Abstraktní
Tento článek zkoumá trhliny a porézní vady, které se vyskytují při vysokorychlostním laserovém plátování povlaků slitin na bázi železa na povrchu hydraulických podpěrných sloupů. Kombinací principů metalurgického tuhnutí a použitím energiově disperzní spektroskopie (EDS) pro bodovou a liniovou analýzu prvků povlaku studie systematicky zkoumá příčiny těchto defektů z hlediska složení materiálu povlaku a parametrů procesu. Výsledky ukazují, že segregace prvků B a Si, precipitace karbidů Cr-Mo-C a chování matrice při fázovém přechodu jsou hlavními faktory způsobujícími trhliny a pórovitost. Procesní parametry, jako je výkon laseru, rychlost skenování, rychlost posuvu prášku a počet plátovacích vrstev, mohou zhoršovat tvorbu defektů, pokud nejsou správně nastaveny. Tato studie poskytuje teoretický základ pro průmyslové využití technologie vysokorychlostního laserového plátování na hydraulických nosných plochách.

Úvod
Během provozu jsou hydraulické podpěrné sloupy vystaveny střídavému zatížení, což vede k opotřebení a korozi povrchu. Technologie vysokorychlostního laserového plátování se díky své vysoké účinnosti, nízké míře zředění a lokalizované tepelně ovlivněné zóně stala účinnou metodou pro zpevňování a opravy povrchu. Trhliny a porézní defekty uvnitř plátovací vrstvy však vážně ovlivňují provozní vlastnosti těchto povlaků a je třeba systematicky analyzovat mechanismy jejich vzniku.

1. Analýza vzniku trhlin
1.1 Materiálové faktory

Segregace B a Si: Pokud obsah B překročí 0,5%, vytváří s Ni a Si na hranicích zrn eutektika s nízkým bodem tání, čímž vzniká kapalný film, který oslabuje vazbu na hranicích zrn, a tím podporuje iniciaci a šíření trhlin.

Vliv prvků Si a Mn: Si zvyšuje viskozitu taveniny, což brání vytlačování plynu, zatímco Mn podporuje tvorbu inkluzí MnS, které se stávají zdrojem trhlin.

Synergický účinek Cr-Mo-C: Cr a C tvoří karbidy jako Cr₂₃C₆ a Cr₇C₃, zatímco Mo tvoří Mo₂C. Srážení těchto karbidů vede k objemovému smršťování, které v kombinaci s tepelným namáháním zvyšuje zbytkové napětí a vyvolává praskání.

Fázový přechod v matrici 27SiMn: Přeměna austenitu na martenzit vede k objemové expanzi a smykovému napětí, což zvyšuje riziko delaminace rozhraní.

1.2 Procesní faktory

Nadměrný výkon laseru: Vysoký výkon laseru zvyšuje teplotní gradient a koncentruje tepelné namáhání.

Rychlé skenování: Vysoká rychlost skenování zkracuje dobu tuhnutí a zvyšuje rychlost chlazení, což vede k intenzivnější koncentraci napětí.

Nadměrný počet vrstev opláštění: Příliš mnoho vrstev pláště vede ke kumulativnímu mezivrstvému napětí, které při překročení meze kluzu materiálu vyvolává trhliny.

2. Analýza tvorby pórovitosti
2.1 Materiálové faktory

Reakce B s O: B reaguje s kyslíkem za vzniku těkavého B₂O₃, který vytváří plynové bubliny v tavenině.

Oxidace Mo: Mo se oxiduje za vzniku MoO₃, který působí jako jádro pro tvorbu plynových bublin.

Tvorba kompozitních inkluzí: Si reaguje s C za vzniku SiC, zatímco SiO₂ vytváří kompozitní inkluze, které brání vytlačování bublinek plynu.

Odpařování Mn: Odpařování Mn vyvolává v bazénu taveniny turbulence, které zachycují plyny a způsobují pórovitost.

Eutektika s nízkým bodem tání: Tvorba eutektik s nízkým bodem tání, jako jsou SiO₂ a B₂O₃, zadržuje v materiálu plyn.

2.2 Procesní faktory

Nestabilní proudění plynu: Nestabilní dodávka plynu vede ke špatné ochraně nebo turbulencím v bazénu taveniny.

Nadměrná rychlost podávání prášku: Příliš velké množství prášku může způsobit shlukování a zachycování bublinek plynu.

Nesoulad výkonu laseru a rychlosti skenování: Pokud není správně sladěn výkon laseru a rychlost skenování, ovlivňuje to tok taveniny a vylučování plynů.

3. Synergické účinky trhlin a pórovitosti
Pórovitost působí jako zdroj koncentrace napětí, zvyšuje součinitel intenzity napětí na hrotu trhliny a urychluje její šíření. Během šíření trhliny čerstvé povrchy adsorbují plyn, což dále podporuje agregaci a oxidaci pórovitosti a vede ke vzniku komplexní sítě poškození, která výrazně snižuje únavovou životnost materiálu.

4. Závěr

Tvorba trhlin: Trhliny jsou způsobeny především segregací B a Si, srážením karbidů a fázovými přechody v matrici. Parametry procesu ovlivňují tepelné napětí a chování při tuhnutí.

Pórovitost Formace: Pórovitost úzce souvisí s těkavostí, oxidací a inkluzí prvků, jako jsou B, Mo, Si a Mn. Parametry procesu řídí vylučování plynů.

Účinná kontrolní opatření: Kontrola obsahu B a Si pod 0,5%, optimalizace poměru Cr/Mo a zvýšení obsahu Ni mohou účinně potlačit vady.

Synergický mechanismus poškození: Trhliny a pórovitost vykazují synergický mechanismus poškození, který vyžaduje komplexní přístup prostřednictvím návrhu složení materiálu a optimalizace procesu.