Özet : Stellite6 Co bazlı alaşım katmanları, lazer tel beslemeli kaplama yöntemi kullanılarak 316L paslanmaz çelik alt tabaka üzerine üretilmiştir. Kaplama katmanlarının oluşumu, seyreltme oranı, mikro yapısı, kimyasal bileşimi, mikro sertliği ve aşınma direnci analiz edilmiştir. Sonuçlar, iki katmanlı lazer kaplama işleminin, %5'in altında bir seyreltme oranıyla kaplama katmanının optimum oluşumunu sağlayabileceğini ve seyreltme oranının homojen olduğunu göstermektedir. Kaplama katmanının mikro yapısı, dendritik Co açısından zengin katı çözelti ve ağ ötektik karbürlerden oluşan bir subötektik yapıdır ve üst katmanda alt katmana göre daha yüksek konsantrasyonda ağ karbür içerir. İki katmanlı kaplama işlemi, kaplama katmanının dikey yönünde sertlikte kademeli bir artışa neden olur ve bu artış 1.8 mm kalınlığa ulaştıktan sonra stabilize olur. Kaplama katmanının yüzeye yakın yatay mikro sertliği nispeten homojendir ve 450 HV ile 550 HV arasında değişmektedir. İki katmanlı kaplama işlemi, 0.37'lik sürtünme katsayısı ve temel malzemeye kıyasla %53.9'luk kütle kaybı azalmasıyla üstün aşınma direnci göstermektedir. İki katmanlı kaplama işleminin aşınma mekanizması, alt tabakanın yapışkan aşınmasından aşındırıcı aşınmaya dönüşmektedir.

316L paslanmaz çelik, 18Cr-8Ni'ye Mo ilave edilmiş bir paslanmaz çeliktir; bu da Cl- ortamında çukurlaşma direncini artırır ve mükemmel mekanik özelliklere sahiptir. Enerji, kimya ve diğer alanlarda, yüksek sıcaklık, yüksek basınç ve korozyon gibi zorlu ortamlarda boru hatları ve yapısal parçaların imalatında yaygın olarak kullanılmaktadır [1-2]. 316L'nin aşınma direncini ve korozyon direncini iyileştirmek için, genellikle yüzeyinde mükemmel performansa sahip fonksiyonel bir tabaka hazırlanması gereklidir [3].

Yaygın olarak kullanılan bir yüzey işleme yöntemi kimyasal krom kaplamadır, ancak bu yöntemin işlenmesi ciddi derecede kirliliğe yol açar ve kaplamanın kalitesi kararsızdır. Kaplama ve alt tabaka metalurjik olmayan bir şekilde bağlanır ve yüksek sıcaklıklarda uzun süre kullanıldığında kaplamanın dökülme riski vardır [4]. Kobalt bazlı alaşımlar (Stellite alaşımları), hem oda sıcaklığında hem de yüksek sıcaklıkta yüksek mukavemet, sertlik, aşınma direnci ve korozyon direncine sahiptir ve zorlu ortamlarda 316L paslanmaz çelik için ideal aşınmaya ve korozyona dayanıklı katman malzemeleridir [5]. Şu anda, kobalt bazlı alaşımlar ile alt tabaka arasında metalurjik bir bağ oluşturmak ve mükemmel performansa sahip bir alaşım katmanı elde etmek için argon ark kaynağı, plazma ark ve diğer kaplama yöntemleri veya püskürtme yöntemleri yaygın olarak kullanılmaktadır. Sankarapandian ve ark. [6], A36 alt tabakasına Stellite6 alaşımını kaplamak için argon ark kaynağı kullandı. Stellite6 alaşım katmanındaki daha fazla karbür, alt tabakanın aşınma direncini etkili bir şekilde artırabilir. Ancak, kobalt bazlı alaşımlar genellikle alt tabakadan büyük performans farklılıkları gösterir. Ark kaplamanın enerjisi büyük ve dağılmış olduğundan, yüksek kaplama seyreltme oranına ve çatlama eğiliminin artmasına kolayca yol açabilir [7]. Oksiasetilen alev püskürtme, alev merkezi sıcaklığı elektrik arkından daha düşük olduğu, seyreltme oranının kontrol edilmesi kolay olduğu ve ekipman erişilebilirliğinin iyi olduğu için kaplama hazırlığında kullanılır. Sun Delin [8], içi boş ince duvarlı silindirlerin yüzeyinde yüzey kaplaması yapmak için oksiasetilen alev toz püskürtme işlemini kullandı. Sıkı işlem kontrolü ve ön ısıtma, yavaş soğutma ve diğer önlemler sayesinde, iyi şekillendirme ve mükemmel performansa sahip bir kaplama elde edildi. Costel-Relu ve ark. [9], alt tabakanın kavitasyon korozyon direncini iyileştirmek için paslanmaz çelik yüzeyine NiCrBSi/WC-12Co kompozit kaplamanın oksiasetilen alev püskürtmesini kullandı. Ancak bu yöntem manuel olarak uygulanır ve püskürtme işlemi sırasında sıkı sıcaklık kontrolü, yüksek iş gücü yoğunluğu ve insan etkisi nedeniyle kaplama kalitesinde istikrarsızlık gibi sorunlar ortaya çıkar.

Lazer kaplama, kaplama malzemesini alt tabaka yüzeyinde hızla eritmek ve ardından hızla katılaştırarak alt tabaka ile metalurjik bir bağ oluşturan yüksek performanslı fonksiyonel bir katman elde etmek için lazer kullanan bir yüzey işleme yöntemidir [10]. Lazer kaplamanın avantajları arasında yoğun enerji, düşük seyreltme oranı, iyi kaplama katmanı performansı ve kolay otomasyon yer almaktadır. Ayrıca, nokta çapı 1 mm'den daha az olabilir ve diğer yüzey işleme yöntemlerine kıyasla kontrol daha hassastır [11]. Soltanipour ve ark. [12], X19CrMoNbVN11-1 paslanmaz çelik alt tabaka üzerindeki Stellite6 toz kaplama katmanının mikro yapısı üzerindeki lazer kaplama işlem parametrelerinin etkisini incelemiştir. Lazer gücündeki artış, kaplama katmanının arayüzünde hücresel kristallerin ve yüzeyde eş eksenli kristallerin artmasına yol açmıştır. İşlem parametrelerinin optimize edilmesiyle, iyi kaynaşmış ve kusursuz bir kaplama katmanı elde edilmiştir. Maximilian ve ark. [13] Gri dökme demir yüzeyine lazerle kaplanmış Stellite6 alaşım tozu uyguladılar ve lazer gücünün kaplama tabakasının seyreltme oranı, geometrisi ve sertliği üzerindeki etkisini incelediler. Daha düşük gücün daha ince bir yapı ve daha fazla karbür ile sonuçlandığını ve böylece daha yüksek sertliğe sahip bir kaplama elde edildiğini buldular. Wang Weidong ve ark. [14] H13 sıcak işleme kalıp çeliğinin yüzeyine çok geçişli lazerle Stellite6 alaşım tozu kaplama uyguladılar ve çok geçişli kaplama tabakasının tek katmanlı kaplama tabakasına göre daha yüksek bir sertliğe sahip olduğunu ve boyuna sertlik dalgalanmasının daha büyük olduğunu, ancak genel sertlik değişim eğilimini etkilemediğini buldular. Sonuç olarak, lazer kaplama mikro sertliğini artırdı ve yüzey özelliklerini etkili bir şekilde iyileştirdi.

Leunda ve ark. [15], çift silindirik delik parçalarının iç duvarına NiCr-WC kaplama katmanları hazırlamak için lazer kaplama kullandı. İşlem parametrelerinin optimize edilmesiyle, alt tabaka 350°C'ye önceden ısıtıldı ve kaplama katmanının çatlama eğilimini azaltmak için ara bir tampon katman eklendi. Düzensiz şekilli tozlar kullanılarak kaplama malzemesinin kullanım oranı iyileştirildi ve sonunda 300 mm uzunluğunda ve 110 mm iç çapında çift silindirik bir deliğin iç duvarına iyi şekillendirilmiş ve mükemmel bir kaplama katmanı hazırlandı. Zhu Mingdong ve ark. [16], 304LN paslanmaz çeliğin düzlemine ve küçük bir deliğin iç duvarına Stellite6 alaşım tozu lazer kaplama uyguladı. Düzlem lazer kaplamanın işlem parametrelerinin optimize edilmesiyle, düşük seyreltme oranına sahip ve kusursuz bir kaplama katmanı elde edildi. Aşınma testleri ve korozyon testlerinin sonuçları, lazer kaplamanın yüzeyinin ve küçük deliğin iç duvarının aşınma direncini ve korozyon direncini iyileştirdiğini göstermiştir. Şu anda, kobalt bazlı alaşımların lazer kaplaması üzerine yapılan araştırmalar esas olarak toz malzemelere odaklanmaktadır. Bununla birlikte, toz malzemelerin lazer kaplaması düşük malzeme kullanım oranı ve yüksek kirlilik sorunlarına sahiptir. Ayrıca, toz malzemelerin süreksizliği, lazerin alt tabakaya etki etmesine ve büyük termal gerilime neden olmasına kolayca yol açar. Çatlakları, deformasyonu ve diğer sorunları önlemek için belirli sıcaklık kontrol önlemleri gereklidir. Bununla birlikte, tel ve lazer arasındaki bağlantı daha iyidir, sıcaklık kontrolü daha az gereklidir ve malzeme kullanım oranı %100'e yakındır, bu nedenle geniş ilgi görmüştür [17]. Bu nedenle, bu çalışmada 316L alt tabaka üzerine 3 mm kalınlığında Stellite6 kobalt bazlı alaşım kaplama hazırlamak için lazer tel beslemeli kaplama yöntemi kullanılmış, lazer kaplama işleminin kaplama tabakasının seyreltme oranı ve şekillendirme kalitesi üzerindeki etkisi incelenmiş, kaplama işleminin yapı ve performans üzerindeki etkisi analiz edilmiş ve 316L paslanmaz çelik yüzeyinin aşınma direncini ve hizmet ömrünü iyileştirmek için deneysel bir temel sağlanmıştır.

1 Deneysel malzemeler ve yöntemler

• Lazer kaplama malzemeleri

Testte 30 mm × 30 mm × 10 mm boyutlarında bir alt tabaka seçildi; alt tabaka malzemesi 316L paslanmaz çelikti. Kaplama malzemesi ise yaklaşık 1.2 mm kalınlığında Stellite6 katı kaynak teliydi. Alt tabaka malzemesinin ve kaplama malzemesinin kimyasal bileşimi Tablo 1'de gösterilmiştir.

• Lazer kaplama yöntemi

Deneyde YLS-4000 fiber lazer kullanıldı ve nokta çapı nominal olarak 200 μm idi. Kaplama işlemi sırasında, hareket kontrolü için MOTOMAN NX100 altı eksenli endüstriyel robot kullanıldı ve kaynak teli ile lazerin eş eksenli hareketini sağlamak için bir kaynak teli sıkıştırma cihazı kullanıldı. Tel besleme yöntemi yanal beslemeydi. Kaplamadan önce alt tabaka yüzeyi parlatıldı ve susuz etanol ile temizlendi. Yüzey oksit tabakası ve yağ gibi safsızlıklar giderildi. Kaplama sırasında, alt tabaka yüzeyinde çoklu kaplama yapmak için "yay şeklinde" bir yol kullanıldı. Kaplama kalınlığı 3 mm olup, düzgün kalınlık elde etmek için, erimiş havuzun çökmesini önlemek amacıyla alt tabakanın kenarına ekstra bir katman kaplandı. Deneyde, lazer gücü, tel besleme hızı ve kaplama katmanı sayısı olmak üzere üç faktör dikkate alınarak, lazer tel beslemeli kaplama işlemi parametrelerinin birkaç temsili grubu tartışma için seçildi. Spesifik test planı Tablo 2'de gösterilmiştir. Geri kalan kaplama proses parametreleri ise %50 örtüşme oranı, koaksiyel koruyucu gaz için %99.9 saflıkta argon gazı ve 20 L/dak gaz akış hızıdır.

• Tespit Yöntemi

Kaplama tabakasının ortasına yakın ve kenarına yakın yerlerden tel kesme yöntemiyle 5.5 mm × 4 mm × 10 mm boyutlarında iki blok numune kesildi ve kaplama tabakasının elementleri, ThermoScientific Niton XL5 Plus el tipi X-ışını floresans spektrometresi (XRF) kullanılarak nicel olarak analiz edildi. Fe nesnesi alınarak, seyreltme oranı formül (1)'e göre hesaplandı.

Nerede: ω katmanı

(Fe), kaplama katmanının Fe içeriğidir; ω taban

(Fe), XRF tespiti sonrasında %71.329'luk sabit bir değer olarak kabul edilen 316L ana malzemenin Fe içeriğidir; ω malzeme

(Fe), kaplama malzemesinin Fe içeriğini ifade eder.

12 mm x 10 mm ebatlarında kesim yapmak için tel kesme yöntemi kullanıldı.

Kaplama tabakasının kesitinden 2 mm × 2 mm'lik dilimler alındı. Dilimler yerleştirildikten sonra, önce 150#~3000# su zımpara kağıdı ile adım adım parlatıldı ve ardından 2.5 mm'lik mekanik zımpara ile ayna yüzeyine kadar parlatıldı.

μm elmas macunu. 5 g ile hazırlanan aşındırıcı çözelti.

CuSO4

+50mLHCl+50mLH2

O aşındırma işleminde kullanıldı.

10 saniye bekletildikten sonra alkolle durulanıp kurutularak metalografik numune elde edildi. Kaplama tabakasının kesitinin makroskopik morfolojisi stereoskopik bir cihaz kullanılarak incelendi.

Kaplama tabakasının her bir mikro bölgesinin mikro yapısını gözlemlemek için AOSVI makroskopik büyütücü ve ICX41 ters metalografik mikroskop kullanıldı; daha yüksek büyütmede mikro yapıyı gözlemlemek için ise TM4000Plus masaüstü taramalı elektron mikroskobu (SEM) kullanıldı ve çizgi tarama ve nokta tarama analizi için EDS spektrumu kullanıldı. Kaplama tabakasının mikro sertliğini uzunlamasına yönde ve yüzeyden 0.5 mm uzaklıkta enine yönde test etmek ve sertlik değişim yasasını ve sertlik homojenliğini tespit etmek için HV-1000TPTA mikro-Vickers sertlik test cihazı kullanıldı. Sertlik testi parametreleri 500 g yük ve 10 s bekleme süresiydi. Alt tabaka ve kaplama tabakası üzerinde oda sıcaklığında kuru sürtünme ve aşınma testleri yapmak için MFT-5000 sürtünme ve aşınma test cihazı kullanıldı. Sürtünme modu bilye-disk sürtünmesiydi, sürtünme ortağı 6.35 mm çapında bir Si3N4 seramik bilyeydi ve sürtünme testi koşulları şu şekildeydi: yük 35 N, hız 300 dev/dak, aşınma süresi 30 dakika ve aşınma yarıçapı 4.5 mm. Aşınmadan önce ve sonra, ağırlık artışı ve kaybı hassas bir terazi (0.1 mg doğruluk) kullanılarak ölçüldü. Aşınmadan sonra numune yüzeyinin morfolojisi OLS51003D lazer tarama mikroskobu ile gözlemlendi ve mikroskobik aşınma morfolojisi SEM ve EDS ile incelendi.

2 Deneysel sonuçlar ve tartışma

2.1 Kaplama katmanının makromorfoloji analizi

Şekil 1'de, farklı işlemlerle üretilen lazer tel beslemeli kaplama katmanlarının kesitsel makroskobik morfolojisi ve seyreltme oranı test sonuçları gösterilmektedir. Şema 1 ve Şema 2 karşılaştırıldığında, iki kaplama katmanının seyreltme oranı, tek kaplama katmanına göre önemli ölçüde daha düşüktür. Şema 2'deki kaplama katmanının kenar ve orta pozisyonları arasındaki seyreltme oranı farkı küçüktür; bu da iki katmanlı kaplama işleminin seyreltme oranının homojenliğine katkıda bulunduğunu göstermektedir. Şema 2'deki kaplama katmanının orta pozisyonundaki ikinci katmanın kalınlığı daha küçükken, kenar pozisyonundaki ikinci katmanın kalınlığı daha büyüktür. Bunun nedeni, lazer kaplama kenara ulaştığında ve lazer gücü yüksek olduğunda, tel besleme hızı yavaş olduğunda kaplama katmanının sıcaklığının çok yükselmesi, erimiş havuzun çökmesine ve ilk katmanın aşırı erimesine yol açmasıdır. Şema 1 ve Şema 2'deki birleşme çizgilerinden de görülebileceği gibi, kenara yakın bölgelerde daha fazla temel malzeme erimektedir; bu da sıcaklık birikimiyle ilişkilidir.

Şema 2 ve Şema 3 karşılaştırıldığında, lazer gücü 3200 W'tan 2600 W'a düşürüldüğünde ve tel besleme hızı 40 mm/s'den 55 mm/s'ye çıkarıldığında, Şema 3'ün kaplama tabakasının seyreltme oranı önemli ölçüde azalır ve kenar ile orta kısım arasındaki seyreltme oranı farkı küçük ve daha homojendir. Şema 3'ün füzyon çizgisi, Şema 2'ninkinden daha düzdür; bu da sıcaklık birikim etkisinin daha küçük olduğunu ve alt tabakanın kenarda daha az eridiğini gösterir. Şema 3'ün ikinci tabakasının kalınlığı da kenar ve orta kısımda daha homojendir; bu da sıcaklık birikim etkisinin daha küçük olduğunu gösterir. Seyreltme oranı ve kaplama tabakasının oluşumu göz önüne alındığında, Şema 3'ün tel beslemeli lazer kaplama için en uygun işlem parametresi olduğu belirlenmiştir.

2.2 Kaplama tabakasının mikro yapısı

Şekil 2'de gösterildiği gibi, her bir işlem şemasının kaplama tabakasının mikro yapısı gözlemlenmiştir. Üç işlem şemasının tel beslemeli lazer kaplama tabakalarının mikro yapılarının benzer olduğu, hepsinin beyaz dendritik yapı ve gri-siyah taneler arası ağ yapısından oluşan hipoötektik yapılar olduğu görülmektedir. Kaplama tabakasının altından üstüne doğru, gri-siyah taneler arası yapı kademeli olarak artarken, beyaz dendritik yapı kademeli olarak azalmaktadır. Bu olgu, daha düşük lazer gücü ve daha hızlı tel besleme hızı kullanılması ve bunun sonucunda daha düşük seyreltme oranı elde edilmesi nedeniyle, Şema 3'ün yapısında daha belirgindir. Kaplama tabakasının altından üstüne doğru, tane morfolojisi kabaca dört bölgeye ayrılır: düzlemsel kristal bölge, hücresel kristal ve sütunlu kristal bölge, dendrit bölge ve eş eksenli kristal bölge.

Kaplama tabakasının alt katmanında, kaplama tabakası ile alt tabaka arasında belirgin bir arayüz, yani erime çizgisi bulunur; bu da kaplama tabakası ve alt tabakanın iyi bir metalurjik bağ oluşturduğunu gösterir. Erime çizgisinde, erimiş havuz alt tabaka ile doğrudan temas halindedir, katı-sıvı arayüzünün sıcaklık gradyanı (G) büyüktür, katılaşma hızı (R) küçüktür ve G/R oranı büyüktür; bu da kaplama tabakası kristallerinin düzlemsel kristaller şeklinde büyümesine neden olur. Katı-sıvı arayüzü alttan yukarı doğru hareket etmeye devam ettikçe, ısı kademeli olarak birikir, sıcaklık gradyanı azalır ve katılaşma hızı artar, yani G/R oranı azalır; bu da katı-sıvı arayüzünün önünde çok dar bir bileşimsel aşırı soğuma bölgesine yol açar. Kristal, en hızlı soğuma hızına sahip yönde büyür ve diğer büyüme yönleri bastırılır; bu da şişkinliklere, hücresel kristallere ve sütunlu kristallere neden olur.

Kaplama tabakasının ortasında, katı-sıvı arayüzü kaplama tabakasının merkezine doğru daha da hareket eder, G/R daha da azalır ve kristal kademeli olarak kaba sütunlu kristallerden esas olarak kaba birincil dendritlerden ve ince ikincil dendritlerden oluşan sütunlu dendritlere dönüşür. Dendritlerin büyüme yönü, ısı akış yönüne ve kristalografik yönlenmeye bağlıdır. İkinci katman kaplandığında, termal döngüsü birinci katmanın üstüne etki ederek kısmen erimesine ve ikinci kaplama tabakasıyla birlikte kristalleşme özelliklerini göstermesine ve tanelerinin büyümesine neden olur. Şekil 2 (a2), (b2) ve (c2) karşılaştırıldığında, Şema 3'ün daha düşük lazer gücü ve daha hızlı tel besleme hızı, katmanlar arası gri-siyah taneler arası yapısını daha belirgin hale getirir; ve ikinci katman ile birinci katman arasındaki tane boyutu farkı daha belirgindir ve daha fazla dendrit bulunur. İkinci katmanın kaplanması sırasında daha yüksek sıcaklıkta gerçekleşen termal döngü, birinci katmanın tanelerinin büyümesine neden olurken, daha düşük lazer gücü ve daha hızlı tel besleme hızı, ikinci katmanın tanelerinin ince kalmasına yol açar.

Kaplama tabakasının üst kısmı doğrudan hava ile temas halindedir, bu da daha hızlı ısı transfer hızı, daha hızlı katılaşma hızı, çok küçük bir G/R oranı ve kristallerin çoğunlukla küçük, yönsüz dendritler ve eş eksenli kristaller olduğu anlamına gelir. Şekil 2 (a3), (b3) ve (c3) karşılaştırıldığında, Şema 3'te daha fazla gri-siyah taneler arası yapı bulunur ve düşük lazer gücü ve hızlı tel besleme hızı nedeniyle yapılar açıkça daha incedir.

Şema 3'ün optimum işleminde lazer tel kaplama tabakasının uzunlamasına yöndeki element dağılımı taranmış ve sonuçlar Şekil 3'te gösterilmiştir. Substrattan kaplama tabakasına doğru Co elementinin arttığı ve Fe elementinin azaldığı görülmektedir. Element içeriği adım adım değişmekte ve değişim noktası birleşme hattında ve birinci ile ikinci katmanlar arasında yer almaktadır. Bu durum, kaplama tabakasının substratla iyi bir şekilde kaynaştığını ve iki katman kaplamanın üst katmanın seyreltme oranını azaltmaya yardımcı olduğunu göstermektedir. Şema 3'te lazer ve kaynak teli iyi bir şekilde birleşmiş olup, kaplama sırasında sonraki katman önceki katmandan daha az erir.

Şema 3'ün optimum işlemine ait lazer teli besleme kaplama tabakasının mikro yapısı, Şekil 4'te gösterildiği gibi SEM ile incelenmiştir. Stellite6 lazer kaplama tabakasının mikro yapısının, dendritik bir ötektik öncesi yapı (A) ve ağsı bir ötektik yapıdan (B) oluşan tipik bir ötektik altı yapı olduğu görülebilir. Kaplama tabakasının altındaki ötektik yapı daha az iskelet benzeri iken, kaplama tabakasının üstündeki ötektik yapı daha ağsı olup, bu durum optik mikroskop altındaki yapısal özelliklerle tutarlıdır. Kaplama tabakasının tipik yapısal alanları (A ve B) daha ayrıntılı olarak taranmıştır. Sonuçlar Tablo 3'te gösterilmiştir. Dendritik ötektik öncesi yapı (A) daha fazla Co elementi içerir ve Co açısından zengin bir katı çözeltidir. Ağsı ötektik yapı (B) ise daha fazla C, Cr ve W elementi içerir. Esas olarak Cr ve W ötektik karbürleri olduğu tahmin edilmektedir. Hu Xiyun [18] ayrıca Stellite6 lazer kaplama tabakasının yapısının, bu makaledeki duruma benzer şekilde, ötektik öncesi katı çözelti ve ötektik karbürlerden oluştuğunu bildirmiştir. Kaplama tabakasının alt kısmıyla karşılaştırıldığında, kaplama tabakasının üst kısmında daha fazla ötektik karbür ağ dağılımı vardır; bu da iki katmanlı kaplama işleminin seyreltme oranını azaltarak üst karbürün artırılmasına fayda sağladığını göstermektedir.

2.3 Kaplama katmanının performansı

Her bir şemanın lazer tel besleme kaplama tabakasının sertliği, boyuna ve enine yönlerde test edildi ve sonuçlar Şekil 5'te gösterilmiştir. Şekil 5(a)'dan görülebileceği gibi, 316L alt tabakanın sertliği 180-230 HV olup, kaplama tabakasının sertliğinden önemli ölçüde daha düşüktür. Füzyon hattına yakın alt tabakanın sertliği hafifçe artmaktadır. Alt tabakadan kaplama tabakasına doğru sertlik önemli ölçüde artmaktadır. Kaplama tabakasının altından üstüne doğru, 2 ve 3 numaralı şemalar iki katmanlı kaplama işlemi kullanmaktadır ve sertlikte kademeli bir artış görülmektedir. Yani, 1.8-2 mm kalınlık konumunda kaplama tabakasının sertliğinde büyük bir değişiklik vardır; bu, Şekil 3'teki EDS çizgi taramasında gösterilen element değişimlerinin eğilimiyle tutarlıdır ve iki katmanlı kaplama işleminin seyreltme oranını azaltarak kaplama tabakasının üst kısmının sertliğini artırabileceğini göstermektedir. Şema 2 ile karşılaştırıldığında, Şema 3 düşük lazer gücüne ve hızlı tel besleme hızına sahiptir. İkinci kaplama katmanının sertliği 450-550 HV ile daha yüksektir. Şema 3'ün kaplama katmanının üst kısmında, ağ şeklinde dağılmış daha fazla ötektik karbür yapısı ve daha ince dendritler ve eş eksenli kristaller bulunur; bu da sertliğin iyileştirilmesine katkıda bulunur. Şekil 5 (b), kaplama katmanının enine yöndeki sertliğinin homojenliğini test eder. Her şemanın kaplama katmanının sertlik eğilimi, boyuna sertlik test sonuçlarına benzerdir. Şema 3'ün kaplama katmanının enine sertliği 450 ile 550 HV arasındadır ve nispeten homojendir. Kaplama katmanının merkezinin sertliği, iki kenara yakın konumun sertliğinden biraz daha yüksektir. Bunun temel nedeni, kenara kaplama yapılırken ısı birikiminin sıcaklığın yükselmesine neden olmasıdır. Kenarlarda kaplama yapıldığında, erimiş alt tabaka biraz daha fazla olur, seyreltme oranı biraz daha yüksek olur ve taneler daha iri olur.

Şema 1 ve Şema 3'teki 316L alt tabaka ve Stellite6 lazer kaplama tabakası üzerinde sürtünme ve aşınma testleri yapıldı. Alt tabaka, tek katmanlı kaplama ve iki katmanlı kaplama işlemlerinin sürtünme ve aşınma performansı karşılaştırıldı ve analiz edildi. Sonuçlar Şekil 6'da gösterilmiştir. Şekil 6 (a), üç numunenin de sürtünme katsayılarının başlangıçta, yani aşınmanın başlangıç ​​aşamasında, önemli ölçüde değiştiğini göstermektedir. Bunun nedeni, mikroskobik düzeyde yüzey pürüzlülüğünün ve temas yüzeyinin düzensizliğinin sürtünme katsayısının büyük ölçüde dalgalanmasına neden olmasıdır. Daha sonra, temas yüzeyindeki mikroskobik çıkıntılar düzleştirildiği için sürtünme katsayısı stabilize olma eğilimindeydi [19]. Stabil aşınma aşamasında, 316L alt tabakanın sürtünme katsayısı ortalama 0.47 idi ve bu, tek katmanlı kaplamanın (0.37) ve iki katmanlı kaplamanın (0.37) sürtünme katsayılarından daha yüksekti. Şekil 6 (b), üç numunenin aşınma öncesi ve sonrası ağırlık kaybını karşılaştırır ve analiz eder. 316L alt tabakanın ağırlık kaybı 11.5 mg iken, tek katmanlı kaplamadan sonra Stellite6 aşınmaya dayanıklı tabakanın ağırlık kaybı 7.3 ​​mg olup, bu da alt tabakanınkinden %36.5 daha azdır; iki katmanlı kaplamadan sonra Stellite6 aşınmaya dayanıklı tabakanın ağırlık kaybı ise 5.3 mg olup, bu da alt tabakanınkinden %53.9 daha azdır. Bu nedenle, Stellite6 lazer kaplama tabakası 316L alt tabakanın aşınma direncini artırabilir ve iki katmanlı kaplama işleminin aşınma direnci daha iyidir.

Sürtünme aşınmasından sonra üç numunenin aşınma izi morfolojisi Şekil 7'de gösterilmiştir. Şekil 7 (a), (d) ve (g), 316L alt tabakanın aşınma izinin geniş ve derin olduğunu; Stellite6 lazer kaplama tabakasının aşınma izinin dar ve sığ olduğunu ve makroskopik olarak dağılmış az sayıda oluk izi bulunduğunu; iki katmanlı kaplamanın aşınma izinin daha dar ve sığ olduğunu ve daha fazla oluk izi bulunduğunu göstermektedir. Şekil 7 (c), (f) ve (i), üç numunenin aşınma izlerinin enine morfolojik profillerini göstermektedir. 316L alt tabakanın aşınma genişliği 1380 μm ve maksimum aşınma derinliği 41.5 μm'dir; kaplama tabakasının aşınma genişliği ise alt tabakadan çok daha küçük olan 867.5 μm ve maksimum aşınma derinliği alt tabakaya eşdeğer olan 43.8 μm'dir. İki katmanlı kaplamanın aşınma genişliği 750 μm olup en küçüktür ve maksimum aşınma derinliği de 29.0 μm olup yine en küçüktür. Bu nedenle, Stellite6 lazer kaplama katmanı 316L alt tabakanın aşınma genişliğini ve derinliğini azaltabilir ve iki katmanlı kaplama işlemi bunu daha da azaltabilir.

Şekil 8'de gösterildiği gibi, üç numunenin aşınma morfolojisini karakterize etmek için SEM kullanılmıştır. Şekil 8 (a), (c) ve (e), Stellite6 lazer kaplama tabakasının oluk özelliğinin 316L alt tabakaya göre daha belirgin olduğunu göstermektedir. 316L alt tabakanın aşınma izi kenarının, aşınma sırasında plastik deformasyon nedeniyle dışarı doğru çıkıntı yaptığı ve biriktiği açıkça gözlemlenebilir; kaplama tabakasının aşınma izi kenarındaki çıkıntı olayı daha azdır ve kaplama tabakasının aşınma izi kenarı nispeten pürüzsüzdür. EDS çizgi tarama sonuçları, 316L alt tabakanın aşınma bölgesinde O içeriğinde bir çıkıntı olduğunu göstermektedir; bu da sürtünme ve aşınmadan kaynaklanan ısının oksitlenmeye neden olduğunu gösterirken, kaplama tabakasının aşınma yüzeyinin ve kaplama tabakasının O içeriğinde çok az değişiklik vardır; bu da aşınma sırasında oksidasyon derecesinin düşük olduğunu göstermektedir. Şekil 8 (b), (d) ve (f)'de gösterildiği gibi aşınma morfolojisinin daha da büyütülmesiyle, 316L alt tabakadan plastik deformasyon, çatlama, malzeme dökülmesi ve aşınma kalıntısı oluşturan malzemenin yapışkan aşınma fenomeni gözlemlenebilir. Bunun nedeni, 316L matrisinin nispeten yumuşak olmasıdır. Sürtünme ve aşınma sırasındaki kesme kuvveti 316L'nin akma dayanımından daha büyük olduğunda, matris plastik deformasyona uğrayarak küçük delikler ve mikro çatlaklar oluşturur. Aşınma süresi arttıkça, mikro çatlaklar genişler ve matris katmanlar halinde dökülür. Aşınma morfolojisinde az miktarda oluk izi gözlemlenebilir, bu da 316L matrisinin aşınma biçiminin esas olarak yapışkan aşınma ve az miktarda aşındırıcı aşınma olduğunu gösterir. Wang vd. [20] de 316L paslanmaz çeliğin benzer aşınma morfolojisi özelliklerini bildirmiştir. Kaplama tabakasının aşınma morfolojisinin plastik deformasyon fenomeni daha azdır, esas olarak büyük miktarda oluklu morfoloji gösterir; bu da aşınma şeklinin esas olarak aşındırıcı aşınma ve az miktarda yapışkan aşınma olduğunu gösterir. Stellite6 lazer kaplama tabakası, Cr, W ve diğer elementlerin katı çözeltisini içerir; bu da kaplama tabakasının sertliğini ve deformasyon direncini artırır. Taneler arasında bulunan ağ ötektik karbürler sert noktalar görevi görerek matrisin deformasyonunu daha da engeller. Aşınma sırasında, sert karbürler gerilim yoğunlaşması nedeniyle kısmen dökülerek çukurlar oluşturur. Dökülen sert parçacıklar aşındırıcı görevi görerek kaplama tabakasının oluklu bir morfoloji oluşturmasına neden olur. İki kaplama tabakasının aşınma morfolojisi, tek bir kaplama tabakasınınkine benzerdir. Plastik deformasyon fenomeni daha da azalır ve aşınma şekli tek bir kaplama tabakasınınkiyle tutarlıdır.

3 Sonuç

• Stellite6 alaşımı, iki katmanlı lazer tel kaplama işlemi kullanılarak 316L paslanmaz çeliğin yüzeyine kaplandı. İşlem parametreleri ayarlanarak, iyi şekillendirilmiş ve inklüzyon ve çatlak gibi kusurlar içermeyen yaklaşık 3 mm kalınlığında bir kaplama tabakası elde edilebildi. Kaplama tabakasının merkezinde ve kenarında seyreltme oranı nispeten homojen olup %5'ten azdır.
• Lazer tel beslemeli kaplama tabakasının mikro yapısı, hipoötektik bir yapıdır; yani, dendritik Co açısından zengin ötektik öncesi katı çözelti ve Cr ve W ötektik karbürlerin bir ağıdır. Ötektik karbürler, kaplama tabakasının alt kısmında daha az, üst kısmında ise daha fazladır. Daha küçük lazer gücü ve daha hızlı tel besleme hızı, kaplama tabakasının üst kısmında daha fazla ağ ötektik karbür oluşumuna yol açacaktır. (3) Alt tabakadan birinci kaplama tabakasına ve ardından ikinci kaplama tabakasına doğru, Stellite6 tel beslemeli lazer kaplama tabakasının sertliği, uzunlamasına yönde kademeli bir şekilde artar ve sonunda 1.8 mm kalınlıktan sonra stabilize olur; kaplama tabakasının sertliği, yüzeye yakın enine yönde nispeten homojendir ve 450 ila 550 HV arasında değişir; merkezin sertliği, kaplama sırasında ısı birikimiyle ilgili olarak kenarın sertliğinden biraz daha yüksektir. (4) Lazer tel besleme kaplama tabakasının aşınma direnci, sürtünme ve aşınma testi ile değerlendirilmiştir. Sonuçlar, kaplama tabakasının aşınma modunun, Cr, W ve diğer elementlerin katı çözeltisi ve çok sayıda ağ yapılı sert karbürün varlığı nedeniyle 316L alt tabakanın yapışkan aşınmasından aşındırıcı aşınmaya dönüştüğünü ve bunun da alt tabakanın aşınma direncini önemli ölçüde iyileştirdiğini göstermektedir. İki katmanlı kaplamaya sahip kaplama yüzeyinin sürtünme katsayısı 0.37'dir ve ağırlık kaybı alt tabakaya kıyasla %53.9 oranında azalmıştır.