Co基高温合金涂层的激光熔覆：Nd：YAG激光与激光的比较研究

  一，简介

  通过粉末注入激光表面包覆已经成为传统方法的替代技术，以在具有低热负荷的金属基板上生产高质量的冶金结合涂层到工件中[1]。通常，激光熔覆的主要目的是改善基板表面性能，改善不同性能[2]：机械（硬度，抗疲劳性和耐磨性）[3]，耐腐蚀性[4]，生物相容性[5]等。

在该技术中，激光器提供的能量用于熔化基板的薄层，而粉末颗粒可以通过与激光束的相互作用熔化或/和当到达形成在基板上的熔池时。基板和激光/粉末射流之间的相对运动允许形成单个包层轨道，而重叠这些轨道可提供大面积覆盖[6]。已经测试了各种各样的前体涂层材料：从超合金[7]到高级陶瓷[8]。

  有几种激光源可用于工业目的：CO2，Nd：YAG，高功率激光二极管以及最近的高亮度激光源，如磁盘或激光器。这些新型高亮度激光光源的可用性打开了一些关于其有用性的问题。所以我们可以质疑自己：我们是否需要高亮度激光熔覆源？使用高亮度光源进行激光熔覆有什么好处吗？那么，本文的目的是试图回答这些问题。为此，我们选择了Nd：YAG和一种激光器来进行包层试验，其中除激光源外，所有实验条件都相同（包括相同的实验装置）。

  2.实验设置

  2.1.Materials

  使用10mm厚的AISI 304不锈钢（50×50mm 2）的平板作为基材。为了完美划分复合材料轨道的几何特征，所有板材都显示出高抛光表面处理（Rab0.5μm）。使用Co基超合金（ORIC; France）粉末（平均粒径为90μm，振实密度为4.6g / cm 3）作为前体涂层材料。表1中收集了基质和前体材料的化学组成。

 2.2.Methods

 2.2.1。激光系统

  采用侧吹粉技术，通过激光表面包覆获得涂层。离轴喷嘴将粉末流注入激光束和基板之间的相互作用区域，该相互作用区域通过电动台移动以产生包层轨道。

  使用两种不同的激光源：第一激光源是Ro fi n-Sinar RSY500P型灯泵浦Nd：YAG激光器，最大功率为500W，λ= 1064nm。它通过600μm核心直径的纤维引导，并通过扩展和准直光学系统耦合到工作站。第二个激光源是高亮度单模掺镱光纤激光器（SPI SP-200），最大功率为200 W，工作在λ= 1075 nm。类似地，它通过被动纤维（纤芯直径50μm）被引导到工作站，由准直透镜扩展和准直。

为了测量两个激光束的质量，使用Spiricon（LBA-300PC）分析仪。图1示出了在扩展和准直光学器件之后对两个激光器进行的分析的示例。对于Nd：YAG激光器，M2因子的测量值是M2 = 10，对于激光器，M2 = 1.8。在所有实验中，使用相同的聚焦光学器件将激光束精确地聚焦在基板表面上：焦距为80mm的胶合双合透镜，在Nd：YAG激光器的情况下获得250μm的光斑直径，在使用了fi bre激光器。在实验过程中，光学平均功率在40和100W之间变化。

  2.2.2。前体粉末进料

  借助于氩气输送流和连接到料斗的气固喷射器将前体粉末注入相互作用区。气固喷射器的结构包括轴向喷嘴和侧面的垂直料斗[2]。对于质量流量，20mg / s的值保持恒定，气体体积流量为2.7l / min;粉末流在相互作用区域的直径约为1mm。

2.2.3。运动的产生和定位

  在实验过程中，包括聚焦光学系统和气动粉末喷射系统的工作头保持不动。借助于XY电动平移台PI模型M-531.PD移动基板。产生45mm长的包层轨道，使扫描速度从0.5到10.0mm / s不等。

  2.3。样品表征

  通过配备有分辨率为1μm的XY台定位器（Nikon SMZ10-A）的立体显微镜对获得的包层轨迹进行几何表征。将样品包埋在Acry fi x丙烯酸树脂中以执行轨道横截面观察。将它们切割并随后用一系列高达1200级的研磨SiC纸进行抛光，然后进行最大0.1μm的金刚石浆料抛光。接下来，将样品碳涂覆并通过SEM检查。通过纳米压痕测量硬度和杨氏模量，使用三面金字塔金刚石Berkovich压头施加200mN的最大载荷。连续刚度测量技术用于MTS纳米压痕仪XP设备。

  3。结果与讨论

对两个激光源产生的包层轨迹进行了详细而系统的分析。如图2所示，观察到宽度主要取决于激光束平均功率。这种行为与以前的作品很吻合[9]。基板表面上的激光束点是包层轨道横向生长的限制因素;从这个意义上说，可以清楚地注意到激光器的更好的可聚焦性，从而导致相当窄的轨道。由于平均功率增量引起的宽度增量对于两个激光源非常相似，而增加处理速度的效果似乎是包层宽度的非常小的减小（见图2.b）。

  当两个激光源的扫描速度增加时，包层高度显示减少。在我们这边的激光熔覆实验中，激光聚焦在基板表面上，粉末从侧面注入。因此，颗粒在撞击熔池之前没有足够的时间暴露于激光辐射，因此，颗粒主要通过与基底熔池的相互作用而熔化。从基板的角度来看，每单位长度可用的能量取决于激光平均功率，光斑尺寸和扫描速度。它可以通过能量密度参数（P / vD，其中P：平均功率，v：扫描速度和D：光斑直径）[1]来估算。随着扫描速度的增加，每单位长度的能量减少有助于形成熔池。作为能量密度的函数的包层高度行为绘制在图3中。对于两种类型的激光器获得了类似的行为。

此外，假设激光束点完全被粉末流直径覆盖，则每单位长度可用的前体材料颗粒的量由扫描速度和光点尺寸修改。到达熔池的颗粒量可以认为与质量流量和光斑尺寸成正比，与扫描速度成反比（参数m·D / v，其中m：质量流量）[9]。因此，扫描速度的增加具有双重作用，降低了能量密度以及熔池捕获的颗粒量，这是由于包层高度的减小而反映的。对于Nd：YAG激光器，已经发现包层高度与组合参数（P-P0）/ v2的满意相关性（R = 0.98），其中P0 = 31W（参见图4）。 P0的值是通过实验确定的，并且可以与产生明显的材料沉积所需的最小能量相关。对于由激光器产生的轨道，已经发现了激光器包层高度与处理速度的倒数的相关性（R = 0.95）（参见图5）。这种行为可以通过其较高的光束亮度和相关的升高的能量密度值来解释。聚焦在熔池上的高能量导致捕获/撞击颗粒的比例更高。在这种情况下，平均功率的变化具有较小的重要性，并且到达的颗粒的量对熔融材料的体积和所得的包层高度有很大影响。

  轨道的纵横比（宽度/高度）相对于图6中的处理速度绘制。可以清楚地看出，Nd：YAG包层轨道的宽度/高度急剧上升，与通过激光器获得的轨道相反。由于包层宽度和高度依赖于前面讨论的工艺参数，Nd：YAG激光熔覆轨道结果的纵横比与处理速度平方成正比;而在通过激光器获得的情况下，纵横比与处理速度成比例，并且随着该处理参数变得更慢。

在固定的处理速度下，Nd：YAG激光器产生的轨道的纵横比明显高于由激光器产生的轨道的纵横比。使用纤维激光器时，需要更高的扫描速度才能获得适合通过轨道重叠生产涂层的纵横比值[6]。对于相同的处理速度，Nd：YAG辐射的能量密度（P / vD）由于比通过纤维辐射获得的点更宽的点而更低。众所周知，这一事实是纤维激光器光束质量更好的结果。较高的能量密度将允许从粉末流中捕获更多的颗粒。此外，纤维激光器的光点直径减小将能量集中在较小的区域，避免熔池横向向扫描方向扩散。在较小区域中更多熔融前体粉末的结果是纤维激光轨道的包层高度的快速增长。在图7中很好地说明了这一事实，图7示出了在类似条件下由两种类型的激光器产生的包层轨道的横截面SEM图像。

  关于沉积轨迹的稀释，测量的几何稀释度（几何稀释度根据下式计算：稀释。= h2 /（h + h2），其中h：包层高度和h2：包层穿透深度，参见参考文献[10]将图）绘制为扫描速度的函数（参见图8和9）。从两个激光源获得的几何稀释显示出类似的趋势，并且响应于包层高度和穿透的组合行为。图10.根据Nd：YAG和激光器的深度的硬度平均值（激光功率95 W，能量密度165 J / mm2）。深度。对于Nd：YAG激光器，观察到处理速度的对数依赖性，而对于激光器，在组合参数Pv下发现了更好的结果。由于低光斑直径和高能量密度，大多数测试条件导致高几何稀释值。

  当增加轨道横截面内的深度时，发现硬度略有下降（见图10）;这种行为与在包层材料中稀释的较高存在的衬底元素同时越来越接近界面非常一致。界面下方的区域呈现的硬度值在某种程度上高于所接收的基材。对于两个激光源，横截面上的硬度行为是相似的;由于在基板上的较高的激光穿透，当用于达到一定深度时，用激光器获得的平均硬度值略微优越。对于用Nd：YAG激光器获得的轨道，杨氏模量的平均值为250GPa，对于用激光器获得的轨道，杨氏模量的平均值为290GPa。

  4。结论

与传统的Nd：YAG激光器相比，由激光器激光辅助的激光熔覆在速度范围方面显示出更宽的加工窗口。在相同加工条件下获得的包层轨道比由Nd：YAG激光器产生的包层轨道更厚和更窄。然而，进入基材的稀释和渗透深度也更高。这一事实可归因于纤维激光束的更好的光束质量。对于由两种类型的激光器产生的轨道获得了类似的硬度值。

  因此，在本研究所研究的参数范围内，可以得出结论，只有在需要非常窄的包层轨道时才建议使用高亮度激光，而不是用于大型涂层的常规宽轨道。

  致谢

  这项工作部分由西班牙政府（CICYT MAT2006-10481，DEX-560410-2008-169和FPU计划AP2006-03500赠款）和Xunta de Galicia（PGIDIT06TMT00501CT，PGIDIT06PXIA303086IF，INCITE07PXI303112ES和INCITE08E1-R30300ES）提供。感谢CACTI（维哥大学）技术人员的协助。