レーザークラッディングプロセスにおける亀裂と残留内部応力の関係の分析
機械的製造や航空宇宙などの分野の重要な技術として、レーザークラッディングは一般に部品の修理、表面強化、機能的コーティングの準備に使用されます。 「迅速な加熱と迅速な冷却」のコア特性は、効率的なクラッディングを可能にしますが、被覆層と基板の間の残留内部応力を容易に誘導します。内部応力が被覆層の降伏強度を超えると、亀裂が始まり、製品の品質とサービスの寿命に深刻な影響を与えます。この記事では、レーザークラッディングにおける残留内部応力の原因、および亀裂との相関を体系的に分析し、業界の亀裂問題を解決するための理論的な参照を提供します。
レーザークラッディング熱応力：亀裂形成の主な駆動因子
熱応力は、レーザークラッディングの亀裂に最も大きな影響を与える残留内部応力であり、その形成は「温度差」と「熱膨張係数の差」に直接関連しています。レーザー作用中、被覆層は溶融状態に即座に加熱されますが、基質温度は室温に近く、2つの間に大幅な温度差が生じます。冷却段階では、被覆層は迅速に収縮する必要があります。ただし、基質は、クラッディング層（たとえば、クラッディングアロイおよび炭素鋼基板）よりも熱膨張係数が低いため、基板の収縮ははるかに小さくなっています。クラッディング層の収縮は、基質によって制約され、引張応力の蓄積につながります。マルチ{-}パスレーザークラッドのシミュレーション研究は、この「熱膨張と収縮」がクラッド層の不均一な変形を引き起こし、ストレス濃度を強化し、最終的に亀裂開始のコア誘導になることを示しています。
レーザークラッディング構造ストレス：顕微鏡相変換によって引き起こされる潜在的な危険
構造応力は、不均一な顕微鏡構造変換に起因するレーザークラッディングプロセス中の「液体金属」の結晶相変換に由来します。被覆材料と基質が溶けた後、液体金属は、冷却と固化中に異なるタイプの固体構造（マルテンサイトやオーステナイトなど）を形成し、異なる構造の特定の体積に違いがあります。一方、クラッド層と基質の組成の違い（例えば、クラッド層にはタングステンやクロムなどの要素が含まれ、基質は通常の鋼です）は、結晶化後の顕微鏡構造の差をさらに拡大し、体積変化の「併用」につながります。この不調整は、クラッディング層内に制約され、最終的に構造応力に変換されます。亀裂への影響は熱応力の影響よりも弱いですが、クラッディング層内のストレス-弱体化した領域を作成し、亀裂伝播のためのチャネルを提供します。
レーザークラッディング制約ストレス：2つの-段階変換を伴う骨折リスクポイント
制約応力は、「加熱と膨張」と「冷却と収縮」の2つの段階で、クラッド層が基板によって制約されるときに生成される応力であり、明らかな応力変換プロセスがあります。加熱段階では、加熱すると溶融プールの最初の溶けた材料が膨張しますが、周囲の基質は低-温度剛性状態のままで、膨張をブロックし、被覆層内の圧縮応力が生成されます。冷却段階では、加熱されたクラッド層（および複合コーティング）は収縮する必要がありますが、温度が低く、剛性が高い基質によって制限されているため、圧縮応力は徐々に引張応力に変化します。研究では、レーザークラッディング層の靭性が一般的に低く、耐えることができる最終的な応力は、引張応力によって誘発される脆性骨折の臨界値よりもはるかに低く、制約ストレスが亀裂開始の重要なリスクポイントになります。
レーザークラッディングの亀裂に対する3種類の残留内部応力の影響の違い
レーザークラッドの3種類の残留内部応力はすべて亀裂を誘発しますが、それらの原因と影響は大きく異なります。コアの原因の観点から：熱応力は、巨視的な温度差と材料特性の違いに由来します。構造応力は、顕微鏡相変換によって引き起こされる体積変化に由来します。制約応力は、基質制約の下での膨張と収縮の反応です。衝撃の程度の観点から：熱応力は亀裂に最も強い駆動効果があり、クラッド層-基板界面に浸透し、界面亀裂を引き起こす可能性があります。制約応力は、引張応力による脆性骨折を直接引き起こし、2番目に強い衝撃を受けます。構造応力は主にクラッディング層内に濃縮され、主に局所マイクロクラックを引き起こします。分布特性の観点から：熱応力は不均一に分布しています。制約応力には明らかな段階変換があります。構造応力は、相変換活性領域に集中しています。
レーザークラッディングシステムのコアコンポーネント
レーザークラッディングクラック制御の方向
要約すると、レーザークラッディング亀裂の本質は、被覆層のベアリング能力を超える残留内部応力の結果です。その中で、熱応力はコア駆動因子であり、制約応力は直接トリガー因子であり、構造応力は亀裂伝播の条件を生み出します。これに基づいて、レーザークラッディング亀裂の制御は、レーザー出力の最適化やスキャン速度の最適化など、冷却速度を遅くする、または基質のそれに合った熱膨張係数を備えた材料を選択するなどの「熱応力の削減」に焦点を当てる必要があります。同時に、微視的な構造の違いを最小限に抑えるために、クラッディング材料の組成を調整することで構造応力を軽減でき、基質を予熱することで制約応力を緩和できます。 3種類の残留内部応力と亀裂の関係を分析することにより、この記事はレーザークラッディングテクノロジーのプロセス最適化の明確な方向を提供し、レーザー-クラッド製品の信頼性とサービス生活を改善するのに役立ちます。