Abstrakt
In diesem Beitrag werden die Risse und Porositätsfehler untersucht, die beim Hochgeschwindigkeits-Laserauftragschweißen von Beschichtungen aus Eisenlegierungen auf der Oberfläche von hydraulischen Stützpfeilern auftreten. Durch die Kombination der Prinzipien der metallurgischen Erstarrung und den Einsatz der Energiedispersionsspektroskopie (EDS) für die Punkt- und Zeilenscan-Analyse der Beschichtungselemente werden in der Studie systematisch die Ursachen dieser Defekte in Bezug auf die Zusammensetzung des Beschichtungsmaterials und die Prozessparameter untersucht. Die Ergebnisse zeigen, dass die Entmischung von B- und Si-Elementen, die Ausscheidung von Cr-Mo-C-Karbiden und das Phasenübergangsverhalten der Matrix die Hauptursachen für Risse und Porosität sind. Prozessparameter wie die Laserleistung, die Scangeschwindigkeit, die Pulvervorschubgeschwindigkeit und die Anzahl der Beschichtungsschichten können die Defektbildung verschlimmern, wenn sie nicht richtig eingestellt werden. Diese Studie liefert eine theoretische Grundlage für die industrielle Anwendung des Hochgeschwindigkeits-Laserauftragschweißens auf hydraulischen Stützflächen.

Einführung
Während des Betriebs sind hydraulische Stützpfeiler wechselnden Belastungen ausgesetzt, was zu Verschleiß und Korrosion an der Oberfläche führt. Das Hochgeschwindigkeits-Laserauftragschweißen hat sich aufgrund seiner hohen Effizienz, der geringen Verdünnungsrate und der lokal begrenzten Wärmeeinflusszone zu einer wirksamen Methode für die Oberflächenverstärkung und -reparatur entwickelt. Allerdings beeinträchtigen Risse und Porositätsdefekte innerhalb der Beschichtung die Leistungsfähigkeit dieser Schichten erheblich, so dass eine systematische Analyse ihrer Entstehungsmechanismen erforderlich ist.

1. Analyse der Rissbildung
1.1 Materielle Faktoren

B- und Si-Abtrennung: Wenn der B-Gehalt 0,5% übersteigt, bildet er niedrigschmelzende Eutektika mit Ni und Si an den Korngrenzen, wodurch ein Flüssigkeitsfilm entsteht, der die Bindung an den Korngrenzen schwächt und so die Rissbildung und -ausbreitung fördert.

Einfluss der Elemente Si und Mn: Si erhöht die Viskosität des Schmelzbades und behindert den Gasausstoß, während Mn die Bildung von MnS-Einschlüssen fördert, die zu Rissquellen werden.

Cr-Mo-C Synergistische Wirkung: Cr und C bilden Karbide wie Cr₂₃C₆ und Cr₇C₃, während Mo Mo₂C bildet. Die Ausscheidung dieser Karbide führt zu einer Volumenschrumpfung, die in Verbindung mit thermischen Spannungen die Eigenspannung erhöht und zu Rissen führt.

Phasenübergang in der 27SiMn-Matrix: Die Umwandlung von Austenit in Martensit führt zu einer Volumenausdehnung und zu Scherspannungen, wodurch sich das Risiko einer Grenzflächenablösung erhöht.

1.2 Prozess-Faktoren

Übermäßige Laserleistung: Eine hohe Laserleistung erhöht den Temperaturgradienten und konzentriert die thermische Belastung.

Schnelle Scangeschwindigkeit: Eine hohe Scangeschwindigkeit verkürzt die Erstarrungszeit und erhöht die Abkühlgeschwindigkeit, was zu einer verstärkten Spannungskonzentration führt.

Übermäßige Anzahl von Bekleidungsschichten: Eine zu große Anzahl von Bekleidungsschichten führt zu einer kumulativen Zwischenschichtspannung, die bei Überschreitung der Streckgrenze des Materials zu Rissen führt.

2. Analyse der Porositätsbildung
2.1 Materielle Faktoren

Reaktion von B mit O: B reagiert mit Sauerstoff zu flüchtigem B₂O₃, das im Schmelzbad Gasblasen bildet.

Oxidation von Mo: Mo oxidiert zu MoO₃, das als Nukleus für die Bildung von Gasblasen dient.

Bildung von Kompositeinschlüssen: Si reagiert mit C zu SiC, während SiO₂ Verbundeinschlüsse bildet, die das Austreiben von Gasblasen behindern.

Mn-Verdampfung: Die Mn-Verdampfung führt zu Turbulenzen im Schmelzbad, die Gase einschließen und Porosität verursachen.

Eutektika mit niedrigem Schmelzpunkt: Die Bildung von Eutektika mit niedrigem Schmelzpunkt wie SiO₂ und B₂O₃ schließt Gas im Material ein.

2.2 Prozess-Faktoren

Instabiler Gasfluss: Eine instabile Gaszufuhr führt zu einem schlechten Schutz oder zu Turbulenzen im Schmelzbad.

Überhöhte Pulverfördermenge: Eine zu hohe Pulvermenge kann zu Verklumpungen führen und Gasblasen einschließen.

Ungleichgewicht zwischen Laserleistung und Scangeschwindigkeit: Wenn Laserleistung und Scangeschwindigkeit nicht richtig aufeinander abgestimmt sind, beeinträchtigt dies den Fluss des Schmelzbades und den Ausstoß von Gasen.

3. Synergistische Effekte von Rissen und Porosität
Porosität wirkt wie eine Quelle der Spannungskonzentration, erhöht den Spannungsintensitätsfaktor an der Rissspitze und beschleunigt die Rissausbreitung. Während der Rissausbreitung adsorbieren frische Oberflächen Gas, was die Aggregation und Oxidation der Porosität weiter fördert und zu einem komplexen Schädigungsnetzwerk führt, das die Ermüdungslebensdauer des Materials erheblich verringert.

4. Schlussfolgerung

Rissbildung: Risse werden hauptsächlich durch die Entmischung von B und Si, Karbidausscheidungen und Phasenübergänge in der Matrix verursacht. Die Prozessparameter beeinflussen die thermische Belastung und das Erstarrungsverhalten.

Porosität Formation: Die Porosität hängt eng mit der Flüchtigkeit, der Oxidation und dem Einschlussverhalten von Elementen wie B, Mo, Si und Mn zusammen. Die Prozessparameter steuern die Ausscheidung von Gasen.

Wirksame Kontrollmaßnahmen: Die Kontrolle des B- und Si-Gehalts auf unter 0,5%, die Optimierung des Cr/Mo-Verhältnisses und die Erhöhung des Ni-Gehalts können Defekte wirksam unterdrücken.

Synergistischer Schadensmechanismus: Risse und Porosität weisen einen synergistischen Schadensmechanismus auf, der einen umfassenden Ansatz durch die Gestaltung der Materialzusammensetzung und die Optimierung der Verfahren erfordert.