AbstrakcyjnyWarstwy stopu na bazie Stellite6 Co zostały wytworzone na podłożu ze stali nierdzewnej 316L przy użyciu napawania laserowego. Przeanalizowano tworzenie, stopień rozcieńczenia, mikrostrukturę, skład chemiczny, mikrotwardość i odporność na zużycie warstw napawanych. Wyniki wskazują, że dwuwarstwowy proces napawania laserowego może zapewnić optymalne tworzenie warstwy napawanej przy stopniu rozcieńczenia poniżej 5%, a stopień rozcieńczenia jest jednolity. Mikrostruktura warstwy napawanej jest strukturą podeutektyczną składającą się z dendrytycznego roztworu stałego bogatego w węglik krzemu i eutektycznych węglików sieciowych, przy czym stężenie węglików sieciowych w górnej warstwie jest wyższe niż w warstwie dolnej. Dwuwarstwowy proces napawania powoduje stopniowy wzrost twardości w kierunku pionowym warstwy napawanej, który stabilizuje się po osiągnięciu grubości 1,8 mm. Pozioma mikrotwardość warstwy okładzinowej w pobliżu powierzchni jest stosunkowo jednolita i wynosi od 450 HV do 550HV. Proces dwuwarstwowego napawania wykazuje doskonałą odporność na zużycie, ze współczynnikiem tarcia wynoszącym 0,37 i zmniejszeniem utraty masy o 53,9% w porównaniu z materiałem bazowym. Mechanizm zużycia w procesie dwuwarstwowego napawania zmienia się ze zużycia adhezyjnego podłoża na zużycie ścierne.

Stal nierdzewna 316L jest stalą nierdzewną z dodatkiem Mo do 18Cr-8Ni, co poprawia jej odporność na wżery w środowisku Cl- i ma doskonałe właściwości mechaniczne. Jest szeroko stosowana w przemyśle energetycznym, chemicznym i innych dziedzinach do produkcji rurociągów i części konstrukcyjnych w trudnych warunkach, takich jak wysoka temperatura, wysokie ciśnienie i korozja [1-2]. Aby poprawić odporność na zużycie i korozję stali 316L, zwykle konieczne jest przygotowanie warstwy funkcjonalnej o doskonałych właściwościach na jej powierzchni [3].

Powszechnie stosowaną metodą obróbki powierzchni jest chromowanie chemiczne, ale przetwarzanie tej metody poważnie zanieczyszcza środowisko, a jakość powłoki jest niestabilna. Powłoka i podłoże nie są połączone metalurgicznie i istnieje ryzyko odpadnięcia powłoki, gdy jest ona używana w wysokich temperaturach przez długi czas [4]. Stopy na bazie kobaltu (stopy Stellite) charakteryzują się wysoką wytrzymałością, twardością, odpornością na zużycie i korozję zarówno w temperaturze pokojowej, jak i w wysokiej temperaturze, i są idealnymi materiałami warstwowymi odpornymi na zużycie i korozję dla stali nierdzewnej 316L w trudnych warunkach [5]. Obecnie spawanie łukiem argonowym, łukiem plazmowym i inne metody platerowania lub metody natryskiwania są powszechnie stosowane do tworzenia metalurgicznego wiązania między stopami na bazie kobaltu a podłożem w celu uzyskania warstwy stopu o doskonałej wydajności. Sankarapandian et al. [6] zastosowali spawanie łukiem argonowym do platerowania stopu Stellite6 na podłożu A36. Większa ilość węglików w warstwie stopu Stellite6 może skutecznie poprawić odporność podłoża na zużycie. Jednak stopy na bazie kobaltu mają zwykle duże różnice w wydajności w porównaniu z podłożem. Energia napawania łukowego jest duża i rozproszona, co może łatwo prowadzić do wysokiego stopnia rozcieńczenia powłoki i większej tendencji do pękania [7]. Natryskiwanie płomieniem oksyacetylenowym jest stosowane do przygotowania powłok, ponieważ temperatura środka płomienia jest niższa niż w przypadku łuku elektrycznego, stopień rozcieńczenia jest łatwy do kontrolowania, a dostępność sprzętu jest dobra. Sun Delin [8] zastosował proces natryskiwania proszkowego płomieniem oksyacetylenowym do napawania powierzchni wydrążonych cienkościennych wałków. Dzięki ścisłej kontroli procesu i wstępnemu podgrzewaniu, powolnemu chłodzeniu i innym środkom uzyskano powłokę o dobrym formowaniu i doskonałej wydajności. Costel-Relu et al. [9] zastosowali natryskiwanie płomieniem oksyacetylenowym powłoki kompozytowej NiCrBSi/WC-12Co na powierzchni stali nierdzewnej w celu poprawy odporności podłoża na korozję kawitacyjną. Metoda ta jest jednak obsługiwana ręcznie i występują problemy, takie jak ścisła kontrola temperatury podczas procesu natryskiwania, wysoka pracochłonność i niestabilna jakość powłoki ze względu na wpływ człowieka.

Napawanie laserowe to metoda obróbki powierzchni, która wykorzystuje laser do szybkiego stopienia materiału okładziny na powierzchni podłoża, a następnie szybkiego zestalenia go w celu uzyskania wysokowydajnej warstwy funkcjonalnej, która tworzy metalurgiczne połączenie z podłożem [10]. Zaletą napawania laserowego jest skoncentrowana energia, niski współczynnik rozcieńczenia, dobra wydajność warstwy napawanej i łatwa automatyzacja. Ponadto średnica plamki może osiągnąć mniej niż 1 mm, a kontrola jest bardziej precyzyjna w porównaniu z innymi metodami obróbki powierzchni [11]. Soltanipour et al. [12] badali wpływ parametrów procesu napawania laserowego na mikrostrukturę warstwy napawanej proszkiem Stellite6 na podłożu ze stali nierdzewnej X19CrMoNbVN11-1. Zwiększenie mocy lasera doprowadziło do wzrostu liczby kryształów komórkowych na styku warstwy napawanej i kryształów równouprawnionych na powierzchni. Optymalizując parametry procesu, uzyskano dobrze stopioną i wolną od defektów warstwę okładzinową. Maximilian et al. [13] napawali laserowo proszek stopu Stellite6 na powierzchni żeliwa szarego i badali wpływ mocy lasera na szybkość rozcieńczania, geometrię i twardość warstwy napawanej. Stwierdzili, że niższa moc skutkuje drobniejszą strukturą i większą ilością węglików, co pozwala uzyskać powłokę o wyższej twardości. Wang Weidong et al. [14] wykonali wieloprzebiegowe napawanie laserowe proszku stopu Stellite6 na powierzchni stali matrycowej H13 do pracy na gorąco i stwierdzili, że wieloprzebiegowa warstwa napawana miała wyższą twardość niż jednowarstwowa warstwa napawana, a jej wahania twardości wzdłużnej były większe, ale nie wpłynęło to na ogólny trend zmiany twardości. Ostatecznie, napawanie laserowe zwiększyło mikrotwardość i skutecznie poprawiło właściwości powierzchni.

Leunda et al. [15] wykorzystali napawanie laserowe do przygotowania warstw napawanych NiCr-WC na wewnętrznej ściance części z podwójnym cylindrycznym otworem. Optymalizując parametry procesu, podłoże podgrzano do 350°C i dodano pośrednią warstwę buforową w celu zmniejszenia tendencji do pękania warstwy napawanej. Stopień wykorzystania materiału okładzinowego został poprawiony poprzez zastosowanie proszków o nieregularnych kształtach, a ostatecznie dobrze uformowana i doskonała warstwa okładzinowa została przygotowana na wewnętrznej ścianie podwójnego cylindrycznego otworu o długości 300 mm i średnicy wewnętrznej 110 mm. Zhu Mingdong et al. [16] wykonali napawanie laserowe proszkiem stopu Stellite6 na płaszczyźnie stali nierdzewnej 304LN i wewnętrznej ścianie małego otworu. Optymalizując parametry procesu płaskiego napawania laserowego, uzyskano niską szybkość rozcieńczania i wolną od wad warstwę napawania. Wyniki testów zużycia i testów korozyjnych wykazały, że napawanie laserowe poprawiło odporność na zużycie i korozję powierzchni i wewnętrznej ściany małego otworu. Obecnie badania nad napawaniem laserowym stopów na bazie kobaltu koncentrują się głównie na materiałach proszkowych. Napawanie laserowe materiałów proszkowych wiąże się jednak z problemami związanymi z niskim wykorzystaniem materiału i wysokim zanieczyszczeniem. Ponadto, nieciągłość materiałów proszkowych łatwo powoduje, że laser działa na podłoże, powodując duże naprężenia termiczne. Aby zapobiec pęknięciom, odkształceniom i innym problemom, wymagane są pewne środki kontroli temperatury. Jednak sprzężenie między drutem a laserem jest lepsze, kontrola temperatury musi być mniejsza, a stopień wykorzystania materiału jest zbliżony do 100%, więc zyskał on szerokie zainteresowanie [17]. W związku z tym w niniejszym artykule wykorzystano platerowanie drutem laserowym do przygotowania powłoki ze stopu na bazie kobaltu Stellite6 o grubości 3 mm na podłożu 316L, zbadano wpływ procesu platerowania laserowego na szybkość rozcieńczania i jakość formowania warstwy platerowanej, przeanalizowano wpływ procesu platerowania na strukturę i wydajność oraz zapewniono eksperymentalną podstawę do poprawy odporności na zużycie i żywotności powierzchni stali nierdzewnej 316L.

1 Materiały i metody eksperymentalne

• Materiały do napawania laserowego

W teście wybrano podłoże o wymiarach 30 mm × 30 mm × 10 mm, materiałem podłoża była stal nierdzewna 316L. Materiał okładziny stanowił drut spawalniczy Stellite6 o grubości około 1,2 mm. Skład chemiczny materiału podłoża i materiału okładziny przedstawiono w tabeli 1.

• Metoda napawania laserowego

W eksperymencie wykorzystano laser światłowodowy YLS-4000, a nominalna średnica plamki wynosiła 200 μm. Podczas procesu platerowania do sterowania ruchem wykorzystano sześcioosiowego robota przemysłowego MOTOMAN NX100, a do zapewnienia współosiowego ruchu drutu spawalniczego i lasera zastosowano urządzenie mocujące drut spawalniczy. Metoda podawania drutu polegała na podawaniu bocznym. Powierzchnia podłoża została wypolerowana przed napawaniem i oczyszczona bezwodnym etanolem w celu usunięcia zanieczyszczeń, takich jak zgorzelina tlenkowa i olej. Podczas napawania zastosowano ścieżkę w kształcie łuku, aby wykonać wielokrotne napawanie na powierzchni podłoża. Grubość okładziny wynosi 3 mm, a w celu uzyskania jednolitej grubości, dodatkowa warstwa jest platerowana na krawędzi podłoża, aby zapobiec zapadaniu się stopionego basenu. W eksperymencie wybrano kilka reprezentatywnych grup parametrów procesu napawania drutem laserowym, biorąc pod uwagę trzy czynniki: moc lasera, prędkość podawania drutu i liczbę warstw napawania. Szczegółowy plan testów przedstawiono w tabeli 2. Pozostałe parametry procesu platerowania to szybkość nakładania 50%, czysty argon 99,9% jako współosiowy gaz osłonowy i natężenie przepływu gazu 20 l/min.

• Metoda wykrywania

Dwie próbki blokowe o wymiarach 5,5 mm × 4 mm × 10 mm zostały wycięte z warstwy okładzinowej w pobliżu środka i w pobliżu krawędzi za pomocą cięcia drutem, a elementy warstwy okładzinowej zostały poddane analizie ilościowej przy użyciu ręcznego spektrometru fluorescencji rentgenowskiej (XRF) ThermoScientific Niton XL5 Plus. Przyjmując Fe jako obiekt, stopień rozcieńczenia obliczono zgodnie ze wzorem (1).

Gdzie: warstwa ω

(Fe) to zawartość Fe w warstwie okładzinowej; ω base

(Fe) to zawartość Fe w materiale podstawowym 316L, która jest uważana za stałą 71,329% po detekcji XRF; ω materiał

(Fe) to zawartość Fe w materiale okładziny.

Cięcie drutu zostało użyte do wycięcia 12mm×10

mm×2 mm z przekroju warstwy okładzinowej. Po inkrustacji plasterki zostały najpierw wypolerowane krok po kroku papierem ściernym 150# ~ 3000#, a następnie mechanicznie wypolerowane do powierzchni lustrzanej za pomocą 2,5

μm pasty diamentowej. Roztwór korozyjny przygotowany przez 5g

CuSO4

+50mLHCl+50mLH2

O został użyty do ścierania

10s, a następnie przepłukano alkoholem i wysuszono w celu uzyskania próbki metalograficznej. Makroskopową morfologię przekroju warstwy okładzinowej obserwowano przy użyciu stereoskopu.

Lupa makroskopowa AOSVI Odwrócony mikroskop metalograficzny ICX41 został użyty do obserwacji mikrostruktury każdego mikroobszaru warstwy okładzinowej, a stacjonarny skaningowy mikroskop elektronowy TM4000Plus (SEM) został użyty do obserwacji mikrostruktury przy większym powiększeniu, a widmo EDS zostało wykorzystane do skanowania liniowego i analizy skanowania punktowego. Tester twardości HV-1000TPTA micro-Vickers został użyty do badania mikrotwardości warstwy okładzinowej w kierunku wzdłużnym i 0,5 mm od powierzchni w kierunku poprzecznym w celu wykrycia prawa zmiany twardości i jednorodności twardości. Parametry testu twardości to obciążenie 500 g i czas utrzymywania 10 s. Tester tarcia i zużycia MFT-5000 został użyty do przeprowadzenia testów tarcia i zużycia na sucho na podłożu i warstwie okładziny w temperaturze pokojowej. Trybem tarcia było tarcie kulkowe, partnerem tarcia była kulka ceramiczna Si3N4 o średnicy 6,35 mm, a warunki testu tarcia były następujące: obciążenie 35 N, prędkość 300 obr / min, czas zużycia 30 min i promień zużycia 4,5 mm. Przed i po zużyciu do pomiaru przyrostu i utraty masy użyto precyzyjnej wagi (dokładność 0,1 mg). Laserowy mikroskop skaningowy OLS51003D został użyty do obserwacji morfologii powierzchni próbki po zużyciu, a SEM i EDS do obserwacji mikroskopowej morfologii zużycia.

2 Wyniki eksperymentów i dyskusja

2.1 Analiza makromorfologiczna warstwy okładzinowej

Przekrój makroskopowy morfologii i wyniki testu szybkości rozcieńczania warstw okładzinowych podawanych drutem laserowym w różnych procesach pokazano na rysunku 1. Porównując schemat 1 i schemat 2, stopień rozcieńczenia dwóch warstw okładzinowych jest znacznie niższy niż w przypadku jednej warstwy okładzinowej. Różnica w szybkości rozcieńczania między skrajnymi i środkowymi pozycjami warstwy okładzinowej w schemacie 2 jest niewielka, co wskazuje, że dwuwarstwowy proces okładzinowy sprzyja równomierności szybkości rozcieńczania. Grubość drugiej warstwy w środkowym położeniu warstwy okładzinowej schematu 2 jest mniejsza, podczas gdy grubość drugiej warstwy w położeniu krawędziowym jest większa. Wynika to z faktu, że gdy okładzina laserowa osiąga krawędź, a moc lasera jest duża, temperatura warstwy okładziny gromadzi się zbyt wysoko, gdy prędkość podawania drutu jest niska, co powoduje zapadnięcie się stopionego basenu i nadmierne stopienie pierwszej warstwy. Na podstawie linii stapiania na schematach 1 i 2 można również zauważyć, że więcej materiału podstawowego topi się w pobliżu krawędzi, co jest również związane z akumulacją temperatury.

Porównując schemat 2 i schemat 3, gdy moc lasera jest zmniejszona z 3200 W do 2600 W, a prędkość podawania drutu jest zwiększona z 40 mm/s do 55 mm/s, szybkość rozcieńczania warstwy okładziny schematu 3 jest znacznie zmniejszona, a różnica w szybkości rozcieńczania między krawędzią a środkiem jest niewielka i bardziej jednolita. Linia stapiania w schemacie 3 jest prostsza niż w schemacie 2, co wskazuje, że efekt akumulacji temperatury jest mniejszy, a podłoże topi się w mniejszym stopniu na krawędzi. Grubość drugiej warstwy schematu 3 jest również bardziej jednolita na krawędzi i w środkowej pozycji, co również wskazuje, że efekt akumulacji temperatury jest mniejszy. Biorąc pod uwagę szybkość rozcieńczania i tworzenie warstwy napawania, schemat 3 został określony jako optymalny parametr procesu napawania laserowego z podawaniem drutu.

2.2 Mikrostruktura warstwy okładzinowej

Zaobserwowano mikrostrukturę warstwy okładzinowej każdego schematu procesu, jak pokazano na rysunku 2. Można zauważyć, że mikrostruktury warstw okładzin lasera podającego drut w trzech schematach procesu są podobne, z których wszystkie są strukturami hipoeutektycznymi składającymi się z białej struktury dendrytycznej i szaro-czarnej struktury sieci międzykrystalicznej. Od dołu do góry warstwy okładzinowej, szaro-czarna struktura międzykrystaliczna stopniowo wzrasta, a biała struktura dendrytyczna stopniowo maleje. Zjawisko to jest bardziej widoczne w strukturze schematu 3, ponieważ wykorzystuje ona mniejszą moc lasera i większą prędkość podawania drutu, co skutkuje niższym współczynnikiem rozcieńczenia. Od dołu warstwy okładzinowej do góry warstwy okładzinowej morfologia ziarna jest z grubsza podzielona na cztery regiony: region kryształów płaskich, kryształów komórkowych i kryształów kolumnowych, region dendrytów i region kryształów równouprawnionych.

W przypadku dolnej warstwy okładziny istnieje wyraźny interfejs między warstwą okładziny a podłożem, a mianowicie linia fuzji, co wskazuje, że warstwa okładziny i podłoże tworzą dobre połączenie metalurgiczne. Na linii stapiania stopiony basen jest w bezpośrednim kontakcie z podłożem, gradient temperatury (G) interfejsu ciało stałe-ciecz jest duży, szybkość krzepnięcia (R) jest mała, a G/R jest duży, powodując wzrost kryształów warstwy okładzinowej w postaci płaskich kryształów. W miarę jak interfejs ciało stałe-ciecz przesuwa się w górę od dołu, ciepło stopniowo się gromadzi, gradient temperatury maleje, a szybkość krzepnięcia wzrasta, to znaczy G / R maleje, co powoduje powstanie bardzo wąskiej strefy przechłodzenia składu z przodu interfejsu ciało stałe-ciecz. Kryształ rośnie wzdłuż kierunku o najszybszym tempie chłodzenia, a inne kierunki wzrostu są tłumione, co powoduje wybrzuszenia, tworząc kryształy komórkowe i kolumnowe.

W środkowej części warstwy okładzinowej interfejs ciało stałe-ciecz przesuwa się dalej w kierunku środka warstwy okładzinowej, G/R dalej maleje, a kryształ stopniowo zmienia się z gruboziarnistych kryształów kolumnowych w kolumnowe dendryty, które składają się głównie z gruboziarnistych dendrytów pierwotnych i drobnych dendrytów wtórnych. Kierunek wzrostu dendrytów zależy od kierunku przepływu ciepła i orientacji krystalograficznej. Gdy druga warstwa jest platerowana, jej cykl termiczny działa na wierzch pierwszej warstwy, powodując jej częściowe stopienie i wykazując cechy współkrystalizacji z drugą warstwą platerowaną oraz powodując wzrost jej ziaren. Porównując rysunki 2 (a2), (b2) i (c2), niższa moc lasera i większa prędkość podawania drutu w schemacie 3 sprawiają, że jego międzywarstwowa szaro-czarna struktura międzyziarnowa jest bardziej widoczna; a różnica w wielkości ziarna między drugą warstwą a pierwszą warstwą jest bardziej oczywista, z większą liczbą dendrytów. Wyższa temperatura cyklu termicznego podczas platerowania drugiej warstwy powoduje wzrost ziaren pierwszej warstwy, podczas gdy mniejsza moc lasera i większa prędkość podawania drutu powodują, że ziarna drugiej warstwy są drobne.

W przypadku górnej części warstwy okładzinowej, jest ona w bezpośrednim kontakcie z powietrzem, z szybszą szybkością wymiany ciepła, szybszym tempem krzepnięcia, bardzo małym G/R, a kryształy to głównie małe, bezkierunkowe dendryty i kryształy równokątne. Porównując rysunek 2 (a3), (b3) i (c3), schemat 3 ma więcej szaro-czarnych struktur międzykrystalicznych, a struktury są oczywiście drobniejsze ze względu na niską moc lasera i dużą prędkość podawania drutu.

Rozkład elementów warstwy okładzinowej drutu laserowego w kierunku wzdłużnym optymalnego procesu schematu 3 jest skanowany, a wyniki pokazano na rysunku 3. Można zauważyć, że od podłoża do warstwy okładzinowej zawartość pierwiastka Co wzrasta, a pierwiastka Fe maleje. Zawartość pierwiastka zmienia się krok po kroku, a pozycja mutacji znajduje się na linii fuzji i między pierwszą a drugą warstwą, co wskazuje, że warstwa okładzinowa jest dobrze stopiona z podłożem, a okładzina dwóch warstw pomaga zmniejszyć szybkość rozcieńczania wierzchu. Zgodnie ze schematem 3, laser i drut spawalniczy są dobrze sprzężone, a druga warstwa topi mniej poprzedniej warstwy podczas platerowania.

Mikrostrukturę warstwy napawanej drutem laserowym w optymalnym procesie według schematu 3 zaobserwowano za pomocą SEM, jak pokazano na rysunku 4. Można zauważyć, że mikrostruktura laserowej warstwy okładzinowej Stellite6 jest typową strukturą hipoeutektyczną, składającą się z dendrytycznej struktury proeutektycznej (A) i siatkowej struktury eutektycznej (B). Struktura eutektyczna w dolnej części warstwy okładzinowej jest mniej szkieletowa, podczas gdy struktura eutektyczna w górnej części warstwy okładzinowej jest bardziej siatkowa, co jest zgodne z charakterystyką strukturalną pod mikroskopem optycznym. Następnie zeskanowano typowe obszary strukturalne (A i B) warstwy okładzinowej. Wyniki przedstawiono w tabeli 3. Dendrytyczna struktura proeutektyczna (A) zawiera więcej pierwiastków Co i jest roztworem stałym bogatym w Co. Siateczkowa struktura eutektyczna (B) zawiera więcej pierwiastków C, Cr i W. Spekuluje się, że są to głównie węgliki eutektyczne Cr i W. Hu Xiyun [18] poinformował również, że struktura warstwy okładziny laserowej Stellite6 jest proeutektycznym roztworem stałym i węglikami eutektycznymi, co jest podobne do sytuacji w tym artykule. W porównaniu z dolną częścią warstwy platerowanej, górna część warstwy platerowanej ma bardziej eutektyczny rozkład sieci węglików, co wskazuje, że dwuwarstwowy proces platerowania jest korzystny dla zwiększenia węglika górnego poprzez zmniejszenie szybkości rozcieńczania.

2.3 Wydajność warstwy okładzinowej

Twardość warstwy okładziny podawanej drutem laserowym dla każdego schematu została przetestowana w kierunku wzdłużnym i poprzecznym, a wyniki pokazano na rysunku 5. Jak widać na rysunku 5 (a), twardość podłoża 316L wynosi 180-230HV, czyli jest znacznie niższa niż twardość warstwy okładzinowej. Twardość podłoża w pobliżu linii wtopienia nieznacznie wzrasta. Od podłoża do warstwy okładzinowej twardość znacznie wzrasta. Od dołu do góry warstwy okładziny, schematy 2 i 3 wykorzystują dwuwarstwowy proces okładziny, a twardość wykazuje stopniowy wzrost. Oznacza to, że występuje duża zmiana twardości warstwy okładzinowej w położeniu o grubości 1,8-2 mm, co jest zgodne z trendem zmian pierwiastków pokazanym na skanie linii EDS na rysunku 3, co wskazuje, że dwuwarstwowy proces napawania może poprawić twardość górnej części warstwy okładzinowej poprzez zmniejszenie szybkości rozcieńczania. W porównaniu ze schematem 2, schemat 3 charakteryzuje się niską mocą lasera i dużą prędkością podawania drutu. Twardość drugiej warstwy napawanej jest wyższa i wynosi 450-550HV. Górna część warstwy okładzinowej w schemacie 3 ma więcej eutektycznych struktur węglikowych rozmieszczonych w sieci oraz drobniejsze dendryty i kryształy równouprawnione, które sprzyjają poprawie jej twardości. Rysunek 5 (b) testuje jednorodność twardości warstwy platerowanej w kierunku poprzecznym. Trend twardości warstwy okładzinowej każdego schematu jest podobny do wyników testu twardości wzdłużnej. Twardość poprzeczna warstwy okładzinowej schematu 3 wynosi od 450 do 550HV, co jest stosunkowo równomierne. Twardość środka warstwy okładzinowej jest nieco wyższa niż twardość w pobliżu dwóch krawędzi. Dzieje się tak głównie dlatego, że podczas platerowania do krawędzi akumulacja ciepła powoduje wzrost temperatury. Gdy okładzina znajduje się na krawędzi, stopionego podłoża jest nieco więcej, szybkość rozcieńczania jest nieco wyższa, a ziarna są grubsze.

Testy tarcia i zużycia przeprowadzono na podłożu 316L i warstwie napawania laserowego Stellite6 według schematu 1 i schematu 3. Porównano i przeanalizowano wydajność tarcia i zużycia podłoża, jednowarstwowego napawania i dwuwarstwowego napawania. Wyniki przedstawiono na rysunku 6. Rysunek 6 (a) pokazuje, że współczynniki tarcia wszystkich trzech próbek zmieniły się dramatycznie na początku, który był etapem docierania. Wynika to z faktu, że istnienie chropowatości powierzchni i nierówności powierzchni styku na poziomie mikroskopowym spowodowało znaczne wahania współczynnika tarcia. Następnie współczynnik tarcia miał tendencję do stabilizowania się, ponieważ mikroskopijne wypukłości na powierzchni styku zostały wygładzone [19]. Na etapie stabilnego zużycia współczynnik tarcia podłoża 316L wynosił średnio 0,47, co było wartością wyższą niż współczynniki tarcia okładzin jednowarstwowych (0,37) i dwuwarstwowych (0,37). Rysunek 6 (b) porównuje i analizuje utratę masy trzech próbek przed i po zużyciu. Utrata masy podłoża 316L wynosi 11,5 mg, podczas gdy utrata masy warstwy odpornej na zużycie Stellite6 po nałożeniu jednej warstwy wynosi 7,3 mg, czyli o 36,5% mniej niż w przypadku podłoża; utrata masy warstwy odpornej na zużycie Stellite6 po nałożeniu dwóch warstw wynosi 5,3 mg, czyli o 53,9% mniej niż w przypadku podłoża. W związku z tym laserowa warstwa platerowana Stellite6 może poprawić odporność na zużycie podłoża 316L, a odporność na zużycie dwuwarstwowego procesu platerowania jest lepsza.

Morfologię blizny po zużyciu trzech próbek po zużyciu ciernym pokazano na rysunku 7. Rysunek 7 (a), (d) i (g) pokazują, że blizna po zużyciu podłoża 316L jest szeroka i głęboka; podczas gdy blizna po zużyciu warstwy okładziny laserowej Stellite6 jest wąska i płytka, a makroskopowo występuje niewielka liczba śladów rowków; blizna po zużyciu dwuwarstwowej okładziny jest węższa i płytsza, a śladów rowków jest więcej. Rysunek 7 (c), (f) i (i) przedstawiają poprzeczne profile morfologiczne blizn po zużyciu trzech próbek. Szerokość zużycia podłoża 316L wynosi 1380 μm, a maksymalna głębokość zużycia wynosi 41,5 μm; podczas gdy szerokość zużycia warstwy okładziny wynosi 867,5 μm, co jest znacznie mniejsze niż podłoże, a maksymalna głębokość zużycia wynosi 43,8 μm, co odpowiada podłożu; szerokość zużycia dwuwarstwowej okładziny wynosi 750 μm, co jest najmniejsze, a maksymalna głębokość zużycia wynosi 29,0 μm, co jest również najmniejsze. Dlatego też laserowa warstwa napawania Stellite6 może zmniejszyć szerokość i głębokość zużycia podłoża 316L, a dwuwarstwowy proces napawania może je jeszcze bardziej zmniejszyć.

SEM został następnie wykorzystany do scharakteryzowania morfologii zużycia trzech próbek, jak pokazano na rysunku 8. Rysunki 8 (a), (c) i (e) pokazują, że cecha rowka warstwy okładziny laserowej Stellite6 jest bardziej oczywista niż w przypadku podłoża 316L. Krawędź blizny po zużyciu podłoża 316L można wyraźnie zaobserwować jako wytłaczaną i nagromadzoną z powodu odkształcenia plastycznego podczas zużycia; zjawisko wytłaczania na krawędzi blizny po zużyciu warstwy okładzinowej jest mniejsze, a krawędź blizny po zużyciu warstwy okładzinowej jest stosunkowo gładka. Wyniki skanowania linii EDS pokazują, że w miejscu zużycia podłoża 316L występuje wypukłość w zawartości O, co wskazuje, że ciepło generowane przez tarcie i zużycie spowodowało jego utlenianie, podczas gdy zawartość O na powierzchni zużycia warstwy okładzinowej i warstwy okładzinowej ma niewielkie zmiany, co wskazuje, że stopień utlenienia podczas zużycia jest niewielki. Powiększając morfologię zużycia, jak pokazano na rysunku 8 (b), (d) i (f), z podłoża 316L można zaobserwować odkształcenie plastyczne, pękanie, zrzucanie materiału i zjawisko zużycia adhezyjnego materiału tworzącego resztki zużycia. Wynika to z faktu, że matryca 316L jest stosunkowo miękka. Gdy siła ścinająca podczas tarcia i zużycia jest większa niż granica plastyczności 316L, matryca ulegnie odkształceniu plastycznemu, tworząc małe otwory i mikropęknięcia. Wraz ze wzrostem czasu zużycia mikropęknięcia rozszerzają się, a matryca odpada warstwami. W morfologii zużycia można zaobserwować niewielką ilość rowków orkowych, co wskazuje, że forma zużycia matrycy 316L to głównie zużycie adhezyjne i niewielka ilość zużycia ściernego. Wang et al. [20] również odnotowali podobną charakterystykę morfologii zużycia stali nierdzewnej 316L. Zjawisko odkształcenia plastycznego morfologii zużycia warstwy platerowanej jest mniejsze, głównie duża ilość morfologii rowka orkowego, co wskazuje, że jego forma zużycia to głównie zużycie ścierne i niewielka ilość zużycia adhezyjnego. Laserowa warstwa napawana Stellite6 zawiera stały roztwór Cr, W i innych pierwiastków, co poprawia twardość i odporność na odkształcenia warstwy napawanej. Sieć węglików eutektycznych występujących między ziarnami działa jak twarde punkty, dodatkowo utrudniając odkształcanie matrycy. Podczas zużycia twarde węgliki częściowo odpadają z powodu koncentracji naprężeń, tworząc wżery. Odpadające twarde cząstki działają jak materiały ścierne, powodując, że warstwa okładziny tworzy morfologię bruzd. Morfologia zużycia dwóch warstw platerowanych jest podobna do morfologii jednej warstwy platerowanej. Zjawisko odkształcenia plastycznego jest jeszcze bardziej ograniczone, a jego forma zużycia jest zgodna z formą jednej warstwy okładziny.

3 Wnioski

• Stop Stellite6 został nałożony na powierzchnię stali nierdzewnej 316L przy użyciu dwuwarstwowego procesu platerowania drutem laserowym. Dostosowując parametry procesu, można uzyskać warstwę platerowaną o grubości około 3 mm z dobrym formowaniem i bez wad, takich jak wtrącenia i pęknięcia. Współczynnik rozcieńczenia w środku i na krawędzi warstwy platerowanej jest stosunkowo jednolity i wynosi mniej niż 5%.
• Mikrostruktura warstwy napawanej drutem laserowym jest strukturą hipoeutektyczną, a mianowicie dendrytycznym przedeutektycznym roztworem stałym bogatym w Co oraz siecią węglików eutektycznych Cr i W. Węgliki eutektyczne występują w mniejszej ilości w dolnej części warstwy napawanej, a w większej w górnej. Mniejsza moc lasera i większa prędkość podawania drutu prowadzą do powstawania większej ilości sieci węglików eutektycznych w górnej części warstwy napawanej. (3) Od podłoża do pierwszej warstwy okładzinowej, a następnie do drugiej warstwy okładzinowej, twardość warstwy okładzinowej laserowego podawania drutu Stellite6 wzrasta skokowo w kierunku wzdłużnym i ostatecznie stabilizuje się po osiągnięciu grubości 1,8 mm; twardość warstwy okładzinowej jest stosunkowo jednolita w kierunku poprzecznym w pobliżu powierzchni, w zakresie od 450 do 550 HV, a twardość środka jest nieco wyższa niż twardość krawędzi, co jest związane z akumulacją ciepła podczas okładzin. (4) Odporność na zużycie warstwy napawanej drutem laserowym oceniono za pomocą testu tarcia i zużycia. Wyniki pokazują, że tryb zużycia warstwy platerowanej zmienia się z zużycia adhezyjnego podłoża 316L na zużycie ścierne ze względu na stały roztwór Cr, W i innych pierwiastków oraz obecność dużej liczby twardych węglików sieciowych, co znacznie poprawia odporność na zużycie podłoża. Współczynnik tarcia powierzchni okładziny z dwiema warstwami okładziny wynosi 0,37, a utrata masy jest zmniejszona o 53,9% w porównaniu z podłożem.