Abstrakt
Denna artikel undersöker sprickor och porositetsdefekter som uppstår i höghastighetslaserbeklädnad av järnbaserade legeringsbeläggningar på ytan av hydrauliska stödpelare. Genom att kombinera principerna för metallurgisk stelning och använda energidispersiv spektroskopi (EDS) för punkt- och linjeanalys av beläggningens element, undersöker studien systematiskt orsakerna till dessa defekter i termer av beklädnadsmaterialets sammansättning och processparametrar. Resultaten visar att segregationen av B- och Si-element, utfällningen av Cr-Mo-C-karbider och matrisens fasövergångsbeteende är de primära faktorerna som orsakar sprickor och porositet. Processparametrar som lasereffekt, skanningshastighet, pulvermatningshastighet och antalet beklädnadsskikt kan förvärra defektbildning om de inte justeras korrekt. Denna studie ger en teoretisk grund för industriell tillämpning av höghastighetslaserbeklädnadsteknik på hydrauliska stödytor.

Beskrivning
Under drift utsätts hydrauliska stödpelare för alternerande belastningar, vilket leder till slitage och korrosion på ytan. Höghastighetslaserbeklädnadsteknik har blivit en effektiv metod för ytförstärkning och reparation tack vare dess höga effektivitet, låga utspädningshastighet och lokaliserade värmepåverkade zon. Sprickor och porositetsdefekter i beklädnadsskiktet påverkar dock allvarligt dessa beläggningars prestanda, och det finns ett behov av en systematisk analys av deras bildningsmekanismer.

1. Analys av sprickbildning
1.1 Materialfaktorer

B- och Si-segregeringNär B-halten överstiger 0.5 % bildar den eutektika med låg smältpunkt med Ni och Si vid korngränserna, vilket skapar en flytande film som försvagar bindningen vid korngränserna och därmed främjar sprickinitiering och spridning.

Inverkan av Si- och Mn-elementSi ökar viskositeten i smältpoolen, vilket hindrar gasutdrivning, medan Mn främjar bildandet av MnS-inneslutningar, vilka blir sprickkällor.

Cr-Mo-C synergistisk effektCr och C bildar karbider som Cr₂₃C₆ och Cr₇C₃, medan Mo bildar Mo₂C. Utfällningen av dessa karbider leder till volymkrympning, vilket i kombination med termisk spänning ökar kvarvarande spänningar och orsakar sprickbildning.

Fasövergång i 27SiMn-matrisOmvandlingen av austenit till martensit leder till volymetrisk expansion och skjuvspänning, vilket ökar risken för delaminering i gränssnittet.

1.2 Processfaktorer

Överdriven lasereffektHög lasereffekt ökar temperaturgradienten och koncentrerar termisk stress.

Snabb skanningshastighetEn hög skanningshastighet minskar stelningstiden och ökar kylningshastigheten, vilket leder till intensifierad spänningskoncentration.

För stort antal beklädnadsskiktFör många beklädnadsskikt resulterar i kumulativ spänning mellan skikten, vilket, när materialets sträckgräns överskrids, utlöser sprickor.

2. Analys av porositetsbildning
2.1 Materialfaktorer

Reaktion av B med OB reagerar med syre och bildar flyktigt B₂O₃, vilket skapar gasbubblor i smältpoolen.

Oxidation av MoMo oxiderar för att bilda MoO₃, som fungerar som kärna för gasbubbelbildning.

Bildning av sammansatta inneslutningarSi reagerar med C för att bilda SiC, medan SiO₂ skapar sammansatta inneslutningar som hindrar utstötningen av gasbubblor.

Mn-förångningManganförångning inducerar turbulens i smältpoolen, vilket fångar gaser och orsakar porositet.

Eutektika med låg smältpunktBildningen av eutektika med låg smältpunkt, såsom SiO₂ och B₂O₃, fångar gas i materialet.

2.2 Processfaktorer

Instabilt gasflödeInstabil gastillförsel leder till dåligt skydd eller turbulens i smältbassängen.

För hög pulvermatningshastighetFör mycket pulvermatning kan orsaka klumpar och gasbubblor.

Missmatchning mellan lasereffekt och skanningshastighetOm lasereffekt och skanningshastighet inte matchas korrekt påverkar det flödet i smältpoolen och utdrivningen av gaser.

3. Synergistiska effekter av sprickor och porositet
Porositet fungerar som en källa till spänningskoncentration, vilket ökar spänningsintensitetsfaktorn vid sprickspetsen och accelererar sprickutbredning. Under sprickutbredning adsorberar färska ytor gas, vilket ytterligare främjar aggregering och oxidation av porositet, vilket leder till ett komplext nätverk av skador som avsevärt minskar materialets utmattningstid.

4. Slutsats

SprickbildningSprickor orsakas främst av segregering av B och Si, karbidutfällning och fasövergångar i matrisen. Processparametrar påverkar termisk spänning och stelningsbeteende.

PorositetsbildningPorositet är nära relaterad till flyktighet, oxidation och inneslutningsbeteende hos element som B, Mo, Si och Mn. Processparametrar styr utstötningen av gaser.

Effektiva kontrollåtgärderAtt kontrollera B- och Si-halten till under 0.5 %, optimera Cr/Mo-förhållandet och öka Ni-halten kan effektivt undertrycka defekter.

Synergistisk skademekanismSprickor och porositet uppvisar en synergistisk skademekanism, vilket kräver en omfattande strategi genom materialkompositionsdesign och processoptimering.