티타늄 합금 레이저 클래딩 시스템: 궁극의 가이드

1. 개요

티타늄 합금 표면의 레이저 클래딩 재료에는 주로 용융성 합금 재료, 복합 재료 및 세라믹 재료가 포함됩니다.

그 중 용융 가능한 합금 재료는 주로 철 기반 합금, 니켈 기반 합금, 코발트 기반 합금으로 구성됩니다.

이러한 합금의 주요 특징은 강력한 탈산 및 자기 용융 작용을 나타내는 붕소 및 실리콘 원소가 포함되어 있다는 것입니다.

동안 레이저 클래딩, 붕소와 실리콘이 산화되어 산화물을 형성하여 클래딩 층의 표면에 얇은 막을 만듭니다.

이 필름은 합금 내 원소의 과도한 산화를 방지할 뿐만 아니라 이러한 원소의 산화물로 붕규산 슬래그를 형성하여 클래딩 층의 내포물 함량과 산소 수준을 낮춥니다.

이 공정을 통해 산화물 함량이 낮고 기공이 적은 레이저 클래딩 층이 생성됩니다. 붕소와 실리콘은 또한 합금의 융점을 낮추어 용융물의 모재에 대한 습윤성을 개선하여 합금의 유동성과 표면 장력에 긍정적인 영향을 줄 수 있습니다.

자체 용융 합금의 경도는 합금의 붕소 및 실리콘 함량이 증가함에 따라 증가합니다. 이는 합금의 붕소 및 실리콘 원소가 니켈, 크롬 및 기타 원소와 결합하여 형성되는 매우 단단한 붕화물 및 탄화물의 양이 증가하기 때문입니다.

1. 니켈 기반 합금 분말

니켈 기반 합금 분말은 우수한 습윤성, 내식성 및 고온 자체 윤활성을 지니고 있습니다.

주로 내마모성, 내열 부식성, 내열 피로성이 요구되는 부품에 사용됩니다. 필수 레이저 파워 밀도는 철 기반 합금 클래딩의 밀도보다 약간 높습니다.

니켈 기반 합금의 합금 원리는 Fe, Cr, Co, Mo, W와 같은 원소로 오스테나이트 고용체 강화, Al, Ti로 금속 간 화합물 침전 강화, B, Zr, Co로 결정립 경계 강화가 포함됩니다.

니켈 기반 자기 융해성 합금 분말의 원소 선택은 이러한 원칙에 따라 이루어집니다. 합금 원소 첨가량은 합금의 성형성과 레이저 클래딩 공정에 따라 달라집니다.

현재 니켈 기반의 자기 융해성 합금에는 주로 Ni-B-Si와 Ni-Cr-B-Si가 있습니다. 전자는 덜 단단하지만 연성이 높고 가공하기 쉬운 반면, 후자는 Ni-B-Si 합금에 적절한 Cr을 첨가하여 형성됩니다. Ni에 용해되는 Cr은 니켈-크롬 고용체를 형성하여 클래딩 층의 강도를 향상시키고 산화 및 내식성을 개선합니다.

Cr은 또한 B 및 C와 함께 붕화물 및 탄화물을 형성하여 클래딩 층의 경도와 내마모성을 높일 수 있습니다.

Ni-Cr-B-Si 합금의 C, B, Si 함량을 높이면 클래딩 층의 경도를 25 HRC에서 약 60 HRC로 높일 수 있지만 연성이 감소하는 대가를 치르게 됩니다.

이러한 유형의 합금에는 Ni60과 Ni45가 가장 일반적으로 사용됩니다. 또한 Ni 함량을 높이면 균열 발생률을 크게 줄일 수 있습니다.

Ni는 강력한 오스테나이트 (γ) 상 팽창 원소. 합금의 Ni 함량이 증가하면 인성이 향상되어 클래딩 층의 소성 인성이 증가합니다.

또한 Ni 함량이 증가하면 클래딩 층의 열팽창 계수가 감소하여 클래딩 층의 잔류 인장 응력이 감소하고 균열 및 결함 발생이 크게 감소합니다.

그러나 Ni 함량이 지나치게 높으면 클래딩 층의 경도가 손상되어 필요한 특성을 얻지 못할 수 있으므로 Ni가 많다고 해서 반드시 좋은 것은 아닙니다.

2. 코발트 기반 합금 분말

코발트 기반 합금 분말은 티타늄 합금 표면에 레이저로 입힐 때 뛰어난 고온 성능과 내마모성 및 내식성을 제공합니다.

현재 레이저 클래딩에 사용되는 코발트 기반 자가 융용 합금 분말은 크롬(Cr), 텅스텐(W), 철(Fe), 니켈(Ni), 탄소(C)를 주요 합금 원소로 하는 스텔라이트 합금을 기반으로 개발되고 있습니다.

또한 합금 분말의 습윤성을 향상시키기 위해 붕소(B)와 실리콘(Si)을 첨가하여 자기 용융성 합금을 형성합니다.

그러나 붕소 함량이 지나치게 높으면 합금에 균열이 생기는 경향이 높아질 수 있습니다. 코발트 기반 합금은 클래딩 중 증발 및 승화 또는 눈에 띄는 성능 저하를 최소화하여 열 안정성이 우수합니다.

또한 코발트 기반 합금 분말은 녹을 때 우수한 습윤성을 나타내며 표면에 고르게 퍼집니다. 티타늄 합금.

이렇게 하면 클래딩 레이어가 조밀하고 매끄럽고 평평해져 클래딩 레이어와 기본 재료 사이의 결합 강도가 향상됩니다.

코발트 기반 합금 분말의 주요 구성 성분은 코발트(Co), 크롬(Cr), 텅스텐(W)으로 우수한 고온 성능과 포괄적인 기계적 특성을 부여합니다.

코발트와 크롬은 안정적인 고체 용액을 형성하고, 낮은 탄소 함량와 같은 붕화물뿐만 아니라 준안정 CrC, MC, WC와 같은 다양한 탄화물이 베이스 전체에 분산되어 적색 경도, 고온 내마모성, 내식성, 내산화성이 높은 합금으로 이어집니다.

3. 철 기반 합금 분말

티타늄 합금 표면에 철 기반 합금 분말을 레이저로 클래딩하는 것은 변형이 발생하기 쉽고 국부적인 내마모성이 필요한 부품에 적합합니다. 가장 큰 장점은 저렴한 비용과 우수한 내마모성입니다.

그러나 녹는점이 높고, 자기 융합성이 낮으며, 내산화성이 낮고, 유동성이 떨어지며, 클래딩 층에 다공성 및 슬래그 내포물이 상당량 포함되어 있어 적용이 제한됩니다.

현재 Fe 기반 합금 클래딩 구조의 합금 설계는 주로 Fe-C-X (여기서 X는 Cr, W, Mo, B 등을 나타냄)로 구성되며 클래딩 층 구조는 주로 준안정 상으로 구성되며 강화 메커니즘은 다음과 같습니다. 마텐사이트 강화 및 카바이드 강화.

자가 용융 합금 분말 시스템의 특성

4. 복합 분말

티타늄 합금 표면의 미끄러짐, 충격 마모, 연마 마모가 심한 조건에서는 단순한 Ni-기반, Co 기반, Fe 기반 자체 용융 합금은 더 이상 사용 요구 사항을 충족할 수 없습니다.

이 시점에서 다양한 고융점 탄화물, 질화물, 붕화물 및 산화물 세라믹 입자를 앞서 언급한 자기 융용성 합금 분말에 첨가하여 금속-세라믹 복합 코팅을 만들 수 있습니다.

그 중에서도 탄화물(WC, TiC, SiC 등)과 산화물(ZrO, AlO 등)이 가장 많이 연구되고 사용됩니다. 티타늄 합금 용융물에서 세라믹 재료의 거동에는 완전 용해, 부분 용해 및 미량 용해가 포함됩니다.

용해 정도는 주로 세라믹과 기판의 종류에 따라, 그리고 레이저 클래딩 공정의 조건에 따라 제어됩니다.

레이저 클래딩 공정 동안 용융 풀은 매우 짧은 시간 동안 고온에 존재하므로 세라믹 입자가 완전히 녹을 시간이 부족합니다. 클래딩 층은 면 중심의 입방 γ 상(Fe, Ni, Co), 녹지 않은 세라믹 상 입자 및 침전물 상(예: MC, M C 등)으로 구성됩니다.

레이저 클래딩 레이어에는 미세 입자 강화, 경질 입자 분산 강화, 고용체 강화, 전위 파일업 강화와 같은 강화 메커니즘이 포함됩니다.

예시:

1. 티타늄 합금 표면에 인시츄 TiC 또는 (TiB+TiC) 강화 티타늄 복합 재료 코팅을 레이저로 클래딩함으로써 티타늄 합금의 표면 경도와 내마모성을 개선하는 동시에 코팅 재료가 기판에 잘 적응할 수 있도록 합니다.

2. 티타늄 합금의 표면을 레이저로 용융하고 다양한 비율의 Ti-Cr 이원 합금을 증착하여 경도가 높고 기판과의 호환성이 좋은 표면 개질 코팅을 준비합니다.