فرآیند اعتبار سطحی لیزری ورق استیل 316

فرآیند اعتبار سطحی لیزری ورق استیل 316

• بازدید:36
• کامنت:0
• یک شنبه, 30 شهریور 1404

چکیده:

فولاد زنگ‌ نزن آستنیتی ۳۱۶ به‌دلیل مقاومت عالی در برابر خوردگی، کاربرد گسترده‌ای در صنایع شیمیایی، غذایی و پزشکی دارد. با این حال، مقاومت سایشی نسبتاً پایین این آلیاژ، استفاده از آن را در کاربردهای مستعد سایش محدود می‌کند. این مقاله به بررسی بهبود خواص سایشی فولاد ۳۱۶ با استفاده از فناوری اعتبار سطحی لیزری (LSA) با پودر کاربید تنگستن (WC) می‌پردازد. این روش منجر به ایجاد لایه‌ای سخت و مقاوم به سایش بر سطح زیرلایه نرم‌تر می‌شود.

کلمات کلیدی: اعتبار سطحی لیزری، فولاد ۳۱۶، کاربید تنگستن، مقاومت سایشی، ریزساختار.

۱. مقدمه

سایش یکی از اصلی‌ترین مکانیزم‌های تخریب مواد در صنایع مختلف است. فولاد ۳۱۶ اگرچه مقاومت به خوردگی بالایی دارد، اما به‌دلیل سختی پایین (حدود 150 HV) مستعد سایش است. روش اعتبار سطحی لیزری (LSA) با کاربید تنگستن، راه‌حلی اقتصادی و مؤثر برای بهبود مقاومت سایشی این آلیاژ است. در این روش، پرتو لیزر پرانرژی باعث ذوب موضعی سطح و تشکیل آلیاژی بین ماده پایه و پودر کاربید تنگستن می‌شود.

۲. فرآیند اعتبار سطحی لیزری

۲.۱. آماده‌سازی سطح

تمیزکاری سطح: حذف اکسیدها و آلودگی‌ها با سمباده و حلال‌ها

پوشش پودر: پوشش‌دهی سطح با لایه یکنواختی از پودر WC (ضخامت 100-500 میکرومتر)

پیش‌گرمایش: کاهش تنش‌های حرارتی با گرم‌کردن ملایم نمونه

۲.۲. پارامترهای لیزر

منبع لیزر: معمولاً لیزر ND:YAG یا فیبری با توان 1-3 کیلووات

سرعت اسکن: 5-20 میلی‌متر بر ثانیه برای کنترل عمق نفوذ

قطر نقطه: 0.5-2 میلی‌متر برای تمرکز انرژی

گاز محافظ: آرگون برای جلوگیری از اکسیداسیون

۲.۳. مکانیزم تشکیل لایه

ذوب موضعی: ایجاد حوضچه مذاب در سطح زیرلایه

اختلاط: پخش یکنواخت ذرات WC در مذاب

انجماد سریع: تشکیل ریزساختار غیرتعادلی با نرخ خنک‌کاری 10^3-10^6 K/s

۳. تغییرات ریزساختاری

۳.۱. ناحیه ذوب شده (MZ)

ذرات WC حل‌نشده: باقی‌مانده ذرات WC در ماتریس

کاربیدهای رسوبی: تشکیل کاربیدهای پیچیده Cr/WC

دانه‌های ظریف: اندازه دانه 2-5 میکرومتر به‌دلیل انجماد سریع

۳.۲. ناحیه متأثر از حرارت (HAZ)

تبلور مجدد: رشد دانه‌های آستنیت

رسوب کاربید: تشکیل کاربید کروم در مرزدانه‌ها

عرض منطقه: 50-200 میکرومتر بسته به پارامترهای لیزر

۳.۳. انتقال به زیرلایه

پیوند متالورژیکی: اتصال قوی بین لایه و زیرلایه

گرادیان ترکیبی: تغییر تدریجی ترکیب شیمیایی

گرادیان سختی: کاهش تدریجی سختی از سطح به عمق

۴. بهبود خواص سایشی

۴.۱. مکانیزم‌های بهبود مقاومت سایشی

سختی بالا: افزایش سختی تا 800-1200 HV (5-8 برابر زیرلایه)

ذرات سخت: وجود ذرات WC به‌عنوان barriers در برابر سایش

مقاومت به چسبندگی: کاهش تمایل به جوش سرد (cold welding)

۴.۲. تست‌های سایشی

سایش ساینده: کاهش نرخ سایش تا 80% در تست pin-on-disk

سایش لغزشی: بهبود مقاومت در شرایط dry and lubricated

سایش ضربه‌ای: افزایش مقاومت در برابر بارهای دینامیکی

۴.۳. عملکرد در محیط‌های مختلف

دمای بالا: حفظ مقاومت سایشی تا 500°C

محیط‌های خورنده: ترکیب مقاومت سایشی و خوردگی

بارگذاری مکانیکی: عملکرد مطلوب تحت بارهای بالا

۵. تأثیر بر خواص دیگر

۵.۱. خواص مکانیکی

استحکام: افزایش استحکام تسلیم به‌دلیل اثر کامپوزیتی

چقرمگی: کاهش جزئی چقرمگی به‌دلیل تشکیل فازهای ترد

خستگی: بهبود مقاومت خستگی به‌دلیل تنش‌های فشاری سطحی

۵.۲. مقاومت به خوردگی

خوردگی یکنواخت: کاهش جزئی به‌دلیل ناهمگنی ریزساختار

خوردگی حفره‌ای: بهبود به‌دلیل پالایش ریزساختار

خوردگی بین‌دانه‌ای: نیاز به کنترل دقیق پارامترها

۶. بهینه‌ سازی پارامترها

۶.۱. ترکیب پودر

نسبت WC: 30-60% برای تعادل بهینه بین سختی و چقرمگی

اندازه ذرات: 10-100 میکرومتر برای کنترل انحلال

مواد افزودنی: اضافه کردن Co یا Ni برای بهبود چقرمگی

۶.۲. پارامترهای لیزر

چگالی توان: 10^3-10^4 W/cm² برای کنترل عمق نفوذ

سرعت اسکن: بهینه‌سازی برای minimize کردن defects

تکرار پالس: کنترل نرخ انجماد برای کاهش ترک

۶.۳. پس‌پردازش

تنش‌زدایی: آنیل در 400-600°C برای کاهش تنش‌های پسماند

پولیش: بهبود صافی سطح برای کاربردهای دقیق

پوشش‌های اضافی: اعتبار پوشش‌های نانوساختار برای عملکرد بهتر

۷. کاربردهای صنعتی

۷.۱. قطعات دوار

شفت‌ها و محورها: افزایش عمر کاری در محیط‌های ساینده

یاتاقان‌ها: بهبود مقاومت سایشی در شرایط dry running

چرخ‌دنده‌ها: کاهش سایش در دنده‌های با بار بالا

۷.۲. صنایع شیمیایی

پمپ‌ها و شیرآلات: مقاومت در برابر سایش و خوردگی همزمان

مخازن و لوله‌ها: محافظت در برابر سایش ذرات معلق

همزن‌ها: بهبود مقاومت در محیط‌های دوغابی

۷.۳. کاربردهای پزشکی

مفاصل مصنوعی: کاهش سایش و افزایش عمر ایمپلنت

ابزارهای جراحی: بهبود مقاومت سایشی برای تیغه‌ها

دستگاه‌های دندانپزشکی: افزایش عمر ابزارهای دوار

۸. نتیجه‌ گیری

اعتبار سطحی لیزری با کاربید تنگستن روشی مؤثر برای بهبود مقاومت سایشی فولاد ۳۱۶ است. key points شامل:

افزایش سختی سطح تا 5-8 برابر حالت پایه

کاهش نرخ سایش تا 80% در شرایط مختلف

حفظ مقاومت به خوردگی در سطح قابل قبول

برای دستیابی به بهترین نتایج، recommended می‌شود:

بهینه‌سازی پارامترهای لیزر برای minimize کردن defects

کنترل دقیق ترکیب و توزیع پودر WC

انجام عملیات پس‌پردازش مناسب

این تکنولوژی می‌تواند عمر قطعات صنعتی را به‌طور قابل‌توجهی افزایش داده و هزینه‌های تعمیر و نگهداری را کاهش دهد.