Laser-Oberflächenmodifikationstechnologie von Titanlegierungen

Beim Laser-Oberflächenhärten wird hauptsächlich ein hochenergetischer Laserstrahl verwendet, um die Oberfläche eines Metalls oder einer Legierung zu bestrahlen. Durch den erzeugten thermischen Effekt entsteht auf der Oberfläche des Substrats ein fester Erwärmungsprozess, der den Schmelzpunkt nicht überschreitet. Gleichzeitig wird die Phasenumwandlung auf der Metalloberfläche verstärkt, indem die Isomerenumwandlung im Matrixmaterial in Kombination mit der Lasererwärmung und dem Selbstkühlungseffekt des Materials genutzt wird. Für Titanlegierungen gibt es auf diesem Gebiet seit Beginn des 20. Jahrhunderts Untersuchungen im In- und Ausland. Dai Zhendong et al. Die Härte der TC11-Titanlegierung wurde durch Laserabschrecken mit Oberflächenabtastung erheblich verbessert, und ihr Reibungskoeffizient konnte auf den ursprünglichen Wert 0,2 ~ 0,3 reduziert werden. Außerdem wurde die Reibverschleißfestigkeit um das 123-fache erhöht, was eine deutliche Verbesserung bedeutete die Eigenschaften der Legierungsoberfläche. Die Oberflächenstruktur und Eigenschaften der Titanlegierung TC11 wurden von Zhang Hong et al. optimiert. Die Ergebnisse zeigen, dass durch Laserhärten die Oberflächenstruktur offensichtlich verfeinert und die Härte und Verschleißfestigkeit verbessert werden kann. Zhang Qi et al. bestätigten durch die Untersuchung verschiedener Titanlegierungen, die durch Laser-Selbstabschreckung und schnelle Erstarrung behandelt wurden, dass die Selbstabschreckungsbehandlung nicht nur die Kornstruktur der Legierung verfeinert, sondern auch die chemische Zusammensetzung der Oberfläche homogener macht , und das Entmischungsverhältnis nach dem Abschrecken kann vom ursprünglichen Zustand von 1,28 auf 1,04 reduziert werden, und es werden keine Löcher, Risse und andere Defekte in der Abschreckschicht gefunden. Es kann eine glatte und gleichmäßige Legierungsoberfläche erzielt werden.

Beim Laser-Oberflächenschmelzen handelt es sich um eine Methode zum schnellen Schmelzen und Verfestigen der Oberfläche des Substrats durch Bestrahlen der Materialoberfläche unter dem Schutz einer Argonatmosphäre, um so die Struktur zu verfeinern und die Leistung des Materials zu verbessern. Guo Chun et al. Durchführung einer Laserumschmelzbehandlung auf der Oberfläche der TC4-Legierung mittels Laserstrahl. Nach mikroskopischer Betrachtung wurde die Oberflächenstruktur der Matrix verfeinert und auch die Oberflächeneigenschaften wie Härte und Verschleißfestigkeit deutlich verbessert. Darüber hinaus verwendeten einige Forscher einen Nd∶YAG-Laser, um die Oberfläche der TiNi-Legierung umzuschmelzen. Die metallurgische Kombination aus Mantelschicht und Matrix ist gut, kann einen kontinuierlichen und dichten Passivierungsfilm bilden und die Korrosionsbeständigkeit wird erheblich verbessert. Dai Jingjie geht davon aus, dass die Verbesserung der Oberflächenverschleißfestigkeit durch die Laser-Oberflächenumschmelzbehandlung von TA2-Industriereinheitstitan auf die durch den Schmelzprozess verursachte Gitterverzerrung, Feinkristallverstärkung und Versetzungsverstärkung zurückzuführen ist. Allerdings verbessert das Oberflächenumschmelzen nicht die Leistung aller Titanlegierungsmaterialien, und es ist auch möglich, dass sich die Leistung verschlechtert. Die Ergebnisse zeigen, dass die durch Laseroberflächenschmelzen der Titanlegierung TA15 gebildeten Körner ungewöhnlich vergröbert sind.

Die Laseroberflächenreparatur kann als Zweig der Laserumformungsreparaturtechnologie klassifiziert werden und ist auch eine Synthese aus Laserumformungstechnologie und Laserbeschichtungstechnologie, die eine weitere Anwendung und Entwicklung im Bereich der Reparatur von Metallteilen darstellt. Die Oberflächenfehler von Titan und Titanlegierungen können durch den Einsatz der Laser-Oberflächenreparaturtechnologie beseitigt werden. Die Risse auf der Oberfläche einer Titanlegierung können durch Laserreparatur geheilt werden. Nach der Laserreparatur erhöht sich der Härtewert der Matrix um die modifizierte Zone und die Härtekurve zwischen der modifizierten Zone und der Wärmeeinflusszone ist relativ flach.

Das Laser-Oberflächenlegieren ist eine Methode, bei der ein hochenergetischer Laserstrahl verwendet wird, um die Oberfläche des Materials schnell zu erhitzen und zu schmelzen, um die Oberflächenlegierungsreaktion zu fördern und so die Oberflächeneigenschaften der Legierung zu verbessern, die in Oberflächengaslegierung und Oberflächenlegierung unterteilt werden können Oberflächenpulverlegierung.

Das beim Gaslegieren eingebrachte Gas ist hauptsächlich N2 oder eine Mischung daraus, auch Lasergasnitrieren genannt. In einer Stickstoffatmosphäre wird ein hochenergetischer Laserstrahl verwendet, um Stickstoffatome zu aktivieren, und bei hoher Temperatur wird die Oberfläche des Materials geschmolzen. Das aktive N-Atom und die flüssige Phase des Metallschmelzbads bilden eine Ti-Legierungsreaktion und bilden eine harte Legierung Phase TiN.

Die Laser-Oberflächenbeschichtung kann auch als Oberflächenmodifikationstechnologie klassifiziert werden und ist die Grundlage der Laser-Oberflächenreparatur. Es ist die Verwendung eines Laserstrahls mit hoher Energiedichte, um das Mantelmaterial und die Substratoberfläche durch Schmelztechnologie auf der Basisoberfläche zusammenzufügen, um das Mantelmaterial und das Substrat mit einer guten metallurgischen Kombination der Mantelschicht zu bilden.

Der Prozess des Laserauftragschweißens geht mit einer Laserlegierung einher, aber im Vergleich zum einfachen Laserlegierungsverfahren wird das Material der Mantelschicht nicht vollständig mit der Matrix vermischt und führt zu einer Legierungsreaktion, die die besonderen Eigenschaften des Mantelmaterials besser widerspiegeln kann. Derzeit werden viele Materialsysteme für das Laserauftragschweißen von Titan und Titanlegierungen verwendet, darunter C, B, N, Si und Ni. Je nach Zusammensetzung und Eigenschaften der Mantelschicht können die vorbereiteten Beschichtungen in verschleißfeste Beschichtungen, hochtemperaturoxidationsbeständige Beschichtungen, biologische Beschichtungen und Wärmedämmbeschichtungen unterteilt werden.

5.1 Verschleißfeste Beschichtung

Die Verschleißfestigkeit von Titanlegierungen ist im Vergleich zu anderen Eigenschaften schlecht, daher konzentriert sich die Laseroberflächenmodifikation mehr auf die Verbesserung der Verschleißfestigkeit der Matrix. Generell gilt: Je höher der Hartphasenanteil in der verschleißfesten Beschichtung, desto höher die Härte und desto besser die Verschleißfestigkeit. Es gibt viele Beschichtungsmaterialien, die die Verschleißfestigkeit von Titanlegierungen verbessern können, darunter B, C, Ni, Si, B4C, Cr2C3, TiC, BN, SiC, TiB, TiB2 und Al2O3.

5.2 Antioxidative Beschichtung

Strukturteile für technische Anwendungen werden häufig langfristig unter Hochtemperaturbedingungen eingesetzt. Um die chemische oder elektrochemische Reaktion zwischen O, S, N und anderen Elementen in der Hochtemperatur-Arbeitsatmosphäre und der Matrix zu reduzieren oder zu vermeiden, wird im Allgemeinen eine dichte Hochtemperatur-Schutzschicht auf der Oberfläche aufgebaut, um die Matrix vor Beschädigungen zu schützen zerstört.

5.3 Wärmedämmbeschichtung

Die Betriebstemperatur in der Luft- und Raumfahrt, in Gasturbinentriebwerken und anderen Umgebungen hat die Grenztemperatur von Superlegierungsmaterialien erreicht. Die Wärmedämmschicht aus Legierungsmaterialien kombiniert die Leistung von Metallmaterialien mit den Vorteilen der Hochtemperaturbeständigkeit von Keramikmaterialien und übernimmt die Rolle der Wärmeisolierung von Keramikmaterialien, sodass Teile unter Hochtemperaturbedingungen normal funktionieren können.

5.4 Biologische Beschichtungen

Durch die Laserbeschichtungstechnologie wird eine bioaktive Beschichtung auf der Oberfläche der Titanlegierung aufgebracht, wodurch die Implantation der Titanlegierung eine bessere Biokompatibilität aufweist.

Xi'an Guosheng Laser Technology Co., Ltd. ist ein High-Tech-Unternehmen, das sich auf Forschung und Entwicklung, Herstellung und Vertrieb von automatischen Laserauftragsmaschinen, Hochgeschwindigkeits-Laserauftragsmaschinen, Laserabschreckmaschinen, Laserschweißmaschinen und Laser-3D-Druckgeräten spezialisiert hat. Unsere Produkte sind kostengünstig und werden im In- und Ausland verkauft. Wenn Sie an unseren Produkten interessiert sind, kontaktieren Sie uns bitte unter bob@gshenglaser.com.