Transcript Warstwy powierzchniowe kszta*towane z wykorzystaniem

Warstwy powierzchniowe
kształtowane z wykorzystaniem
technologii laserowych
Ina Domider
Kamil Panaś
Studenci Edukacji Techniczno – Informatycznej, SUM sem.3
Technologia
Znaczenie obróbki laserowej stosowanej do kształtowania
struktur i własności materiałów inżynierskich na przestrzeni
minionych lat znacząco wzrosło.
Technologie laserowe stosuje się do wytwarzania warstw
powierzchniowych różnymi metodami:
- cieplnymi (hartownie, nadtapianie, ablacja laserowa),
- cieplno – chemicznymi (stopowanie),
- cieplno – mechanicznymi (utwardzanie).
Technologia
Głowica lasera
wiązka
Soczewka
Wylot skoncentrowanej wiązki
Technologia
Wiązkę laserową wykorzystuje się do nagrzewania warstwy
wierzchniej obrabianego materiału, aby zapewnić zmiany w
strukturze, umożliwiając uzyskanie wymaganych własności
mechanicznych, fizycznych lub chemicznych.
Zaleta - poprawa własności eksploatacyjnych
obrabianego elementu.
Laserowa obróbka powierzchni
Oddziaływanie na powierzchnię materiału – absorbcja
energii cieplnej
Duża różnica temperatury pomiędzy roztopiona
warstwą, a nie nadtopionym podłożem.
Mieszanie obramianego materiału.
Materiał ulega szybkiemu krzepnięciu.
Uzyskanie warstwy powierzchniowej.
Laserowa obróbka powierzchni
 Przetapianiu laserowemu warstwy
powierzchniowej towarzyszy
powstawanie plazmy i parowanie
materiału.
 Plazma ekranuje powierzchnie
przed dalszym nagrzewaniem
laserowym.
 W miejscu wnikania wiązki
laserowej, w jeziorku powstaje
lejkowate zagłębienie, na którego
powierzchnię działa ciśnienie
hydrostatyczne cieczy od strony
roztopionego materiału oraz
ciśnienie par od strony wiązki.
Laserowa obróbka powierzchni
 Następuje ruch względny
zagłębienia w stronę
nieroztopionego materiału.
 Ciśnienie par powoduje
wypełnienie zagłębienia po jego
przesunięciu się. Powstaje
wypływka na obrzeżach materiału
oraz pofałdowanie na powierzchni
przetopionego materiału.
 Efekt ten można osłabić przez
zdmuchiwanie plazmy przez gaz
obojętny.
Głowica laserowa
materiał
Laserowa obróbka powierzchni
Wśród technologii laserowych zapewniających wymagane
własności powierzchniowe materiału, w zależności od
gęstości mocy wiązki lasera i czasu oddziaływania wiązki na
materiał możemy wyróżnić:




przetapianie
stopowanie
wtapianie
natapianie
Stopowanie, wtapianie i napawanie laserowe zapewniają
najwyższą jakość warstwy wierzchniej i bardzo wysoka jakość
połączenia z podłożem.
Laserowa obróbka powierzchni
Przetapianie laserowe
W zależności od efektów uzyskiwanych
w wyniku przetapiania i krzepnięcia:
-
hartowanie przetopieniowe
szkliwienie
zagęszczanie
wygładzanie
W zależności od zastosowanej energii
wiązki laserowej oraz prędkości
skanowania:
-
podtapianie
przetapianie
intensywne przetapianie
b. intensywne przetapianie
Hartowanie przetopieniowe
 Powoduje rozdrobnienie struktury materiału wyjściowego.
 W warstwie powierzchniowej po procesie wyróżnia się strefy.
- strefa powierzchniowa,
- strefa gdzie węgliki ulegają całkowitemu, bądź
częściowemu rozpuszczeniu,
- strefa o strukturze niejednorodnej,
- strefa przyrdzeniowa.
 Polepszenie własności eksploatacyjnych, zmęczeniowych i
antykorozyjnych.
 Pogorszenie chropowatości powierzchni.
Warstwy gradientowe
Wytwarzane są technika laserową. Oprócz bardzo dobrego
połączenia metalurgicznego z podłożem, zapewniają wysoką
odporność na korozję, zużycie, wysoką żaroodporność i twardość,
jak i ciągliwość, plastyczność i wytrzymałość zmęczeniową.
Nawęglanie laserowe
Do tego procesu wykorzystywany jest np. proszek grafitu,
zmieszany z rozcieńczonym alkoholem poli(winylowym)
i nanoszony na powierzchnie próbki. Następnie przygotowaną
warstwę przetapia się laserem.
Wzornikowanie
Jest to jedna z nowszych metod kształtowania powierzchni.
Polega na zmianie własności i topografii powierzchni
wykorzystującej zjawisko punktowego naświetlania laserem
(ang. lasser pattering).
Zastosowanie w przemyśle
Koła zębate.
Obecnie realizuje się to poprzez nawęglanie powierzchni
stalowych kół zębatych. Nowym, przyszłościowym
rozwiązaniem jest wytworzenie kół zębatych w taki sposób
by wewnętrzne warstwy były wykonane z metalu, natomiast
warstwy zewnętrzne z twardej ceramiki- połączonej z
metalem poprzez warstwy pośrednie.
Ablacja laserowa
Proces rozpylania, w którym usuwanie materiału następuje z
szybkością kilku monowarstw atomowych na impuls, a
powierzchnia ulega zmianom strukturalnym i pod względem
składu chemicznego i fazowego.
Oddziaływanie wiązki laserowej z materiałem, które prowadzi do
jego odparowania (ablacji), jest procesem złożonym fizycznie.
Składa się z 4 etapów:
- wykorzystanie energii fotonów promieniowania laserowego i
zamiana w energię cieplną
- topienie warstwy materiału,
- odparowanie,
- jonizacja i rozprężenie par oraz tworzenie się i
rozprzestrzenienie się plazmy.
Laserowe osadzenie z fazy gazowej
Proces jest wspomagany chemicznie i przebiega podobnie do
ablacji. Jako materiału do wytwarzania plazmy za pomocą wiązki
laserowej stosuje się odpowiedni gaz, którego cząstki są
rozkładane energią lasera przy równoczesnym podwyższaniu
temperatury podłoża, na których osadzana jest powłoka.
Laserowa synteza materiałów z fazy ciekłej
Ma postać warstw lub nanocząstek. Proces ten zachodzi, jeżeli
napromieniowanie laserowe powierzchni ciała stałego jest
zanurzone w cieczy o wystarczająco dużej przepuszczalności dla
wiązki światła laserowego o określonej długości.
Podsumowanie
Technologie laserowe są obecnie w szerokim zakresie
wykorzystywane w przemyśle, ze względu na dobre wyniki
po procesie przetwarzania a także relatywnie niską cenę.
Metoda nawęglania
Metoda grawerowania
Bibliografia
• Dobrzański L. Kształtowanie struktury i własności powierzchni
materiałów inżynierskich, Gliwice 2009.
• http://www.openaccesslibrary.com/vol05/5.pdf
• http://forsurf.pl/cdrom/content/KSiWMIiB.pdf
Koniec
Ina Domider
Kamil Panaś
Studenci Edukacji Techniczno – Informatycznej, SUM sem.3