Ina Domider Kamil Panaś Warstwy powierzchniowe kształtowane z wykorzystaniem technologii laserowych Ina Domider Kamil Panaś Studenci Edukacji Techniczno – Informatycznej, SUM sem.3

Technologia Znaczenie obróbki laserowej stosowanej do kształtowania struktur i własności materiałów inżynierskich na przestrzeni minionych lat znacząco wzrosło. Technologie laserowe stosuje się do wytwarzania warstw powierzchniowych różnymi metodami: - cieplnymi (hartownie, nadtapianie, ablacja laserowa), - cieplno – chemicznymi (stopowanie), - cieplno – mechanicznymi (utwardzanie). Slajd 2. Znaczenie obróbki laserowej stosowanej do kształtowania struktur i własności materiałów inżynierskich na przestrzeni minionych lat znacząco wzrosła. Technologie laserowe stosuje się do wytwarzania warstw powierzchniowych różnymi metodami: - cieplnymi (hartownie, nadtapianie, ablacja laserowa), - cieplno – chemicznymi (stopowanie), - cieplno – mechanicznymi (utwardzanie).

Technologia Głowica lasera wiązka Soczewka Wylot skoncentrowanej wiązki

Technologia Wiązkę laserową wykorzystuje się do nagrzewania warstwy wierzchniej obrabianego materiału, aby zapewnić zmiany w strukturze, umożliwiając uzyskanie wymaganych własności mechanicznych, fizycznych lub chemicznych. Wiązkę laserową wykorzystuje się do nagrzewania warstwy wierzchniej obrabianego materiału, aby zapewnić zmiany w strukturze, umożliwiając uzyskanie wymaganych własności mechanicznych, fizycznych lub chemicznych. Zaletom z pewnością jest także poprawa własności eksploatacyjnych obrabianego elementu. Zaleta - poprawa własności eksploatacyjnych obrabianego elementu.

Laserowa obróbka powierzchni Oddziaływanie na powierzchnię materiału – absorbcja energii cieplnej Duża różnica temperatury pomiędzy roztopiona warstwą, a nie nadtopionym podłożem. Mieszanie obramianego materiału. Materiał ulega szybkiemu krzepnięciu. Uzyskanie warstwy powierzchniowej. Wiązka laserowa oddziałuje na powierzchnię powierzchnie obrabianego materiału, następuje absorbcja energii cieplnej, dzięki czemu warstwa powierzchniowa ulega przetopieniu. Pojawia się duża różnica temperatury pomiędzy roztopioną warstwą materiału a nienadtopionym podłożem, a w wyniku konwekcji dochodzi do mieszani obrabianego materiału. Materiał w takich warunkach szybko krzepnie. Uzyskuje się w ten sposób warstwy powierzchniowe o grubości od dziesiątych części do kilku milimetrów o podwyższonych własnościach eksploatacyjnych.

Laserowa obróbka powierzchni Przetapianiu laserowemu warstwy powierzchniowej towarzyszy powstawanie plazmy i parowanie materiału. Plazma ekranuje powierzchnie przed dalszym nagrzewaniem laserowym. W miejscu wnikania wiązki laserowej, w jeziorku powstaje lejkowate zagłębienie, na którego powierzchnię działa ciśnienie hydrostatyczne cieczy od strony roztopionego materiału oraz ciśnienie par od strony wiązki. Przetapianiu laserowemu warstwy powierzchniowej towarzyszy powstawanie plazmy i parowanie materiału. Plazma ekranuje powierzchnie przed dalszym nagrzewaniem laserowym. W miejscu wnikania wiązki laserowej, w jeziorku powstaje lejkowate zagłębienie, na którego powierzchnię działa ciśnienie hydrostatyczne cieczy od strony roztopionego materiału oraz ciśnienie par od strony wiązki.

Laserowa obróbka powierzchni Następuje ruch względny zagłębienia w stronę nieroztopionego materiału. Ciśnienie par powoduje wypełnienie zagłębienia po jego przesunięciu się. Powstaje wypływka na obrzeżach materiału oraz pofałdowanie na powierzchni przetopionego materiału. Efekt ten można osłabić przez zdmuchiwanie plazmy przez gaz obojętny. Następuje ruch względny zagłębienia w stronę nieroztopionego materiału. Ciśnienie par powoduje wypełnienie zagłębienia po jego przesunięciu się. Powstaje wypływka na obrzeżach materiału oraz pofałdowanie na powierzchni przetopionego materiału. Efekt ten można osłabić przez zdmuchiwanie plazmy przez gaz obojętny. Głowica laserowa gaz obojętny materiał

Laserowa obróbka powierzchni Wśród technologii laserowych zapewniających wymagane własności powierzchniowe materiału, w zależności od gęstości mocy wiązki lasera i czasu oddziaływania wiązki na materiał możemy wyróżnić: przetapianie stopowanie wtapianie natapianie Stopowanie, wtapianie i napawanie laserowe zapewniają najwyższą jakość warstwy wierzchniej i bardzo wysoka jakość połączenia z podłożem. Wśród technologii laserowych zapewniających wymagane własności powierzchniowe materiału, w zależności od gęstości mocy wiązki lasera i czasu oddziaływania wiązki na materiał: stopowanie (polega na jednoczesnym topieniu materiału stopującego i podłoża, przez wiązkę laserową, przy intensywnym mieszaniu ich w ciekłym jeziorku. Nanosi się na podłoże materiał stopujący, a następnie przetapia wraz z warstwą wierzchnią podłoża. Materiał w warstwie stopowej po procesie krzepnie, a materiał podłoża ulega zahartowaniu. Grubość warstw wynosi 0,3-0,4mm. Przy nagrzewaniu impulsowym, lub 0,3-1,0 mm przy ciągłym. ), W zależności od sposobu wprowadzania dodatku stopującego do jeziorka rozróżniamy przetapianie i wtapianie. natapianie (napawanie) (polega na stopnieniu grubej warstwy materiału natapianego i na podtopieniu bardzo cienkiej warstwy materiału podłoża wraz z przetopieniem naniesionego materiału powłoki, dla uzyskania powłoki odpornej na erozję, korozję lub ścieranie niż podłoże. Grubość warstw może wynosić kilka milimetrów. Natapianie laserowe powoduje rozdrobnienie struktury oraz rozpuszczenie faz węglikowych. Zapewnia to polepszenie wł. Eksploatacyjnych i zwiększenie odporności na ścieranie. ),

Laserowa obróbka powierzchni Stopowanie, wtapianie i napawanie laserowe zapewniają najwyższą jakość warstwy wierzchniej i bardzo wysoka jakość połączenia z podłożem

Przetapianie laserowe W zależności od efektów uzyskiwanych w wyniku przetapiania i krzepnięcia: hartowanie przetopieniowe szkliwienie zagęszczanie wygładzanie W zależności od zastosowanej energii wiązki laserowej oraz prędkości skanowania: podtapianie przetapianie intensywne przetapianie b. intensywne przetapianie

Hartowanie przetopieniowe Powoduje rozdrobnienie struktury materiału wyjściowego. W warstwie powierzchniowej po procesie wyróżnia się strefy. - strefa powierzchniowa, - strefa gdzie węgliki ulegają całkowitemu, bądź częściowemu rozpuszczeniu, - strefa o strukturze niejednorodnej, - strefa przyrdzeniowa. Polepszenie własności eksploatacyjnych, zmęczeniowych i antykorozyjnych. Pogorszenie chropowatości powierzchni. Slaj 11. Hartowanie przetopieniowe to efekt uzyskiwany w wyniku przetopienia i krzepnięcia. - hartowanie przetopieniowe, (powoduje rozdrobnienie struktury materiału wyjściowego, w warstwie powierzchniowej o grubości kilku mikrometrów po procesie wyróżnia się kilka stref- strefa powierzchniowa złożona głównie z tlenków metali i faz, strefa w której węgliki zawarte w stali ulegają całkowitemu bądź częściowemu rozpuszczeniu w osnowie, strefy podpowierzchniowej o strukturze niejednorodnej oraz strefa przyrdzeniowa o strukturze martenzytu odpuszczonego. Laserowe hartowanie przetopieniowe wpływa na polepszenie własności eksploatacyjnych, zmęczeniowych i antykorozyjnych oraz pogorszenie chropowatości powierzchni. ) W przetapianiu laserowym oprócz hartowania możemy wyróżnić szkliwienie, zagęszczanie i wygładzanie.

Warstwy gradientowe Nawęglanie laserowe Wzornikowanie Wytwarzane są technika laserową. Oprócz bardzo dobrego połączenia metalurgicznego z podłożem, zapewniają wysoką odporność na korozję, zużycie, wysoką żaroodporność i twardość, jak i ciągliwość, plastyczność i wytrzymałość zmęczeniową. Do tego procesu wykorzystywany jest np. proszek grafitu, zmieszany z rozcieńczonym alkoholem poli(winylowym) i nanoszony na powierzchnie próbki. Następnie przygotowaną warstwę przetapia się laserem. Jest to jedna z nowszych metod kształtowania powierzchni. Polega na zmianie własności i topografii powierzchni wykorzystującej zjawisko punktowego naświetlania laserem (ang. lasser pattering). Nawęglanie laserowe Wzornikowanie Warstwy gradientowe wytwarzane technika laserową oprócz bardzo dobrego połączenia metalurgicznego z podłoże, zapewniają wysoką odporność na korozję, odporność na zużycie, wysoką żaroodporność i twardość, jak i ciągliwość, plastyczność i wytrzymałość zmęczeniową – trudne lub wręcz niemożliwe do uzyskania innymi technologiami.   Do nowatorskich metod należy nawęglanie laserowe. Do tego procesu wykorzystywany jest np. proszek grafitu, zmieszany z rozcieńczonym alkoholem poli(winylowym) i nanoszony na powierzchnie próbki. Następnie przygotowaną warstwę przetapia się laserem. Jedna z nowszych metod kształtowania powierzchni jest wzornikowanie, czyli metoda zmiany własności i topografii powierzchni wykorzystującej zjawisko punktowego naświetlania laserem.

Zastosowanie w przemyśle Koła zębate. Obecnie realizuje się to poprzez nawęglanie powierzchni stalowych kół zębatych. Nowym, przyszłościowym rozwiązaniem jest wytworzenie kół zębatych w taki sposób by wewnętrzne warstwy były wykonane z metalu, natomiast warstwy zewnętrzne z twardej ceramiki- połączonej z metalem poprzez warstwy pośrednie. Zastosowanie: np. w przemyśle maszynowym – koła zębate. Korpus takiego elementu powinien by odporny na obciążenia dynamiczne, natomiast jego powierzchnia musi być twarda i odporna na ścieranie. Obecnie realizuje się to poprzez nawęglanie powierzchni stalowych kół zębatych. Nowym, przyszłościowym rozwiązaniem jest wytworzenie kół zębatych w taki sposób by wewnętrzne warstwy były wykonane z metalu, natomiast warstwy zewnętrzne z twardej ceramiki- połączonej z metalem poprzez warstwy pośrednie.

Ablacja laserowa Proces rozpylania, w którym usuwanie materiału następuje z szybkością kilku monowarstw atomowych na impuls, a powierzchnia ulega zmianom strukturalnym i pod względem składu chemicznego i fazowego. Oddziaływanie wiązki laserowej z materiałem, które prowadzi do jego odparowania (ablacji), jest procesem złożonym fizycznie. Składa się z 4 etapów: wykorzystanie energii fotonów promieniowania laserowego i zamiana w energię cieplną topienie warstwy materiału, odparowanie, jonizacja i rozprężenie par oraz tworzenie się i rozprzestrzenienie się plazmy. Ablacja laserowa jest procesem rozpylania, w którym usuwanie materiału następuje z szybkością kilku monowarstw atomowych na impuls, a powierzchnia ulega zmianom strukturalnym i pod względem składu chemicznego i fazowego. Oddziaływanie wiązki laserowej z materiałem, które prowadzi do jego odparowania (ablacji), jest procesem złożonym fizycznie. Składa się z 4 etapów. 1 – wykorzystanie energii fotonów promieniowania laserowego do wzbudzenia elektronów i zamiana w energię cieplną. 2 – topienie cienkiej warstwy materiału, 3 – strefa stopiona ulega gwałtownemu odparowaniu, 4 – jonizacja i rozprężenie par oraz tworzenie się i rozprzestrzenienie się plazmy w komorze roboczej.

Laserowe osadzenie z fazy gazowej Proces jest wspomagany chemicznie i przebiega podobnie do ablacji. Jako materiału do wytwarzania plazmy za pomocą wiązki laserowej stosuje się odpowiedni gaz, którego cząstki są rozkładane energią lasera przy równoczesnym podwyższaniu temperatury podłoża, na których osadzana jest powłoka. Ma postać warstw lub nanocząstek. Proces ten zachodzi, jeżeli napromieniowanie laserowe powierzchni ciała stałego jest zanurzone w cieczy o wystarczająco dużej przepuszczalności dla wiązki światła laserowego o określonej długości. Laserowa synteza materiałów z fazy ciekłej Istnieje także laserowe, wspomagane chemicznie, osadzanie z fazy gazowej. Jest podobne do procesu ablacji. Jako materiału do wytwarzania plazmy za pomocą wiązki laserowej stosuje się odpowiedni gaz, którego cząstki są rozkładane energią lasera przy równoczesnym podwyższaniu temperatury podłoża, na których osadzana jest powłoka. Laserowa synteza materiałów z fazy ciekłej, w postaci warstw lub nanocząstek. Proces ten zachodzi, jeżeli napromieniowanie laserowe powierzchni ciała stałego jest zanurzone w cieczy o wystarczająco dużej przepuszczalności dla wiązki światła laserowego o kreślonej długości.

Podsumowanie Technologie laserowe są obecnie w szerokim zakresie wykorzystywane w przemyśle, ze względu na dobre wyniki po procesie przetwarzania a także relatywnie niską cenę. Metoda nawęglania Metoda grawerowania

Bibliografia Dobrzański L. Kształtowanie struktury i własności powierzchni materiałów inżynierskich, Gliwice 2009. http://www.openaccesslibrary.com/vol05/5.pdf http://forsurf.pl/cdrom/content/KSiWMIiB.pdf

Ina Domider Kamil Panaś Koniec Ina Domider Kamil Panaś Studenci Edukacji Techniczno – Informatycznej, SUM sem.3