Systeme zum Laserauftragschweißen von Titanlegierungen: Ultimativer Leitfaden

1. Übersicht

Zu den Materialien für das Laserstrahl-Auftragschweißen auf der Oberfläche von Titanlegierungen gehören vor allem: schmelzbare Legierungsmaterialien, Verbundwerkstoffe und Keramikmaterialien.

Bei den Schmelzlegierungen handelt es sich hauptsächlich um Eisen-, Nickel- und Kobaltlegierungen.

Das Hauptmerkmal dieser Legierungen ist die Einbeziehung der Elemente Bor und Silizium, die stark desoxidierend und selbstschmelzend wirken.

Während Laserstrahl-AuftragschweißenBor und Silizium werden oxidiert und bilden Oxide, die eine dünne Schicht auf der Oberfläche der Mantelschicht bilden.

Dieser Film verhindert nicht nur eine übermäßige Oxidation der Elemente in der Legierung, sondern bildet auch Borsilikatschlacke mit den Oxiden dieser Elemente, wodurch der Einschlussgehalt und der Sauerstoffgehalt in der Hüllschicht verringert werden.

Dieses Verfahren führt zu einer Laser-Auftragsschweißschicht mit geringem Oxidanteil und wenigen Poren. Bor und Silizium können auch den Schmelzpunkt der Legierung senken und so die Benetzbarkeit der Schmelze gegenüber dem Grundmetall verbessern, was sich positiv auf die Fließfähigkeit und Oberflächenspannung der Legierung auswirkt.

Die Härte der selbstschmelzenden Legierung steigt mit zunehmendem Bor- und Siliziumgehalt in der Legierung. Dies ist auf die Zunahme der Menge an extrem harten Boriden und Karbiden zurückzuführen, die von den Elementen Bor und Silizium mit Nickel, Chrom und anderen Elementen in der Legierung gebildet werden.

1. Nickel-Basis-Legierungspulver

Legierungspulver auf Nickelbasis verfügt über hervorragende Benetzungseigenschaften, Korrosionsbeständigkeit und Hochtemperatur-Selbstschmierung.

Es wird vor allem in Bauteilen verwendet, die Verschleißfestigkeit, Hitzekorrosionsbeständigkeit und Wärmeermüdungsbeständigkeit erfordern. Die erforderliche Laserleistung Dichte geringfügig höher ist als die für Plattierungen aus Eisenlegierungen.

Das Legierungsprinzip von Nickelbasislegierungen umfasst die Mischkristallhärtung mit Elementen wie Fe, Cr, Co, Mo, W, die Ausscheidungshärtung durch intermetallische Verbindungen mit Al, Ti und die Korngrenzenhärtung mit B, Zr, Co.

Die Auswahl der Elemente in selbstschmelzendem Legierungspulver auf Nickelbasis basiert auf diesen Grundsätzen, während die Menge der Legierungselemente hängt von der Umformbarkeit der Legierung und dem Laserauftragsschweißverfahren ab.

Zu den selbstschmelzenden Legierungen auf Nickelbasis gehören derzeit hauptsächlich Ni-B-Si und Ni-Cr-B-Si. Erstere ist weniger hart, aber duktiler und leichter zu verarbeiten, während letztere durch Zugabe von geeignetem Cr zur Ni-B-Si-Legierung entsteht. Cr, das in Ni löslich ist, bildet einen Nickel-Chrom-Mischkristall, der die Festigkeit der Plattierungsschicht erhöht und ihre Oxidations- und Korrosionsbeständigkeit verbessert.

Cr kann mit B und C auch Boride und Karbide bilden, was die Härte und Verschleißfestigkeit der Plattierungsschicht erhöht.

Eine Erhöhung des C-, B- und Si-Gehalts in der Ni-Cr-B-Si-Legierung kann die Härte der Plattierungsschicht von 25 HRC auf etwa 60 HRC erhöhen, allerdings auf Kosten einer geringeren Duktilität.

Ni60 und Ni45 sind die am häufigsten verwendeten Legierungen dieser Art. Durch eine Erhöhung des Ni-Gehalts kann die Rissrate erheblich reduziert werden.

Dies liegt daran, dass Ni ein starkes Austenit (γ)-Phase expandierendes Element. Ein höherer Ni-Gehalt in der Legierung verbessert die Zähigkeit und erhöht damit die plastische Zähigkeit der Plattierungsschicht.

Die Erhöhung des Ni-Gehalts verringert auch den Wärmeausdehnungskoeffizienten der Mantelschicht, wodurch die Eigenspannung der Mantelschicht reduziert und die Entstehung von Rissen und Defekten erheblich verringert wird.

Mehr Ni ist jedoch nicht unbedingt besser, denn ein zu hoher Ni-Gehalt kann die Härte der Plattierungsschicht beeinträchtigen, so dass sie nicht die gewünschten Eigenschaften erreicht.

2. Legierungspulver auf Kobaltbasis

Legierungspulver auf Kobaltbasis bietet eine hervorragende Hochtemperaturleistung sowie Verschleiß- und Korrosionsbeständigkeit, wenn es per Laser auf die Oberfläche von Titanlegierungen aufgetragen wird.

Derzeit wird das für das Laserstrahl-Auftragschweißen verwendete selbstschmelzende Legierungspulver auf Kobaltbasis auf der Grundlage von Stellite-Legierungen entwickelt, deren Hauptlegierungselemente Chrom (Cr), Wolfram (W), Eisen (Fe), Nickel (Ni) und Kohlenstoff (C) sind.

Darüber hinaus werden Bor (B) und Silizium (Si) hinzugefügt, um die Benetzbarkeit des Legierungspulvers zu verbessern und eine selbstschmelzende Legierung zu bilden.

Ein zu hoher Borgehalt kann jedoch die Neigung zur Rissbildung in der Legierung erhöhen. Legierungen auf Kobaltbasis weisen eine überragende thermische Stabilität auf, mit minimaler Verdampfung und Sublimation oder spürbarem Abbau während des Plattierens.

Darüber hinaus weist das Kobaltlegierungspulver beim Schmelzen eine ausgezeichnete Benetzbarkeit auf und verteilt sich gleichmäßig auf der Oberfläche des Materials. Titanlegierung.

Dies führt zu einer dichten, glatten und ebenen Verkleidungsschicht, die die Haftfestigkeit zwischen der Verkleidungsschicht und dem Grundmaterial erhöht.

Die Hauptbestandteile des Kobaltlegierungspulvers sind Kobalt (Co), Chrom (Cr) und Wolfram (W), die ihm eine hervorragende Hochtemperaturleistung und umfassende mechanische Eigenschaften verleihen.

Kobalt und Chrom bilden stabile Mischkristalle, und aufgrund der geringen KohlenstoffgehaltIn der Basis sind verschiedene Karbide wie metastabiles CrC, MC und WC sowie Boride wie CrB dispergiert, was zu einer Legierung mit höherer Warmhärte, Hochtemperatur-Verschleißfestigkeit, Korrosions- und Oxidationsbeständigkeit führt.

3. Legierungspulver auf Eisenbasis

Das Laserauftragsschweißen von Eisenlegierungspulver auf die Oberfläche von Titanlegierungen eignet sich für Teile, die zu Verformungen neigen und örtlich begrenzt verschleißfest sein müssen. Sein größter Vorteil sind die niedrigen Kosten und die gute Verschleißfestigkeit.

Es hat jedoch einen hohen Schmelzpunkt, eine schlechte Selbstschmelzbarkeit, eine geringe Oxidationsbeständigkeit, eine schlechte Fließfähigkeit und eine Plattierungsschicht, die oft eine beträchtliche Menge an Porosität und Schlackeneinschlüssen enthält, was seine Anwendungen einschränkt.

Gegenwärtig besteht das Legierungsdesign der Fe-basierten Legierungsplattierungsstruktur hauptsächlich aus Fe-C-X (wobei X für Cr, W, Mo, B usw. steht), und die Plattierungsschichtstruktur besteht hauptsächlich aus metastabilen Phasen, wobei die Verstärkungsmechanismen folgende sind Martensit Verstärkung und Karbidverstärkung.

Merkmale selbstschmelzender Legierungspulversysteme

4. Komposit-Pulver

Unter den schweren Bedingungen von Gleit-, Schlag- und Abriebverschleiß auf Titanlegierungsoberflächen können einfache selbstschmelzende Legierungen auf Ni-, Co- und Fe-Basis die Nutzungsanforderungen nicht mehr erfüllen.

An diesem Punkt können verschiedene hochschmelzende Karbide, Nitride, Boride und oxidkeramische Partikel in die oben erwähnten selbstschmelzenden Legierungspulver gegeben werden, um Metall-Keramik-Verbundschichten herzustellen.

Unter ihnen werden Karbide (wie WC, TiC, SiC usw.) und Oxide (wie ZrO, AlO usw.) am meisten untersucht und verwendet. Das Verhalten keramischer Werkstoffe in der Titanlegierungsschmelze umfasst: vollständige Auflösung, teilweise Auflösung und geringfügige Auflösung.

Der Grad der Auflösung hängt in erster Linie von der Art der Keramik und des Substrats und in zweiter Linie von den Bedingungen des Laserauftragschweißverfahrens ab.

Während des Laserstrahl-Auftragschweißens liegt das Schmelzbad nur für sehr kurze Zeit bei hohen Temperaturen vor, so dass die Keramikpartikel nicht genügend Zeit haben, vollständig zu schmelzen. Die Auftragschweißschicht besteht aus kubisch-flächenzentrierter γ-Phase (Fe, Ni, Co), ungeschmolzenen keramischen Phasenpartikeln und Ausscheidungsphasen (wie MC, M C, usw.).

Die Laserstrahl-Auftragsschweißschicht umfasst Verfestigungsmechanismen wie Feinkornverfestigung, Hartpartikeldispersionsverfestigung, Mischkristallverfestigung und Versetzungsanhäufungsverfestigung.

Beispiele:

1. Durch das Laser-Auftragschweißen von TiC- oder (TiB+TiC)-verstärkten Titan-Verbundwerkstoffschichten auf die Oberfläche von Titanlegierungen können wir die Oberflächenhärte und Verschleißfestigkeit der Titanlegierung verbessern und gleichzeitig eine gute Anpassung des Beschichtungsmaterials an das Substrat gewährleisten.

2. Die Oberfläche der Titanlegierung wird mit einem Laser geschmolzen, und es werden verschiedene Anteile der binären Ti-Cr-Legierung abgeschieden, so dass oberflächenmodifizierte Beschichtungen entstehen, die eine hohe Härte und gute Kompatibilität mit dem Substrat aufweisen.