Abstrak : Lapisan paduan berbasis Co Stellite6 dibuat pada substrat baja tahan karat 316L menggunakan pelapisan kawat laser. Pembentukan, laju pengenceran, struktur mikro, komposisi kimia, kekerasan mikro, dan ketahanan aus lapisan pelapis dianalisis. Hasil menunjukkan bahwa proses pelapisan laser dua lapis dapat memastikan pembentukan lapisan pelapis yang optimal dengan laju pengenceran di bawah 5%, dan laju pengencerannya seragam. Struktur mikro lapisan pelapis adalah struktur subeutektik yang terdiri dari larutan padat kaya Co dendritik dan karbida eutektik jaringan, dan memiliki konsentrasi karbida jaringan yang lebih tinggi pada lapisan atas dibandingkan dengan lapisan bawah. Proses pelapisan dua lapis menghasilkan peningkatan kekerasan secara bertahap dalam arah vertikal lapisan pelapis, yang stabil setelah mencapai ketebalan 1.8 mm. Kekerasan mikro horizontal lapisan pelapis di dekat permukaan relatif seragam, berkisar antara 450 HV hingga 550 HV. Proses pelapisan dua lapis menunjukkan ketahanan aus yang unggul, dengan koefisien gesekan 0.37 dan pengurangan kehilangan massa sebesar 53.9% dibandingkan dengan material dasar. Mekanisme keausan pada proses pelapisan dua lapis berubah dari keausan adhesif substrat menjadi keausan abrasif.

Baja tahan karat 316L adalah baja tahan karat dengan penambahan Mo pada 18Cr-8Ni, yang meningkatkan ketahanan terhadap korosi pitting di lingkungan Cl dan memiliki sifat mekanik yang sangat baik. Baja ini banyak digunakan di bidang energi, kimia, dan bidang lainnya untuk pembuatan pipa dan bagian struktural di lingkungan yang keras seperti suhu tinggi, tekanan tinggi, dan korosi [1-2]. Untuk meningkatkan ketahanan aus dan ketahanan korosi 316L, biasanya diperlukan pembuatan lapisan fungsional dengan kinerja yang sangat baik pada permukaannya [3].

Metode perawatan permukaan yang umum digunakan adalah pelapisan kromium kimia, tetapi proses metode ini sangat mencemari lingkungan, dan kualitas lapisannya tidak stabil. Lapisan dan substrat tidak terikat secara metalurgi, dan ada risiko lapisan terlepas ketika digunakan pada suhu tinggi dalam waktu lama [4]. Paduan berbasis kobalt (paduan Stellite) memiliki kekuatan, kekerasan, ketahanan aus, dan ketahanan korosi yang tinggi baik pada suhu ruang maupun suhu tinggi, dan merupakan bahan lapisan tahan aus dan tahan korosi yang ideal untuk baja tahan karat 316L di lingkungan yang keras [5]. Saat ini, pengelasan busur argon, busur plasma, dan metode pelapisan atau penyemprotan lainnya umumnya digunakan untuk membentuk ikatan metalurgi antara paduan berbasis kobalt dan substrat untuk mendapatkan lapisan paduan dengan kinerja yang sangat baik. Sankarapandian dkk. [6] menggunakan pengelasan busur argon untuk melapisi paduan Stellite6 pada substrat A36. Semakin banyak karbida dalam lapisan paduan Stellite6 dapat secara efektif meningkatkan ketahanan aus substrat. Namun, paduan berbasis kobalt biasanya memiliki perbedaan kinerja yang besar dari substrat. Energi pelapisan busur listrik besar dan tersebar, yang dapat dengan mudah menyebabkan tingkat pengenceran lapisan yang tinggi dan kecenderungan retak yang lebih besar [7]. Penyemprotan api oksiasetilen digunakan dalam persiapan pelapisan karena suhu pusat apinya lebih rendah daripada busur listrik, tingkat pengencerannya mudah dikontrol, dan aksesibilitas peralatannya baik. Sun Delin [8] menggunakan proses penyemprotan bubuk api oksiasetilen untuk melakukan pelapisan permukaan pada rol berdinding tipis berongga. Melalui kontrol proses yang ketat dan pemanasan awal, pendinginan lambat, dan tindakan lainnya, lapisan dengan pembentukan yang baik dan kinerja yang sangat baik diperoleh. Costel-Relu dkk. [9] menggunakan penyemprotan api oksiasetilen lapisan komposit NiCrBSi/WC-12Co pada permukaan baja tahan karat untuk meningkatkan ketahanan korosi kavitasi substrat. Namun, metode ini dioperasikan secara manual, dan terdapat masalah seperti kontrol suhu yang ketat selama proses penyemprotan, intensitas kerja yang tinggi, dan kualitas lapisan yang tidak stabil karena pengaruh manusia.

Pelapisan laser adalah metode perawatan permukaan yang menggunakan laser untuk melelehkan material pelapis dengan cepat pada permukaan substrat dan kemudian memadatkannya dengan cepat untuk mendapatkan lapisan fungsional berkinerja tinggi yang membentuk ikatan metalurgi dengan substrat [10]. Pelapisan laser memiliki keunggulan energi terkonsentrasi, tingkat pengenceran rendah, kinerja lapisan pelapis yang baik, dan otomatisasi yang mudah. ​​Selain itu, diameter titiknya dapat mencapai kurang dari 1 mm, dan kontrolnya lebih presisi dibandingkan dengan metode perawatan permukaan lainnya [11]. Soltanipour dkk. [12] mempelajari pengaruh parameter proses pelapisan laser terhadap mikrostruktur lapisan pelapis bubuk Stellite6 pada substrat baja tahan karat X19CrMoNbVN11-1. Peningkatan daya laser menyebabkan peningkatan kristal seluler pada antarmuka lapisan pelapis dan kristal equiaxed pada permukaan. Dengan mengoptimalkan parameter proses, lapisan pelapis yang menyatu dengan baik dan bebas cacat diperoleh. Maximilian dkk. [13] melakukan pelapisan laser pada bubuk paduan Stellite6 di permukaan besi cor abu-abu dan mempelajari pengaruh daya laser terhadap laju pengenceran, geometri, dan kekerasan lapisan pelapis. Mereka menemukan bahwa daya yang lebih rendah menghasilkan struktur yang lebih halus dan lebih banyak karbida, sehingga menghasilkan lapisan dengan kekerasan yang lebih tinggi. Wang Weidong dkk. [14] melakukan pelapisan laser multi-pass bubuk paduan Stellite6 pada permukaan baja cetakan kerja panas H13 dan menemukan bahwa lapisan pelapisan multi-pass memiliki kekerasan yang lebih tinggi daripada lapisan pelapisan satu lapis, dan fluktuasi kekerasan longitudinalnya lebih besar, tetapi tidak memengaruhi tren perubahan kekerasan keseluruhannya. Pada akhirnya, pelapisan laser meningkatkan kekerasan mikro dan secara efektif meningkatkan sifat permukaan.

Leunda dkk. [15] menggunakan pelapisan laser untuk menyiapkan lapisan pelapis NiCr-WC pada dinding bagian dalam bagian lubang silinder ganda. Dengan mengoptimalkan parameter proses, substrat dipanaskan terlebih dahulu hingga 350°C dan lapisan penyangga perantara ditambahkan untuk mengurangi kecenderungan retak pada lapisan pelapis. Tingkat pemanfaatan material pelapis ditingkatkan dengan menggunakan bubuk berbentuk tidak beraturan, dan akhirnya lapisan pelapis yang terbentuk dengan baik dan sangat baik disiapkan pada dinding bagian dalam lubang silinder ganda dengan panjang 300 mm dan diameter dalam 110 mm. Zhu Mingdong dkk. [16] melakukan pelapisan laser bubuk paduan Stellite6 pada bidang baja tahan karat 304LN dan dinding bagian dalam lubang kecil. Dengan mengoptimalkan parameter proses pelapisan laser bidang, diperoleh lapisan pelapis dengan tingkat pengenceran rendah dan bebas cacat. Hasil uji keausan dan uji korosi menunjukkan bahwa pelapisan laser meningkatkan ketahanan aus dan ketahanan korosi permukaannya dan dinding bagian dalam lubang kecil. Saat ini, penelitian tentang pelapisan laser paduan berbasis kobalt terutama berfokus pada material bubuk. Namun, pelapisan laser material bubuk memiliki masalah pemanfaatan material yang rendah dan polusi yang tinggi. Selain itu, diskontinuitas material bubuk mudah menyebabkan laser bereaksi dengan substrat, sehingga menghasilkan tegangan termal yang besar. Diperlukan tindakan pengendalian suhu tertentu untuk mencegah retak, deformasi, dan masalah lainnya. Namun, kopling antara kawat dan laser lebih baik, pengendalian suhu perlu lebih kecil, dan tingkat pemanfaatan material mendekati 100%, sehingga telah mendapat perhatian luas [17]. Oleh karena itu, makalah ini menggunakan pelapisan kawat laser untuk menyiapkan lapisan paduan berbasis kobalt Stellite6 setebal 3 mm pada substrat 316L, mempelajari pengaruh proses pelapisan laser pada tingkat pengenceran dan kualitas pembentukan lapisan pelapis, menganalisis pengaruh proses pelapisan pada struktur dan kinerja, dan memberikan dasar eksperimental untuk meningkatkan ketahanan aus dan masa pakai permukaan baja tahan karat 316L.

1 Bahan dan metode eksperimental

• Bahan pelapis laser

Pengujian ini menggunakan substrat berukuran 30mm×30mm×10mm, dengan material substrat berupa baja tahan karat 316L. Material pelapisnya adalah kawat las padat Stellite6 quasi-1.2mm. Komposisi kimia material substrat dan material pelapis ditunjukkan pada Tabel 1.

• Metode kelongsong laser

Laser serat YLS-4000 digunakan dalam percobaan, dan diameter nominal titiknya adalah 200μm. Selama proses pelapisan, robot industri enam sumbu MOTOMAN NX100 digunakan untuk kontrol gerak, dan perangkat penjepit kawat las digunakan untuk memastikan pergerakan koaksial kawat las dan laser. Metode pemberian kawat adalah pemberian lateral. Permukaan substrat dipoles sebelum pelapisan dan dibersihkan dengan etanol anhidrat. Kotoran seperti kerak oksida permukaan dan minyak dihilangkan. Selama pelapisan, jalur berbentuk "busur" digunakan untuk melakukan pelapisan ganda pada permukaan substrat. Ketebalan pelapisan adalah 3mm, dan untuk mencapai ketebalan yang seragam, lapisan tambahan dilapisi di tepi substrat untuk mencegah kolam lelehan runtuh. Percobaan ini memilih beberapa kelompok parameter proses pelapisan kawat laser yang representatif untuk dibahas, dengan mempertimbangkan tiga faktor: daya laser, kecepatan pemberian kawat, dan jumlah lapisan pelapisan. Rencana pengujian spesifik ditunjukkan pada Tabel 2. Parameter proses pelapisan lainnya adalah tingkat tumpang tindih 50%, gas argon murni 99.9% untuk gas pelindung koaksial, dan laju aliran gas 20 L/menit.

• Metode Deteksi

Dua sampel blok berukuran 5.5 mm × 4 mm × 10 mm dipotong dari lapisan pelapis di dekat bagian tengah dan dekat tepi dengan pemotongan kawat, dan unsur-unsur lapisan pelapis dianalisis secara kuantitatif menggunakan spektrometer fluoresensi sinar-X genggam ThermoScientific Niton XL5 Plus (XRF). Dengan mengambil Fe sebagai objek, laju pengenceran dihitung menurut rumus (1).

Di mana: lapisan ω

(Fe) adalah kandungan Fe pada lapisan pelapis; ω basis

(Fe) adalah kandungan Fe dari bahan dasar 316L, yang dianggap konstan sebesar 71.329% setelah deteksi XRF; ω material

(Fe) adalah kandungan Fe dalam bahan pelapis.

Pemotongan kawat digunakan untuk memotong 12mm×10

Potongan mm × 2 mm dari penampang lapisan pelapis. Setelah potongan-potongan tersebut disisipkan, pertama-tama dipoles langkah demi langkah dengan amplas basah 150#~3000#, dan kemudian dipoles secara mekanis hingga permukaannya seperti cermin dengan 2.5

Pasta intan μm. Larutan korosif yang disiapkan dengan 5g

CuSO4

+50mLHCl+50mLH2

O digunakan untuk mengikis

10 detik, kemudian dibilas dengan alkohol dan dikeringkan untuk membuat sampel metalografi. Morfologi makroskopis penampang lapisan pelapis diamati menggunakan stereoskopik.

Mikroskop pembesar makroskopik AOSVI dan mikroskop metalografi terbalik ICX41 digunakan untuk mengamati struktur mikro dari setiap area mikro lapisan pelapis, dan mikroskop elektron pemindai (SEM) desktop TM4000Plus digunakan untuk mengamati struktur mikro pada perbesaran yang lebih tinggi, serta spektrum EDS digunakan untuk analisis pemindaian garis dan pemindaian titik. Penguji kekerasan mikro-Vickers HV-1000TPTA digunakan untuk menguji kekerasan mikro lapisan pelapis dalam arah memanjang dan 0.5 mm dari permukaan dalam arah melintang untuk mendeteksi hukum perubahan kekerasan dan keseragaman kekerasannya. Parameter uji kekerasan adalah beban 500 g dan waktu penahanan 10 s. Penguji gesekan dan keausan MFT-5000 digunakan untuk melakukan uji gesekan dan keausan kering pada substrat dan lapisan pelapis pada suhu kamar. Mode gesekan yang digunakan adalah gesekan bola-cakram, pasangan gesekannya adalah bola keramik Si3N4 dengan diameter 6.35 mm, dan kondisi uji gesekannya adalah: beban 35 N, kecepatan 300 r/min, waktu keausan 30 menit, dan radius keausan 4.5 mm. Sebelum dan sesudah keausan, timbangan presisi (akurasi 0.1 mg) digunakan untuk mengukur penambahan dan pengurangan berat. Mikroskop pemindaian laser OLS51003D digunakan untuk mengamati morfologi permukaan sampel setelah keausan, dan SEM serta EDS digunakan untuk mengamati morfologi keausan mikroskopis.

2 Hasil percobaan dan pembahasan

2.1 Analisis makromorfologi lapisan cladding

Morfologi makroskopik penampang melintang dan hasil uji laju pengenceran lapisan pelapis kawat laser dengan proses berbeda ditunjukkan pada Gambar 1. Membandingkan Skema 1 dan Skema 2, laju pengenceran dua lapisan pelapis secara signifikan lebih rendah daripada satu lapisan pelapis. Perbedaan laju pengenceran antara posisi tepi dan tengah lapisan pelapis Skema 2 kecil, menunjukkan bahwa proses pelapisan dua lapis kondusif untuk keseragaman laju pengenceran. Ketebalan lapisan kedua di posisi tengah lapisan pelapis Skema 2 lebih kecil, sedangkan ketebalan lapisan kedua di posisi tepi lebih besar. Hal ini karena ketika pelapisan laser mencapai tepi dan daya laser besar, suhu lapisan pelapis terakumulasi terlalu tinggi ketika kecepatan pengumpanan kawat lambat, mengakibatkan runtuhnya kolam lelehan dan peleburan berlebihan pada lapisan pertama. Dari garis fusi pada Skema 1 dan Skema 2 juga dapat dilihat bahwa lebih banyak material dasar yang meleleh di dekat tepi, yang juga berkaitan dengan akumulasi suhu.

Dengan membandingkan Skema 2 dan Skema 3, ketika daya laser dikurangi dari 3200W menjadi 2600W dan kecepatan pengumpanan kawat ditingkatkan dari 40mm/s menjadi 55mm/s, laju pengenceran lapisan pelapis pada Skema 3 berkurang secara signifikan, dan perbedaan laju pengenceran antara tepi dan tengah kecil dan lebih seragam. Garis fusi pada Skema 3 lebih lurus daripada Skema 2, menunjukkan bahwa efek akumulasi suhunya lebih kecil dan substrat lebih sedikit meleleh di tepi. Ketebalan lapisan kedua pada Skema 3 juga lebih seragam di tepi dan posisi tengah, yang juga menunjukkan bahwa efek akumulasi suhunya lebih kecil. Dengan mempertimbangkan laju pengenceran dan pembentukan lapisan pelapis, Skema 3 ditetapkan sebagai parameter proses optimal untuk pelapisan laser pengumpanan kawat.

2.2 Mikrostruktur lapisan pelapis

Mikrostruktur lapisan pelapis dari setiap skema proses diamati, seperti yang ditunjukkan pada Gambar 2. Dapat dilihat bahwa mikrostruktur lapisan pelapis laser pengumpanan kawat dari ketiga skema proses tersebut serupa, semuanya berupa struktur hipoeutektik yang terdiri dari struktur dendritik putih dan struktur jaringan antar butir abu-abu kehitaman. Dari bagian bawah lapisan pelapis hingga bagian atas lapisan pelapis, struktur antar butir abu-abu kehitaman secara bertahap meningkat, dan struktur dendritik putih secara bertahap menurun. Fenomena ini lebih jelas terlihat pada struktur Skema 3, karena menggunakan daya laser yang lebih kecil dan kecepatan pengumpanan kawat yang lebih cepat, sehingga menghasilkan tingkat pengenceran yang lebih rendah. Dari bagian bawah lapisan pelapis hingga bagian atas lapisan pelapis, morfologi butiran secara kasar dibagi menjadi empat wilayah: wilayah kristal planar, wilayah kristal seluler dan kristal kolumnar, wilayah dendrit, dan wilayah kristal equiaxed.

Pada lapisan paling bawah dari lapisan pelapis, terdapat antarmuka yang jelas antara lapisan pelapis dan substrat, yaitu garis fusi, yang menunjukkan bahwa lapisan pelapis dan substrat membentuk ikatan metalurgi yang baik. Pada garis fusi, kolam lelehan bersentuhan langsung dengan substrat, gradien suhu (G) antarmuka padat-cair besar, laju pembekuan (R) kecil, dan G/R besar, menyebabkan kristal lapisan pelapis tumbuh dalam bentuk kristal planar. Saat antarmuka padat-cair terus bergerak ke atas dari bawah, panas secara bertahap terakumulasi, gradien suhu menurun, dan laju pembekuan meningkat, yaitu, G/R menurun, menghasilkan zona pendinginan super komposisi yang sangat sempit di bagian depan antarmuka padat-cair. Kristal tumbuh searah dengan laju pendinginan tercepat, dan arah pertumbuhan lainnya ditekan, menghasilkan tonjolan, membentuk kristal seluler dan kristal kolumnar.

Pada bagian tengah lapisan pelapis, antarmuka padat-cair bergerak lebih jauh ke arah pusat lapisan pelapis, G/R semakin berkurang, dan kristal secara bertahap berubah dari kristal kolumnar kasar menjadi dendrit kolumnar, yang terutama terdiri dari dendrit primer kasar dan dendrit sekunder halus. Arah pertumbuhan dendrit bergantung pada arah aliran panas dan orientasi kristalografi. Ketika lapisan kedua dilapisi, siklus termalnya bekerja di atas lapisan pertama, menyebabkannya meleleh sebagian dan menunjukkan karakteristik ko-kristalisasi dengan lapisan pelapis kedua, dan menyebabkan butirannya tumbuh. Membandingkan Gambar 2 (a2), (b2) dan (c2), daya laser yang lebih rendah dan kecepatan pengumpanan kawat yang lebih cepat pada Skema 3 membuat struktur antarbutir abu-hitam antar lapisannya lebih jelas; dan perbedaan ukuran butir antara lapisan kedua dan lapisan pertama lebih nyata, dengan lebih banyak dendrit. Siklus termal suhu yang lebih tinggi saat melapisi lapisan kedua menyebabkan butiran lapisan pertama membesar, sedangkan daya laser yang lebih kecil dan kecepatan pengumpanan kawat yang lebih cepat menyebabkan butiran lapisan kedua menjadi lebih halus.

Untuk bagian atas lapisan pelapis, lapisan tersebut bersentuhan langsung dengan udara, dengan laju perpindahan panas yang lebih cepat, laju pembekuan yang lebih cepat, G/R yang sangat kecil, dan kristalnya sebagian besar berupa dendrit kecil, tidak terarah, dan kristal equiaxed. Membandingkan Gambar 2 (a3), (b3) dan (c3), Skema 3 memiliki lebih banyak struktur intergranular abu-hitam dan strukturnya jelas lebih halus karena daya laser yang rendah dan kecepatan pengumpanan kawat yang cepat.

Distribusi elemen lapisan pelapis kawat laser dalam arah memanjang dari proses optimal Skema 3 dipindai, dan hasilnya ditunjukkan pada Gambar 3. Dapat dilihat bahwa dari substrat ke lapisan pelapis, elemen Co meningkat dan elemen Fe menurun. Kandungan elemen berubah secara bertahap, dan posisi mutasi berada pada garis fusi dan di antara lapisan pertama dan kedua, menunjukkan bahwa lapisan pelapis menyatu dengan baik dengan substrat, dan pelapisan dua lapis membantu mengurangi laju pengenceran lapisan atas. Di bawah Skema 3, laser dan kawat las terhubung dengan baik, dan lapisan selanjutnya melelehkan lebih sedikit lapisan sebelumnya saat pelapisan.

Mikrostruktur lapisan pelapis kawat laser pada proses optimal Skema 3 diamati menggunakan SEM, seperti yang ditunjukkan pada Gambar 4. Terlihat bahwa mikrostruktur lapisan pelapis laser Stellite6 merupakan struktur hipoeutektik yang khas, terdiri dari struktur pro-eutektik dendritik (A) dan struktur eutektik retikular (B). Struktur eutektik di bagian bawah lapisan pelapis kurang menyerupai kerangka, sedangkan struktur eutektik di bagian atas lapisan pelapis lebih retikular, yang konsisten dengan karakteristik struktural di bawah mikroskop optik. Area struktural khas (A dan B) dari lapisan pelapis selanjutnya dipindai. Hasilnya ditunjukkan pada Tabel 3. Struktur pro-eutektik dendritik (A) memiliki lebih banyak unsur Co dan merupakan larutan padat kaya Co. Struktur eutektik retikular (B) memiliki lebih banyak unsur C, Cr, dan W. Diduga bahwa lapisan tersebut terutama terdiri dari karbida eutektik Cr dan W. Hu Xiyun [18] juga melaporkan bahwa struktur lapisan pelapis laser Stellite6 adalah larutan padat pro-eutektik dan karbida eutektik, yang mirip dengan situasi dalam artikel ini. Dibandingkan dengan bagian bawah lapisan pelapis, bagian atas lapisan pelapis memiliki distribusi jaringan karbida eutektik yang lebih banyak, menunjukkan bahwa proses pelapisan dua lapis bermanfaat untuk meningkatkan karbida bagian atas dengan mengurangi tingkat pengenceran.

2.3 Kinerja lapisan pelapis

Kekerasan lapisan pelapis kawat laser pada setiap skema diuji dalam arah memanjang dan melintang, dan hasilnya ditunjukkan pada Gambar 5. Seperti yang terlihat pada Gambar 5 (a), kekerasan substrat 316L adalah 180-230HV, yang secara signifikan lebih rendah daripada kekerasan lapisan pelapis. Kekerasan substrat di dekat garis fusi sedikit meningkat. Dari substrat ke lapisan pelapis, kekerasan meningkat secara signifikan. Dari bawah ke atas lapisan pelapis, skema 2 dan 3 menggunakan proses pelapisan dua lapis, dan kekerasan menunjukkan peningkatan bertahap. Artinya, terdapat perubahan besar pada kekerasan lapisan pelapis pada posisi dengan ketebalan 1.8-2 mm, yang konsisten dengan tren perubahan elemen yang ditunjukkan oleh pemindaian garis EDS pada Gambar 3, menunjukkan bahwa proses pelapisan dua lapis dapat meningkatkan kekerasan bagian atas lapisan pelapis dengan mengurangi laju pengenceran. Dibandingkan dengan Skema 2, Skema 3 memiliki daya laser yang rendah dan kecepatan pengumpanan kawat yang cepat. Kekerasan lapisan pelapis kedua lebih tinggi, yaitu 450-550 HV. Bagian atas lapisan pelapis Skema 3 memiliki lebih banyak struktur karbida eutektik yang terdistribusi dalam jaringan dan dendrit serta kristal equiaxed yang lebih halus, yang kondusif untuk meningkatkan kekerasannya. Gambar 5 (b) menguji keseragaman kekerasan lapisan pelapis dalam arah melintang. Tren kekerasan lapisan pelapis dari setiap skema mirip dengan hasil pengujian kekerasan longitudinal. Kekerasan melintang lapisan pelapis Skema 3 berada antara 450 dan 550 HV, yang relatif seragam. Kekerasan bagian tengah lapisan pelapis sedikit lebih tinggi daripada posisi di dekat kedua tepi. Hal ini terutama karena ketika pelapisan ke tepi, akumulasi panas menyebabkan suhu meningkat. Saat melakukan pelapisan di bagian tepi, substrat yang meleleh sedikit lebih banyak, tingkat pengenceran sedikit lebih tinggi, dan butirannya lebih kasar.

Uji gesekan dan keausan dilakukan pada substrat 316L dan lapisan pelapis laser Stellite6 pada Skema 1 dan Skema 3. Kinerja gesekan dan keausan substrat, pelapisan satu lapis, dan proses pelapisan dua lapis dibandingkan dan dianalisis. Hasilnya ditunjukkan pada Gambar 6. Gambar 6 (a) menunjukkan bahwa koefisien gesekan dari ketiga sampel semuanya berubah secara dramatis pada awalnya, yaitu tahap keausan awal. Hal ini karena adanya kekasaran permukaan dan ketidakrataan permukaan kontak pada tingkat mikroskopis menyebabkan koefisien gesekan berfluktuasi secara signifikan. Selanjutnya, koefisien gesekan cenderung stabil karena tonjolan mikroskopis pada permukaan kontak dihaluskan [19]. Pada tahap keausan stabil, koefisien gesekan substrat 316L rata-rata adalah 0.47, yang lebih tinggi daripada koefisien gesekan pelapisan satu lapis (0.37) dan pelapisan dua lapis (0.37). Gambar 6 (b) membandingkan dan menganalisis kehilangan berat dari ketiga sampel sebelum dan sesudah keausan. Penurunan berat substrat 316L adalah 11.5 mg, sedangkan penurunan berat lapisan tahan aus Stellite6 setelah pelapisan satu lapis adalah 7.3 mg, yang 36.5% lebih rendah daripada substrat; penurunan berat lapisan tahan aus Stellite6 setelah pelapisan dua lapis adalah 5.3 mg, yang 53.9% lebih rendah daripada substrat. Oleh karena itu, lapisan pelapisan laser Stellite6 dapat meningkatkan ketahanan aus substrat 316L, dan ketahanan aus dari proses pelapisan dua lapis lebih baik.

Morfologi bekas aus dari ketiga sampel setelah keausan gesekan ditunjukkan pada Gambar 7. Gambar 7 (a), (d), dan (g) menunjukkan bahwa bekas aus substrat 316L lebar dan dalam; sedangkan bekas aus lapisan pelapis laser Stellite6 sempit dan dangkal, dan terdapat sejumlah kecil bekas alur yang tersebar secara makroskopis; bekas aus pelapis dua lapis lebih sempit dan dangkal, dan terdapat lebih banyak bekas alur. Gambar 7 (c), (f), dan (i) menunjukkan profil morfologi melintang dari bekas aus ketiga sampel. Lebar aus substrat 316L adalah 1380 μm, dan kedalaman aus maksimum adalah 41.5 μm; sedangkan lebar aus lapisan pelapis adalah 867.5 μm, yang jauh lebih kecil daripada substrat, dan kedalaman aus maksimum adalah 43.8 μm, yang setara dengan substrat; Lebar keausan lapisan pelapis dua lapis adalah 750 μm, yang merupakan nilai terkecil, dan kedalaman keausan maksimum adalah 29.0 μm, yang juga merupakan nilai terkecil. Oleh karena itu, lapisan pelapis laser Stellite6 dapat mengurangi lebar dan kedalaman keausan substrat 316L, dan proses pelapisan dua lapis dapat menguranginya lebih jauh lagi.

SEM selanjutnya digunakan untuk mengkarakterisasi morfologi keausan dari ketiga sampel, seperti yang ditunjukkan pada Gambar 8. Gambar 8 (a), (c), dan (e) menunjukkan bahwa fitur alur lapisan pelapis laser Stellite6 lebih jelas daripada substrat 316L. Tepi bekas keausan substrat 316L dapat diamati dengan jelas mengalami ekstrusi dan akumulasi akibat deformasi plastis selama keausan; fenomena ekstrusi pada tepi bekas keausan lapisan pelapis lebih kecil, dan tepi bekas keausan lapisan pelapis relatif halus. Hasil pemindaian garis EDS menunjukkan bahwa terdapat tonjolan pada kandungan O di lokasi keausan substrat 316L, menunjukkan bahwa panas yang dihasilkan oleh gesekan dan keausan telah menyebabkannya teroksidasi, sedangkan kandungan O pada permukaan keausan lapisan pelapis dan lapisan pelapis mengalami sedikit perubahan, menunjukkan bahwa tingkat oksidasi selama keausan kecil. Dengan memperbesar morfologi keausan lebih lanjut, seperti yang ditunjukkan pada Gambar 8 (b), (d), dan (f), deformasi plastis, retak, pengelupasan material, dan fenomena keausan adhesif dari material yang membentuk serpihan keausan dapat diamati dari substrat 316L. Hal ini karena matriks 316L relatif lunak. Ketika gaya geser selama gesekan dan keausan lebih besar dari kekuatan luluh 316L, matriks akan mengalami deformasi plastis, membentuk lubang-lubang kecil dan retakan mikro. Seiring bertambahnya waktu keausan, retakan mikro membesar, dan matriks terlepas berlapis-lapis. Sejumlah kecil alur pembajakan dapat diamati dalam morfologi keausan, menunjukkan bahwa bentuk keausan matriks 316L terutama adalah keausan adhesif dan sejumlah kecil keausan abrasif. Wang dkk. [20] juga melaporkan karakteristik morfologi keausan serupa dari baja tahan karat 316L. Fenomena deformasi plastis pada morfologi keausan lapisan pelapis lebih sedikit, terutama berupa morfologi alur pembajakan dalam jumlah besar, menunjukkan bahwa bentuk keausannya terutama berupa keausan abrasif dan sedikit keausan adhesif. Lapisan pelapis laser Stellite6 mengandung larutan padat Cr, W, dan unsur-unsur lainnya, yang meningkatkan kekerasan dan ketahanan deformasi lapisan pelapis. Karbida eutektik jaringan yang ada di antara butiran bertindak sebagai titik keras, yang selanjutnya menghambat deformasi matriks. Selama keausan, karbida keras sebagian terlepas karena konsentrasi tegangan untuk membentuk lubang. Partikel keras yang terlepas bertindak sebagai bahan abrasif, menyebabkan lapisan pelapis membentuk morfologi alur. Morfologi keausan kedua lapisan pelapis mirip dengan lapisan pelapis tunggal. Fenomena deformasi plastis semakin berkurang, dan bentuk keausannya konsisten dengan lapisan pelapis tunggal.

3 Kesimpulan

• Paduan Stellite6 dilapisi pada permukaan baja tahan karat 316L menggunakan proses pelapisan kawat laser dua lapis. Dengan menyesuaikan parameter proses, lapisan pelapis setebal sekitar 3 mm dengan pembentukan yang baik dan tanpa cacat seperti inklusi dan retakan dapat diperoleh. Tingkat pengenceran di tengah dan tepi lapisan pelapis relatif seragam dan kurang dari 5%.
• Mikrostruktur lapisan pelapis kawat laser adalah struktur hipoeutektik, yaitu, larutan padat pra-eutektik kaya Co dendritik dan jaringan karbida eutektik Cr dan W. Karbida eutektik lebih sedikit di bagian bawah lapisan pelapis dan lebih banyak di bagian atas. Daya laser yang lebih kecil dan kecepatan pengumpanan kawat yang lebih cepat akan menyebabkan pembentukan lebih banyak jaringan karbida eutektik di bagian atas lapisan pelapis. (3) Dari substrat ke lapisan pelapis pertama dan kemudian ke lapisan pelapis kedua, kekerasan lapisan pelapis laser kawat Stellite6 meningkat secara bertahap dalam arah memanjang dan akhirnya stabil setelah ketebalan 1.8 mm; kekerasan lapisan pelapis relatif seragam dalam arah melintang di dekat permukaan, berkisar antara 450 hingga 550 HV, dan kekerasan di bagian tengah sedikit lebih tinggi daripada di bagian tepi, yang terkait dengan akumulasi panas selama pelapisan. (4) Ketahanan aus lapisan pelapis kawat laser dievaluasi dengan uji gesekan dan keausan. Hasilnya menunjukkan bahwa mode keausan lapisan pelapis berubah dari keausan adhesif substrat 316L menjadi keausan abrasif karena larutan padat Cr, W dan unsur lainnya serta adanya sejumlah besar karbida keras jaringan, yang secara signifikan meningkatkan ketahanan aus substrat. Koefisien gesekan permukaan pelapis dengan dua lapisan pelapis adalah 0.37, dan kehilangan berat berkurang sebesar 53.9% dibandingkan dengan substrat.