Revestimento a laser é uma tecnologia de fabrico avançada que se tornou um método essencial para a reparação de superfícies e o fabrico de aditivos em indústrias como a aeroespacial, o equipamento energético e os transportes. Ao utilizar feixes de laser de alta energia e pós metálicos, revestimento a laser cria revestimentos densos e ligados metalurgicamente na superfície de materiais de base. Este artigo fornece uma análise abrangente dos princípios, vantagens e principais aplicações da tecnologia.

1. Princípios tecnológicos e principais vantagens

Princípios de revestimento laser:

Em revestimento a laser, No processo de fusão, é utilizado um feixe de laser de alta densidade energética (entre 10³ e 10⁶ W/cm²) para varrer a superfície do material de base. Os pós de liga são pré-colocados ou fornecidos em simultâneo com o laser, fundindo e formando uma poça de fusão micronizada (aproximadamente 0,1-2 mm de espessura). Depois de o laser se afastar, a poça de fusão arrefece rapidamente (taxa de arrefecimento de 10³-10⁶ K/s) e liga-se metalurgicamente ao material de base para formar um revestimento gradiente. A chave para este processo é gerir a interação entre a energia do laser e o material durante o processo de solidificação dinâmica para controlar a entrada de calor e a uniformidade da composição da poça de fusão.

Principais vantagens do revestimento a laser:

·Baixa taxa de diluição: A zona de diluição entre a camada de revestimento e o material de base representa menos de 5% da espessura total (muito inferior à soldadura tradicional, em que a taxa de diluição é de 15%-30%), o que ajuda a preservar a conceção da liga de elevado desempenho.

·Danos térmicos mínimos: Com uma pequena área de aquecimento focalizada, o aumento global da temperatura do material de base é mantido abaixo dos 100°C, evitando a deformação e o engrossamento do grão, tornando-o ideal para reparações de componentes de precisão.

·Ampla compatibilidade de materiais: Revestimento a laser pode ser efectuada com pós compósitos à base de níquel, à base de cobalto e reforçados com cerâmica, respondendo a diversos requisitos, como a resistência ao desgaste (por exemplo, reforçados com partículas de WC) e a resistência à corrosão (por exemplo, sistemas Ni-Cr-Mo).

·Elevada eficiência e controlo: As taxas de revestimento de uma só passagem podem atingir 0,5-2 m/min. Em combinação com a automatização, isto permite uma produção em grande escala.

2. Parâmetros-chave, mecanismos de influência e seleção de tecnologias

Parâmetros principais do revestimento a laser:

Os quatro parâmetros críticos para determinar a qualidade da revestimento a laser são a potência do laser (P, kW), a velocidade de varrimento (v, mm/s), a velocidade de alimentação do pó (f, g/min) e o diâmetro do ponto (d, mm). Estes parâmetros devem equilibrar a entrada de energia para o revestimento, uma vez que uma energia insuficiente conduz a uma ligação insuficiente, enquanto uma energia excessiva pode causar porosidade ou fusão excessiva.

·Potência laser (P): Afecta a profundidade da camada de revestimento e a taxa de diluição. Uma potência excessivamente elevada pode sobreaquecer o material de base, enquanto uma potência demasiado baixa pode não conseguir fundir o pó eficazmente.

·Velocidade de digitalização (V): Controla a entrada de calor e a sua velocidade deve ser equilibrada com a potência do laser para evitar um revestimento irregular ou zonas excessivamente afectadas pelo calor.

·Diâmetro do ponto (D): Os pontos mais pequenos (por exemplo, 0,5 mm) melhoram a qualidade do revestimento, enquanto os pontos maiores (por exemplo, 2 mm) são mais adequados para reparações em grande escala.

·Taxa de alimentação de pó (F): Corresponde à potência do laser para manter a estabilidade da poça de fusão. Uma alimentação insuficiente pode aumentar a porosidade, enquanto uma alimentação excessiva pode reduzir a utilização do pó.

Mecanismos de influência:

·Taxa de diluição: A taxa de diluição δ ≈ (f-t)/(P-v) afecta diretamente a pureza da camada de revestimento.

·Tensão residual: A taxa de arrefecimento está diretamente relacionada com a tensão residual. Velocidades de varrimento mais elevadas (superiores a 8 mm/s) podem reduzir as tensões de tração e minimizar os riscos de fissuração.

·Espessura da camada: A espessura de uma única passagem deve situar-se entre 0,2 mm e 1,5 mm, e deve corresponder ao coeficiente de expansão térmica do material de base para evitar a concentração de tensões na interface.

Recomendações para a seleção de tecnologias:

Para 45 aço ou substratos de aço inoxidável, são recomendadas ligas à base de níquel (Ni60) ou à base de ferro (Fe45) para um equilíbrio entre custo e resistência ao desgaste.

Para aplicações a alta temperatura, tais como lâminas de turbinas, as ligas à base de cobalto (por exemplo, Stellite 6) são preferíveis devido à sua força superior a alta temperatura e resistência à oxidação.

No caso de superfícies complexas, deve ser utilizado um sistema de varrimento galvanométrico para garantir uma precisão precisa da trajetória do ponto (±0,05 mm).

Para componentes de grandes dimensões (por exemplo, rolos), é aconselhável a alimentação coaxial de pó para evitar a deterioração da energia nas extremidades, que pode ocorrer com a alimentação de pó fora do eixo.

3. Fluxo completo do processo

Fase de Pré-Processamento:

·Limpeza da superfície: Métodos como o jato de areia (grau SA2.5) ou a limpeza por plasma são utilizados para remover a oxidação e os contaminantes de óleo. A má qualidade do pré-tratamento pode levar à porosidade da camada de revestimento.

·Deteção de defeitos: Os ensaios por penetração ou a inspeção por partículas magnéticas podem eliminar fissuras ou poros no material de base, evitando a falha do revestimento.

·Pré-aquecimento: Para substratos de aço com elevado teor de carbono, o pré-aquecimento a 150-200°C pode reduzir as tensões térmicas. As experiências mostram que o pré-aquecimento reduz a incidência de fissuras de 18% para 3%.

Fase de revestimento:

·Entrega de pó: Um método síncrono de alimentação de pó (por exemplo, alimentação anular de pó) controla com precisão o fluxo de pó, reduzindo a porosidade e tornando-o adequado para componentes com geometrias complexas.

·Otimização de parâmetros: Por exemplo, ao revestir ligas à base de níquel, parâmetros como a potência do laser (1-3 kW), a velocidade de varrimento (5-20 mm/s) e a taxa de alimentação de pó (5-20 g/min) são ajustados para minimizar as tensões residuais e otimizar o processo de revestimento.

Fase de pós-processamento:

Arrefecimento controlado: Após o revestimento, os componentes devem ser arrefecidos numa atmosfera de gás inerte (Ar) para evitar a formação de fissuras, especialmente no caso de materiais de base com elevado teor de carbono.

Tratamento térmico: Para componentes sujeitos a tensões elevadas, o recozimento de alívio de tensões a 550°C pode eliminar as tensões residuais.

Processamento mecânico: As dimensões são corrigidas por torneamento ou retificação (tolerância de ±0,02 mm) e a superfície é polida para obter uma rugosidade de Ra ≤ 1 μm.

Teste de desempenho: Os ensaios de gradiente de dureza (HV 800-1200 na superfície), a análise XRD para identificação de fases e os ensaios ultra-sónicos para deteção de defeitos internos garantem a conformidade com as normas nacionais (GB/T 29713-2013).

Revestimento a laser através do controlo preciso dos parâmetros de processamento, permite a produção rentável de revestimentos de elevado desempenho. É amplamente aplicada em indústrias como a aeroespacial, a indústria automóvel e o equipamento mineiro, impulsionando a transformação do melhoramento da superfície industrial de “reparação baseada na experiência” para “conceção científica”.”