notizie sull'azienda Applicazione del rivestimento laser nella riparazione di componenti aerospaziali: un'alternativa al cromaggio

Oggi, la tecnologia del rivestimento laser è studiata nella riparazione di parti e componenti aerospaziali per sostituire la placcatura del cromo. Attraverso esperimenti, viene verificato che lo strato di rivestimento ha un'elevata durezza e fattibilità della successiva elaborazione. Infine, il rivestimento laser viene confrontato con la tradizionale tecnologia di placcatura del cromo.

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Background dell'applicazione

Gli strumenti di produzione aerospaziale, come apparecchi, anelli e strutture di supporto, hanno problemi di usura a lungo causati dalla lavorazione di materiali ad alta resistenza (come leghe a base di nichel e leghe di titanio). I metodi di riparazione tradizionali utilizzano principalmente la placcatura cromata dura, ma questo approccio ha significativi svantaggi:

① Rischi ambientali: le soluzioni di acido cromico sono cancerogene e rigorosamente regolate ai sensi delle norme dell'UE

② Difetti di processo: il rivestimento è soggetto a peeling e gorgogliamento, che richiede più cicli di rielaborazione;

③ Limitazioni di spessore: il rivestimento supera in genere 1 mm, lasciando l'indennità di lavorazione insufficiente.

Per affrontare questi problemi, viene proposta una nuova soluzione di riparazione incentrata sulla tecnologia del rivestimento laser (Laser Cladding, LC). Questo metodo utilizza processi di produzione additivi ecologici e ad alta precisione per rigenerare le superfici degli strumenti e migliorare le loro prestazioni. Le caratteristiche tecniche sono le seguenti:

Eccellenti prestazioni ambientali

① Elimina completamente l'acido cromico, usando polveri metalliche come materiali di rivestimento, allineandosi con le tendenze di produzione verde;

② Il processo non ha emissioni dannose, soddisfacendo i requisiti normativi dell'UE.

Legame metallurgico

① Il rivestimento costituisce un legame metallurgico con il substrato attraverso meccanismi di diffusione, garantendo difetti come bolle o peeling all'interfaccia.

Adattabilità a strutture complesse

① in grado di riparazioni multidimensionali su superfici piane, superfici cilindriche esterne e superfici cilindriche interne, coprendo strutture utensili tipiche;

② Attraverso il controllo collaborativo del robot e l'alimentazione a polvere inclinata (10 ° -30 °), può risolvere la sfida del rivestimento in spazi confinati.

Indennità di lavorazione

① Il rivestimento a più livelli (ad es. 2 mm di spessore) garantisce l'indennità di lavorazione, evitando i problemi di rielaborazione causati da rivestimenti tradizionali troppo sottili.

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Rivestimento laser: materiali e metodi

Materiale di base: acciaio in lega bassa da 40 hm

Caratteristiche: durezza 28-32 HRC, ampiamente utilizzata nella produzione di strumenti di lavorazione aerodinamico, può soddisfare i requisiti di alta resistenza e elevata resistenza all'usura.

Base di selezione: le sue prestazioni di trattamento termico (tempra + tempera) e la compatibilità degli input di calore del rivestimento laser per garantire che il substrato non deformi o si rompa durante il processo di rivestimento.

Materiale di rivestimento: polvere in lega Nicrbsi

Composizione: base Ni (CR 17%, B 3,5%, SI 4%, C 1%, Fe 4%), distribuzione delle dimensioni delle particelle 15-53µm. Marca: Swiss Oerlikon Metco Metco 15F.

① Auto-fusione: B e SI possono ridurre il punto di fusione, promuovere il flusso del pool di fusione e ridurre le particelle non fusi.

② Elevata durezza: Cr e C formano carburi duri, come CR₇C₃, CR₃C₂, per migliorare la resistenza all'usura.

③ Resistenza alle crepe: la matrice Ni allevia lo stress termico ed evita il cracking dello strato di rivestimento.

Requisiti del prodotto per il processo di rivestimento laser

1. Lo spessore dello strato di rivestimento è maggiore o uguale a 1,5 μm

2. La durezza dello strato di rivestimento è più di 38 HRC

* Prodotto fisico (a sinistra), disegni tecnici (a destra)

Sistema di rivestimento laser

Laser: Laserline, Modello LDF 4000-30, lunghezza d'onda 940-980nm.

Sistema di alimentazione in polvere: alimentatore in polvere GTV PF.

Testa di rivestimento: testa di rivestimento coassiale Fraunhofer IWS, diametro del punto 3,5 mm.

Robot: REIS RV60-40 Robot + RDK-05 Tabella rotante, che può realizzare un complesso controllo della traiettoria.

Ottimizzazione dei parametri di processo

· Logica: massimizzare l'altezza e la durezza dello strato di rivestimento, ridurre al minimo la profondità di fusione e la zona interessata termica ed evitare il surriscaldamento e l'ammorbidimento del substrato.

· Parametri ottimali: potenza laser 1000W + velocità di alimentazione della polvere 17,4 g/min, alta durezza (> 700 HV 1) e bassa velocità di diluizione (<10%).

* Parametri del processo di rivestimento

* Diagramma schematico della misurazione dello strato di rivestimento a singolo canale

Strategia di rivestimento multi-strato

Pianificazione del percorso

Superficie planari (rivestita A): percorso di scansione parallelo, velocità di sovrapposizione del 50%, inclinazione di 10 ° per evitare l'accumulo di polvere.

Superficie cilindrica esterna (rivestimento b): percorso di scansione a spirale, controllo sincrono della tabella rotante, 10 ° inclinato.

Superficie cilindrica interna (rivestita C): 30 ° incline nello spazio confinato, regolare l'angolo di alimentazione della polvere per garantire la stabilità del pool fuso.

Controllo dello strato: 2 strati di rivestimento, spessore totale di 2 mm, per evitare crepe causate da più cicli termici.

Matrice pretrattamento:

Polissione superficiale: lucidatura di carta vetrata per RA <1,6 µm, rimuovere lo strato di ossido e la contaminazione dell'olio.

Pulizia: pulizia ad ultrasuoni con isopropanolo per garantire alcun residuo di olio.

postprocessing

Turna: le superfici cilindriche piatte ed esterne sono girate sui torni CNC.

Macinatura: utilizzare la macinazione del foro centrale per superfici cilindriche piatte ed esterne.

Macurizzazione: fresatura di superfici cilindriche interne su una fresatrice speciale.

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Rivestimento laser: parametri di processo

L'effetto del potere laser

L'alta potenza porta all'espansione del pool di fusione e all'aggravamento della fusione del corpo di base, ma il tasso di diluizione può superare il 20%, riducendo la purezza della composizione del rivestimento.

A) l'altezza dello strato di rivestimento, b) la larghezza dello strato di rivestimento, c) la profondità della fusione, d) la profondità di HAZ varia con la potenza laser e la velocità di alimentazione delle polvere

Durezza e tasso di diluizione

① Quando la potenza laser è di 1000 W e la velocità di alimentazione della polvere è di 10,4 g/min, la durezza raggiunge il picco di 680 HV0.3. Al momento, il tasso di diluizione è basso (~ 10%) e la proporzione di fase dura (Cr₇c₃, Cr₃c₂) nel rivestimento è elevata.

② Un alto tasso di diluizione (> 20%) porta all'infiltrazione del ferro da matrice nel rivestimento, formando una soluzione solida Fe-CR, che indebolisce l'effetto del rafforzamento della fase dura.

* Influenza dei parametri di processo sulla durezza e sulla velocità di diluizione: a) durezza, b) tasso di diluizione

L'effetto della velocità di alimentazione delle polveri

La velocità di alimentazione in polvere eccessiva (> 17,4 g/min) porterà a particelle più fusi e diminuirà la densità del rivestimento.

* Relazione tra velocità di alimentazione della polvere e altezza del rivestimento a singolo canale: quando la potenza laser è inferiore a 1000 W, la velocità di alimentazione della polvere aumenta e l'altezza del rivestimento aumenta logaritmicamente

Strategia di rivestimento a più strati

Con un tasso di sovrapposizione del 50% e due strati di rivestimento, lo spessore totale è di 2 mm. Sebbene l'altezza di un singolo strato sia limitata e più livelli possano soddisfare i requisiti di indennità di lavorazione, l'ingresso termico deve essere controllato per evitare l'ammorbidimento della matrice (profondità HAZ <200 μm).

* Spessore di rivestimento di superficie: lo spessore del rivestimento del piano, la superficie cilindrica esterna e la superficie cilindrica interna è di 2 mm

* Difetti locali sulla superficie del prodotto dopo rivestimento: a) punti di partenza e finale convessi e concavi del rivestimento della superficie esterna, b) fenomeno dell'adesione a polvere sulla superficie interna

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Elaborazione meccanica e analisi dei difetti

MACCHINING ABRASIVE

Qualità della superficie: rugosità superficiale RA = 0,272 μm dopo la macinazione, che soddisfa i requisiti degli strumenti aerospaziali RA <1,25 μm. Non sono state trovate crepe quando la profondità di macinazione era di 0,4 mm.

Vantaggi: la macinazione rimuove il materiale attraverso il micro taglio, evitando carichi di impatto su rivestimenti ad alta durezza (~ 750 HV1) e riducendo il rischio di cracking.

Girare e macinare

Usura dell'utensile: quando si gira la superficie cilindrica esterna, il tagliente dello strumento in lega dura si romperà dopo aver tagliato 0,3 mm. Il motivo è che la durezza del rivestimento è elevata, con conseguente stress di taglio eccessivo.

Difetti di superficie: quando si macina la superficie cilindrica interna, le crepe locali appaiono sul rivestimento. Il motivo principale è correlato all'effetto di accoppiamento dello stress residuo nello strato di rivestimento e al taglio delle vibrazioni.

* Il piano e la superficie cilindrica esterna dopo la rotazione: cracking e chip irregolari

* Abbigliamento per utensili: a) superficie cilindrica esterna dopo aver girato, b) frattura del bordo della lama in lega dura

* Superficie cilindrica esterna lucida: rugosità superficiale migliorata, ma ancora visibili micro graffi

* Superficie cilindrica interna fresata: fessura locale di rivestimento, vibrazione di fresatura e azione di accoppiamento residuo di stress

Elaborazione dei suggerimenti dei parametri

Turna: sono necessari strumenti di durezza rossa più elevati come i rivestimenti CBN o diamanti, integrati dal refrigerante per ridurre lo stress termico.

Macurizzazione: ridurre l'alimentazione per dente e utilizzare una strategia di fresatura ad alta velocità per sopprimere le vibrazioni.

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Microstruttura e analisi di fase

Interfaccia Bonding metallurgico

SEM: non ci sono pori o crepe all'interfaccia tra lo strato di rivestimento e il substrato, che mostra una transizione continua. Il substrato in acciaio da 40 hm forma la piastra di martensite a causa del rapido raffreddamento, mentre l'area lontano dall'interfaccia è tempesta di martensite.

Meccanismo di diffusione: elementi Ni e CR nel pool di fusione si diffondono alla matrice, formando una zona di diffusione reciproca di circa 5μm di spessore, che migliora la resistenza al legame interfacciale.

* Il substrato e il rivestimento sono legati metallurgicamente e non ci sono pori o fessure all'interfaccia

Microstruttura: a) Martensite di base, b) crescita del dendrite nella zona di transizione, c) distribuzione dei dendriti di rivestimento e fase dura

* Distribuzione della durezza e trasformazione della fase della matrice: la durezza della zona del rivestimento è 754-762hv1, la durezza della matrice vicino all'interfaccia è 605Hv1 (martensite) e la durezza dell'area lontana è 402Hv1 (struttura temperata)

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Riepilogo delle applicazioni ingegneristiche

Sostituzione del processo

Per i prodotti limitati da regolamenti o alta precisione, viene data priorità alla sostituzione del rivestimento laser e della placcatura del cromo. Le polveri adatte sono selezionate per tenere conto della durezza e della resistenza alle crepe.

Ottimizzazione dei parametri

① Attraverso la calibrazione sperimentale a canale singolo, il tasso di diluizione è controllato per essere inferiore al 10% per evitare l'ammorbidimento della matrice.

② Quando il rivestimento a più livelli, riserva 0,3-0,5 mm di indennità di macinazione.

Prevenzione e controllo dei difetti

Macinazione del substrato, rimuovere accuratamente le macchie di olio di superficie, eliminando i pori; pre-asciugatura in polvere in ambiente umido.

Questo è solo per il tuo riferimento!

* NOTA: confronto tra rivestimento laser e tradizionale crono

Laser Cladding vs. Chrome Plating: Analisi comparativa
Parte 1: Principio di processo e impatto ambientale
Dimensione	Tradizionale cromata	Laser rivestimento (LC)
Principio di processo	Deposizione elettrochimica: Cr³⁺ ridotto al cromo metallico in soluzione di acido cromico (spessore <1 mm).	Legame metallurgico: il laser scioglie il substrato e la polvere di metallo (ad es. Nicrbsi) per formare uno strato legato a diffusione (spessore ≤2 mm).
Impatto ambientale	Tossicità: utilizza soluzioni CR⁶⁺ cancerogene. Compiti: neutralizzazione/filtrazione complessa richiesta.	Non-tossico: polveri metallici (ad es. Nicrbsi). Zero rifiuti liquidi: utilizzo della polvere> 90%.
Restrizioni normative	L'UE limita l'uso industriale CR⁶⁺.	Nessuna restrizione; Classificato come tecnologia di "rigenerazione verde".

Laser Cladding vs. Chrome Plating: Analisi comparativa
Parte 2: Meccanismo di performance e legame del rivestimento
Dimensione	Tradizionale cromata	Laser rivestimento (LC)
Meccanismo di legame	Legame meccanico (adsorbimento fisico); soggetto a delaminazione.	Legame metallurgico con diffusione elementare; resistenza interfacciale ≈ materiale del substrato.
Durezza e usura	Durezza: 800–1000 HV (fragile). La resistenza all'usura dipende dallo spessore.	Durezza: 700–760 HV (Nicrbsi). Le fasi CR₇C₃/CR₃C₂ migliorano la resistenza all'usura.
Tipi di difetto	Blistering (contaminazione). Delaminazione (stress).	Porosità (alimentazione in polvere irregolare). Microcracks (accumulo termico; fissabili tramite parametri).

Laser Cladding vs. Chrome Plating: Analisi comparativa
Parte 3: flessibilità del processo ed efficienza dei costi
Dimensione	Tradizionale cromata	Laser rivestimento (LC)
Compatibilità del processo	Limitato alla macinazione; La svolta/fresatura causa il peeling.	Compatibile con macinazione/rotazione/fresatura (strumenti ottimizzati come CBN). Riparazioni ripetibili.
Struttura dei costi	Basso costo per unità per ingombro (> 5 pezzi), ma alti costi di trattamento dei rifiuti.	Nessuna commissione di stampo; Ideale per piccoli lotti.
Modalità di errore	La delaminazione espone il substrato.	Usura localizzata; riparazioni mirate possibili.

Laser Cladding vs. Chrome Plating: Analisi comparativa
Parte 4: scenari pratici di applicazione
Scenario	Tradizionale cromata	Laser rivestimento (LC)
Geometria semplice	Adatto per superfici piane (ad es. Piani di dispositivo).	Alternativa preferita all'ambiente.
Geometria complessa	Limitato (ad es. Cavità interne/lacune strette).	La pianificazione del percorso robotico consente il rivestimento su superfici complesse.
Alta precisione	Tolleranza post-coltura ± 0,01 mm, limitata dallo spessore del rivestimento.	Controllo dello spessore (± 0,1 mm); indennità di lavorazione sufficiente.
Ambienti estremi	Il rivestimento fallisce a> 300 ° C (ossidazione/delaminazione).	Nicrbsi resiste a ~ 800 ° C (ad es. Componenti del motore).