelven: Laser surface cladding of MRI153M magnesium alloy with (Al+Al 2O3)

Szerzők: M. Hazra, A.K. Mondal, S.Kumar, C.Blawert, Narendra B. Dahotre

Szerzők munkahelye: Department of Materials Engineering, Indian Institute of Science, Bangalore-560012, India

Forrás: Surface & Coatings Technology 203 (2009) pages 2292-2299

Technológiai eljárás: Lézeres felületi ráolvasztás

Célkitűzés: Kopásállóság növelése

Anyagminőség:

• szubsztrát: hőálló MRI 153M öntött magnézium ötvözet - összetétel: 7.95% Al, 0.98% Ca, <0.01 % Zn, 0.2% Mn, 0.27% Sr, <0.01 % Sn, és Mg)

• felvitt anyag: Al2O3

Technológiai paraméterek:400W JK 701 Nd:YAG impulzus lézer,

• pásztázási sebesség: 21, 42, 63 és 84 mm/s

• impulzus szélesség: 0.5 ms,

• ismétlődési ráta: 20 Hz,

• impulzus energia: 4 J,

• Védőgáz: Ar

Vizsgálati módszerek: kopásvizsgálat, korróziós vizsgálat

Vizsgálati eredmények:

Több, mint egy nagyságrenddel megnövekedett a kopásállóság a ráolvasztás után, köszönhetően az ultra kemény Al2O3 komponensek jelenlétének, és a gyors

18

megszilárdulás eredményeként a kezelt felületen létrehozott finom szemcseszerkezetnek. A korrózióállóság viszont egy nagyságrenddel csökkent az alapanyagéhoz képest, főként a kezelt zónában kialakult apró repedések miatt.

A kopásállóság vizsgálata

A vizsgálatok elvégzése során a szerző megállapította, hogy a kopásállóság az Al 2O3 részecskék mennyiségének növelésével növekszik, és az alapötvözet és a kezelt felület közötti különbség ugyanígy növekszik minden egyes különböző pásztázási sebesség mellett. Ezt a 7. ábra mutatja

7. ábra: A kopási ráta különböző pásztázási sebességek mellett

Az Al2O3 fázis tipikus mérettartománya 5-60 µm, de esetenként igen nagy méretű, 500 µm körüli méretű részecskéket is találtak. Néhány igen kis méretű, Al- és O-gazdag részt is detektáltak EDS módszerrel, a nagyobb méretű Al2O3 részecskék felületén, méret tartományuk 1-3 µm Ezek a nyíllal megjelölve láthatók a 8. ábrán.

19

8. ábra: SEM mikroszkóp által készített (a) keresztmetszeti felvétel a 42 mm/s

pásztázási sebességgel lézeresen ráolvasztott munkadarabról, és (b) nagyított felvétel a kezelt régióról

A Mg szubsztrát lézeres olvasztása során az olvadt Mg egy része reakcióba lép a környezeti légkör oxigénjével, vagy a lebomlott Al2O3 részecskék oxigénjével, és magnézium oxid részecskéket alkot. A szerzők úgy találták, hogy a Al2O3 részecskék száma a pásztázási sebesség növelésével növekedett.

Korróziós viselkedés

Korróziós vizsgálatokat végeztek az alapötvözeten, és a 63 mm/s pásztázási sebességgel megmunkált ötvözeten. A 9. ábra mutatja, hogyan változik a korrózióállóság az alapötvözet és a kezelt munkadarab esetén, továbbá a kezelt munkadarab köszörülése után. A korrózióra való hajlamot közvetett, fizikai mérésekkel (fajlagos ellenállásváltozás, charge transfer resistance, Rct mérése) valósították meg.

20

9. ábra: A nyersötvözet és a kezelt mintadarab Rct értéke köszörülés előtt és után.

A ráolvasztott felülettől elvárhatnánk, hogy jobb korrózióállóságot mutasson, mint az öntött alapötvözet, részben a mikroszerkezet finomodása miatt, részben a növelt Al-szilárd állapotbeli oldathatóság miatt, Az alacsonyabb mértékű korrózióállóság oka lehetne a szemcsefinomítás során megnövekedett szemcsehatár felület, de a szerzők korábbi kísérletei alapján ezt kizárták. Azt sem valószínűsítik, hogy a gyenge elektromos vezetőképességű Al2O3 jelentős szerepet játszhatna a korrózióra való hajlam növelésében. A szerzők feltételezése szerint a ráolvasztott rétegben található porozitás és mikrorepedések a felelősek a korrózióállóság romlásáért.

Összefoglalás, konklúzió:

A hőálló MRI 153M Mg ötvözet Al+Al2O3 porkeverékkel való lézeres felületi ráolvasztást végezték, Nd:YAG lézerrel, 4 különböző pásztázási sebességgel, aminek során a kopásállóságot és korrózióállóságot vizsgálták. A vizsgálatok eredményeként az alábbi következtetéseket lehet levonni:

• Több, mint egy nagyságrenddel növekedett a kopásállóság értéke a felületi rétegben a ráolvasztás után, ami a finom eloszlású, rendkívül nagy keménységű Al2O3 jelenlétének tulajdonítható, mely az aluminium-oxid részleges vagy teljes megolvadásának, majd megszilárdulásának következménye.

21

• Növekedett szilárd állapotban az Al oldhatósága, hasonlóan a többi ötvöző elemnek is, a Mg-alapú mátrixban – ez, továbbá a mátrix finom dendrites struktúrája szintén hozzájárulhatott a kopásállóság növekedéséhez.

• A kezelt munkadarabon majdnem egy nagyságrenddel csökkent a korrózióállóság az öntött állapotú ötvözethez képest. Ez a ráolvasztott rétegben megtalálható mikrorepedéseknek és porozitásnak tulajdonítható. Törekedni kell ezért a többé-kevésbé hibamentes ráolvasztott réteg kialakítására abban az esetben, ha a kopásállóság mellett a korrózióállóság is fontos követelmény.[9]

2.4.2. Turbina lapátok lézeres felületi ráolvasztással való kezelése

Cím: Turbina lapátok lézeres felületi ráolvasztással való kezelése

Cím eredeti nyelven: Laser cladding of turbine blades

Szerzők: L. Shepeleva, B. Medres, W.D: Kaplan, M. Bamberger, A. Weisheit

Szerzők munkahelye:

• Department of Materials Engineering, TECHNION - Israel Institute of Technology, Technion City, 32000 Haifa, Israel;

• Institute für Werkstoffkunde und Werkstofftecknik, Agricolastrabe 6, D-38678 Clausthal-Zellefreld, Germany

Forrás: Surface and Coatings Technology 125 (2000) pages 45-48

Technológiai eljárás: lézeres felületi ráolvasztás és plazmás, huzaladagolásos felrakóhegesztés

Célkitűzés: két technnológiai lehetőség összehasonlítása a kopásállóság növelése, a kopott alkatrészek javítása céljával

Anyagminőség:

• szubsztrát: In713 fémötvözet

• bevonat: Co-bázisú stellit

Technológiai paraméterek: TRUMPF-2500, CW-CO2 lézer,

• energiasűrűség: 2.8x10^4 - 3.6x10^4 W/cm2

• előtolási sebesség: 0.5-0.7 cm/s

• por adagolási sebesség: 0.015-0.02 g/s.

22

Vizsgálati módszerek: keménységmérés, optikai és elektronmikroszkóp (SEM), EDS mikroanalízis

Vizsgálati eredmények: A kísérlet során párhuzamosan vizsgálták az egylépéses, por-injektálásos lézeres ráolvasztással és a huzaladagolásos, plazmás felrakóhegesztéssel kezelt felületeket. Úgy találták, hogy a lézeres felületi ráolvasztás után a felület mikrokeménysége 650-820 HV között volt, összehasonlítva a plazmával kezelt anyaggal, ahol csak 420-440 HV. Ez a claddingnél végbement szignifikáns szemcseméret csökkenésének eredménye. Továbbá a plazmás kezeléssel ellentétben, a lézeresnél az anyag mikrorepedésektől mentes volt.

A plazmával kezelt felületen mikrorepedések alakultak ki, ami hátrányosan befolyásolhatja a kopásállósági jellemzőket a turbinalapátok érintkezési felületén. A szubsztrát és a felvitt anyag közötti átmenet éles. Ez a huzaladagolási módszer következménye, melynek során a túlhevítés mértéke nem elegendő a megfelelő kötés kialakulásához, nem biztosít megfelelő keveredést, és/vagy a kölcsönös oldódást a szubsztrát és a bevonat fő komponensei között.

A mikrokeménység a plazmával ráolvasztott rétegben 420-440 HV, a szubsztrát mikrokeménysége pedig 400 HV, így megállapítható, hogy nem túlzottan jelentős keménység növekedést hozott a kezelés, ellentétben a lézeres ráolvasztással,

A lézerrel ráolvasztott réteg egységes mikroszerkezetet mutat, megfelelő kötéssel a ráolvasztott réteg és a szubsztrát között. Ez a repedés- és pórus-mentes felület és a ráolvasztott réteg szubsztrátból származó Ni-ben való gazdagodása nagyobb nagyításban nyilvánvalóan látszik az EDS analízis eredményeiből, melyet a 2.12. ábra mutat. Ez azzal magyarázható, hogy a lézeres ráolvasztás során a lézer nyaláb elegendően felmelegíti a befecskendezett port, és gondoskodik a szubsztrát felületének szükséges túlmelegítéséről. Ezért a forró részecskék megolvadnak, mire elérik az olvadékot, így az alacsony viszkozitású olvadék, és az irányított dendritikus növekedés repedés és pórusmentes felületet eredményez.

23

PLAZMA LÉZER

a) SEM mikroszkópos felvétel a plazmával

kezelt bevonat és a szubsztrát határ-zónájáról b) SEM mikroszkópos felvétel a lézeresen kezelt

bevonat és a szubsztrát határ-zónájáról

c) Az EDS analízis vonal menti elemzésének

helyzete a SEM által leképezett átmeneti zónán át

d) Az EDS analízis vonal menti elemzésének helyzete a SEM által leképezett átmeneti zónán

át

e) EDS analízis az alapelemek eloszlásáról a szubsztrát és az olvadék közötti átmenetnél,

plazmás bevonatolásnál

f) EDS analízis az alapelemek eloszlásáról a szubsztrát és az olvadék közötti átmenetnél,

lézeres bevonatolásnál

10. ábra: Az átmeneti zónák összehasonlítása

24

A 2.táblázatból kiolvasható, miként változik a mikrokeménység a különböző energiasűrűséggel végzett lézeres kezelések hatására.

2.táblázat: Mikrokeménység értékek különböző energia sűrűség mellett.

A lézeresen ráolvasztott rétegben jelentős szemcsefinomodás ment végbe, ami növeli a mikrokeménységet.

Összefoglalás, konklúzió: A lézeres felületi ráolvasztás közvetlen por befújással magasabb keménység értékeket eredményez. A lézeresen ráolvasztott zónában, ellentétben a plazmával kezelt felülettel, nincsenek mikrorepedések és pórusok. A lézeresen ráolvasztott réteg esetén az átmenet sokkal fokozatosabb, így a feszültség-koncentráció a bevonat és a szubsztrát között kevésbé okozhat problémát a működés során.[10]

2.4.3. Egy alkatrész javítása huzaladagolásos lézeres ráolvasztás segítségével

Cím: Egy alkatrész javítása Nd:YAG huzaladagolásos lézeres ráolvasztás segítségével

Cím eredeti nyelven: Plunging method for Nd:YAG laser cladding with wire feeding

Szerzők: Jae-Do Kim, Yun Peng

Szerzők munkahelye: Department of Mechanical Engineering, Yong Hyun Dong 253, Inha University, Inchon 402-751, South Korea

Forrás: Optics and Lasers in Engineering 33 (2000) pages 299-309

Technológiai eljárás: lézeres felületi ráolvasztás huzaladagolással

Célkitűzés: alkatrész javítása során az olvadási és anyagtranszport folyamatok vizsgálata, optimalizálása

Anyagminőség:

• Alapanyag: Inconel 600-as acél, méretei: 100mm*50mm*2mm

25

• Felületi bevonat: Inconel 600-as acél 0.2mm

Technológiai paraméterek: Nd:YAG lézer,

• Nyaláb mód: TEM00

• Frekvencia: 20Hz

• Maximális teljesítmény: 5.5 kW

• Átlag teljesítmény: 220W

• Optikai szál vezeti a lézersugarat,

• Nyaláb átmérő: 2.5mm,

• Védőgáz: Argon

• Huzal adagolási sebesség: konstans 93 mm/s

• Folyamat: A lézernyaláb 3 másodpercig hevíti az alapanyag felületét, majd a munkadarab elkezd mozogni, és a huzaladagolás megkezdődik.

Vizsgálati módszerek: A bevonat felületét és keresztmetszetét vizsgálják optikai, és elektronmikroszkóppal, továbbá mikroszerkezet analízist és keménységmérést végeznek.

Alkalmazási célok: Kopott alkatrészek javítása

A kísérlet további céljai: erős fémes kötést létrehozni az alapanyag és a felületi bevonat között, mindezt alacsony keveredés mellett.

Vizsgálati eredmények:

Huzal adagolási irányok: Háromféle módot teszteltek, ezek a 11. ábrán láthatóak.

• A huzal adagolás néha nem megfelelő, amikor az alapanyag és a huzal közti szög kicsi, (11/a ábra) és néha nem lehet teljesen megolvasztani, ha az adagolási sebesség nagy.

• A huzalt nem lehet teljesen megolvasztani, ha az adagolási sebesség nagy, és ha az adagolási pozíció nem pontos, a felületi bevonat formája nem szimmetrikus (11/b ábra). A 12. ábra egy olyan esetet illusztrál, amikor nem olvad meg teljesen a huzal.

• A 11/c ábra által bemutatott elrendezés bizonyult a legmegfelelőbbnek, ahol a felületi bevonat nem zavarja az adagolást, és a huzal teljesen meg tud olvadni még 93mm/s adagolási sebesség mellett is, viszont ha a huzal nem olvad meg a kölcsönhatás ideje alatt, az beletapad az olvadéktócsába, és az olvadéktócsa magas hőmérséklete miatt olvad meg – ezt mutatja a 13/a ábra.

26

Megállapítható tehát, hogy a 11/.c ábrán bemutatott konfiguráció alkalmazása során kedvezőbbek a lehetőségek a sebességet és pozíciót illetően, és ez adja a legjobb huzal adagolási irányt, melynek hatására a legoptimálisabb beolvadás valósul meg, amit a 13/b ábra szemléltet.

11. ábra: Huzal adagolási irányok

27

12. ábra: A kedvezőtlen pozicionálás miatt huzal nem olvad meg teljesen

13. ábra: A ráolvasztott réteg felülete, helyes huzaladagolás mellett

A felületi bevonat keveredése

A 14/a és b. ábrán látható a bevonat keresztmetszete, a nyomvonal kezdetétől 5 és 25mm távolságra. Látható hogy a 25mm-es távolságban a bevonatnál a mélység és a keveredés sokkal nagyobb mint a bevonatok készítésének kezdetén, azaz az 5mm-es távolságban, ez a munkadarabban elnyelt hő előmelegítő hatásának következménye. A keresztmetszeti felvételeken az is megfigyelhető, hogy a bevonat szélessége különbözik az alapanyagban keletkezett olvadék tócsa szélességétől, mely keskenyebb az előbbinél.

28

A 14/b, c és d ábrán a pásztázási sebesség növekedésének hatása figyelhető meg – a nyomvonal szélessége és a beolvadás mélysége egyaránt csökken az előtolási sebesség növekedésével, miután az egységnyi hosszon bevitt energia csökken, hasonlóan az egységnyi hosszon beadalékolt bevonatanyag tömege is.

14. ábra: A felületi bevonatok keresztmetszete

Az alapfém és a felületi bevonat közötti kötés minősége

A 15. ábra mutatja az alapfém és a felületi bevonat közötti kötési zónát különböző keresztmetszetekben.

29

15. ábra: Az alapfém és a felületi bevonat közötti kötési zóna

Látható, hogy az olvadék fém és az alapfém fémesen kötődnek, ami az alapfém megolvadásának köszönhető. Nem találtak repedést a kötési zónában. A 16. ábrán látható, hogy a kötési zónában, az alapfém közvetlen közelében nagyon finom a szemcseszerkezet, majd a kristálycsírák oszlopos növekedése figyelhető meg. Az olvadék tócsa alján kisebbek és finomabbak a szemcsék, mint a középső oldalán. Ez azt jelzi, hogy a hűlési sebesség az alján nagyobb, mint a középső oldalán. A fevitt réteg és a hőhatásövezet egyaránt ausztenites szövetű.

30

16. ábra: A felületi bevonat, a kötési zóna és a hőhatás övezet mikroszerkezete

Keménységi jellemzők

A 17. ábra mutatja az olvadék és a hőhatás övezet keménység eloszlását, különböző pásztázási sebességek mellett.

17. ábra: az olvadék és hőhatás övezet keménység eloszlása

31

A bevonat keménysége magasabb, mint a hőhatás övezetben lévő fémé. Ez az olvadék magas hűlési sebessége miatt kialakult finomabb szemcseszerkezetnek köszönhető. A pásztázási sebesség növelésével a bevonat keménysége is növekszik. A hőhatás övezetben az olvadék tócsával határosan keménység-csökkenést tapasztaltak, egyrészt a szemcseméret növekedése miatt, másrészt a korábbi alakítási keményedés hatásának megszűnése miatt, illetve a mikroszerkezet átalakulásának hiánya miatt. A hőhatás övezet keménységének csökkenése arányos a hőhatás övezetben kialakuló hőmérséklet eloszlással. A keménység közvetlenül az olvadási vonal mellett a legkisebb, a csökkenés mértéke a pásztázási sebesség növelésével kevésbé jelentős. Ebből az következik, hogy a cladding sebesség növelése mind az olvadékban, mind a hőhatásövezetben a hűlési sebesség növekedését eredményezi.

Összefogalás, konklúzió: Helyes huzaladagolási iránnyal és pozícióval a huzal megolvasztásának problémája megoldható. A keveredés mértéke összefügg a hatóidővel és a pásztázási sebességgel. A hatóidő növelése, azaz a páztázási sebesség csökkentése nagyobb mértékű keveredést hoz magával. A paraméterek helyes megválasztása esetén elérhető a felületi bevonat megfelelő geometriája, jó felületi minősége, fémes kötés jön létre az alapfémmel, és alacsony a keveredés mértéke. A felületi bevonat keménysége nagy, a hőhatásövezetben a keménység csökken. A pásztázási sebesség növelésével a bevonat és a hőhatás övezet keménysége egyaránt növekszik.[11]

A három esettanulmány alapján levontahtó következtetések:

A fent elemzett és összegzett esettanulmányok alapján megállapítható, hogy a lézeres felületráolvasztással jelentős keménység és kopásállóság növekedés elérhető el, ami egyaránt járhat azzal, hogy a korrózióállóság javul, illetve romlik. Az első esetben a felvitt porkeverék összetétele eredményezte a mikrorepedések létrejöttét, mely további tényezők befolyásolásával végül a korrózióállóság romlását idézte elő. A cikk szerzői feltételezik, hogy másféle keverék alkalmazásával kiküszöbölhető ez a hatás. A második esettanulmány arra mutatott be egy sikeres kísérlet-sorozatot, hogy a felületi ráolvasztás bizonyos esetekben hatékonyabb tulajdonságjavulást hozhat, más ilyen jellegű technológiákhoz, esetünkben a plazmás ráolvasztáshoz képest. A technológia alkalmas használt alkatrészek javítására, az alapanyaggal megegyező kémiai összetételű bevonattal is jelentős keménység növekedés érhető el, abban az esetben, ha helyes technológiai paramétereket alkalmazunk.

32

2.5. A BAYATI lézertechnológiai laboratóriumának bemutatása

A következőkben röviden bemutatom a BAYATI lézertechnológiai laboratóriumának berendezéseit, az általuk alkalmazott technológiai megoldásokat, és kutatás+fejlesztési tevékenységük fő irányait. [12]

A Bay Zoltán Anyagtudományi és Technológiai Intézet 1995. évi megalakulásával közel egy időben kezdődtek meg azok a lézeres beruházások és kutatások, amelyek azóta is az Intézet egyik fontos kutatási irányát jelentik. Ez a korszerű kutatóhely a magyar alkalmazott kutatások központjaként a hazai innovációs folyamatok meghatározó szereplője, esetenként az országban egyedülálló technikai és technológiai lehetőségeket kínálva magas műszaki színvonalon támogatja az anyagtudományi kutató-fejlesztő munkát. Az intézetben három lézerberendezés üzemel, amelyek teljesítményük és alkalmazhatósági körük alapján az ország "legnagyobbjai" közé tartoznak:

• 5 kW fényteljesítményű, nagyfrekvenciás gerjesztésű CO2 gázlézer (hullám-hosszúsága 10 600 nm), 5 tengelyes CNC sugárvezetéssel, ami térbeli megmunkálást is lehetővé tesz.

• 2,7 kW fényteljesítményű, lézerdiódás gerjesztésű Nd:YAG szilárdtestlézer (hullámhosszúsága 1064 nm), üvegszálas - robotos (7 tengelyes) sugárvezetéssel, +1 külső forgótengely munkadarabok mozgatására.

• 1,6 J/ 6 ns energiájú, villanólámpás gerjesztésű Nd:YAG szilárdtest- impulzuslézer (hullámhosszúsága 1 064 és 532 nm), csuklókaros - tükrös sugárvezetéssel.

Főként a fémes anyagok megmunkálási technológiáit kutatják, ezen belül a különleges vágásokat, az egyesítő hegesztéseket, a felrakó hegesztéseket, az acélok felületedzését, felületötvözéseket, és a felületstrukturálás lehetőségeit. A lézertechnológia kutatásában hazai és külföldi kutatóhelyekkel egyaránt együttműködnek.

Technológiáik:

• Vágás

• Hegesztés

• Felületkezelés

• Felülettisztítás

33

• Lézersugár-diagnosztika

Az alábbiakban néhány fényképes illusztrációval mutatom be a főbb kutatási területeket és alkalmazási példákat.

Lézersugaras hegesztés

Lézersugaras felületötvözés

A lézersugaras felületötvözés során a munkadarab felületét részlegesen megolvasztják. A tócsa mélysége jellemzően 1…2mm, átmérője 1…3mm. A felületötvözést többféleképpen is meg tudják valósítani:

• A lézersugaras kezelés előtt hordják fel az ötvözőanyagot a munkadarab felületére

• A tócsába védőgáz segítségével fújják az ötvözőanyag porát.

• Huzal formában juttatják a tócsába az ötvözőanyagot

34

Alkalmazási példák:

Lézersugaras megmunkálófejek tervezése és építése

Lézersugaras anyagmegmunkálási tapasztalataikra támaszkodva különböző alkalmazási területekre speciális megmunkálófejeket terveznek és építenek.

Lézersugaras felülettisztítás

A műalkotások felületének vegyszer-és koptatóanyagtól mentes tisztítása terén nemzetközileg elfogadott, a legkíméletesebbnek tekintett módszer a nagy impulzusenergiájú lézersugaras tisztítás. A módszer lényege, hogy a megfelelően megválasztott lézersugár energiája az eltávolítandó szennyeződésben nyelődik el.

35

Szabadtéri bronz alkotások restaulásának anyagtudományi támogatása:

A bronz alkotások restaurálásának előkészítése, a restaurálás technológiájának kidolgozása és nyomon követése, valamint a konzerválás módszereinek meghatározása új, anyagtudományi megközelítését adja a szabadtéri bronz alkotások restaurálási munkáinak.

36

3. ÖNÁLLÓ LASER CLADDING KÍSÉRLETI MUNKA

Nyári szakmai gyakorlatom során a BAYATI Lézertechnológiai Laboratóriuma szakértőinek segítségével lézeres felület-ráolvasztási kísérletet végeztünk. Az alkalmazott technológiai paraméterek hatásának vizsgálatára a Miskolci Egyetem Mechanikai Technológiai Tanszék laboratóriumában volt lehetőségem, mértem a próbatestek mikrokeménységét, megvizsgáltam a szövetszerkezetét, illetve a bevonat geometriai paramétereit.

3.1. Kísérleti program

3.1.1. Anyagminőségek:

Szubsztrát: C45 Jelű ötvözetlen nemesíthető acél kis keresztmetszetű, alacsony szilárdságú alkatrészekhez.

Összetétele:

C: 0,45%

Si: 0,30%

Mn: 0,70%

Bevonat: UTP EB 2007, szemcseméret: 36-106µm.

Összetétele:

C: 0,02%

Si: 0,7%

Cr: 17%

Ni: 12,5%

Mo: 2,2%

Fe: maradék

37

18. ábra: Az adalékanyag: UTP-EB-2007 por

3.1.2. A kezelt nyomvonalak elrendezése

A vizsgálati próbatestek 60x150x10mm-es hasábok voltak. A próbatesteknek csak az egyik oldalára készült bevonat. A nyomvonalak elrendezése a 19. ábrán látható, 9 kísérlet készült, ebből az első csak egy próbakísérlet volt, a paraméter beállítások megfelelőségének körülbelüli megállapítása érdekében. Ennél a sorozatnál is mértem keménység-eloszlást, viszont a többitől eltérő technológiai paraméterek miatt összehasonlításra alkalmatlan.

19. ábra: A kezelt nyomvonalak elrendezése

38

3.1.3. Lézer, poradagoló berendezés

A bevonatolás során a port a Sulzer TWIN 10 poradagoló juttatta a lézersugárral egy időben a munkadarabra. A por egy forgó tálcára hull, ahonnan argon hordozó gáz ragadja magával. A poradagolás sebességét a tálca forgási sebességével lehet szabályozni. Ennek megfelelően 10 fordulat/perc felel meg a 100%-nak, és a vizsgálat során 25%-ot használtunk, minden kísérletnél állandó sebességet. A % átszámítása g/min értékre egy diagram segítségével történik, melyet a 20. ábra mutat.

20. ábra: Az adagolt pormennyiség számítása

A bevonatolás során egy új poradagoló fejet használtunk, amely 4 db Ø2,5 mm-es fúvókán keresztül áramoltatta a védőgáz által elragadott port a lézersugárhoz. A kísérlethez a 2.5. fejezetben ismertetett Nd:YAG berendezést használtuk. A berendezéseket a 21.-23. ábrák mutatják.

39

21. ábra: Az Nd:YAG lézerberendezés

22. ábra: A poradagoló berendezés

40

3.1.4. Felület előkészítés:

A kísérlet elvégzése előtt a próbatesteket megvizsgálva szükségessé vált a revés felület tisztítása. A tisztítást az Acélpartner Acélfeldolgozó és Kereskedelmi Kft. Budapest végezte, a technológia szemcseszórás volt, GP 18 éles fémszemcsével, 45-50 µm felületi finomságot biztosítva.

3.1.5. A kísérlet technológiai paraméterei:

Lézerteljesítmény: 1,5kW; 2,3kW; 2,5kW

Poradagolási sebesség: 25%

Az argon hordozógáz áramlási sebessége: 4l/min

Előtolási sebesség: 400mm/min; 700mm/min

Nyomvonalak száma: 1+5

Foltátmérő: 3mm; 2mm

Nyomvonalak hossza: 40mm

Átlapolódás: 33%

A próbatestek számozással kerültek megkülönböztetésre. Az elkészült bevonatok paraméter párosításai az alábbi táblázatban megtalálhatóak.

3. táblázat: A kísérlet során alkalmazott eljárási paraméterek

41

23. ábra: A lézerberendezés munka közben.

3.2. Próbatestek előkészítése:

A próbatestek darabolása a BAY-ATI-ban történt, a további vizsgálatokat és a próbatestek előkészítését a Mechanikai Technológiai Tanszék laboratóriumában végeztem. Az elkészült próbatesteket csiszoltam: P120, P320, P800, P1200-as csiszolóvászonnal, majd políroztam Topol3 alumínium-oxid és ülepített víz keverékével (0,25 µm). A polírozott próbatestek 2%-os salétromsavval lettek maratva.

42

3.3. Mikroszkópos vizsgálatok

A 24. ábra az alapanyag szövetét mutatja.

24. ábra: Az alapanyag szövete (200x)

A 25. ábra az átolvasztott bevonat (UTP-EB 2007) mikroszerkezetét mutatja.

25. ábra: A nyomvonal keresztmetszetében a lézerrel megolvasztott, majd megszilárdult ötvözet cellás kristályosodási szövetet mutat (200x)

43

A 4. próbadarabon a bevonat és az alapanyag határfelületét mutatja a 26. ábra.

26. ábra: A bevonat és az alapanyag közti átmenet(50x) 4. darab

3.4. Mikrokeménység

Az elkészült bevonat mechanikai tulajdonságait keménységméréssel, a keménység nyomvonalon belüli változásának mérésével jellemeztem.

A mikrokeménységet Mitutoyo mikrokeménység-mérővel mértem – a bevonat közepén annak felszínére merőlegesen, a felülettől az alapanyag felé haladva. A terhelő erő 100g volt, a terhelés ideje 10s. A lenyomatok egymástól való távolsága a 0. próbatesten 0,05mm, a többinél 0,10mm volt, a bevonat-alapanyag határfelület közelében pedig 0,05mm. Ilyen módszerrel egy bevonat keménységprofiljának méréséhez átlagosan 30 lenyomat volt szükséges, ami 9 bevonatnál 270 keménységmérést jelent.

A 27-34. ábrák az egyes próbatestek makroszkópikus keresztmetszeti képét mutatják, alatta az alkalmazott paraméterekkel, és a mért keménység-eloszlás görbéikkel, melyekre a beolvadási mélységet jellemző határvonalat is feltüntettem.

44

27. ábra: Az 1.sz. próbatest egyedi nyomvonalának keresztmetszete, és keménység-eloszlási görbéje

28. ábra: A 2.sz. próbatest egyedi nyomvonalának keresztmetszete, és keménység-eloszlási görbéje

45



46

31. ábra: Az 5.sz. próbatest egyedi nyomvonalának keresztmetszete, és keménység-eloszlási görbéje


47



48

A mérési eredmények alapján megállapítható, hogy a nyomvonalban a kialakult ötvözet keménysége és a hőhatásövezetben a beedződött szövet keménysége az esetek többségében megegyezik, sőt egyes esetekben a hőhatásövezetben magasabb keménységértéket kaptunk, mint a nyomvonalban. Két próbatest esetén – 6. és 8. sorszámmal – mind a nyomvonal makro-képe, mind a keménység-eloszlási görbe anomáliákat mutat – ezek feltételezett okaira a technológiai paraméterek hatásának elemzése során kívánok kitérni.

A 35. ábra mutatja az összes keménység eloszlási görbét egy diagramban ábrázolva.

35. ábra: A próbatestek nyomvonalában mért, mélység szerinti keménység-eloszlás

Az egyedi nyomvonalban mért keménység-eloszlás görbéken a felület közelében nagyobb bizonytalanságot, ingadozást tapasztaltam, de azt követően meglehetősen állandósult és azonos értéket mutatnak.

49

3.5. Technológiai paraméterek változásának elemzése

A kísérletsorozat eredményeinek értékelése során a legfőbb megállapításunk az kell legyen, hogy valódi rétegépítés az adott paraméterekkel nem valósult meg, lényegében nem bevonat-ráépítés, azaz cladding, hanem felületötvözés jött létre. Ebből is látszik, hogy két rokon eljárás között a paraméterek megválasztásával elérhető energiabeviteli, és beolvadási folyamatok különbsége eredményez eltérő technológiai megoldást, s a komplex folyamatok szabályozása igen nagy jelentőséggel bír. A várt eredményt valószínűleg nagyobb pormennyiséggel lehetne elérni, esetlegesen a cladding sebesség növelésével, vagy a bevitt teljesítmény csökkentésével. A 6. és bizonyos mértékig a 8. próbatest nyomvonalának geometriája és keménységeloszlása a többihez képest nem csak nagy mélységet, de eltérő jelleget is mutat. Ennek magyarázata az lehet, hogy a legkisebb foltátmérő, a legkisebb pásztázási sebesség és a legnagyobb energia kombinációja esetén (6.sz. próbatest) az olvadéktócsa nem csak méretében növekedett meg jelentősen, hanem abban az oldódási, áramlási viszonyok is megváltozhattak, még intenzívebb keveredést, még tökéletesebb oldódást eredményezve. Ugyanakkor az sem zárható ki, hogy esetleg a poradagolás volt elégtelen (mint említettem, egy új poradagolót alkalmaztunk). Mindezek tisztázása, további vizsgálatokat igényelne, pl. egy mikroszondás vizsgálattal az ötvözők eloszlását bemutató elemtérkép felvételével a nyomvonalon belül a koncentrációváltozás mérésével.

50

3.5.1. A változó foltátmérő hatása a keménység eloszlásra.

36. ábra: A változó foltátmérő hatása a keménységre

A mérések alapján megállapíthatjuk, hogy a foltátmérő változtatása a keménység-eloszlás szempontjából a keménységértékeket tekintve nem hoz jelentős eltérést. A kis teljesítmények esetén a beolvadási mélységben sem mutatkozik lényeges eltérés, míg nagy teljesítménynél a mélység igen jelentősen nő a foltátmérő csökkenésével.

51

3.5.2. A cladding sebesség változtatásának hatása a keménységre

37. ábra: A cladding sebesség változtatásának hatása a keménységre

Azonos foltátmérő és kis teljesítmény mellett a próbatesteken mért keménységeloszlás alapján megállapítható, hogy a sebesség változtatása nem okozott jelentős eltérést sem a keménységértékekben, sem a mélységben. Nagy teljesítmény esetén ezúttal is jelentős hatást tapasztaltunk, a kis sebességek jelentős mélységnövekedést és a nyomvonalban a keménységérték csökkenését eredményezték.

52

3.5.3. A teljesítmény változtatásának hatása a keménységre.

38. ábra: A teljesítmény változásának hatása a keménységre

Az előbbi két összehasonlításban is azt tapasztaltuk, hogy a teljesítmény növelésével jelentős hatást gyakorolunk a folyamatra. Ezt mutatja a 38. ábra is: a nagyobb teljesítmény különösen alacsony pásztázási sebességnél jelentősen megnöveli a nyomvonal mélységét, miközben az olvadéktócsában felhígult anyag megdermedését követően alacsony keménységet mutat.

53

3.5.4. Technológiai paraméterek hatása a bevonat geometriájára.

A szakirodalmi összefoglalóban láttuk, hogy a bevonat minősítését jelző hígulási mértéket geometriai adatainak viszonyából számíthatjuk. Annak ellenére, hogy esetünkben nem bevonatolás hanem végső soron felületötvözés történt, a nyomvonalak keresztmetszetének geometriai adatait fontosnak tartottuk meghatározni és elemezni.

39. ábra: Egyedi nyomvonalak szélessége

Változó foltátmérő hatása a bevonat szélességére: A várakozásoknak megfelelően, a kisebb folthoz kisebb szélesség tartozik, ez alól kivétel a 2-6-os és 4-8-as párosítás.

A cladding sebesség és a teljesítmény változtatása sem volt hatással a bevonat szélességére, ez alól ismét kivétel a 6-os és 8-as darabot érintő mérések adatai.

54

40. ábra: Egyedi nyomvonalak mélysége

Várakozásainknak megfelelően kisebb foltátmérőhöz nagyobb mélység, nagyobb sebességhez pedig kisebb mélység tartozik. Ha növeljük a teljesítményt, növekszik a mélység is.

41. ábra: 5 nyomvonalas bevonat: Az első és az utolsó nyomvonal mélysége

Az 5 nyomvonalas bevonatok mélységére az egyedihez hasonló tendenciát tapasztaltam. Az átfedéssel készült nyomvonalak esetén a fő cél annak ellenőrzése volt, hogy sikerül-e repedés és porozitás-mentes bevonatot létrehoznunk. Mivel azonban lényegében felületötvözést eredményezett valamennyi alkalmazott paraméterkombináció, így a több nyomvonalas próbák további vizsgálata okafogyottá vált.

55

3.5.5. A kísérleti eredmények összefoglalása, további vizsgálatok

Egy olcsó anyagminőségre akartunk felvinni egy erősen ötvözött korrózióálló réteget, amelyet általában szivattyúbetétek, tengelyek és hasonló alkatrészek bevonására alkalmaznak. Viszonylag nagy keménységet tudtunk elérni, melynek eloszlása a bevonatban és a hőhatás övezet edzett állapotú zónájában homogénnek adódott.

További vizsgálatok lennének szükségesek egyrészt a 6-os és 8-as próbatestek paraméterkombinációival folytatott kísérletek megismétlésére, és EDS vizsgálattal a bevonatok elemtérképének és összetétel változásának meghatározására. Másrészt mivel a korrózióálló bevonat készítése a jelen paraméterekkel nem volt megvalósítható, nagyobb mennyiségű poradagolással, vagy kisebb bevitt fajlagos teljesítménnyel kellene próbálkozni. Minden esetben szükséges lenne a korrózióállóság vizsgálata, amennyiben a felhasználó fő elvárása erre irányul.

56

4. ÖSSZEFOGLALÁS

Szakdolgozatom készítése során megismerkedtem a lézeres felületbevonás elméleti hátterével és gyakorlatával. Ezen technológia egy korszerű, jól szabályozható és ezáltal jól reprodukálható módja a kopás- és korrózióálló bevonatok készítésének, illetve kopott alkatrészek javításának.

A 2.1. fejezet a lézeres megmunkálások elméleti alapjait foglalja össze, és a felületkezelési eljárások paramétereit részletezi.

A 2.2. fejezet bemutatja a lézeres felületbevonást, részletezi az eljárás változatokat, és a fontosabb technológiai paramétereket.

A 2.4. fejezet három esettanulmányt mutat be, melyek relevánsak a későbbi munkám szempontjából.

A 2.5. fejezetben bemutatásra kerül a nyári gyakorlati helyemül szolgáló BAY-ATI lézertechnológiai osztálya, és kutatási területei.

Az 3. fejezetben bemutatom a nyári szakmai gyakorlatom során végzett lézeres felületbevonás kísérleteimet, és azok eredményeinek értékelését. A kísérletek során C45-ös acélra UTP-EB-2007 korrózióálló bevonat készült lézeres felületbevonással, 8 különböző paraméter kombinációban: két különböző lézer teljesítménnyel, előtolási sebességgel és foltátmérővel. A nyomvonalak mikroszerkezetét, geometriáját és mikrokeménységét vizsgáltam. Elemeztem a technológiai paraméterek (foltátmérő, teljesítmény, pásztázási sebesség) változásának hatásait. Megállapítottam, hogy az alkalmazott paraméterkombinációkkal felületbevonatolás nem valósítható meg, az olvadéktócsában a bevonat és az alapanyag keveredett, és valós réteg ráépítés nem történt, azaz felületötvözés valósult meg.

5. KÖSZÖNETNYILVÁNÍTÁS

A kutató munka a TÁMOP-4.2.1.B-10/2KONV-2010-0001 jelű projekt részeként-

az Új Magyarország Fejlesztési Terv keretében – az Európai Unió támogatásával, az

Európai Szociális Alap társfinanszírozásával valósult meg.

57

6. IRODALOMJEGYZÉK

[1] Kocsisné dr. Baán Mária: Lézertechnológiák alkalmazása a műszaki

felülettudomány terén. Oktatási segédlet, Miskolc, 1996 [2] Takács János: Korszerű technológiák a felületi tulajdonságok alakításában.

Műegyetemi Kiadó Budapest, 2004, ISBN- 963-420-789-8 [3] Bitay Enikő : Lézeres felületkezelés és modellezés, Műszaki tudományos füzetek,

Erdélyi Múzeum-Egyesület, Kolozsvár, 2007. ISBN 978-973-8231-66-5 [4] Bitay Enikő: Lézeresen kezelt felületek kopásállóvizsgálata. VI. FMTÜ,

MűszakiTudományos Füzetek, EME, Kolozsvár/Cluj, 2001. 111–118 [5] Bitay, Enikő – Roósz, András – Búza, Gábor: CO2 laser surface-alloying steelby

dispersion of carbide-powders. Solidification and Gravity III, MaterialsScience Forum, Miskolc-Lillafüred, Hungary, 1999

[6] Bíró Andrea Diplomaterv: Acél alapanyag lézersugaras bevonatolásának (cladding) vizsgálata

[7] Iravani-Tabrizipour, Mehrdad: Image-Based Feature Tracking Algorithms forReal-Time Clad Height Detection in Laser Cladding. A thesis presented to theUniversity of Waterloo, Waterloo, Ontario, 2007

[8] Hans Gedda: Laser surface cladding: a literature survey, Teknisk rapport, 2000:07 [9] M.Hazra, A.K. Mondal, S. Kumar, C. Blawert, Narendra B. Dahotre: Laser surface

cladding of MRI 153M magnesium alloy with (Al+AL2O3), Surface & Coatings Technology 203 (2009) pages 2292-2299

[10] L. Shepeleva, B. Medres, W.D. Kaplan, M. Bamberger, A. Weisheit: Laser cladding of turbine blades, Surface & Coatings Technology 125 (2000) pages 45-48

[11] Jae-Do Kim, Yun peng : Plunging method for Nd:YAG laser cladding with wire feeding , Optics and Lasers in Engineering 33 (2000) pages 299-309

[12] A BAYATI központi honlapja, Osztályok és fő kutatási irányok, Lézertechnológia. http://websrv.bzlogi.hu/bzaka/bzaka.head.page?nodeid=897

lézeres felületkezelés, bevonatolás -...

Documents