Как правильно выбрать порошок для лазерной наплавки, чтобы обеспечить превосходные характеристики поверхности?

Критическая роль морфологии порошка в лазерной наплавке

В процессе лазерной наплавки физические характеристики порошка так же важны, как и его химический состав. Для успешного металлургического соединения и получения однородного слоя порошок должен обладать превосходной сыпучестью и постоянным распределением частиц по размерам. Сферические порошки, обычно получаемые путем газового распыления, являются предпочтительными, поскольку они минимизируют внутреннее трение внутри системы подачи. Это обеспечивает постоянный массовый расход в ванну лазерного расплава, предотвращая колебания, которые могут привести к неравномерной толщине или «скатываниям» наплавленной дорожки. Когда частицы имеют неровную или зубчатую форму, они имеют тенденцию засорять нагнетательные сопла и вызывать турбулентность защитного газа, что в конечном итоге приводит к пористости и снижению общей плотности защитного покрытия.

Распределение частиц по размерам (PSD) также играет решающую роль в поглощении энергии. Обычно порошки для лазерной наплавки классифицируются в диапазоне от 45 до 150 микрометров. Более мелкие частицы могут расплавиться слишком быстро или быть сдуты потоком газа, не достигнув подложки, в то время как слишком крупные частицы могут расплавиться не полностью, что приведет к образованию «нерасплавленных включений», которые действуют как концентраторы напряжений. Достижение идеального баланса морфологии гарантирует равномерное распределение лазерной энергии, что приводит к гладкой поверхности, требующей минимальной постобработки.

Распространенные системы сплавов и их промышленное применение

Выбор правильного химического состава материала — это первый шаг в адаптации компонента к конкретным экологическим задачам, таким как экстремальное тепло, истирание или химическое воздействие. Порошки для лазерной наплавки обычно группируются в четыре основных семейства: композиты на основе железа, никеля, кобальта и карбид-армированные композиты. Каждая система предлагает определенные преимущества в зависимости от совместимости подложек и желаемых показателей производительности конечной детали.

Порошки на основе железа для экономического восстановления

Порошки на основе железа являются «рабочими лошадками» в восстановительной промышленности. Их часто используют для восстановления изношенных размеров деталей из углеродистой стали. Поскольку их коэффициенты теплового расширения аналогичны коэффициентам теплового расширения многих промышленных сталей, риск расслоения или растрескивания на границе раздела значительно ниже по сравнению с экзотическими сплавами. Эти порошки часто легируют хромом и кремнием, чтобы обеспечить базовую стойкость к окислению и улучшенную текучесть на этапе плавления.

Сплавы никеля и кобальта для суровых условий эксплуатации

Для деталей, работающих в агрессивных химических средах или при температурах выше 600°С, необходимы порошки на основе никеля и кобальта. Сплавы на основе никеля, такие как Inconel 625, обеспечивают надежный барьер против точечной и щелевой коррозии. Сплавы на основе кобальта, часто называемые материалами типа стеллита, сохраняют свою твердость даже при красной температуре, что делает их отраслевым стандартом для компонентов аэрокосмических турбин и паровых клапанов высокого давления.

Стратегии оптимизации использования порошков

Чтобы максимизировать эффективность лазерной наплавки и сократить отходы материала, операторы должны сосредоточиться на «эффективности улавливания» — соотношении порошка, успешно включенного в ванну расплава, по сравнению с общим количеством распыленного материала. Высококачественные порошки в сочетании с точным выравниванием сопел могут значительно снизить «избыточное распыление», которое приводит к увеличению затрат. Кроме того, хранение и обращение с этими порошками имеют решающее значение для предотвращения загрязнения и поглощения влаги, что может привести к водородному охрупчиванию или газовой пористости в готовом плакированном слое.

• Предварительный нагрев порошка или подложки для уменьшения температурных градиентов и предотвращения растрескивания высокоуглеродистых материалов.
• Использование специализированных «керметных» порошков (металлокерамических) для сочетания прочности металлической матрицы с твердостью керамических частиц.
• Регулярная калибровка устройства подачи порошка для обеспечения постоянной скорости подачи (г/мин) для получения повторяемых результатов при работе с большими партиями.
• Осуществление вакуумной сушки порошков, подвергшихся воздействию влаги, с обеспечением устранения дефектов, вызванных паром.

Понимая взаимосвязь между химией порошков, морфологией и параметрами лазера, производители могут добиться превосходных свойств поверхности, которые продлевают срок службы критически важной инфраструктуры. Будь то аддитивное производство новых деталей или ремонт дорогостоящего оборудования, выбор порошка для лазерной наплавки остается наиболее влиятельным фактором, влияющим на долговечность и качество конечного продукта.