การหุ้มด้วยเลเซอร์เป็นเทคโนโลยีการปรับเปลี่ยนพื้นผิวที่ใช้ลำแสงเลเซอร์พลังงานสูงเป็นแหล่งความร้อนเพื่อเคลือบโลหะผสมที่มีคุณสมบัติพิเศษบนพื้นผิว มีข้อได้เปรียบจากอัตราการเจือจางต่ำ พื้นที่รับความร้อนขนาดเล็ก แรงยึดเกาะสูงกับพื้นผิว และมลภาวะต่อสิ่งแวดล้อมน้อย ดังนั้นจึงใช้กันอย่างแพร่หลายในการซ่อมแซมพื้นผิวและเสริมความแข็งแรงของส่วนประกอบสำคัญ เช่น การผลิตรถยนต์ อุตสาหกรรมปิโตรเคมี และเครื่องจักรเหมืองแร่
การหุ้มด้วยเลเซอร์เป็นกระบวนการทางโลหะวิทยาที่ซับซ้อนซึ่งเกี่ยวข้องกับฟิสิกส์ เคมี และวัสดุ ลักษณะการให้ความร้อนอย่างรวดเร็วและการแข็งตัวอย่างรวดเร็วมักทำให้เกิดข้อบกพร่อง เช่น รอยแตกและรูพรุนในชั้นหุ้ม ในการศึกษาก่อนหน้านี้ นักวิชาการทั้งในและต่างประเทศส่วนใหญ่กำจัดหรือลดข้อบกพร่องของการเคลือบผิวด้วยเลเซอร์ผ่านการออกแบบวัสดุและการปรับพารามิเตอร์กระบวนการให้เหมาะสม อย่างไรก็ตาม สำหรับการเคลือบโลหะผสมที่มีความแข็งสูง ยังคงเป็นเรื่องยากที่จะกำจัดข้อบกพร่องของโครงสร้างโดยการเปลี่ยนกระบวนการที่มีอยู่ ซึ่งจำเป็นต้องพิจารณาถึงการควบคุมโครงสร้างการแข็งตัวของสารเคลือบผิวโดยใช้สนามภายนอก ซึ่งจะช่วยปรับปรุงคุณภาพของการเคลือบ ในฐานะที่เป็นเทคโนโลยีเสริมภาคสนามภายนอก สนามแม่เหล็กไฟฟ้ามีข้อดีของการผสมผสานที่หลากหลาย การควบคุมที่ดี และเป็นมิตรต่อสิ่งแวดล้อม มันถูกนำไปใช้ในการหล่อ การเชื่อม การประมวลผลด้วยเลเซอร์ และสาขาอื่นๆ แรงแม่เหล็กไฟฟ้าที่เกิดจากสนามแม่เหล็กไฟฟ้าจะใช้ในการกวนสารหลอมละลาย ซึ่งสามารถทำให้เกิดการพาความร้อนสูงของโลหะเหลวในสระหลอมเหลว ทำให้สนามอุณหภูมิและการกระจายตัวละลายในสระหลอมเหลวเป็นเนื้อเดียวกัน และมีบทบาทในการลดระดับของ supercooling และการปรับแต่งโครงสร้างการแข็งตัว
1 กลไกอิทธิพลของสนามแม่เหล็กไฟฟ้าในกระบวนการหุ้มด้วยเลเซอร์
สนามแม่เหล็กไฟฟ้าเป็นวิธีเสริมสนามภายนอกแบบไม่สัมผัส ในระหว่างกระบวนการเคลือบผิวด้วยเลเซอร์ สนามแม่เหล็กไฟฟ้าจะทำปฏิกิริยากับโลหะที่หลอมละลายในสระหลอมเหลวเพื่อสร้างแรงแม่เหล็กไฟฟ้า แรงแม่เหล็กไฟฟ้าจะเปลี่ยนการเคลื่อนที่แบบพาความร้อนและการถ่ายเทมวลและกระบวนการถ่ายเทความร้อนของวัสดุหลอม แล้วส่งผลต่อกระบวนการแข็งตัวของชั้นหุ้ม อิทธิพลของสนามแม่เหล็กไฟฟ้าที่มีต่อพฤติกรรมการเคลื่อนที่ของวัสดุหลอมนั้นส่วนใหญ่สะท้อนให้เห็นในหลายแง่มุม เช่น ผลกระทบจากการกวนด้วยแม่เหล็กไฟฟ้า ผลกระทบจากการเบรกด้วยแม่เหล็กไฟฟ้า ผลกระทบของของไหลแม่เหล็กไฟฟ้าความร้อน ผลกระทบจากการย้ายถิ่นด้วยไฟฟ้า และผลกระทบต่อผิวหนัง อิทธิพลของสนามแม่เหล็กไฟฟ้าที่มีต่อกระบวนการทำให้แข็งตัวของสารหลอมเหลวนั้นสะท้อนให้เห็นในหลายแง่มุมเป็นหลัก เช่น การกระจายตัวของเมล็ดพืช ผลกระทบจากความผันผวนของหมู่อะตอม และผลกระทบจากความร้อนของจูล
2 ผลกระทบของรูปแบบสนามแม่เหล็กไฟฟ้าที่แตกต่างกันต่อโครงสร้างจุลภาคและคุณสมบัติของการเคลือบผิวด้วยเลเซอร์
- สนามแม่เหล็กในสภาวะคงตัว: สนามแม่เหล็กในสภาวะคงตัวช่วยยับยั้งการกระเพื่อมของผิวเคลือบ ลดจำนวนรอยแตก และปรับปรุงโครงสร้างการเคลือบ สนามแม่เหล็กในสภาวะคงตัวสามารถลดความเร็วการไหลภายในสระหลอมเหลวได้ แต่ไม่มีผลชัดเจนต่อสนามอุณหภูมิ เมื่อความแรงของสนามแม่เหล็กในสภาวะคงตัวสูงกว่าค่าหนึ่ง จะมีผลยับยั้งการกระเพื่อมของพื้นผิวของชั้นหลอมเหลวอย่างมีนัยสำคัญ
- สนามแม่เหล็กที่ไม่คงที่: สนามแม่เหล็กสลับมีผลเพียงเล็กน้อยต่อความกว้างและอัตราการเจือจางของชั้นหุ้ม ในขณะที่ความสูงและมุมสัมผัสของมันลดลงตามความแรงของสนามแม่เหล็กที่เพิ่มขึ้น และความเรียบของพื้นผิวของชั้นหุ้มก็ได้รับผลกระทบจากเช่นกัน ความแรงของสนามแม่เหล็กและความถี่ เมื่อเปรียบเทียบกับสนามแม่เหล็กแบบสลับและหมุน สนามแม่เหล็กแบบพัลซิ่งสามารถนำไปใช้กับสระหลอมเหลวเป็นระยะๆ โดยการควบคุมความแรงและความถี่ของสนามแม่เหล็ก อย่างไรก็ตาม เนื่องจากลักษณะพิเศษของกระบวนการให้ความร้อนอย่างรวดเร็วและการเย็นตัวอย่างรวดเร็วของการหุ้มด้วยเลเซอร์ ระยะเวลาการคงอยู่ของสระหลอมเหลวจึงค่อนข้างสั้น ดังนั้นจึงมีการศึกษาค่อนข้างน้อยเกี่ยวกับการหุ้มด้วยเลเซอร์ที่ใช้สนามแม่เหล็กเป็นจังหวะ ดังที่แสดงในรูป เมื่อเทียบกับตัวอย่างที่เตรียมโดยไม่มีความช่วยเหลือจากภาคสนามภายนอก สนามแม่เหล็กทั้งสี่ประเภทสามารถลดจำนวนรอยแตกในการเคลือบ ขัดเกลาเมล็ดพืช และเพิ่มความแข็งของสารเคลือบ ในหมู่พวกเขา การหุ้มด้วยเลเซอร์ที่อาศัยสนามแม่เหล็กเป็นพัลซิ่งมีผลดีที่สุด แต่ปรากฏการณ์ของการแยกเฟสแข็งจะปรากฏในการเคลือบ
สนามไฟฟ้าเดียวใช้กันอย่างแพร่หลายในการเชื่อมและการหล่อ แต่มีการวิจัยน้อยกว่าในด้านการหุ้มด้วยเลเซอร์ ในปัจจุบัน มีสนามไฟฟ้าสองรูปแบบหลักที่ใช้ในการหุ้มด้วยเลเซอร์: สนามไฟฟ้ากระแสสลับและสนามไฟฟ้าพัลส์
- สนามไฟฟ้าสลับ: ผลของอิเล็กโตรมิเกรชันทำให้ไอออนในสารหลอมละลายเคลื่อนที่ไปในทิศทางเดียวกัน และผลกระทบจากความร้อนของจูลในปัจจุบันจะเปลี่ยนอุณหภูมิของสารหลอมเหลว ซึ่งส่งผลต่อกระบวนการแข็งตัวของชั้นหุ้ม กระแสสลับสามารถส่งเสริมการปรับแต่งเกรนและในขณะเดียวกันก็เพิ่มความสูงของพื้นที่เกรนละเอียดที่ด้านล่างของสารเคลือบ ซึ่งช่วยลดการเกิดรอยร้าว การแนะนำของกระแสสลับจะสร้างแรงแม่เหล็กไฟฟ้าเหนี่ยวนำที่มีการเปลี่ยนแปลงทิศทางอย่างต่อเนื่องในสระหลอมเหลว ซึ่งจะทำหน้าที่เป็นคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าที่ส่งผลต่อโลหะเหลวในสระหลอมเหลว ลดการไล่ระดับอุณหภูมิที่ด้านหน้าการแข็งตัว และส่งผลให้ การปรับแต่งธัญพืช
- สนามไฟฟ้าพัลส์: กระแสพัลส์มีลักษณะของความไม่ต่อเนื่อง ความแปรปรวน และระยะเวลา การใช้กระแสพัลส์ในระหว่างกระบวนการหุ้มสามารถเปลี่ยนความเร็วของการไหลของวัสดุหลอม และแรงเฉือนที่เกิดขึ้นในวัสดุหลอมสามารถทำลายเกรนที่ก่อตัว เพิ่มอัตราการเกิดนิวเคลียส และทำให้เกรนละเอียดขึ้น
3 ระบบวัสดุเคลือบผิวเคลือบด้วยเลเซอร์ที่ใช้สนามแม่เหล็กไฟฟ้าช่วย
ในปัจจุบัน เทคโนโลยีการหุ้มด้วยเลเซอร์ที่ใช้สนามแม่เหล็กไฟฟ้าช่วยได้ถูกนำมาใช้ในการเตรียมการเคลือบโลหะผสมและการเคลือบคอมโพสิตต่างๆ สำหรับการเคลือบโลหะผสม สนามแม่เหล็กไฟฟ้าช่วยปรับปรุงการทำให้เป็นเนื้อเดียวกันของส่วนประกอบการเคลือบและการกระจายของเฟสที่ตกตะกอน สำหรับการเคลือบแบบคอมโพสิต เอฟเฟกต์การกวนด้วยคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าของสนามแม่เหล็กไฟฟ้าสามารถเปลี่ยนลักษณะการกระจายของเฟสเสริมความแข็งแกร่งในสระหลอมเหลวได้
- การเคลือบผิวด้วยธาตุเหล็ก: หลังจากใช้สนามแม่เหล็กไฟฟ้า เมื่อความแรงของสนามแม่เหล็กเพิ่มขึ้น ความหยาบผิวของชั้นหุ้มจะลดลง โครงสร้างจะได้รับการปรับปรุงอย่างมีนัยสำคัญ และข้อบกพร่อง เช่น รูพรุนและรอยแตกจะลดลง ความแข็ง ความทนทานต่อการสึกหรอ และความต้านทานการกัดกร่อนของสารเคลือบได้รับการปรับปรุงให้ดีขึ้น เมื่อเทียบกับการเคลือบที่เตรียมโดยไม่มีสนามแม่เหล็ก ค่าความแข็งของสารเคลือบที่เตรียมโดยใช้สนามแม่เหล็กจะมีความเสถียรมากกว่าตามทิศทางความลึก
- การเคลือบด้วยโคบอลต์: สนามแม่เหล็กในสภาวะคงตัวสามารถยับยั้งการพาความร้อนของสระหลอมเหลว และทำให้การแยกมาโครสมบูรณ์ยิ่งขึ้น และองค์ประกอบเมทริกซ์สามารถกระจายได้มากขึ้นที่ด้านล่างของสระหลอมเหลว ดังนั้นจึงง่ายต่อการรับ ชั้นหุ้มที่มีองค์ประกอบใกล้เคียงกับผงโลหะผสม ผลกระทบจากสนามแม่เหล็กที่เกิดจากสนามแม่เหล็กสามารถลดค่าสัมประสิทธิ์การขยายตัวทางความร้อนและโมดูลัสยืดหยุ่นของชั้นการหุ้มได้อย่างมีประสิทธิภาพ ลดความเค้นจากความร้อนในระหว่างกระบวนการหุ้ม และลดความไวในการแตกร้าว
- การเคลือบคอมโพสิต: สนามแม่เหล็กคงที่ไม่ส่งผลกระทบต่อองค์ประกอบเฟสของการเคลือบคอมโพสิต แต่มีผลกระทบอย่างมีนัยสำคัญต่อโครงสร้างจุลภาคของการเคลือบและการกระจายของเฟสการเสริมแรงเซรามิก ความแรงของสนามแม่เหล็กบางอย่างเอื้อต่อการปรับแต่งโครงสร้าง และการกระจายตัวของเฟสการเสริมแรงเซรามิกในโครงสร้างนั้นหนาแน่น รูปแสดงอิทธิพลของสนามแม่เหล็กไฟฟ้าประกอบร่วมกับสนามแม่เหล็กในสภาวะคงที่และสนามไฟฟ้ากระแสตรงต่อการกระจายและโครงสร้างจุลภาคของอนุภาค WC ในการเคลือบคอมโพสิต In718/WC ที่หุ้มด้วยเลเซอร์ แรง Lorentz ที่ลดลงซึ่งเกิดจากสนามแม่เหล็กไฟฟ้าสามารถเพิ่มการพาความร้อนของ Marangoni ในแอ่งหลอมเหลว ซึ่งก่อให้เกิดการกระจายอย่างสม่ำเสมอของอนุภาค WC ในการเคลือบคอมโพสิต กระแสตรงสามารถเพิ่มอัตราการเกิดนิวเคลียสของยูเทคติกคาร์ไบด์ได้ และการพาความร้อนของ Marangoni ที่ได้รับการปรับปรุงสามารถทำลายเดนไดรต์แบบเรียงเป็นแนวได้ ซึ่งจะเป็นการปรับปรุงโครงสร้าง
4 แนวโน้ม
เทคโนโลยีการหุ้มด้วยเลเซอร์ที่ใช้สนามแม่เหล็กไฟฟ้าช่วยสามารถตระหนักถึงการควบคุมโครงสร้างจุลภาคของชั้นการหุ้ม ส่งเสริมการปรับแต่งเกรน ลดการแยกองค์ประกอบ ทำให้การกระจายของเฟสการเสริมความแข็งแรงมีความสม่ำเสมอมากขึ้น และยับยั้งการเริ่มต้นของข้อบกพร่อง เช่น รูและรอยแตก ดังนั้น การเคลือบผิวที่มีคุณสมบัติดีเยี่ยมสามารถเตรียมได้โดยเทคโนโลยีการหุ้มด้วยเลเซอร์ที่ใช้สนามแม่เหล็กไฟฟ้าช่วย เทคโนโลยีการหุ้มด้วยเลเซอร์โดยใช้สนามแม่เหล็กไฟฟ้าเป็นนวัตกรรมของเทคโนโลยีการประมวลผลด้วยเลเซอร์แบบดั้งเดิม ไม่เพียงแต่ส่งเสริมการประยุกต์ใช้ทฤษฎีแม่เหล็กไฟฟ้าในเทคโนโลยีการประมวลผลด้วยเลเซอร์เท่านั้น แต่ยังส่งเสริมการพัฒนาเทคโนโลยีการผลิตซ้ำด้วยเลเซอร์บนพื้นผิวของชิ้นส่วนที่มีประสิทธิภาพสูงอีกด้วย มีการวิจัยเชิงทฤษฎีและโอกาสในการใช้งานด้านวิศวกรรมอย่างกว้างขวาง