1. Giới thiệu về công nghệ phủ lớp bằng laser

Công nghệ phủ lớp bằng laser mang lại những lợi thế đáng kể so với các kỹ thuật xử lý bề mặt khác, bao gồm phạm vi ứng dụng rộng rãi, khả năng thích ứng cao với quy trình và tính linh hoạt cao trong gia công. Công nghệ phủ lớp bằng laser có thể được sử dụng để tạo ra các lớp phủ hợp kim có các chức năng cụ thể như chống mài mòn, chống ăn mòn và chống oxy hóa trên bề mặt các bộ phận. Các lớp phủ này tạo ra liên kết kim loại với vật liệu nền, hình thành các lớp gia cố dày đặc, hiệu suất cao, giúp tăng đáng kể tuổi thọ của các bộ phận. Ngoài ra, độ dày của các lớp phủ bằng laser có thể đạt tới 10 mm (tương đương với hàn PTA nhưng có độ bám dính cao hơn nhiều). Không giống như phun plasma và các quy trình khác, phủ bằng laser có khả năng kiểm soát nhiệt đầu vào chính xác hơn, dẫn đến biến dạng tối thiểu của phôi.

Tuy nhiên, phủ lớp bằng laser là một quá trình nóng chảy và đông đặc nhanh chóng, trong đó vũng kim loại nóng chảy phải chịu những biến động nhiệt độ mạnh mẽ trong thời gian rất ngắn. Điều này dẫn đến sự tập trung ứng suất nhiệt, có thể dễ dàng gây ra hiện tượng nứt lớp phủ. Các loại và nguyên nhân gây nứt như sau:

2. Các loại vết nứt và nguyên nhân gây ra chúng

1. Nứt do lạnh (hình thành trong quá trình làm lạnh)

Hiện tượng nứt do lạnh chủ yếu xảy ra trong giai đoạn làm nguội của quá trình phủ lớp. Hiện tượng này do ứng suất nhiệt gây ra, khi ứng suất này vượt quá giới hạn độ bền kéo của vật liệu do sự chênh lệch nhiệt độ giữa vũng kim loại nóng chảy và vật liệu nền. Để giải quyết vấn đề này, các biện pháp sau đây thường được áp dụng:

• Xử lý gia nhiệt sơ bộ: Việc làm nóng trước vật liệu nền trước khi hàn phủ bằng laser có thể giúp giảm hiệu quả độ chênh lệch nhiệt độ và làm chậm tốc độ làm nguội, từ đó giảm ứng suất nhiệt và ngăn ngừa nứt vỡ. Tuy nhiên, nhiệt độ làm nóng trước phải được kiểm soát chính xác. Nếu nhiệt độ quá cao, có thể dẫn đến tình trạng vật liệu nền bị quá nhiệt, hạt tinh thể to ra hoặc thậm chí làm biến dạng chi tiết, từ đó ảnh hưởng đến độ chính xác kích thước.
• Thiết kế lớp chuyển tiếp: Bằng cách thêm một lớp chuyển tiếp trung gian tương thích với cả lớp nền và lớp phủ, có thể giảm bớt ứng suất do sự không tương thích giữa các hệ số giãn nở nhiệt, từ đó làm giảm nguy cơ nứt vỡ. Mặc dù phương pháp này hiệu quả, nhưng nó làm tăng độ phức tạp của quy trình và chi phí sản xuất.

2. Nứt do nhiệt (hình thành trong quá trình đông đặc)

Hiện tượng nứt nóng thường xảy ra vào giai đoạn cuối của quá trình đông đặc vũng kim loại nóng chảy. Các nguyên nhân chính bao gồm:

• Xỉ và tạp chất phi kim loại: Nếu bột hợp kim chứa một lượng đáng kể các thành phần phi kim loại (như lưu huỳnh, phốt pho hoặc tạp chất có nhiệt độ nóng chảy thấp), những thành phần này có thể không nóng chảy hoàn toàn hoặc nổi lên khỏi vũng kim loại nóng chảy. Chúng có thể bị kẹt lại trong cấu trúc đã đông đặc, trở thành nguyên nhân gây nứt vỡ khi chịu ứng suất.
• Sự không phù hợp của các thông số quy trình: Nếu các thông số như công suất laser, tốc độ quét và tốc độ cấp bột không được cài đặt đúng cách, vũng kim loại nóng chảy có thể không có đủ thời gian để phản ứng hoặc không cho phép các thành phần phi kim loại nổi lên bề mặt. Trong những trường hợp như vậy, cần tăng công suất laser một cách hợp lý hoặc giảm tốc độ quét để kéo dài thời gian ở pha lỏng của vũng kim loại nóng chảy. Điều này sẽ giúp thúc đẩy quá trình nổi lên của tạp chất và thoát khí, từ đó giảm nguy cơ nứt nóng.

3. Vết nứt do gia công (hình thành trong quá trình xử lý sau gia công)

Các lớp phủ laser cũng có thể xuất hiện vết nứt cơ học trong quá trình gia công sau như tiện hoặc phay. Lớp phủ thường chứa các pha cứng và giòn (như cacbua và borua), nếu phải chịu lực cắt quá lớn hoặc sử dụng dụng cụ gia công không phù hợp, có thể dẫn đến sự tập trung ứng suất cục bộ, gây ra các vết nứt vi mô hoặc thậm chí là hiện tượng bong tróc ở quy mô vĩ mô. Để ngăn chặn vấn đề này, cần tối ưu hóa các quy trình gia công sau:

• Chọn vật liệu và góc hình học phù hợp cho dụng cụ cắt.
• Điều chỉnh độ sâu cắt và tốc độ tiến dao.
• Sử dụng lượng chất bôi trơn tối thiểu hoặc các phương pháp làm mát ở nhiệt độ thấp để giảm nhiệt độ và lực cắt.

3. Tóm tắt và Giải pháp

Hiện tượng nứt trên lớp phủ phủ lớp bằng laser là kết quả của sự tác động tổng hợp giữa các đặc tính vật liệu, các thông số quy trình và điều kiện ứng suất. Greenstone-Tech khuyến nghị áp dụng một phương pháp toàn diện để kiểm soát hiện tượng nứt trong quá trình thi công, bao gồm:

• Lựa chọn bột hợp kim: Lựa chọn loại bột hợp kim phù hợp để đáp ứng các yêu cầu về tính năng và giảm thiểu nguy cơ nứt vỡ.
• Tối ưu hóa các thông số quy trình: Điều chỉnh các thông số như công suất laser, tốc độ quét và tốc độ cấp bột để đảm bảo lớp phủ đồng đều và chất lượng cao.
• Các chiến lược gia nhiệt trước và xử lý sau: Áp dụng quá trình gia nhiệt trước khi phủ lớp và các quy trình xử lý sau như xử lý nhiệt để giải phóng ứng suất bên trong và nâng cao tính chất vật liệu.
• Phối hợp gia công: Tối ưu hóa các công đoạn xử lý sau gia công nhằm giảm ứng suất cơ học và ngăn ngừa nứt vỡ.

Bằng cách kiểm soát một cách có hệ thống các yếu tố này, có thể ngăn chặn hiệu quả hiện tượng nứt nẻ và tạo ra các lớp phủ hoàn chỉnh, chắc đặc và có hiệu suất cao.