في صناعة الطيران الحالية، تعتبر الكسوة بالليزر تقنية مثالية لإصلاح ومعالجة الأسطح لأجزاء سبائك TC4، والتي تتمتع بمزايا مقارنة بتكنولوجيا إصلاح المعادن التقليدية من حيث المعالجة. في هذا العمل، تم إصلاح سطح عينة السبائك بواسطة الكسوة بالليزر تم استخدام قوة 2 كيلو واط وسرعات مسح ليزر مختلفة لكشف وتحليل التغيرات في البنية المعدنية وأداء التآكل الكهروكيميائي والخواص الميكانيكية للسطح بعد الإصلاح. وتظهر النتائج أن تغييرات مورفولوجية مجهرية كبيرة حدثت أثناء عملية الإصلاح بالليزر؛ يتمتع سطح الإصلاح بسرعة مسح ليزر تبلغ 150 مم/دقيقة بأفضل مقاومة للتآكل؛ وكان سطح الإصلاح بسرعة مسح ليزر تبلغ 200 مم / دقيقة يتمتع بأفضل صلابة دقيقة ومقاومة للتآكل.

تتميز سبائك التيتانيوم TC4 (Ti6Al4V) بالعديد من المزايا مثل الكثافة المنخفضة، الوزن الخفيف، القوة المحددة العالية، مقاومة درجات الحرارة العالية، مقاومة التآكل، عدم المغناطيسية، والتوافق الحيوي الجيد. لقد اكتسب مجموعة واسعة من التطبيقات وهو أيضًا النوع الأول من سبائك التيتانيوم الذي يتم استخدامه في مجال الطيران في بلدي [1]. ومع ذلك، فإن عيوب مواد سبائك التيتانيوم، مثل معامل الاحتكاك العالي والصلابة المنخفضة، تؤثر دائمًا على الأداء وعمر الخدمة لأجزائها. تكون بعض المكونات الميكانيكية عرضة للتعب والأضرار الطفيفة[2]، كما أن استبدال عدد كبير من الأجزاء التالفة قليلاً سيؤدي إلى تكاليف تشغيل وصيانة عالية للغاية. لذلك، يعد العثور على طريقة مريحة ومنخفضة التكلفة لإصلاح سطح مواد سبائك التيتانيوم لإطالة عمر خدمة المكونات الميكانيكية وتقليل تكلفة صيانة إنتاج المؤسسة موضوع بحث قيمًا للغاية.

تقنية الكسوة بالليزر هي نوع جديد من تكنولوجيا تعديل سطح المواد [3]، والتي تتميز بمزايا التطبيق القوي، وكفاءة المعالجة العالية، والتوافق الجيد بين طبقة الكسوة والركيزة المكونة، والاقتصاد وحماية البيئة، وقد تم استخدامها على نطاق واسع في مجال تعديل أسطح السبائك المختلفة[4]. قام العديد من العلماء بإجراء أبحاث مثمرة في مجال إصلاح المواد المعدنية وتحسين الأداء من خلال تقنية الكسوة بالليزر. شيا سيهاي وآخرون. [5] تم استخدام تقنية الكسوة بالليزر لإعداد طبقات الكسوة المركبة Ni60A التي تحتوي على أجزاء كتلة مختلفة من TiC على سطح الركيزة المصنوعة من سبائك التيتانيوم TC4، مما أدى بشكل فعال إلى تحسين متوسط ​​صلابة طبقة الكسوة وتقليل معامل الاحتكاك للسطح. تشي وآخرون. [6] تم استخدام تقنية الكسوة بالليزر مسبقة الضبط للمسحوق لتحضير طلاء مركب من مصفوفة معدنية معززة بجسيمات كربيد التنجستن المختلطة على سطح الركيزة المصنوعة من سبيكة TC4. لقد وجد أن الطلاء المختلط مع مسحوق TC4 المضاف كان له تأثير تقوية أكثر وضوحًا من طلاء كربيد التنجستن النقي. ويرتبط السبب بتوحيد توزيع كربيد التنغستن في الطلاء. ليو يانان وآخرون. [7] تم إعداد طلاء تكسية أتربة نادرة قائم على النيكل على سطح سبيكة Ti811، وتعزيز أداء الطلاء عن طريق اقتران العناصر الأرضية النادرة المضافة، وتحليل تأثير سرعة المسح بالليزر على هيكل الطلاء وأدائه؛ تشانغ وآخرون. [8] أعدت طلاء نيتريد البورون سداسي Ni60 على سطح الركيزة TC4 بواسطة الكسوة بالليزر. أظهرت النتائج أن الطلاء يتمتع بصلابة ميكروية عالية وأظهر مقاومة تآكل ممتازة وخصائص تقليل الاحتكاك تحت بيئة درجة حرارة عالية. تان جينهوا وآخرون. [9] تم إعداد طلاء مركب Ni60 + BN قائم على التيتانيوم على سطح سبيكة TC4 بواسطة كسوة ليزر متعددة التمريرات، وقام بتحليل التغييرات في هيكل الطلاء والأداء بسرعات مسح مختلفة؛ راشد وآخرون. [10] تم إصلاح سطح الفولاذ 300 متر بواسطة الكسوة بالليزر، ودراسة التغيرات في خصائص الشد في اتجاهات متعددة بعد الإصلاح. بالمقارنة مع العينات المطحونة فقط، فإن العينات التي تم إصلاحها بواسطة الكسوة كانت تتمتع بقوة شد ومعامل مرونة أفضل.

في الوقت الحاضر، تركز الأبحاث حول تحسين أداء سبائك التيتانيوم TC4 بشكل أساسي على استخدام عناصر أخرى لتعزيز أداء طبقة الكسوة. هناك القليل من الدراسات حول الإصلاح وتحسين الأداء عن طريق تكسية نفس مسحوق التركيب [11-12]. هذه الطريقة بسيطة في العملية ويمكنها أيضًا تحقيق تأثير تقوية طبقة الإصلاح من خلال التحكم في معلمات المعالجة. في هذا العمل، يتم تحضير طلاء الإصلاح على سطح سبيكة TC4 بواسطة تقنية الكسوة بالليزر، ويتم تحليل ومقارنة تأثير الإصلاح بسرعات مسح مختلفة تحت طاقة معينة، والجدوى وتكوين المعلمة الأمثل لاستخدام الطاقة العالية و يتم استكشاف أجهزة الليزر الصناعية ذات البقع الكبيرة للإصلاح الصناعي للأسطح التالفة.

1 المواد والطرق التجريبية

1.1 المواد التجريبية

يتم استخدام سبيكة TC4 كمادة أساسية، والتي يتم قطعها بالأسلاك إلى عينات بأبعاد 50 مم × 15 مم × 5 مم. يتم صقل سطح العينات بورق صنفرة ذو خشونة مختلفة ويتم تنظيفها باستخدام الإيثانول اللامائي لإزالة طبقة الأكسيد السطحي والأوساخ. تستخدم مادة الكسوة مسحوق TC4 من نفس المادة. من أجل تقليل تأثير الأكسدة وتناثر المسحوق على تأثير الإصلاح أثناء عملية الكسوة، يتم خلط المسحوق مع إيثيل السليلوز والإيثانول اللامائي تحت ظروف التسخين لصنع مادة غروانية طلاء مسبقة الصنع، والتي يتم تغطيتها بالتساوي على أحد الطبقات. تتم معالجة الأسطح مقاس 50 مم × 15 مم لعينة TC4 لصنع طلاء جاهز، ومن ثم يتم تنفيذ عملية الكسوة بالليزر. يظهر الجدول 1 تركيبة مواد طبقة الركيزة والكسوة.

1.2 الطريقة التجريبية

خضعت العينات المطلية مسبقًا لمعالجة الكسوة أحادية المرور باستخدام نظام الليزر COHERENT HighLight8000D. تم ضبط طاقة معالجة الكسوة بالليزر P على 2 كيلو واط، وكان معدل تدفق حماية الأرجون 4.5 لتر / دقيقة، وكان قطر البقعة 15 مم، وكانت سرعة المسح V 100، 150، 200،
300 مم/دقيقة. بعد معالجة العينات، تمت ملاحظة الشكل العياني، وبعد القطع والتضمين، تم استخدام ورق الصنفرة 80# و240# و600# و1000# و1500# للطحن وتم استخدام معلقات ألماس 5 و1 و0.05 ميكرومتر. للتلميع. تم تحضير عينات المقطع العرضي وسطح الكسوة. تم حفر العينات المعدنية ذات المقطع العرضي باستخدام محلول النقش كرول مع نسبة حجم حمض الهيدروفلوريك وحمض النيتريك والماء 1:4:20. LEICA MEF4 تمت ملاحظة البنية المعدنية للمقطع العرضي للعينة بواسطة مجهر استريو ميتالوجرافي. تمت ملاحظة التشكل المجهري للمقطع العرضي للعينة بواسطة المجهر الإلكتروني الماسح S-3400 (SEM)؛ تم فحص طيف العناصر للمقطع العرضي للعينة بواسطة محلل طيف الطاقة EDS؛ تم اختبار الصلابة الدقيقة للمقطع العرضي للعينة بواسطة جهاز اختبار صلابة HVS-1000Z micro-Vickers؛ تم تحليل العينة السطحية لطبقة الكسوة بواسطة حيود الأشعة السينية (XRD)؛ تم إجراء تجربة التآكل الكهروكيميائي بواسطة محطة عمل كهروكيميائية Metrohm Autolab، وتم اختبار أداء الاحتكاك والتآكل لسطح طبقة الكسوة بواسطة جهاز اختبار الاحتكاك والتآكل على القرص الدبوس، مع ضبط الضغط التجريبي على 49 نيوتن؛ كانت سرعة القرص الدوار 100 دورة / دقيقة؛ تم إجراء الاحتكاك الدوراني لمدة 15 دقيقة، وتم قياس قوة الاحتكاك المنزلق وحساب عامل الاحتكاك، وتم اكتشاف عمق ندبة التآكل بواسطة أداة قياس ندبة التآكل من النوع المسبار بعد تجربة الاحتكاك، وتم حساب حجم التآكل . يبلغ متوسط ​​قطر حلقة الاحتكاك حوالي 4 مم.

2 النتائج والمناقشة

2.1 تحليل الماكرومورفولوجية

ويبين الشكل 1 الشكل الكبير لسطح الكسوة للعينة بسرعات مسح مختلفة. كما يتبين من الشكل 1، عندما يتم تلبيس العينة بسرعة 100 مم/دقيقة، تتلقى مادة الكسوة وسطح العينة طاقة كافية، ويتعرض السطح المعالج لحرارة قوية، ويذوب بسرعة، ويقدم مصهورًا أكثر وضوحًا الحالة، ويتدفق بسبب الصدمة الحرارية لليزر، ويبرد ليشكل شكلاً متموجاً من اليسار إلى اليمين. فيلم أكسيد السطح بني محمر وخشن نسبيا (الشكل 1 (أ))؛ عندما تزيد سرعة المسح إلى 150 مم/دقيقة، تصبح المنطقة ذات اللون البني المحمر لطبقة الأكسيد السطحية أفتح، ويتحول لون بعض المناطق إلى أغمق، ويضعف سلوك التدفق السطحي، وتصبح علامات الانصهار أفتح، وتقل الخشونة (الشكل 1 (ب))؛ عندما تزيد سرعة المسح إلى 200 مم / دقيقة، يتغير شكل سطح الكسوة بالكامل بشكل ملحوظ، وتتدهور المنطقة ذات اللون البني المحمر تدريجيًا وتتحول إلى اللون الرمادي الأسود، وتقل خشونة السطح بشكل أكبر، وتكون علامات الانصهار أخف (الشكل 1 ( ج))؛ عندما تزيد سرعة المسح إلى 300 مم/دقيقة. عندما يكون سطح الكسوة رمادي داكن-أسود إلى أزرق داكن، فإن بعض المناطق لها لمعان معين، وهناك جزيئات دقيقة متصلة بالسطح، ولا توجد أي آثار تقريبًا لتدفق ذوبان السطح، و السطح العام أكثر سلاسة وتملق (الشكل 1 (د)).

الشكل 2 هو التشكل العياني للهيكل الميتالوغرافي المقطعي للعينة التي تمت ملاحظتها بواسطة مجهر ستيريو. كما هو مبين في الشكل 2، كل عينة لديها ظاهرة تقسيم المناطق والطبقات واضحة نسبيا بعد الكسوة. وفقًا للخصائص المورفولوجية العيانية المختلفة، يمكن تقسيمها إلى طبقة الكسوة (CL)، والمنطقة المتأثرة بالحرارة (HAZ) والمنطقة غير المتأثرة (UZ)، لكن شكلها يظهر حالات مختلفة تحت معلمات معالجة مختلفة.

عند المسح بسرعة 100 مم/دقيقة، يكون للمقطع العرضي آثار تسخين واضحة. يتم صهر مادة الكسوة وسطح العينة بالكامل ودمجهما تحت الصدمة الحرارية بالليزر لتشكيل منطقة طبقة كسوة سميكة. المنطقة المتأثرة بالحرارة تقع داخل مصفوفة العينة. بسبب مدخلات الحرارة العالية، يتم توسيع نطاق التسخين ليشمل المقطع العرضي بأكمله، مما يُظهر مورفولوجيا معدنية نموذجية تشبه الرخام الأزرق وتغييرًا كبيرًا في الطور. يمكن رؤية الحبوب ذات الظلال المختلفة في الشكل (الشكل 2 (أ)) ؛ عند المسح بسرعة 150 ملم/دقيقة، تظهر الألوان المنعكسة من الحبيبات المختلفة أن طبقة الكسوة والمنطقة المتضررة بالحرارة لهما انعكاسات لونية متناسقة، والحبيبات أكبر من الأخيرة. يمكن تمييز فرق الموضع بين طبقة الكسوة والمنطقة المتأثرة بالحرارة من الركيزة، وكلاهما لهما رابطة معدنية وثيقة (الشكل 2 (ب))؛ عندما تزداد سرعة المسح إلى 200 مم / دقيقة، تظهر الطبقة المعدنية ثلاثية الطبقات مرة أخرى، وتصبح طبقة الكسوة والمنطقة المتأثرة بالحرارة أرق، وتصبح الحبوب أدق، وتكون الحدود الإقليمية واضحة (الشكل 2 (ج)) ; عندما تزيد سرعة المسح إلى 300 مم/دقيقة. عندما تعمل طاقة الليزر على السطح، يتم إنشاء تدرج في درجة الحرارة لأسفل، ويتم نقل الحرارة إلى الأسفل، وتذوب مادة تكسية السطح، وتتحد مع سطح الركيزة. عندما تغادر طاقة الليزر، يتم توليد تدرج حراري تصاعدي، والتبريد والتبلور، وبعد التصلب، يتم تشكيل طبقة إصلاح الكسوة ذات سماكات مختلفة وخصائص فيزيائية وكيميائية.

2.2 التحليل الميكرومورفولوجي

يوضح الشكل 3 مورفولوجيا البنية المجهرية للمقطع العرضي لطبقة إصلاح الكسوة تحت معلمات سرعة المسح المختلفة. عندما تكون سرعة المسح 100 مم/دقيقة، يتم تسخين الجزء العلوي ثم تبريده لتكوين بلورات متساوية المحاور موزعة على شكل أشرطة وبلورات عمودية مجمعة بالتوازي. يشكل الأول حدود الحبوب β ويفصل بين الأخيرة ذات الأحجام المختلفة، وهي حبيبات α (الشكل 3 (أ-1)). يتم تسخين المنطقة العلوية بشكل أكبر، ويكون حجم حبيبات α أكبر، ويختلف شكل الحبوب عند حدود حبيبات β تمامًا عن الشكل الداخلي. ويظهر اتجاهه بالخط الأبيض. يتم تشكيل الجزء الداخلي من الحبوب عن طريق تبريد الحبوب العمودية α، والتي تظهر أحجامًا مختلفة وترتيبات مختلفة واتجاهات نمو في حبيبات مختلفة (الشكل 3 (أ-1)). يكون معدل التبريد في منتصف طبقة الكسوة أبطأ، وتستمر الحرارة في الانتقال إلى الأسفل. تتشكل حبيبات عمودية أصغر حجمًا وأقصر نسبيًا داخل حدود الحبوب، والتي تتشابك رأسيًا مع بعضها البعض. الدائرة البيضاء هي حدود الحبوب بيتا، والتي تتكون من حبيبات أطول تشبه البراميسيوم متصلة من طرف إلى طرف، مع كمية صغيرة من بلورات خلوية أصغر تتخللها (الشكل 3 (أ-2)) [13]. يتم تسخين المنطقة المتأثرة بالحرارة بشكل أقل نسبيًا، ويكون معدل التبريد بطيئًا، والتشكل المجهري مختلف تمامًا. تكون حدود الحبوب β أدق، وينمو الجزء الداخلي في اتجاهات مختلفة لتكوين تحول طور α martensite على شكل إبرة ضحلة. لا تزال البلورات الأكبر حجمًا المتكونة بالتسخين تحتفظ بـ 3 (أ-3))[14-15] واضحًا.

عندما تكون سرعة المسح 150 مم/دقيقة، ينمو عدد كبير من تحولات طور α martensite المنتظمة على شكل إبرة على طول اتجاهات مختلفة في الجزء العلوي من طبقة الكسوة، وتتكدس وتتشابك مع بعضها البعض (الشكل 3 (ب-1)) . هناك تناقض واضح بين الأشكال المختلفة لمناطق تحول الطور داخل الحبوب المختلفة. ونظرًا للتركيبة المعدنية الكاملة لطبقة الكسوة والمنطقة المتأثرة بالحرارة تحت هذه المعلمة، فإن الشكل الميتالورجي للمنطقتين يميل إلى أن يكون متسقًا. يكون المارتنسيت على شكل إبرة داخل الحبوب أطول وأكثر اكتمالًا ووضوحًا، وموزعًا بشكل متماثل على طول حدود الحبوب. هناك بعض التشعبات البلورية الثانوية التي تنمو بشكل جانبي بين الفروع (الشكل 3 (ب-2))[16]. عندما يتم تكبير هذا الجزء (الشكل 3 (ب-3))، يمكن ملاحظة أن حزم المارتنسيت على شكل إبرة متوازية مع بعضها البعض داخل الحبوب β تتجمع. عندما تكون سرعة المسح 200 مم/دقيقة، تنخفض حرارة الإدخال بشكل كبير، ويتم تكرير الحبوب الموجودة في الجزء العلوي من طبقة الكسوة، ويتم تشكيل حبيبات α الدقيقة. يتم دمج مواد الكسوة بإحكام مع بعضها البعض تحت تأثير حرارة دخل الليزر لتكوين طبقة من الطلاء عالي الكثافة (الشكل 3 (ج-1)). يوجد هيكل تحويل جزئي β في منتصف وأسفل طبقة الكسوة، محاطًا بحبيبات α التي تم تحويلها (الشكل 3 (ج-2)،
(ج-٣))؛ عندما تكون سرعة المسح 3 مم/دقيقة، تستمر حرارة الإدخال في الانخفاض، ويتم تحسين هيكل الجزء العلوي من طبقة الكسوة بشكل أكبر، ويتم تبريده بالكامل لتشكيل حبيبات α (الشكل 300 (د-3)). يوجد أيضًا هيكل تحويل β في منتصف طبقة الكسوة، مما يشكل بنية مختلطة مع حبيبات α المحولة
(الشكل 3 (د-2)). ظهر عدد كبير من الهياكل المحولة β وكمية صغيرة من حبيبات α في الجزء السفلي من طبقة الكسوة. وقد لوحظ أن المارتنسيت الناعم على شكل إبرة يترسب في البنية المحولة. تم تشكيل شبكة متقاطعة من α-martensite أقصر على شكل إبرة في المنطقة المتأثرة بالحرارة. تم ربط الهيكلين عند التقاطع لتشكيل هيكل متشابك واضح ودقيق (الشكل 3 (د-3)) [17].

2.3 تحليل طيف الطاقة XRD وEDS

تم تحليل سطح طبقة الكسوة الليزرية بواسطة مقياس حيود الأشعة السينية، بزاوية المسح الأولية 2θ البالغة 10°، وزاوية النهاية 100°، وطول خطوة المسح 0.02°. ويبين الشكل 4 طيف XRD للعينة في حدود 30 درجة إلى 85 درجة بسرعات مسح مختلفة.

كما هو مبين في الشكل 4، هناك كمية كبيرة من α-Ti في طبقة تكسية الليزر بسرعات مسح مختلفة، وهناك اختلافات معينة في تكوين المراحل الأخرى. عندما تكون سرعة المسح 100 مم / دقيقة، يتعايش α-Ti و β-Ti في طبقة الكسوة، مما يجعل قمم الحيود تتداخل وتزداد الشدة، ويتم إنتاج كمية صغيرة من المركبات المعدنية AlTi2C، والحيود الفريد المقابل تظهر القمم. عندما تكون سرعة المسح 150 مم/دقيقة، يتناقص محتوى β-Ti في الأعلى ويتحول تدريجياً إلى α-Ti، وينخفض ​​ارتفاع قمة الحيود، وتتغير حالة تغير الطور لطبقة الكسوة والمنطقة المتأثرة بالحرارة من الركيزة قريبة، وتظهر ذروة الحيود α-Ti؛ عندما تكون سرعة المسح 200 مم / دقيقة، يتكون سطح طبقة الكسوة تقريبًا من α-Ti في عملية الذوبان، وتظهر ذروة الحيود نمط α-Ti واضح، ولكن يظهر المحلول الصلب Ti(CNH)x في طبقة الكسوة، وكثافة ذروة حيودها منخفضة؛ عندما تكون سرعة المسح 300 مم/دقيقة، تستمر درجة انصهار مادة الكسوة في الانخفاض، ويكون مورفولوجيا ذروة الحيود مشابهًا لذلك عندما تكون سرعة المسح 200 مم/دقيقة، ويوجد أيضًا Ti(CNH)x. المحلول الصلب، سبب ظهوره هو أن مادة الطلاء الجاهزة وبعض المكونات الموجودة في الهواء، مثل C وH، يتم خلطها في طبقة الكسوة لتكوين محلول صلب.

يتم استخدام ماسح طيف الطاقة EDS لإجراء مسح خطي أسفل طبقة الكسوة وتقاطع المنطقة المتأثرة بالحرارة. يوضح الشكل 5 التغير في المحتوى النسبي لـ Ti/Al عند تقاطع الجزء السفلي من طبقة الكسوة والمنطقة المتأثرة بالحرارة على طول مسافة المسح. يتبين من الشكل 5 أن المحتوى النسبي للعنصرين Ti وAl له خصائص واضحة نسبيًا. من المقارنة الأفقية، يمكن ملاحظة أنه عند سرعة مسح تبلغ 300 مم / دقيقة، يكون المحتوى النسبي لـ Ti/Al لديه تقلب كبير على طول خط القياس، ويكون محتوى Ti في بعض المواضع أعلى بكثير من ذلك في مواقع أخرى المواقف، ويحدث فصل العناصر. تم اكتشاف محتوى العنصر في موضع معين على طبقة الكسوة بسرعة مسح تبلغ 300 مم/دقيقة. ويبين الشكل 6 (أ) توزيع عناصر Ti (المنطقة الخضراء)، ويبين الشكل 6 (ب) توزيع عناصر Al في الموضع المقابل (المنطقة الحمراء). وفقا للنتائج، هناك توزيع ميتالوغرافي غير متساو واضح لآل في بنية التحول. محتوى Al داخل حبيبات α المحولة منخفض، في حين أن محتوى الحافة مشابه لمحتوى الحبوب المحيطة. قد يكون هذا بسبب سرعة المسح العالية، وإدخال حرارة الليزر الصغيرة، والتبريد السريع وتصلب طبقة الكسوة، وتشكيل شبكة α-Ti عندما يحدث نمو النواة في حدود الحبوب. ليس لدى عنصر Al الموجود في البركة المنصهرة وقت للانتشار إلى الداخل. تدخل ذرات Al فقط إلى شبكة حافة α-Ti وتتصلب، مما يؤدي إلى التفكك وتشكيل محلول صلب وفصل Al. يظهر شكل بلوري متساوي المحاور أكثر بروزًا في البنية المعدنية، ويجب أن تتشكل كمية صغيرة من المحلول الصلب Ti(CNH)x في الداخل بسبب نقص عنصر Al. في الوقت نفسه، يتم إذابة جزء من بنية شبكة المحلول الصلب α-Ti/Al التي تم تشكيلها بواسطة محلول النقش الميتالوغرافي، ولا يزال باقي هيكل الشبكة باستثناء البلورة المتساوية المحاور المشكلة حديثًا يحتفظ بمستوى محتوى Al الأصلي .

بالاشتراك مع نتائج اختبار المجهر الإلكتروني الماسح في الشكل 3، يمكن معرفة أنه أثناء تشعيع الليزر للطلاء المسبق لمسحوق TC4، تتغير قابلية ذوبان المحلول الصلب α-Ti مع زيادة سرعة المسح، وهو أمر عملية ذوبان وتصلب سريعة غير متوازنة. في عملية التبريد الإضافي لمادة الكسوة وسطح الركيزة من الطور β، كلما كانت سرعة المسح أصغر، زاد إدخال حرارة الليزر إلى سطح الكسوة، وكلما ارتفعت درجة الحرارة التي يصل إليها السطح، قل المتوسط معدل التبريد، وكلما زاد وقت التصلب. عندما يصل المجمع المنصهر إلى درجة التبريد الفائق، تتشكل البلورة β أولاً، وتتنوى الطور α في نقاط متعددة في حدود الحبوب البلورية الأصلية وتنمو داخل البلورة β على طول اتجاه معين. تتحرك ذرات Al الوفيرة نسبيًا بسرعة عالية في البركة المنصهرة مع الحمل الحراري للصدمة الحرارية. في عملية نمو وتكوين المرحلة α، يتم "التقاطها" بواسطة الشبكة، وبالتالي تشكيل المحلول الصلب α-Ti والمارتنسيت على شكل إبرة [18]. عندما تكون سرعة المسح 200 مم/دقيقة، تتسبب الحرارة المدخلة في تكوين طبقة الكسوة لمزيد من المحلول الصلب Ti(CNH)x. كلما زاد عدد عناصر C التي تؤثر على تحديد محتوى Ti، مما يؤدي إلى انخفاض محتوى Ti في نتيجة التحديد. في هذا الوقت، لا يزال عنصر Al منتشرًا بالكامل ولم يتم فصله، مما يؤدي إلى انخفاض المحتوى النسبي لـ Ti/Al. في المقابل، عندما تكون سرعة المسح منخفضة، تشكل طبقة الكسوة بشكل أساسي محلولًا صلبًا α-Ti ومارتنسيت على شكل إبرة، ويكون تأثير عنصر C صغيرًا؛ عندما تكون السرعة عالية، ينفصل عنصر Al، ويكون الفصل خطيرًا في بعض المواضع، مما يؤدي إلى محتوى نسبي أعلى لـ Ti/Al وتقلبات أكبر.

2.4 تحليل مقاومة التآكل لطبقة الكسوة

تم إجراء اختبار التآكل الكهروكيميائي على طبقة الكسوة الموجودة على سطح العينة. تم استخدام محلول كلوريد الصوديوم بكسر كتلي قدره 3.5% كالكهارل. تم توصيل سطح طبقة تكسية العينة كقطب كهربائي عامل، وقطب البلاتين كقطب مساعد، وقطب Ag/AgCl كقطب مرجعي لتشكيل دائرة قياس كهروكيميائية ثلاثية الأقطاب. بعد استقرار جهد الدائرة المفتوحة، تم قياس التحليل الطيفي للمقاومة الكهروكيميائية (EIS) ومسح منحنيات الاستقطاب الفولتميتر. الشكل 7 هو طيف نيكويست للممانعة الكهروكيميائية لطبقة الكسوة. كما يتبين من الشكل 7، مع زيادة سرعة المسح، يظهر نصف قطر قوس المفاعلة السعوية اتجاهًا للزيادة تدريجيًا. باستثناء العينة التي تبلغ سرعة المسح فيها 150 مم/دقيقة، تظهر العينات الثلاثة الأخرى جميعها شكل قوسي 1/4 وتميل تدريجيًا إلى أن تكون أفقية، مما يثبت أن الأداء الوقائي لطبقة الكسوة يتحسن تدريجيًا؛ في حين أن سطح العينة 150 مم / دقيقة قريب من نصف قوس، وتكون مقاومة الفيلم ثنائية الطور لطبقة الكسوة في نطاق مستقر.

الشكل 8 عبارة عن مخطط Bode لطبقات تكسية الليزر بسرعات مسح مختلفة. وكما هو مبين في الشكل 8 (أ)، فإن قيم مقاومة العينات في مناطق التردد المتوسط ​​والعالي متقاربة نسبياً. في بداية منطقة التردد المنخفض، تكون قيمة مقاومة السطح للعينة 300 مم/دقيقة مرتفعة نسبيًا. ومع زيادة التردد، تقترب منها قيمة مقاومة السطح للعينة البالغة 150 مم/دقيقة تدريجيًا، ثم تكون عند نفس المستوى بشكل أساسي. تتحسن خاصية المقاومة لطبقة الكسوة تدريجيًا، وتضعف خاصية السعة، ويتحسن أداء الحماية؛ كما هو مبين في الشكل 8 (ب)، من الواضح أن صور العينات 150 مم/دقيقة و300 مم/دقيقة في منطقة التردد المنخفض تتحرك نحو اتجاه الزاوية الكبيرة. عند حوالي 1 هرتز، تتجاوز زاوية العينة 150 مم/دقيقة زاوية العينة 300 مم/دقيقة، ويصل فرق المقاومة إلى القيمة القصوى في هذا الوقت. بالإضافة إلى ذلك، فإن lg Z-lg f قريب من العلاقة الخطية في منطقة التردد المتوسط. والسبب هو أنه عندما ينتشر الوسط المتآكل على سطح طبقة الكسوة، فإنه يواجه عائقًا من الجسيمات الدقيقة على سطح طبقة الكسوة ولا يمكنه اختراق الداخل إلا على طول الفجوات بين الجزيئات.

يوضح الشكل 9 منحنيات الاستقطاب الفولتمتري لسطح طبقة الكسوة بالليزر بسرعات مسح مختلفة. يمكن الحصول على الخواص الكهروكيميائية لسطح طبقة الكسوة من خلال منحنى الاستقطاب. يمكن حساب احتمالية التآكل الذاتي وكثافة تيار التآكل لسطح طبقة الكسوة بواسطة منطقة تافل. يمكن حساب معدل التآكل السنوي ومقاومة الاستقطاب بواسطة البرنامج[19]. وتظهر نتائج القياس في الجدول 2.

من الجدول 2، يمكن ملاحظة أنه عندما تكون سرعة المسح 150 مم / دقيقة، فإن احتمالية التآكل الذاتي لطبقة الكسوة هي الأعلى، وتيار التآكل الذاتي هو الأدنى، ومعدل التآكل الذاتي هو الأدنى، ومقاومة التآكل هي الأفضل. والسبب هو أن مادة الكسوة وسطح الركيزة يتم ذوبانهما بالكامل تحت نقل الحرارة لإشعاع الليزر، مع درجة عالية من الترابط المعدني، واستكمال التحول البلوري β وتحويل طور مارتنسيت ألفا على شكل إبرة. يتم ترتيب المارتنسيت على شكل إبرة المتكون على سطح الكسوة في هيكل كثيف، مما يستعيد المقاومة الممتازة للتآكل لسبائك TC4. بالمقارنة مع السطح المعالج عند 100 مم/دقيقة، حجم الحبوب أكبر؛ ثانياً، سرعة المسح 300 مم/دقيقة. نظرًا لكمية الحرارة الصغيرة الممتصة، لا تذوب مادة الكسوة تمامًا، وتكون الحبيبات الموجودة على سطح طبقة الكسوة صغيرة وكثيفة، ومرتبة بشكل مضغوط، وتتحد بشكل وثيق مع الركيزة من خلال هيكل مارتنسيت الشبكي، مما يقلل بشكل كبير منطقة التلامس التفاعلية، تقلل من معدل التآكل الذاتي للسطح، وتزيد من مقاومة الاستقطاب مع تقليل تيار التآكل الذاتي. تُظهر طبقة الكسوة الموجودة تحت هاتين المعلمتين مقاومة جيدة للتآكل.

2.5 تحليل الصلابة الدقيقة لطبقة الكسوة

يوضح الشكل 10 صلابة فيكرز الدقيقة لطبقات الكسوة بالليزر بسرعات مسح مختلفة ومسافات سطحية مختلفة. بشكل عام، تبلغ صلابة فيكرز الدقيقة للركيزة المصنوعة من سبيكة TC4 حوالي 300 فولت [20]، وتكون الصلابة الدقيقة لطبقة الكسوة أعلى من تلك الخاصة بالركيزة. عندما تكون سرعة المسح 200 مم/دقيقة، تكون صلابة الجزء العلوي من طبقة الكسوة عالية نسبيًا؛ مع زيادة المسافة من السطح تدريجيًا، تنخفض بسرعة الصلابة الدقيقة للعينات بسرعات مسح تبلغ 150 و200 و300 مم/دقيقة. عند 1 مم، تكون الصلابة الدقيقة للعينات 150 و300 مم/دقيقة قريبة من المنطقة غير المسخنة من الركيزة، والعينة 200 مم/دقيقة لديها توزيع صلابة واضح ثلاثي المستويات، مقسمة على 0.75 مم و2 مم. تعتبر صلابة السطح التي تزيد عن 0.75 مم مرتفعة نسبيًا ولكنها تتناقص بسرعة، وأقل من 2 مم قريبة من مستوى صلابة الركيزة. قد يكون السبب هو أن صقل الحبوب لسطح طبقة الكسوة يزيد من صلابة الطبقة السطحية، ولكن الطبقة المكررة تكون رقيقة، وفاصل الانخفاض السريع يتوافق مع المنطقة المتأثرة بالحرارة والمنطقة غير المسخنة من الركيزة.

زادت صلابة الواجهة بين طبقة الكسوة والركيزة للعينة التي تبلغ 100 مم / دقيقة بشكل طفيف، وانخفضت الصلابة قليلاً نسبيًا في نطاق القياس بأكمله، مع صلابة إجمالية عالية نسبيًا. قد يكون السبب هو امتصاص المزيد من طاقة الليزر، وتم خلط بعض مكونات الهواء في طبقة الكسوة، لتكوين تشعبات AlTi2C، وتم ربط مادة الكسوة والركيزة بشكل كامل معدنيًا. أثناء التبريد، كان التدرج في درجة الحرارة عند السطح البيني كبيرًا وكان معدل التصلب سريعًا، مما أدى إلى صقل الحبوب في هذا الموقع وتعزيز الصلابة الدقيقة للسطح[21]. يمكن أن يؤدي تحسين الأداء هذا والصلابة الإجمالية الأعلى إلى تمكين الأجزاء التي يتم إصلاحها بواسطة الكسوة بالليزر من الحفاظ على خصائص ميكانيكية معينة بعد التآكل الطفيف، مما يقلل من تدهور الأداء الناتج عن فقدان السطح.

2.6 تحليل مقاومة التآكل لطبقة الكسوة

يوضح الشكل 11 عامل الاحتكاك وشكل الندبة في تجربة الاحتكاك والتآكل.
بشكل عام، تعد إضافة مرحلة تقوية عالية الصلابة إلى السطح لتحسين مقاومة التآكل أو إضافة مرحلة التشحيم لتقليل عامل الاحتكاك وسيلة فعالة لتحسين أداء الاحتكاك والتآكل لسطح سبائك التيتانيوم. كما هو مبين في الشكل 11، مع مرور وقت الاحتكاك، يتقلب عامل الاحتكاك للركيزة قليلاً، ويتقلب عامل الاحتكاك للسطح الذي تم إصلاحه بسرعة مسح تبلغ 100 مم/دقيقة أكثر من غيره. هناك تراكم واضح لحطام الاحتكاك على جانبي ندبة التآكل لكل سطح. يعطي الجدول 3 نتائج قياس ندبة التآكل لسطح طبقة الكسوة الليزرية بسرعات مسح مختلفة.

كما هو مبين في الجدول 3، فإن عمق ندبة التآكل لطبقة الكسوة أقل من عمق الركيزة، وعرض ندبة التآكل أصغر من عرض الركيزة. عمق ندبة التآكل وعرض طبقة الكسوة مع سرعة مسح تبلغ 200 مم / دقيقة هي الأصغر، وفقدان وزن التآكل هو الأقل. ترتبط مقاومة التآكل للمادة بشكل إيجابي بصلابة سطحها، أي أنه كلما زادت صلابة سطح المادة، كانت مقاومة التآكل أفضل[22]. يحتوي سطح العينة الذي تبلغ سرعته المسح V3 على حبيبات أدق وصلابة ميكروية أعلى، كما أنه مرتبط تمامًا بسطح الركيزة، مما يؤدي إلى وجود عدد كبير من حدود الحبوب. حدود الحبوب لها تأثير مثبط على حركة الاضطرابات. كلما زادت حدود الحبوب الموجودة لكل وحدة مساحة، كلما كان هذا التأثير المثبط أكثر أهمية، وبالتالي يعكس مقاومة أفضل للتآكل. ومع ذلك، نظرًا لعدم كفاية الذوبان، فإن السطح الذي تم إصلاحه بسرعة مسح تبلغ 300 مم / دقيقة لديه درجة ترابط منخفضة نسبيًا لمواد الكسوة، مما يسبب ضررًا أكبر أثناء الاحتكاك وعلامة تآكل أعمق وأوسع نسبيًا.

3 الخاتمة

(1) تم إصلاح سطح سبيكة TC4 بواسطة الكسوة بالليزر بسرعات مسح مختلفة. عندما كانت سرعة المسح 150 مم/دقيقة، كان سطح الكسوة الذي تم إصلاحه يتمتع بمقاومة أفضل للتآكل. أنتج السطح الذي تم إصلاحه بنية بلورية مستقرة، وكان له رابطة معدنية جيدة مع سطح الركيزة، وكان لديه أعلى احتمال للتآكل الذاتي وأدنى معدل للتآكل.

(2) عندما تكون سرعة المسح 200 مم / دقيقة، يمكن تحسين الصلابة الدقيقة لسطح إصلاح الكسوة، وتكون كمية التآكل صغيرة. يعيق العدد الكبير من حبيبات α الدقيقة الناتجة عن التحول حركة خلع الشبكة الناتجة عن التأثير الخارجي، والذي يتجلى في ارتفاع الصلابة الدقيقة وكمية تآكل أصغر على نطاق كلي.

(3) أثناء عملية الكسوة، يتم تسخين مادة الكسوة وسطح الركيزة، وصهرها، ونقلها بالحمل الحراري، ثم تبريدها وتصلبها. سوف تذوب بعض العناصر الموجودة في السبيكة حتمًا في مرحلة تقوية الهيكل أو الركيزة أثناء إعادة تنظيم الشبكة، مما يؤدي إلى تشويه الشبكة، وتحقيق تأثير طلاء تقوية معين، والذي يتجلى في أداء شامل يتم تقويته أو الحفاظ عليه في أبعاد مختلفة على نطاق واسع.