1.Toepassingsscenario's en kerneisen

Onder extreme werkomstandigheden, zoals bij zware machines, hydraulische ondersteuningen in kolenmijnen, walsen in de metaalindustrie en offshore engineering, zijn grote kritische roterende of heen en weer bewegende componenten (zoals aandrijfassen, hydraulische cilinders/kolommen en walsen in de metaalindustrie) essentieel voor de betrouwbaarheid en levensduur van complete systemen. Deze componenten worden met verschillende uitdagingen geconfronteerd:

Ernstige abrasieve slijtage: Onderdelen die in direct contact komen met afdichtingen, lagers of materialen die worden verwerkt (bijv. erts, bandstaal) worden snel aangetast door de snij- en ploegwerking van harde deeltjes.

Hoge belasting en vermoeidheid: Onderdelen die worden blootgesteld aan extreme wisselende contactspanningen (zoals rollen) zijn gevoelig voor contactmoeheid, wat leidt tot afbrokkelende onderdelen.

Corrosie en cavitatie: Blootstelling aan vocht, zeewater of chemische omgevingen leidt tot elektrochemische corrosie, terwijl hydraulische systemen cavitatie-erosie kunnen ondervinden als gevolg van plotselinge drukveranderingen.

Traditionele reparatiemethoden zoals hardverchromen of thermisch spuiten hebben te maken met problemen als zwakke hechting, vervuiling en grote warmte-beïnvloede zones. Deze methoden voldoen niet meer aan de moderne industriële eisen voor hoge prestaties, lange levensduur en groene productie.

2. Oplossing: Lasercladdingtechnologie met ultrahoge snelheid

Ultra-high-speed lasercladding betekent een revolutionaire doorbraak in lasercladdingtechnologie. Door gebruik te maken van extreem hoge scansnelheden (gewoonlijk 100-300 m/min) en een zeer lage warmte-inbreng per oppervlakte-eenheid, maakt deze technologie het mogelijk om op efficiënte wijze coatings van hoge kwaliteit te maken met een lage verdunning en vervorming.

Technische details:

Principe en belangrijkste voordelen:

Ultrahoge scansnelheid en dunne coatings: Door gebruik te maken van een galvanometersysteem wordt de laserstraal duizenden keren per seconde gescand, waardoor het claddingproces wordt opgedeeld in talrijke microlamellen. De dikte van de eenlaagse bekleding kan nauwkeurig worden geregeld tot 50-150 micron, waardoor “near-net shaping” mogelijk is en de nabewerking aanzienlijk wordt beperkt.

Extreem lage verdunning en kleine warmte beïnvloede zone: De korte actietijd van de laser op elk punt (in het microsecondenbereik) beperkt de hoeveelheid warmte die wordt overgedragen naar het basismateriaal. Als gevolg hiervan is de verdunningssnelheid (de verhouding van het basismateriaal dat zich mengt in de bekledingslaag) stabiel en controleerbaar, gewoonlijk variërend van 1%-5%. Dit garandeert de zuiverheid en hoge prestaties van de cladding, terwijl de door warmte beïnvloede zone beperkt blijft tot enkele tientallen microns, waardoor vervorming en prestatievermindering in kritieke precisiecomponenten zoals assen en walsen effectief worden voorkomen.

Extreem hoge afkoelsnelheid: De snelle stolling van de microsmeltbaden (met afkoelsnelheden tot 10^6 K/s) resulteert in uiterst fijne en uniforme bekledingsmicrostructuren, die amorfe, nanokristallijne of ultrafijne dendritische structuren kunnen bevatten. Dit verbetert de hardheid, taaiheid en corrosiebestendigheid van de coating aanzienlijk.

Aangepaste materiaalsystemen:

Om de faalmechanismen van verschillende onderdelen aan te pakken, worden gespecialiseerde legeringspoeders ontworpen:

IJzerlegeringen met hoge hardheid: Ideaal voor hydraulische kolommen, aandrijfassen en soortgelijke onderdelen. Deze legeringen zijn kosteneffectief en kunnen hardheidsniveaus bereiken van HRC 55-62, met een slijtvastheid die vergelijkbaar is met of beter is dan het basismateriaal.

Legeringen op nikkel/kobaltbasis: Geschikt voor toepassingen die zowel slijtage als corrosiebestendigheid vereisen, zoals hydraulische cilinders voor de scheepvaart. Op kobalt gebaseerde legeringen (bijv. Stellite 6) zijn bijzonder effectief in slijtageomgevingen bij hoge temperaturen.

Metaal-keramische composieten: Om de slijtvastheid verder te verbeteren, kunnen wolfraamcarbide (WC) of chroomcarbide (Cr3C2) deeltjes (30%-60%) worden opgenomen in legeringen op ijzer- of nikkelbasis. Deze composieten bieden een uitstekende weerstand tegen abrasieve slijtage, waardoor ze ideaal zijn voor rollen, mijnbouwassen en andere slijtage-intensieve toepassingen.

Procesimplementatie en kwaliteitscontrole:

Geïntegreerd verwerkingssysteem: De ultra-high-speed lasercladdingkop wordt geïntegreerd in zware CNC-machines of grote robots, gekoppeld aan nauwkeurige roterende opspanningen, waardoor een uniforme en stabiele coating mogelijk is op werkstukken van enkele meters tot meer dan tien meter lang.

Online bewaking en gesloten regelkring: Het systeem integreert infraroodthermografie en CCD-camera's om de temperatuur en vorm van het smeltbad in real-time te controleren. Algoritmes passen het laservermogen en de poedertoevoersnelheid aan en zorgen zo voor consistentie en geen defecten tijdens het hele claddingproces.

Uitstekende oppervlaktekwaliteit: Na het cladden kan de oppervlakteruwheid (Ra) geregeld worden tussen 10-25 micron, waardoor er aanzienlijk minder later geslepen en gepolijst hoeft te worden dan bij conventionele lasercladdingmethoden.

3. Industriële toepassingen en effectiviteitsgegevens

Versterking van de hydraulische steunkolom in kolenmijnen:

Probleem: hydraulische kolommen (diameter ≥ 200 mm) die in mijnen worden gebruikt, werden voorheen behandeld met hardchroom galvanisatie. Onder vochtige omstandigheden en bij belasting buiten het midden kregen deze kolommen echter te maken met corrosieputjes en krassen, wat tot afdichtingsproblemen leidde.

Oplossing: Ultrahigh-speed lasercladden met een Fe-Cr-Ni-B-Si-gebaseerde ijzerlegering met hoge hardheid, met een claddingdikte van 0,5-0,8 mm.

Resultaten: De beklede laag bereikte een hardheid van ≥ HRC 58 en vormde een metallurgische verbinding met het basismateriaal, waardoor deze nooit zou afbladderen. De corrosieweerstand was vergelijkbaar met hardverchroming, maar de slijtvastheid was meer dan 2 keer zo hoog. De levensduur werd verlengd van 1-2 jaar tot 3-5 jaar, zonder gevolgen voor het milieu.

Metallurgische versterking en reparatie van roloppervlakken:

Probleem: Warmwalsen die bij hoge temperaturen en drukken in contact kwamen met bandstaal ontwikkelden scheuren door slijtage en thermische vermoeidheid.

Oplossing: Lasercladding met ultrahoge snelheid met Co-WC of Fe-WC metaal-keramische composieten.

Resultaten: De gerepareerde walsen vertoonden een slijtvastheid die 3-5 keer hoger was dan die van nieuwe smeedstalen walsen. Door de lage warmte-inbreng bleef de hoge taaiheid van de kern van de walsen behouden, waardoor scheurvorming en vervorming zoals bij traditionele lasreparatiemethoden vermeden werden. De hoeveelheid verwerkt staal per doorgang nam aanzienlijk toe.

Hydraulische cilinders voor offshore-platforms:

Probleem: Hydraulische cilinders op offshore platforms werden blootgesteld aan ernstige corrosie en slijtage van afdichtingen door langdurige blootstelling aan omgevingen met veel zoute mist.

Oplossing: Lasercladding van Inconel 625 legering op nikkelbasis op de cilinderbinnenwanden en zuigerstangen.

Resultaten: De beklede cilinders vertoonden een veel betere weerstand tegen putvorming dan roestvast staal, met een uitstekende oppervlaktehardheid en slijtvastheid. De revisiecyclus werd 2 tot 3 keer verlengd, waardoor de onderhoudskosten en veiligheidsrisico's in ruwe omgevingen aanzienlijk daalden.

Conclusie:

De ultrahigh-speed lasercladdingtechnologie, met zijn “efficiënte, hoogwaardige, zuinige en groene” eigenschappen, is de kerntechnologie geworden voor het verlengen van de levensduur, het verbeteren van de efficiëntie en het opnieuw vervaardigen van belangrijke bewegende onderdelen. Het repareert niet alleen beschadigde onderdelen, maar zorgt ook voor een revolutionaire upgrade van de oppervlakteprestaties van componenten en biedt cruciale technische ondersteuning voor de betrouwbare werking van belangrijke apparatuur en kostenoptimalisatie tijdens de levenscyclus.