Περίληψη
Η παρούσα εργασία διερευνά τις ρωγμές και τα ελαττώματα πορώδους που εμφανίζονται κατά την επικάλυψη με λέιζερ υψηλής ταχύτητας επικαλύψεων κραμάτων με βάση το σίδηρο στην επιφάνεια υδραυλικών στηλών στήριξης. Συνδυάζοντας τις αρχές της μεταλλουργικής στερεοποίησης και χρησιμοποιώντας τη φασματοσκοπία ενεργειακής διασποράς (EDS) για την ανάλυση των στοιχείων της επικάλυψης με σημειακή και γραμμική σάρωση, η μελέτη διερευνά συστηματικά τα αίτια αυτών των ελαττωμάτων όσον αφορά τη σύνθεση του υλικού επικάλυψης και τις παραμέτρους της διεργασίας. Τα αποτελέσματα δείχνουν ότι ο διαχωρισμός των στοιχείων B και Si, η καταβύθιση καρβιδίων Cr-Mo-C και η συμπεριφορά μετάβασης φάσης της μήτρας είναι οι πρωταρχικοί παράγοντες που προκαλούν ρωγμές και πορώδες. Οι παράμετροι της διαδικασίας, όπως η ισχύς του λέιζερ, η ταχύτητα σάρωσης, ο ρυθμός τροφοδοσίας σκόνης και ο αριθμός των στρώσεων επένδυσης μπορούν να επιδεινώσουν τον σχηματισμό ατελειών, εάν δεν ρυθμιστούν σωστά. Η παρούσα μελέτη παρέχει μια θεωρητική βάση για τη βιομηχανική εφαρμογή της τεχνολογίας επένδυσης με λέιζερ υψηλής ταχύτητας σε υδραυλικές επιφάνειες στήριξης.

Εισαγωγή
Κατά τη λειτουργία, οι υδραυλικές στήλες στήριξης υπόκεινται σε εναλλασσόμενα φορτία, με αποτέλεσμα τη φθορά και τη διάβρωση της επιφάνειας. Η τεχνολογία επένδυσης με λέιζερ υψηλής ταχύτητας έχει γίνει μια αποτελεσματική μέθοδος για την ενίσχυση και την επισκευή της επιφάνειας λόγω της υψηλής απόδοσης, του χαμηλού ποσοστού αραίωσης και της εντοπισμένης ζώνης θερμικής επίδρασης. Ωστόσο, οι ρωγμές και τα ελαττώματα πορώδους εντός του στρώματος επικάλυψης επηρεάζουν σοβαρά την απόδοση λειτουργίας αυτών των επικαλύψεων και υπάρχει ανάγκη για συστηματική ανάλυση των μηχανισμών σχηματισμού τους.

1. Ανάλυση σχηματισμού ρωγμών
1.1 Παράγοντες υλικού

Διαχωρισμός B και Si: Όταν η περιεκτικότητα σε Β υπερβαίνει το 0,5%, σχηματίζει ευτηκτικά χαμηλού σημείου τήξης με Ni και Si στα όρια των κόκκων, δημιουργώντας ένα υγρό φιλμ που αποδυναμώνει τον δεσμό στα όρια των κόκκων, προωθώντας έτσι την έναρξη και τη διάδοση ρωγμών.

Επίδραση των στοιχείων Si και Mn: Το Si αυξάνει το ιξώδες της λίμνης του τήγματος, εμποδίζοντας την αποβολή των αερίων, ενώ το Mn προάγει το σχηματισμό εγκλεισμάτων MnS, τα οποία γίνονται πηγές ρωγμών.

Συνεργιστικό αποτέλεσμα Cr-Mo-C: Cr και C σχηματίζουν καρβίδια όπως Cr₂₃C₆ και Cr₇C₃, ενώ το Mo σχηματίζει Mo₂C. Η καταβύθιση αυτών των καρβιδίων οδηγεί σε συρρίκνωση όγκου, η οποία, σε συνδυασμό με τη θερμική καταπόνηση, αυξάνει την παραμένουσα τάση και προκαλεί ρωγμές.

Μετάβαση φάσης σε μήτρα 27SiMn: Ο μετασχηματισμός του ωστενίτη σε μαρτενσίτη οδηγεί σε ογκομετρική διαστολή και διατμητική τάση, αυξάνοντας τον κίνδυνο αποκόλλησης της διεπιφάνειας.

1.2 Παράγοντες διαδικασίας

Υπερβολική ισχύς λέιζερ: Η υψηλή ισχύς του λέιζερ αυξάνει την κλίση της θερμοκρασίας, συγκεντρώνοντας τη θερμική καταπόνηση.

Γρήγορη ταχύτητα σάρωσης: Η υψηλή ταχύτητα σάρωσης μειώνει το χρόνο στερεοποίησης και αυξάνει το ρυθμό ψύξης, οδηγώντας σε εντονότερη συγκέντρωση τάσεων.

Υπερβολικός αριθμός στρώσεων επένδυσης: Πάρα πολλές στρώσεις επένδυσης οδηγούν σε αθροιστική τάση μεταξύ των στρώσεων, η οποία, όταν υπερβαίνει το όριο διαρροής του υλικού, προκαλεί ρωγμές.

2. Ανάλυση σχηματισμού πορώδους
2.1 Παράγοντες υλικού

Αντίδραση του Β με O: Το Β αντιδρά με το οξυγόνο σχηματίζοντας πτητικό B₂O₃, το οποίο δημιουργεί φυσαλίδες αερίου στη λίμνη τήγματος.

Οξείδωση του Mo: Το Mo οξειδώνεται σχηματίζοντας MoO₃, το οποίο δρα ως πυρήνας για το σχηματισμό φυσαλίδων αερίου.

Σχηματισμός σύνθετων εγκλεισμάτων: Το Si αντιδρά με το C σχηματίζοντας SiC, ενώ το SiO₂ δημιουργεί σύνθετα εγκλείσματα που εμποδίζουν την αποβολή των φυσαλίδων αερίου.

Εξάτμιση Mn: Η εξάτμιση του Mn προκαλεί αναταράξεις στη λίμνη του τήγματος, παγιδεύοντας αέρια και προκαλώντας πορώδες.

Ευτηκτικά χαμηλού σημείου τήξης: Ο σχηματισμός ευτηκτικών με χαμηλό σημείο τήξης, όπως SiO₂ και B₂O₃, παγιδεύει αέριο στο υλικό.

2.2 Παράγοντες διαδικασίας

Ασταθής ροή αερίου: Η ασταθής παροχή αερίου οδηγεί σε ανεπαρκή προστασία ή αναταράξεις στη λίμνη τήγματος.

Υπερβολικός ρυθμός τροφοδοσίας σκόνης: Η υπερβολική τροφοδοσία σκόνης μπορεί να προκαλέσει συσσωμάτωση, παγιδεύοντας φυσαλίδες αερίου.

Αντιστοιχία ισχύος λέιζερ και ταχύτητας σάρωσης: Εάν η ισχύς του λέιζερ και η ταχύτητα σάρωσης δεν είναι σωστά προσαρμοσμένες, επηρεάζεται η ροή της λίμνης τήγματος και η αποβολή των αερίων.

3. Συνεργιστικές επιδράσεις των ρωγμών και του πορώδους
Το πορώδες λειτουργεί ως πηγή συγκέντρωσης τάσεων, αυξάνοντας τον συντελεστή έντασης τάσεων στην άκρη της ρωγμής και επιταχύνοντας τη διάδοση της ρωγμής. Κατά τη διάδοση της ρωγμής, οι νωπές επιφάνειες προσροφούν αέριο, προωθώντας περαιτέρω τη συσσωμάτωση και την οξείδωση του πορώδους, οδηγώντας σε ένα πολύπλοκο δίκτυο βλαβών που μειώνει σημαντικά τη διάρκεια ζωής του υλικού σε κόπωση.

4. Συμπέρασμα

Σχηματισμός ρωγμών: Οι ρωγμές προκαλούνται κυρίως από το διαχωρισμό του Β και του Si, την καταβύθιση καρβιδίων και τις μεταβάσεις φάσεων στη μήτρα. Οι παράμετροι της διεργασίας επηρεάζουν τη θερμική καταπόνηση και τη συμπεριφορά στερεοποίησης.

Πορώδες Σχηματισμός: Το πορώδες συνδέεται στενά με την πτητικότητα, την οξείδωση και τη συμπεριφορά των στοιχείων όπως το Β, το Μο, το Si και το Mn. Οι παράμετροι της διεργασίας ελέγχουν την αποβολή των αερίων.

Αποτελεσματικά μέτρα ελέγχου: Ο έλεγχος της περιεκτικότητας σε Β και Si σε επίπεδα κάτω του 0,5%, η βελτιστοποίηση του λόγου Cr/Mo και η αύξηση της περιεκτικότητας σε Ni μπορούν να καταστείλουν αποτελεσματικά τις ατέλειες.

Μηχανισμός συνεργιστικής βλάβης: Οι ρωγμές και το πορώδες παρουσιάζουν έναν συνεργιστικό μηχανισμό βλάβης, που απαιτεί μια ολοκληρωμένη προσέγγιση μέσω του σχεδιασμού της σύνθεσης του υλικού και της βελτιστοποίησης της διαδικασίας.