أنظمة تكسية سبائك التيتانيوم بالليزر: الدليل النهائي

1. لمحة عامة

تشمل المواد المستخدمة في التكسية بالليزر على سطح سبائك التيتانيوم بشكل أساسي: مواد السبائك القابلة للانصهار، والمواد المركبة، والمواد الخزفية.

ومن بين هذه المواد، تتكون مواد السبائك القابلة للانصهار في المقام الأول من سبائك أساسها الحديد وسبائك أساسها النيكل وسبائك أساسها الكوبالت.

تتمثل الخاصية الرئيسية لهذه السبائك في تضمين عنصري البورون والسيليكون، اللذين يُظهران مفعولاً قوياً لإزالة الأكسدة والذوبان الذاتي.

أثناء الكسوة بالليزر، يتأكسد البورون والسيليكون لتكوين أكاسيد، مما يؤدي إلى تكوين طبقة رقيقة على سطح طبقة الكسوة.

لا يمنع هذا الغشاء الأكسدة المفرطة للعناصر الموجودة في السبيكة فحسب، بل يشكل أيضًا خبث البورسليكات مع أكاسيد هذه العناصر، وبالتالي يقلل من محتوى التضمين ومستويات الأكسجين في طبقة الكسوة.

وينتج عن هذه العملية طبقة تكسية بالليزر ذات محتوى منخفض من الأكسيد وعدد قليل من المسام. ويمكن أن يخفض البورون والسيليكون أيضًا من درجة انصهار السبيكة، مما يحسن من قابلية الذوبان تجاه المعدن الأساسي، مما يؤثر إيجابًا على قابلية انسيابية السبيكة وتوتر سطحها.

تزداد صلابة السبيكة ذاتية الانصهار مع زيادة محتوى البورون والسيليكون في السبيكة. ويُعزى ذلك إلى زيادة كمية البوريدات والكربيدات شديدة الصلابة التي تتكون من عنصري البورون والسيليكون مع النيكل والكروم والعناصر الأخرى في السبيكة.

1. مسحوق سبائك النيكل

يمتاز المسحوق المصنوع من سبائك النيكل بخصائص ترطيب ممتازة ومقاومة للتآكل والتشحيم الذاتي في درجات الحرارة العالية.

يُستخدم في المقام الأول في المكونات التي تتطلب مقاومة التآكل ومقاومة التآكل الحراري ومقاومة الإجهاد الحراري. المطلوب طاقة الليزر أعلى قليلاً من كثافة الكسوة المصنوعة من سبائك الحديد.

يتضمن مبدأ صناعة السبائك في السبائك القائمة على النيكل تقوية المحلول الصلب الأوستنيتي بعناصر مثل الحديد والكروم والكربون والمو والمو والمو والوزن وتقوية الترسيب المركب بين الفلزات مع الألومنيوم وال Ti وتقوية حدود الحبوب مع B والزنك والكوب.

ويستند اختيار العناصر في مسحوق سبائك النيكل ذاتية الانصهار القائمة على النيكل إلى هذه المبادئ، في حين أن كمية عناصر السبائك تعتمد الإضافة على قابلية السبيكة للتشكيل وعملية التكسية بالليزر.

في الوقت الحاضر، تشمل السبائك ذاتية الانصهار القائمة على النيكل بشكل أساسي Ni-B-Si وNi-Cr-B-Si. فالأولى أقل صلابة ولكنها أكثر قابلية للسحب وأسهل في المعالجة، بينما تتشكل الأخيرة بإضافة الكروم المناسب إلى سبيكة Ni-B-Si. يُشكّل الكروم، القابل للذوبان في النيكل، محلولًا صلبًا من النيكل والكروم يعزز قوة طبقة الكسوة ويحسّن من مقاومتها للأكسدة والتآكل.

كما يمكن أن يشكل الكروم أيضًا بوريدات وكربيدات مع B وC، مما يزيد من صلابة طبقة الكسوة ومقاومة التآكل.

يمكن أن تؤدي زيادة محتوى C وB وSi في سبيكة Ni-Cr-B-Si إلى زيادة صلابة طبقة الكسوة من 25 HRC إلى حوالي 60 HRC، ولكن على حساب انخفاض الليونة.

Ni60 و Ni45 هما الأكثر استخدامًا في هذا النوع من السبائك. بالإضافة إلى ذلك، من خلال زيادة محتوى النيكل، يمكن تقليل معدل التشقق بشكل كبير.

ويرجع ذلك إلى أن النيكل مادة فعالة الأوستينيت (γ) عنصر توسيع الطور. تؤدي زيادة محتوى النيكل في السبيكة إلى تعزيز المتانة، وبالتالي زيادة المتانة اللدائنية لطبقة الكسوة.

كما أن الزيادة في محتوى النيكل تقلل أيضًا من معامل التمدد الحراري لطبقة الكسوة، وبالتالي تقلل من إجهاد الشد المتبقي في طبقة الكسوة وتقلل بشكل كبير من توليد الشقوق والعيوب.

ومع ذلك، فإن المزيد من النيكل ليس بالضرورة أفضل، حيث أن المحتوى العالي جدًا من النيكل يمكن أن يضر بصلابة طبقة الكسوة، مما يمنعها من تحقيق الخصائص المطلوبة.

2. مسحوق سبائك الكوبالت

يوفر مسحوق سبائك الكوبالت القائم على الكوبالت أداءً ممتازًا في درجات الحرارة العالية ومقاومة للتآكل والاهتراء عند تكسية سطح سبائك التيتانيوم بالليزر.

في الوقت الحالي، يتم تطوير مسحوق السبائك ذاتية الانصهار القائمة على الكوبالت والمستخدمة في التكسية بالليزر على أساس سبائك الستالايت، مع عناصر السبائك الأولية من الكروم (Cr) والتنغستن (W) والحديد (Fe) والنيكل (Ni) والكربون (C).

وبالإضافة إلى ذلك، يُضاف البورون (B) والسيليكون (Si) لتعزيز قابلية ترطيب مسحوق السبيكة لتشكيل سبيكة ذاتية الانصهار.

ومع ذلك، يمكن أن يزيد محتوى البورون الزائد من ميل السبيكة إلى التشقق. تُظهر السبائك القائمة على الكوبالت ثباتًا حراريًا فائقًا، مع الحد الأدنى من التبخر والتسامي أو التدهور الملحوظ أثناء التكسية.

وعلاوة على ذلك، يُظهر مسحوق السبيكة المصنوع من الكوبالت قابلية ممتازة للبلل عند الذوبان، وينتشر بالتساوي على سطح سبائك التيتانيوم.

وهذا يؤدي إلى طبقة تكسية كثيفة وناعمة ومسطحة، مما يعزز قوة الترابط بين طبقة التكسية والمادة الأساسية.

المكونات الأساسية لمسحوق السبيكة القائمة على الكوبالت هي الكوبالت (Co) والكروم (Cr) والتنغستن (W)، مما يمنحها أداءً ممتازًا في درجات الحرارة العالية وخصائص ميكانيكية شاملة.

يُكوِّن الكوبالت والكروم محاليل صلبة مستقرة، وبسبب انخفاض محتوى الكربون، تتشتت الكربيدات المختلفة مثل CrC وMC وWC القابلة للاستقرار، بالإضافة إلى البوريدات مثل CrB، في جميع أنحاء القاعدة، مما يؤدي إلى سبيكة ذات صلابة حمراء أعلى، ومقاومة للتآكل في درجات الحرارة العالية، ومقاومة للتآكل، ومقاومة للأكسدة.

3. مسحوق سبائك الحديد

تُعد الكسوة بالليزر لمسحوق سبائك الحديد على سطح سبائك التيتانيوم مناسبة للأجزاء المعرضة للتشوه والتي تتطلب مقاومة تآكل موضعي. وتتمثل أكبر ميزة لها في تكلفتها المنخفضة ومقاومتها الجيدة للتآكل.

ومع ذلك، فإنه يتميز بنقطة انصهار عالية، وقابلية انصهار ذاتية ضعيفة، ومقاومة ضعيفة للأكسدة، وقابلية انسيابية ضعيفة، وطبقة تكسية غالبًا ما تحتوي على قدر كبير من المسامية وشوائب الخبث، مما يحد من تطبيقاته.

في الوقت الحالي، يتكون تصميم السبائك لهيكل الكسوة السبيكي القائم على الحديد بشكل أساسي من Fe-C-X (حيث يمثل X الكروم أو W أو Mo أو B، إلخ)، ويتكون هيكل طبقة الكسوة بشكل أساسي من مراحل قابلة للاستقرار، مع آليات التقوية مارتينسايت التقوية والتقوية بالكربيد.

خصائص أنظمة مساحيق السبائك ذاتية الذوبان

4. المساحيق المركبة

في ظل الظروف القاسية للانزلاق والتآكل الناتج عن الصدمات والتآكل الكاشطة على أسطح سبائك التيتانيوم، لا يمكن للسبائك البسيطة القائمة على النيكل أو Co أو الحديد ذاتية الانصهار أن تلبي متطلبات الاستخدام.

عند هذه النقطة، يمكن إضافة العديد من الكربيدات والنتريدات والبوريدات وجزيئات أكسيد السيراميك عالية الانصهار إلى مساحيق السبائك القابلة للانصهار الذاتي المذكورة أعلاه لإنشاء طلاءات مركبة من المعدن والسيراميك.

من بينها، الكربيدات (مثل WC وTiC وSiC، وما إلى ذلك) والأكاسيد (مثل ZrO وAlO، وما إلى ذلك) هي الأكثر دراسة واستخدامًا. ويشمل سلوك المواد الخزفية في ذوبان سبائك التيتانيوم: الذوبان الكامل، والذوبان الجزئي، والذوبان الطفيف.

يتم التحكم في درجة الذوبان بشكل أساسي من خلال نوع السيراميك والركيزة، وبشكل ثانوي من خلال ظروف عملية التكسية بالليزر.

أثناء عملية التكسية بالليزر، يوجد الحوض المنصهر في درجات حرارة عالية لفترة قصيرة جدًا، مما يترك جزيئات السيراميك وقتًا غير كافٍ للذوبان تمامًا. وتتكون طبقة الكسوة من جسيمات الطور المكعب المتمركز حول الوجه (Fe، Ni، Co)، وجسيمات الطور الخزفي غير المنصهر، ومراحل الترسيب (مثل MC، M C، إلخ).

تشتمل طبقة الكسوة الليزرية على آليات تقوية مثل تقوية الحبيبات الدقيقة وتقوية تشتت الجسيمات الصلبة وتقوية المحلول الصلب وتقوية المحلول الصلب وتقوية تراكم الخلع.

أمثلة على ذلك:

1. من خلال التكسية بالليزر في الموقع TiC أو (TiB+TiC) طلاءات مادة التيتانيوم المركب المقوى بالليزر على سطح سبائك التيتانيوم، يمكننا تحسين صلابة السطح ومقاومة التآكل لسبائك التيتانيوم مع ضمان التكيف الجيد لمواد الطلاء مع الركيزة.

2. يتم إذابة سطح سبيكة التيتانيوم بالليزر وترسيب نسب مختلفة من سبيكة ثنائية Ti-Cr، وإعداد طلاءات معدلة السطح تتمتع بصلابة عالية وتوافق جيد مع الركيزة.