การวิเคราะห์ประสิทธิภาพของการเคลือบหุ้มด้วยเลเซอร์บนใบมีดโลหะผสมไทเทเนียม

เครื่องยนต์อากาศยานสมัยใหม่เกี่ยวข้องกับสาขาวิชาวิชาชีพมากมาย เช่น นิวแมติกส์ วิศวกรรมความร้อน โครงสร้างและความแข็งแกร่ง การควบคุม การทดสอบ คอมพิวเตอร์ เทคโนโลยีการผลิตและวัสดุ และได้รับการยกย่องว่าเป็นไข่มุกแห่งมงกุฎของอุตสาหกรรมสมัยใหม่ ใบพัดคอมเพรสเซอร์เป็นหนึ่งในองค์ประกอบที่สำคัญที่สุดของเครื่องยนต์อากาศยาน แรงเหวี่ยงและโมเมนต์การดัดงอ แรงตามหลักอากาศพลศาสตร์และโมเมนต์การดัดงอ ภาระความร้อน และแรงสั่นสะเทือน ขณะเผชิญกับอันตรายจากวัตถุแปลกปลอม เช่น ทราย นกบิน รวมกับใบพัดโรเตอร์ของเครื่องยนต์อากาศยานจำนวนมาก คอมเพรสเซอร์ ใบมีดมีแนวโน้มที่จะสึกหรอ หลุมกัดกร่อน บล็อกหล่น การเสียรูป การแตกร้าว และการแตกหัก และความเสียหายอื่นๆ ที่นำไปสู่ความล้มเหลวของใบมีด ซึ่งคุกคามความน่าเชื่อถือและความปลอดภัยของเครื่องบินอย่างจริงจัง เนื่องจากเนื้อหาทางเทคนิคสูง ต้นทุนสูง ความยากในการประมวลผลสูง และรอบการบำรุงรักษาใบมีดคอมเพรสเซอร์ที่ยาวนาน ค่าใช้จ่ายในการซ่อมแซมใบมีดที่เสียหายจึงเป็นเพียง 20% ของค่าใช้จ่ายในการเปลี่ยนใบมีดโดยตรง ดังนั้นการซ่อมแซมใบมีดที่ชำรุดจึงเป็นทางเลือกที่ประหยัด เป็นมิตรต่อสิ่งแวดล้อม และมีประสิทธิภาพมากกว่า

การหุ้มด้วยเลเซอร์เป็นเทคโนโลยีการปรับเปลี่ยนพื้นผิวที่ได้รับความนิยมในช่วงไม่กี่ปีที่ผ่านมา เมื่อเปรียบเทียบกับเทคโนโลยีการปรับเปลี่ยนพื้นผิวแบบดั้งเดิม การหุ้มด้วยเลเซอร์มีข้อดีของระบบอัตโนมัติในระดับสูง โครงสร้างที่ละเอียดและสม่ำเสมอของชั้นการหุ้ม เม็ดละเอียด ความแข็งแรงการยึดเกาะสูงระหว่างชั้นการหุ้มและเมทริกซ์ และการเสียรูปเนื่องจากความร้อนเล็กน้อยของเมทริกซ์

ในบทความนี้ ใบมีดคอมเพรสเซอร์แรงดันสูงโลหะผสมไทเทเนียม Ti811 ถูกนำมาใช้เป็นวัตถุวิจัย และการเคลือบหุ้มถูกเตรียมบนใบมีดคอมเพรสเซอร์แรงดันสูงโลหะผสม Ti811 โดยใช้เทคโนโลยีการหุ้มด้วยเลเซอร์ส่งผงโคแอกเซียล และ TC {{4 }}Ni45+ผงโลหะผสมผสม Y2O3 ถูกใช้เป็นวัสดุหุ้ม วิเคราะห์องค์ประกอบเฟส โครงสร้างจุลภาค และความแข็งระดับไมโครของชั้นหุ้ม เป็นพื้นฐานสำหรับการซ่อมแซมใบพัดคอมเพรสเซอร์ไททาเนียมอัลลอยด์

สารตั้งต้นที่ใช้ในการทดลองคือใบมีดคอมเพรสเซอร์แรงดันสูงโลหะผสมไททาเนียม Ti811 ตารางที่ 1 แสดงองค์ประกอบทางเคมีหลักของโลหะผสมไทเทเนียม Ti811 พื้นผิวของใบมีดคอมเพรสเซอร์ถูกขัดด้วยกระดาษทรายเพื่อขจัดออกไซด์ และล้างด้วยเอทานอลแบบแอนไฮดรัสแล้วทำให้แห้ง ผงเคลือบด้วยเลเซอร์คือ 65wt%TC4, 33wt%Ni45A และ 2wt%Y2O3 ผงโลหะผสมผสม เส้นผ่านศูนย์กลางของผงระหว่าง 50~120μm ตารางที่ 2 และตารางที่ 3 แสดงส่วนประกอบทางเคมีหลักของ TC4 และ Ni45 ตามลำดับ

                                                                        ตารางที่ 1 องค์ประกอบทางเคมีของโลหะผสม Ti811 (Wt, %)

                                                                             ตารางที่ 2 องค์ประกอบทางเคมีของ TC4 (wt, %)

                                                                               ตารางที่ 3 องค์ประกอบทางเคมีของ Ni45 (wt, %)

อัตรากำลังเลเซอร์คือ 350W ความเร็วในการสแกนคือ 7 มม./วินาที ความเร็วในการป้อนผงคือ 0.9g/s เส้นผ่านศูนย์กลางจุดเลเซอร์คือ 1 มม. อัตราการไหลของก๊าซป้องกันคือ 17nl/นาที ผง อัตราการไหลของก๊าซคือก๊าซผงและก๊าซป้องกันเป็นอาร์กอน

มุมมองมาโครของชั้นหุ้มถูกสังเกตด้วยกล้องจุลทรรศน์แบบใช้แสง กล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอนแบบส่องกราด (SEM) ของ GeminiSEM 460 ถูกนำมาใช้ในการวิเคราะห์โครงสร้างจุลภาคของชั้นหุ้ม ความแข็งระดับไมโครของชั้นหุ้มวัดโดย Qness Q10A + เครื่องทดสอบความแข็งระดับไมโครอิเล็กทรอนิกส์

รูขุมขนและรอยแตกเป็นข้อบกพร่องที่พบบ่อยที่สุดในชั้นหุ้มด้วยเลเซอร์ สาเหตุหลักของการก่อตัวของรูพรุนคือก๊าซผงไม่ได้ถูกกำจัดออกทันเวลาในระหว่างกระบวนการแข็งตัวของสระหลอมเหลว และวัสดุหุ้มบางส่วนจะระเหยกลายเป็นไอเนื่องจากอุณหภูมิเลเซอร์ที่สูงในระหว่างกระบวนการหลอมเหลว สาเหตุหลักของการแตกร้าวคือความเครียดจากความร้อนที่มากเกินไป ความเค้นของโครงสร้าง และความเครียดจากการกักขัง ในกระบวนการหุ้มด้วยเลเซอร์ การก่อตัว การแข็งตัว และการระบายความร้อนของสระหลอมเหลวจะเสร็จสมบูรณ์ในเวลาอันสั้นมาก และกระบวนการทำความเย็นอย่างรวดเร็วและการให้ความร้อนอย่างรวดเร็วนำไปสู่การไล่ระดับอุณหภูมิที่มีขนาดใหญ่มาก ซึ่งเพิ่มความเครียดจากความร้อนอย่างมาก ความเครียดจากโครงสร้างจุลภาคเกิดจากความแตกต่างของความจุความร้อนจำเพาะระหว่างวัสดุหุ้มและวัสดุฐานในเวลาเดียวกัน และการเปลี่ยนแปลงที่ไม่สม่ำเสมอระหว่างการเปลี่ยนเฟส ความเค้นจำกัดคือความเค้นดึงและความเค้นอัดที่เกิดจากการขยายตัวทางความร้อนและการหดตัวด้วยความเย็นของวัสดุ และยังเป็นส่วนสำคัญของความเค้นภายในอีกด้วย

รูปที่. รูปที่ 4 แสดงภาพตัดขวางของชั้นหุ้มและชั้นหุ้มบนพื้นผิวใบมีดโลหะผสมไทเทเนียม Ti811 จะเห็นได้ว่าพื้นผิวของชั้นกาบหลายช่องที่เตรียมไว้มีความต่อเนื่องและสม่ำเสมอ ชั้นกาบไม่มีรูพรุน รอยแตก และข้อบกพร่องที่มองเห็นได้อื่นๆ และโครงสร้างภายในของชั้นกาบมีความหนาแน่นและสม่ำเสมอ และชั้นกาบ ก่อให้เกิดการผสมผสานทางโลหะวิทยาที่ดีกับเมทริกซ์ของใบมีด จะเห็นได้ว่ากระบวนการหุ้มด้วยเลเซอร์มีผลดี

(a) ชั้นกาบใบมีด (b) หน้าตัดของชั้นกาบ

1. ในบทความนี้ ผงโลหะผสมผสมถูกใช้เป็นวัสดุหุ้มบนใบมีดของคอมเพรสเซอร์แรงดันสูงโลหะผสมไททาเนียม Ti811 และชั้นหุ้มหลายช่องถูกเตรียมด้วยเทคโนโลยีการหุ้มด้วยเลเซอร์ ชั้นหุ้มมีการกระจายอย่างสม่ำเสมอโดยไม่มีข้อบกพร่องขนาดมหึมา เช่น รูขุมขนและรอยแตก เฟสตกตะกอนในชั้นหุ้มส่วนใหญ่เป็นซับสเตรต TiC, TIB2, Ti2Ni และ -Ti

2. ในชั้นหุ้ม TiC มีลักษณะเป็นทรงกลมที่มีแกนเท่ากัน Ti2Ni มีมวลไม่สม่ำเสมอ TiB2 เป็นเฟสเดนไดรต์ TiC นิวเคลียสต่างกันบนพื้นผิวของ TiB2 ก่อตัวเป็นเฟสโครงสร้างคอมโพสิต และเฟสตกตะกอนช่วยเพิ่มความแข็งระดับไมโครและความต้านทานการสึกหรอของ การเคลือบหุ้ม

3. ความแข็งระดับไมโครของการเคลือบหุ้มด้วยเลเซอร์สูงถึง 982HV0.3 และความแข็งระดับไมโครเฉลี่ยอยู่ที่ 906HV0.3 ซึ่งประมาณ 2.04 เท่าของค่าความแข็งของพื้นผิว อัตราการสึกหรอของการเคลือบหุ้มคือ 1.07×10-3mm2/ (Nm) ซึ่งน้อยกว่าของซับสเตรตประมาณ 51.5%