در صنعت هوانوردی فعلی، روکش لیزری یک فناوری ایده آل برای تعمیر و درمان سطحی برای قطعات آلیاژی TC4 است که از نظر فرآیند نسبت به فناوری سنتی تعمیر فلز برتری دارد. در این کار سطح نمونه آلیاژی توسط روکش لیزری در توان 2 کیلو وات و سرعت های مختلف اسکن لیزری برای شناسایی و تجزیه و تحلیل تغییرات ساختار متالوگرافی، عملکرد خوردگی الکتروشیمیایی و خواص مکانیکی سطح پس از تعمیر استفاده شد. نتایج نشان می دهد که تغییرات مورفولوژی میکروسکوپی قابل توجهی در طول فرآیند تعمیر لیزر رخ داده است. سطح تعمیر با سرعت اسکن لیزری 150 میلی متر در دقیقه بهترین مقاومت در برابر خوردگی را داشت. و سطح تعمیر با سرعت اسکن لیزری 200 میلی متر بر دقیقه بهترین ریزسختی و مقاومت در برابر سایش را داشت.

آلیاژ تیتانیوم TC4 (Ti6Al4V) دارای مزایای زیادی مانند چگالی کم، وزن سبک، مقاومت ویژه بالا، مقاومت در برابر دمای بالا، مقاومت در برابر خوردگی، غیر مغناطیسی و زیست سازگاری خوب است. این طیف وسیعی از کاربردها را به دست آورده است و همچنین اولین نوع آلیاژ تیتانیوم است که در زمینه هوانوردی کشور من استفاده می شود [1]. با این حال، معایب مواد آلیاژی تیتانیوم مانند ضریب اصطکاک بالا و سختی کم، همواره بر عملکرد و عمر مفید قطعات آن تأثیر گذاشته است. برخی از اجزای مکانیکی مستعد خستگی و آسیب جزئی هستند[2]، و جایگزینی تعداد زیادی از قطعات کمی آسیب دیده هزینه های عملیاتی و نگهداری بسیار بالایی را به همراه خواهد داشت. بنابراین، یافتن روشی کم‌هزینه و راحت برای تعمیر سطح مواد آلیاژی تیتانیوم برای افزایش طول عمر قطعات مکانیکی و کاهش هزینه‌های نگهداری تولید سازمانی، یک موضوع تحقیقاتی بسیار ارزشمند است.

فناوری روکش لیزری نوع جدیدی از فناوری اصلاح سطح مواد است[3] که دارای مزایای کاربرد قوی، راندمان پردازش بالا، سازگاری خوب بین لایه روکش و زیرلایه جزء، صرفه جویی و حفاظت از محیط زیست است و به طور گسترده ای در زمینه اصلاح سطح آلیاژهای مختلف[4]. بسیاری از محققان تحقیقات مثمر ثمری در زمینه تعمیر مواد فلزی و بهبود عملکرد از طریق فناوری روکش لیزری انجام داده‌اند. شیا سیهای و همکاران [5] از فناوری روکش لیزری برای تهیه لایه های روکش کامپوزیتی Ni60A حاوی کسرهای جرمی مختلف TiC بر روی سطح بستر آلیاژ تیتانیوم TC4 استفاده کرد که به طور موثر میانگین سختی لایه روکش را بهبود بخشید و ضریب اصطکاک سطح را کاهش داد. چی و همکاران [6] از فناوری روکش لیزری پیش تنظیم پودر برای تهیه پوشش کامپوزیت ماتریس فلزی تقویت شده با ذرات کاربید تنگستن مخلوط بر روی سطح بستر آلیاژ TC4 استفاده کرد. مشخص شد که پوشش مخلوط با پودر TC4 اضافه شده دارای اثر تقویتی آشکارتری نسبت به پوشش خالص کاربید تنگستن است. دلیل آن به یکنواختی توزیع کاربید تنگستن در پوشش مربوط می شود. لیو یانان و همکاران [7] یک پوشش روکش خاکی کمیاب مبتنی بر Ni بر روی سطح آلیاژ Ti811 تهیه کرد، عملکرد پوشش را با جفت کردن عناصر خاکی کمیاب افزوده افزایش داد و تأثیر سرعت اسکن لیزری را بر ساختار و عملکرد پوشش تجزیه و تحلیل کرد. ژانگ و همکاران [8] یک پوشش نیترید بور شش ضلعی Ni60 بر روی سطح بستر TC4 با روکش لیزری تهیه کرد. نتایج نشان داد که پوشش دارای ریزسختی بالا بوده و مقاومت به سایش و خواص کاهش اصطکاک عالی را در محیط با دمای بالا نشان می‌دهد. تان جین هوا و همکاران [9] یک پوشش کامپوزیتی مبتنی بر تیتانیوم Ni60+BN روی سطح آلیاژ TC4 با روکش لیزری چند گذری تهیه کرد و تغییرات در ساختار پوشش و عملکرد در سرعت‌های مختلف اسکن را تجزیه و تحلیل کرد. رشید و همکاران [10] سطح فولاد 300M را با روکش لیزری ترمیم کرد و تغییرات خواص کششی را در جهات مختلف پس از تعمیر مورد مطالعه قرار داد. در مقایسه با نمونه‌های فقط زمین‌شده، نمونه‌های تعمیر شده با روکش دارای استحکام کششی و مدول الاستیک بهتری بودند.

در حال حاضر، تحقیقات در مورد بهبود عملکرد آلیاژ تیتانیوم TC4 عمدتاً بر استفاده از عناصر دیگر برای افزایش عملکرد لایه روکش متمرکز است. مطالعات کمی در مورد تعمیر و بهبود عملکرد با روکش کردن پودر ترکیب مشابه وجود دارد [11-12]. این روش در فرآیند ساده است و همچنین می تواند با کنترل پارامترهای پردازش به اثر تقویت پوشش تعمیری دست یابد. در این کار، پوشش تعمیری بر روی سطح آلیاژ TC4 با تکنولوژی روکش لیزری تهیه شده و اثر تعمیر در سرعت های مختلف اسکن تحت یک توان معین مورد تجزیه و تحلیل و مقایسه قرار گرفته و امکان سنجی و پیکربندی پارامتر بهینه استفاده از پرتوان و توان بالا لیزرهای درجه بزرگ صنعتی برای تعمیر صنعتی سطوح آسیب دیده بررسی شده است.

1 مواد و روشهای آزمایشی

1.1 مواد آزمایشی

آلیاژ TC4 به عنوان ماده پایه استفاده می شود که با سیم به نمونه های 50 میلی متر×15 میلی متر×5 میلی متر برش داده می شود. نمونه ها با کاغذ سنباده با زبری های مختلف پرداخت شده و با اتانول بی آب تمیز می شوند تا لایه اکسید سطحی و کثیفی از بین برود. مواد روکش فلزی از پودر TC4 از همان مواد استفاده می کند. به منظور کاهش تأثیر اکسیداسیون و پاشیدن پودر بر روی اثر ترمیم در طول فرآیند روکش، پودر را با اتیل سلولز و اتانول بی آب در شرایط گرما مخلوط می کنند تا یک پوشش کلوئیدی پیش ساخته ساخته شود که به طور یکنواخت روی یکی از پوشش ها پوشانده می شود. سطوح 50 میلی متر × 15 میلی متر از نمونه TC4 برای ایجاد یک پوشش پیش ساخته پردازش می شود و سپس پردازش روکش لیزری انجام می شود. ترکیب زیرلایه و مواد لایه روکش در جدول 1 نشان داده شده است.

1.2 روش تجربی

نمونه های از پیش پوشش داده شده با استفاده از سیستم لیزر COHERENT HighLight8000D تحت پردازش روکش تک پاسی قرار گرفتند. توان پردازش روکش لیزری P روی 2 کیلو وات، سرعت جریان حفاظتی آرگون 4.5 لیتر در دقیقه، قطر لکه 15 میلی متر و سرعت اسکن V 100، 150، 200 تنظیم شد.
300 میلی متر در دقیقه پس از پردازش نمونه ها، مورفولوژی ماکروسکوپی مشاهده شد و پس از برش و جاسازی، از کاغذ سنباده های 80#، 240#، 600#، 1000# و 1500# برای سنگ زنی استفاده شد و از سوسپانسیون های الماس 5، 1 و 0.05 μ استفاده شد. برای پولیش نمونه های سطح مقطع و روکش تهیه شد. نمونه های متالوگرافی مقطع با استفاده از محلول اچینگ کرول با نسبت حجمی اسید هیدروفلوئوریک، اسید نیتریک و آب 1:4:20 اچ شدند. LEICA MEF4 ساختار متالوگرافی سطح مقطع نمونه توسط یک میکروسکوپ استریو متالوگرافی مشاهده شد. مورفولوژی میکروسکوپی سطح مقطع نمونه توسط میکروسکوپ الکترونی روبشی S-3400 (SEM) مشاهده شد. طیف المان سطح مقطع نمونه توسط یک آنالایزر طیف انرژی EDS اسکن شد. ریزسختی سطح مقطع نمونه توسط دستگاه سختی سنج میکرو ویکرز HVS-1000Z مورد آزمایش قرار گرفت. نمونه سطحی لایه روکش با پراش اشعه ایکس (XRD) آنالیز شد. آزمایش خوردگی الکتروشیمیایی توسط یک ایستگاه کاری الکتروشیمیایی Metrohm Autolab انجام شد و عملکرد اصطکاک و سایش سطح لایه روکشی توسط یک تستر اصطکاک و سایش پین-دیسک با فشار آزمایشی روی 49 نیوتن تست شد. سرعت چرخش 100 دور در دقیقه بود. اصطکاک چرخشی به مدت 15 دقیقه انجام شد، نیروی اصطکاک لغزشی اندازه‌گیری شد و ضریب اصطکاک محاسبه شد، و عمق اسکار سایش پس از آزمایش اصطکاک توسط یک ابزار اندازه‌گیری اسکار سایش نوع پروب تشخیص داده شد و حجم سایش محاسبه شد. . حلقه اصطکاک دارای قطر متوسط ​​حدود 4 میلی متر است.

2 نتایج و بحث

2.1 تجزیه و تحلیل ماکرومورفولوژی

شکل 1 ماکرومورفولوژی سطح روکش نمونه را در سرعت های مختلف اسکن نشان می دهد. همانطور که از شکل 1 مشاهده می شود، هنگامی که نمونه با سرعت 100 میلی متر در دقیقه پوشش داده می شود، مواد روکش و سطح نمونه انرژی کافی دریافت می کنند، سطح پردازش شده تحت حرارت قوی قرار می گیرد، به سرعت ذوب می شود، مذاب واضح تری ارائه می کند. حالت، و در اثر شوک حرارتی لیزر جریان می یابد و سرد می شود و شکل موجی از چپ به راست ایجاد می کند. لایه اکسید سطحی قهوه ای مایل به قرمز و نسبتا زبر است (شکل 1 (الف)). هنگامی که سرعت اسکن به 150 میلی متر در دقیقه افزایش می یابد، ناحیه قهوه ای مایل به قرمز لایه اکسید سطحی روشن تر می شود و رنگ برخی از مناطق تیره تر می شود، رفتار جریان سطحی ضعیف می شود، علائم ذوب روشن تر می شود و زبری کاهش می یابد. (شکل 1 (ب))؛ هنگامی که سرعت اسکن به 200 میلی متر در دقیقه افزایش می یابد، مورفولوژی کل سطح روکش به طور قابل توجهی تغییر می کند، ناحیه قهوه ای مایل به قرمز به تدریج تحلیل می رود و به رنگ خاکستری مایل به سیاه تبدیل می شود، زبری سطح بیشتر کاهش می یابد و علائم ذوب روشن تر می شوند (شکل 1). ج))؛ هنگامی که سرعت اسکن به 300 میلی‌متر در دقیقه افزایش می‌یابد وقتی سطح روکش به رنگ خاکستری مایل به سیاه تیره تا آبی تیره است، برخی از نواحی دارای براقیت خاصی هستند، ذرات ریز به سطح متصل هستند، تقریباً هیچ اثری از جریان ذوب سطحی وجود ندارد، و سطح کلی صاف تر و صاف تر است (شکل 1 (د)).

شکل 2 مورفولوژی ماکروسکوپی ساختار متالوگرافی مقطعی نمونه مشاهده شده توسط میکروسکوپ استریو است. همانطور که در شکل 2 نشان داده شده است، هر نمونه دارای یک پدیده پهنه بندی و طبقه بندی نسبتاً آشکار پس از روکش است. با توجه به ویژگی های مورفولوژیکی ماکروسکوپی مختلف، می توان آن را به لایه روکش (CL)، منطقه متاثر از حرارت (HAZ) و منطقه بدون تأثیر (UZ) تقسیم کرد، اما مورفولوژی آن حالت های مختلفی را تحت پارامترهای پردازش مختلف نشان می دهد.

هنگام اسکن با سرعت 100 میلی متر در دقیقه، سطح مقطع دارای آثار گرمایش آشکار است. مواد روکش و سطح نمونه به طور کامل ذوب شده و تحت شوک حرارتی لیزر ترکیب می شوند تا یک ناحیه لایه روکش ضخیم را تشکیل دهند. منطقه متاثر از حرارت در داخل ماتریس نمونه قرار دارد. با توجه به گرمای ورودی بالا، محدوده گرمایش به کل مقطع گسترش می‌یابد که مورفولوژی متالوگرافی مرمر مانند آبی معمولی و تغییر فاز قابل توجهی را نشان می‌دهد. دانه های β از سایه های مختلف در شکل دیده می شود (شکل 2 (الف)). هنگام اسکن با سرعت 150 میلی متر در دقیقه، رنگ های منعکس شده توسط دانه های مختلف نشان می دهد که لایه روکش و ناحیه متاثر از حرارت دارای بازتاب رنگ ثابت هستند و دانه ها بزرگتر از دومی هستند. تفاوت موقعیت بین لایه روکش و ناحیه متاثر از حرارت زیرلایه قابل تشخیص است و این دو دارای پیوند متالورژیکی نزدیکی هستند (شکل 2 (ب)). هنگامی که سرعت اسکن به 200 میلی‌متر در دقیقه افزایش می‌یابد، لایه‌بندی متالوگرافی سه لایه دوباره ظاهر می‌شود، لایه روکش و ناحیه متاثر از حرارت نازک‌تر می‌شوند، دانه‌ها ریزتر می‌شوند و مرزهای منطقه مشخص می‌شوند (شکل 2 (ج)). ; هنگامی که سرعت اسکن به 300 میلی متر در دقیقه افزایش می یابد هنگامی که انرژی لیزر بر روی سطح اثر می گذارد، یک گرادیان دمایی رو به پایین ایجاد می شود، گرما به سمت پایین منتقل می شود، مواد روکش سطح ذوب می شود و با سطح زیرلایه ترکیب می شود. با خروج انرژی لیزر، یک گرادیان دمایی رو به بالا ایجاد می‌شود، خنک‌کننده و متبلور می‌شود و پس از انجماد، یک لایه تعمیر روکش با ضخامت‌ها و خواص فیزیکی و شیمیایی متفاوت تشکیل می‌شود.

2.2 تجزیه و تحلیل میکرومورفولوژی

شکل 3 مورفولوژی ریزساختار سطح مقطع لایه تعمیر روکش را تحت پارامترهای مختلف سرعت اسکن نشان می دهد. هنگامی که سرعت اسکن 100 میلی‌متر در دقیقه است، قسمت بالایی حرارت داده می‌شود و سپس سرد می‌شود تا کریستال‌های هم محور که در نوارها و کریستال‌های ستونی به صورت موازی جمع شده‌اند، تشکیل شود. اولی مرز دانه β را تشکیل می دهد و دومی را با اندازه های مختلف، یعنی دانه های α جدا می کند (شکل 3 (a-1)). ناحیه بالایی بیشتر گرم می شود، حجم دانه α بزرگتر است و شکل دانه در مرز دانه β با داخل آن کاملاً متفاوت است. جهت آن با خط سفید نشان داده می شود. داخل دانه β توسط سرد کردن دانه های α ستونی شکل می گیرد که اندازه های مختلف، آرایش ها و جهت های رشد متفاوت را در دانه های β مختلف نشان می دهند (شکل 3 (a-1)). سرعت خنک شدن در وسط لایه روکش آهسته تر است و گرما همچنان به سمت پایین منتقل می شود. دانه های ستونی α نسبتا کوچکتر و کوتاهتر در داخل مرز دانه β تشکیل می شوند که به صورت عمودی با یکدیگر در هم تنیده شده اند. دایره سفید مرز دانه β است که از دانه‌های پارامسیوم‌مانند بلندتر تشکیل شده است که از انتها به انتها متصل شده‌اند و مقدار کمی کریستال‌های سلولی کوچک‌تر در آن پراکنده شده‌اند (شکل 3 (a-2)) [13]. منطقه متاثر از گرما نسبتاً کمتر گرم می شود، سرعت خنک سازی کند است و مورفولوژی میکروسکوپی کاملاً متفاوت است. مرز دانه β ریزتر است و داخل آن در جهات مختلف رشد می کند تا تبدیل فاز مارتنزیت α مارتنزیت سوزنی شکل کم عمقی ایجاد کند. کریستال‌های β بزرگ‌تر که در اثر حرارت دادن ایجاد می‌شوند، همچنان 3 (a-3) شفاف را حفظ می‌کنند.[14-15].

هنگامی که سرعت اسکن 150 میلی‌متر در دقیقه است، تعداد زیادی از تبدیل‌های فاز مارتنزیت آلفا سوزنی شکل در امتداد جهات مختلف در بالای لایه روکش رشد می‌کنند و روی هم قرار می‌گیرند و با یکدیگر در هم می‌پیوندند (شکل 3 (b-1)). . تضاد آشکاری بین اشکال مختلف مناطق تبدیل فاز در دانه‌های مختلف β وجود دارد. با توجه به ترکیب متالورژیکی کامل لایه روکش و ناحیه متاثر از حرارت تحت این پارامتر، مورفولوژی متالوگرافی دو ناحیه تمایل به سازگاری دارد. مارتنزیت سوزنی شکل در داخل دانه β طولانی تر، کامل تر و شفاف تر است و به طور متقارن در امتداد مرز دانه β توزیع شده است. تعدادی دندریت کریستالی ثانویه وجود دارد که به صورت جانبی بین شاخه ها رشد می کنند (شکل 3 (b-2)) [16]. هنگامی که این قسمت بزرگ می شود (شکل 3 (b-3))، می توان مشاهده کرد که دسته های مارتنزیت سوزنی شکل به موازات یکدیگر در داخل دانه β به صورت خوشه ای قرار گرفته اند. هنگامی که سرعت اسکن 200 میلی‌متر در دقیقه است، گرمای ورودی به میزان قابل توجهی کاهش می‌یابد، دانه‌های بالای لایه روکشی تصفیه می‌شوند و دانه‌های α ریز تشکیل می‌شوند. مواد روکش فلزی تحت تأثیر حرارت ورودی لیزر به خوبی با یکدیگر ترکیب می شوند تا لایه ای از پوشش ساختاری متراکم را تشکیل دهند (شکل 3 (c-1)). یک ساختار تبدیل جزئی β در وسط و پایین لایه روکش وجود دارد که توسط دانه‌های α که تبدیل شده‌اند احاطه شده است (شکل 3 (c-2).
(ج-3))؛ هنگامی که سرعت اسکن 300 میلی‌متر در دقیقه است، گرمای ورودی به کاهش ادامه می‌دهد، ساختار بالای لایه روکشی بیشتر اصلاح می‌شود و برای تشکیل دانه‌های α کاملاً خنک می‌شود (شکل 3 (d-1)). همچنین یک ساختار تبدیل β در وسط لایه روکش وجود دارد که ساختاری مخلوط با دانه های α تبدیل شده را تشکیل می دهد.
(شکل 3 (d-2)). تعداد زیادی ساختار بتا تبدیل شده و مقدار کمی دانه α در پایین لایه روکش ظاهر شد. مشاهده شد که مارتنزیت سوزنی شکل ظریف در ساختار بتا تبدیل شده رسوب می‌کند. یک شبکه متقاطع از α-مارتنزیت سوزنی شکل کوتاهتر در منطقه متاثر از گرما تشکیل شد. این دو سازه در محل اتصال به یکدیگر متصل شدند تا یک ساختار در هم تنیده شفاف و ظریف را تشکیل دهند (شکل 3 (d-3)) [17].

2.3 تجزیه و تحلیل طیف انرژی XRD و EDS

سطح لایه روکش لیزری با پراش سنج اشعه ایکس، با زاویه اسکن اولیه 2θ 10 درجه، زاویه انتهایی 100 درجه و طول مرحله اسکن 0.02 درجه تجزیه و تحلیل شد. شکل 4 طیف XRD نمونه را در محدوده 30 درجه تا 85 درجه در سرعت های مختلف اسکن نشان می دهد.

همانطور که در شکل 4 نشان داده شده است، مقدار زیادی α-Ti در لایه روکش لیزری در سرعت های مختلف اسکن وجود دارد و تفاوت های خاصی در ترکیب فازهای دیگر وجود دارد. هنگامی که سرعت اسکن 100 میلی‌متر در دقیقه است، α-Ti و β-Ti در لایه روکش وجود دارند، که باعث می‌شود پیک‌های پراش با هم همپوشانی داشته باشند و شدت آن افزایش یابد و مقدار کمی از ترکیبات بین فلزی AlTi2C و پراش منحصر به فرد مربوطه تولید شود. قله ها ظاهر می شوند؛ هنگامی که سرعت اسکن 150 میلی‌متر در دقیقه است، محتوای β-Ti در بالا کاهش می‌یابد و به تدریج به α-Ti تبدیل می‌شود، ارتفاع پیک پراش کاهش می‌یابد و حالت تغییر فاز لایه روکش و ناحیه تحت تأثیر حرارت کاهش می‌یابد. از بستر نزدیک هستند، و اوج پراش α-Ti را نشان می دهد. هنگامی که سرعت اسکن 200 میلی متر در دقیقه است، سطح لایه روکش تقریباً از α-Ti در فرآیند ذوب تشکیل شده است، و پیک پراش یک سبک α-Ti آشکار را نشان می دهد، اما محلول جامد Ti(CNH)x در ظاهر می شود. لایه روکش، و شدت اوج پراش آن کم است. هنگامی که سرعت اسکن 300 میلی‌متر در دقیقه است، درجه ذوب مواد روکشی همچنان کاهش می‌یابد، و مورفولوژی پیک پراش مشابه زمانی است که سرعت اسکن 200 میلی‌متر در دقیقه است و Ti(CNH)x نیز وجود دارد. محلول جامد، دلیل پیدایش آن این است که کلوئید پوشش پیش ساخته و برخی از اجزای موجود در هوا مانند C و H در لایه روکش مخلوط شده و محلول جامد تشکیل می شود.

اسکنر طیف انرژی EDS برای انجام یک اسکن خطی از پایین لایه روکش و محل اتصال منطقه تحت تأثیر حرارت استفاده می شود. شکل 5 تغییر محتوای نسبی Ti/Al را در محل اتصال پایین لایه روکش و ناحیه تحت تاثیر حرارت در طول فاصله اسکن نشان می دهد. از شکل 5 می توان دریافت که محتوای نسبی دو عنصر Ti و Al ویژگی های نسبتاً آشکاری دارد. از مقایسه افقی، می توان دریافت که در سرعت اسکن 300 میلی متر در دقیقه، محتوای نسبی Ti/Al دارای نوسان زیادی در طول خط اندازه گیری است و محتوای Ti در برخی از موقعیت ها به طور قابل توجهی بیشتر از سایر نقاط است. موقعیت ها، و تفکیک عناصر رخ می دهد. محتوای عنصر در یک موقعیت خاص روی لایه روکش با سرعت اسکن 300 میلی متر در دقیقه شناسایی می شود. شکل 6 (الف) توزیع عناصر Ti (منطقه سبز)، و شکل 6 (ب) توزیع عناصر Al را در موقعیت مربوطه (ناحیه قرمز) نشان می دهد. با توجه به نتایج، توزیع متالوگرافی غیریکنواخت آشکاری از Al در ساختار تبدیل β وجود دارد. محتوای Al در داخل دانه های α تبدیل شده کم است، در حالی که محتوای آن در لبه مشابه دانه های اطراف است. این ممکن است به دلیل سرعت اسکن بالا، ورودی حرارت لیزر کوچک، خنک شدن و انجماد سریع لایه روکش، و تشکیل شبکه α-Ti زمانی که رشد هسته در مرز دانه β اتفاق می افتد باشد. عنصر Al در حوضچه مذاب زمانی برای انتشار به داخل ندارد. اتم های Al فقط وارد شبکه لبه α-Ti شده و جامد می شوند و در نتیجه جابجایی، تشکیل محلول جامد و جداسازی Al ایجاد می شود. مورفولوژی کریستال هم محور برجسته تری در ساختار متالوگرافی ظاهر می شود و مقدار کمی محلول جامد Ti(CNH)x باید در داخل به دلیل عدم وجود عنصر Al تشکیل شود. در همان زمان، بخشی از ساختار شبکه محلول جامد α-Ti/Al که در اطراف تشکیل شده است توسط محلول اچ متالوگرافی حل می شود و بقیه ساختار شبکه به جز کریستال هم محور تازه تشکیل شده همچنان سطح محتوای Al اصلی را حفظ می کند. .

در ترکیب با نتایج آزمایش میکروسکوپ الکترونی روبشی در شکل 3، می توان بیشتر آموخت که در طول تابش لیزری پیش پوشش پودری TC4، حلالیت محلول جامد α-Ti با افزایش سرعت اسکن تغییر می کند، که یک مقدار است. فرآیند ذوب و انجماد سریع غیرتعادلی. در فرآیند سرد شدن بیشتر مواد روکش و سطح زیرلایه از فاز β، هرچه سرعت اسکن کمتر باشد، ورودی گرمای لیزر بیشتر به سطح روکش، دمای بالاتری که توسط سطح می رسد، میانگین کوچکتر می شود. سرعت خنک شدن، و زمان انجماد طولانی تر است. هنگامی که حوضچه مذاب به درجه فوق خنک‌کننده می‌رسد، ابتدا کریستال β تشکیل می‌شود و فاز α در نقاط متعددی در مرز دانه‌های کریستال β اصلی هسته می‌گیرد و در داخل کریستال β در امتداد جهت خاصی رشد می‌کند. اتم های نسبتاً فراوان آل با سرعت زیاد در حوضچه مذاب با همرفت شوک حرارتی حرکت می کنند. در فرآیند رشد و تشکیل فاز α، آنها توسط شبکه "اسیر" می شوند، بنابراین محلول جامد α-Ti و مارتنزیت سوزنی شکل را تشکیل می دهند [18]. هنگامی که سرعت اسکن 200 میلی‌متر در دقیقه است، گرمای ورودی باعث می‌شود که لایه روکشی محلول جامد Ti(CNH)x بیشتری تشکیل دهد. هر چه عناصر C بیشتر بر تعیین محتوای Ti تأثیر بگذارد، در نتیجه محتوای Ti کمتر در نتیجه تعیین می شود. در این زمان، عنصر Al هنوز به طور کامل منتشر شده است و از هم جدا نشده است و در نتیجه محتوای نسبی Ti/Al کمتری دارد. در مقابل، هنگامی که سرعت اسکن کم است، لایه روکش عمدتاً محلول جامد α-Ti و مارتنزیت سوزنی شکل را تشکیل می دهد و تأثیر عنصر C کم است. هنگامی که سرعت زیاد است، عنصر Al جدا می شود، و جداسازی در برخی موقعیت ها جدی است، که منجر به محتوای نسبی Ti/Al و نوسانات بیشتر می شود.

2.4 تجزیه و تحلیل مقاومت در برابر خوردگی لایه روکش

یک آزمایش خوردگی الکتروشیمیایی بر روی لایه روکش روی سطح نمونه انجام شد. محلول کلرید سدیم با کسر جرمی 3.5٪ به عنوان الکترولیت استفاده شد. سطح لایه روکش نمونه به عنوان الکترود کار، الکترود پلاتین به عنوان الکترود کمکی و الکترود Ag/AgCl به عنوان الکترود مرجع متصل شد تا یک مدار اندازه گیری الکتروشیمیایی سه الکترودی تشکیل شود. پس از تثبیت پتانسیل مدار باز، طیف‌سنجی امپدانس الکتروشیمیایی (EIS) و منحنی‌های قطبش ولتامتری روبشی اندازه‌گیری شد. شکل 7 طیف Nyquist از امپدانس الکتروشیمیایی لایه روکش است. همانطور که از شکل 7 مشاهده می شود، با افزایش سرعت اسکن، شعاع قوس راکتانس خازنی روند افزایش تدریجی را نشان می دهد. به جز نمونه با سرعت اسکن 150 میلی متر در دقیقه، سه نمونه دیگر همگی یک شکل قوس 1/4 را نشان می دهند و به تدریج تمایل به افقی دارند، که ثابت می کند عملکرد محافظتی لایه روکش به تدریج بهبود می یابد. در حالی که سطح نمونه 150 میلی متر در دقیقه نزدیک به یک قوس 1/2 است و امپدانس فیلم دو فاز لایه روکش در محدوده پایدار است.

شکل 8 یک نمودار Bode از لایه های روکش لیزری در سرعت های مختلف اسکن است. همانطور که در شکل 8 (الف) نشان داده شده است، مقادیر مقاومت نمونه ها در مناطق فرکانس متوسط ​​و بالا نسبتا نزدیک است. در ابتدای ناحیه فرکانس پایین، مقدار مقاومت سطحی نمونه 300 میلی‌متر بر دقیقه نسبتاً زیاد است. با افزایش فرکانس، مقدار مقاومت سطح نمونه mm/min 150 به تدریج به آن نزدیک می شود و سپس اساساً در همان سطح قرار می گیرد. خاصیت مقاومت لایه روکش به تدریج بهبود می یابد، خاصیت خازن ضعیف می شود و عملکرد حفاظتی بهبود می یابد. همانطور که در شکل 8 (ب) نشان داده شده است، تصاویر نمونه های 150 میلی متر در دقیقه و 300 میلی متر در دقیقه در ناحیه فرکانس پایین به وضوح به سمت زاویه بزرگ حرکت می کنند. در حدود 1 هرتز، زاویه نمونه 150 میلی متر در دقیقه از نمونه 300 میلی متر در دقیقه بیشتر می شود و اختلاف مقاومت در این زمان به حداکثر مقدار می رسد. علاوه بر این، lg Z-lg f نزدیک به یک رابطه خطی در ناحیه فرکانس متوسط ​​است. دلیل آن این است که وقتی محیط خورنده روی سطح لایه روکشی پخش می شود، با انسداد ذرات ریز روی سطح لایه روکش مواجه می شود و تنها می تواند در امتداد شکاف های بین ذرات به داخل نفوذ کند.

شکل 9 منحنی های پلاریزاسیون ولتامتری سطح لایه روکش لیزری را در سرعت های مختلف اسکن نشان می دهد. خواص الکتروشیمیایی سطح لایه روکش را می توان با توجه به منحنی پلاریزاسیون به دست آورد. پتانسیل خود خوردگی و چگالی جریان خوردگی سطح لایه روکش را می توان توسط ناحیه تافل محاسبه کرد. نرخ خوردگی سالانه و مقاومت قطبش را می توان با نرم افزار محاسبه کرد[19]. نتایج اندازه گیری در جدول 2 نشان داده شده است.

از جدول 2 می توان دریافت که وقتی سرعت اسکن 150 میلی متر در دقیقه است، پتانسیل خود خوردگی لایه روکش بالاترین، جریان خود خوردگی کمترین، سرعت خود خوردگی کمترین است. و مقاومت در برابر خوردگی بهترین است. دلیل آن این است که مواد روکش و سطح زیرلایه کاملاً تحت انتقال حرارت تابش لیزر با درجه بالایی از پیوند متالورژیکی ذوب می شوند و تبدیل کریستال β و تبدیل فاز مارتنزیت α سوزنی شکل را تکمیل می کنند. مارتنزیت سوزنی شکلی که بر روی سطح روکش فلزی تشکیل شده است در ساختاری متراکم قرار می گیرد و مقاومت عالی در برابر خوردگی آلیاژ TC4 را بازیابی می کند. در مقایسه با سطح پردازش شده در 100 میلی متر در دقیقه، اندازه دانه بزرگتر است. در مرحله دوم، سرعت اسکن 300 میلی متر در دقیقه است. به دلیل مقدار کمی گرمای جذب شده، مواد روکش کاملاً ذوب نمی شوند و دانه های روی سطح لایه روکشی کوچک و متراکم هستند، به طور فشرده چیده شده اند و از طریق ساختار مارتنزیت شبکه ای با بستر ترکیب می شوند که به شدت کاهش می یابد. ناحیه تماس واکنش، نرخ خود خوردگی سطح را کاهش می دهد و مقاومت پلاریزاسیون را افزایش می دهد در حالی که جریان خود خوردگی را کاهش می دهد. لایه روکش تحت این دو پارامتر مقاومت خوبی در برابر خوردگی نشان می دهد.

2.5 تجزیه و تحلیل ریزسختی لایه روکش

شکل 10 ریزسختی ویکرز لایه های روکش لیزری را در سرعت های مختلف اسکن و فواصل سطحی مختلف نشان می دهد. به طور کلی، ریزسختی ویکرز زیرلایه آلیاژی TC4 حدود 300 HV [20] است و ریزسختی لایه روکش بالاتر از زیرلایه است. هنگامی که سرعت اسکن 200 میلی متر در دقیقه است، سختی بالای لایه روکش نسبتاً زیاد است. با افزایش تدریجی فاصله از سطح، ریزسختی نمونه ها با سرعت های اسکن 150، 200 و 300 میلی متر در دقیقه به سرعت کاهش می یابد. در 1 میلی متر، ریزسختی نمونه های 150 و 300 میلی متر در دقیقه نزدیک به ناحیه گرم نشده زیرلایه است و نمونه 200 میلی متر در دقیقه دارای توزیع سختی پله ای سه سطحی است که به 0.75 میلی متر و 2 تقسیم می شود. میلی متر سختی سطح بالای 0.75 میلی متر نسبتا زیاد است اما به سرعت کاهش می یابد و زیر 2 میلی متر به سطح سختی زیرلایه نزدیک است. دلیل ممکن است این باشد که پالایش دانه سطح لایه روکش سختی لایه سطحی را افزایش می دهد، اما لایه تصفیه شده نازک است و فاصله کاهش سریع مربوط به منطقه تحت تأثیر حرارت و ناحیه گرم نشده بستر است.

سختی رابط بین لایه روکش و زیرلایه نمونه 100 میلی‌متر بر دقیقه کمی افزایش یافت و سختی در کل محدوده اندازه‌گیری نسبتاً کمی کاهش یافت، با سختی کلی نسبتاً بالا. دلیل ممکن است این باشد که انرژی لیزر بیشتری جذب شده و برخی از اجزای هوا در لایه روکشی مخلوط شده و دندریت‌های AlTi2C را تشکیل می‌دهند و مواد روکش و زیرلایه کاملاً به صورت متالورژیکی به هم متصل شده‌اند. در طول سرد شدن، گرادیان دما در سطح مشترک زیاد بود و سرعت انجماد سریع بود، که منجر به پالایش دانه در این مکان و افزایش ریزسختی سطح شد[21]. این افزایش عملکرد و سختی کلی بالاتر می تواند قطعات تعمیر شده با روکش لیزری را قادر سازد تا خواص مکانیکی خاصی را پس از سایش جزئی حفظ کنند و کاهش عملکرد ناشی از از دست دادن سطح را کاهش دهند.

2.6 تجزیه و تحلیل مقاومت به سایش لایه روکش

شکل 11 ضریب اصطکاک و مشخصات اسکار سایش را در آزمایش اصطکاک و سایش نشان می دهد.
به طور کلی، افزودن فاز تقویت کننده با سختی بالا به سطح برای بهبود مقاومت در برابر سایش یا افزودن فاز روان کننده برای کاهش ضریب اصطکاک وسیله ای موثر برای بهبود عملکرد اصطکاک و سایش سطح آلیاژ تیتانیوم است. همانطور که در شکل 11 نشان داده شده است، با گذشت زمان اصطکاک، ضریب اصطکاک زیرلایه کمی نوسان می کند و ضریب اصطکاک سطح تعمیر شده با سرعت اسکن 100 میلی متر در دقیقه بیشترین نوسان را دارد. انباشتگی آشکاری از بقایای اصطکاک در دو طرف اسکار سایش هر سطح وجود دارد. جدول 3 نتایج اندازه گیری اسکار سایش سطح لایه روکش لیزری با سرعت های مختلف اسکن را نشان می دهد.

همانطور که در جدول 3 نشان داده شده است، عمق اسکار سایش لایه روکش کمتر از سطح زیرلایه است و عرض اسکار سایشی کمتر از سطح زیرلایه است. عمق اسکار سایش و عرض لایه روکش با سرعت اسکن 200 میلی متر در دقیقه کمترین و کاهش وزن کمترین است. مقاومت به سایش یک ماده با سختی سطح آن همبستگی مثبت دارد، یعنی هر چه سختی سطحی ماده بیشتر باشد، مقاومت به سایش بهتر است[22]. سطح نمونه با سرعت اسکن V3 دارای دانه های ریزتر، ریزسختی بالاتر است و به طور کامل به سطح زیرلایه چسبانده می شود و در نتیجه تعداد زیادی مرز دانه ایجاد می شود. مرز دانه ها بر حرکت نابجایی ها اثر بازدارنده دارند. هرچه مرزهای دانه در واحد سطح بیشتر باشد، این اثر بازدارنده مهمتر است، بنابراین مقاومت در برابر سایش بهتر را منعکس می کند. با این حال، به دلیل ذوب ناکافی، سطح ترمیم شده با سرعت اسکن 300 میلی متر در دقیقه دارای درجه اتصال نسبتاً کمی از مواد روکشی است که باعث آسیب بیشتر در هنگام اصطکاک و علامت سایش نسبتاً عمیق تر و گسترده تر می شود.

نتیجه گیری 3

(1) سطح آلیاژ TC4 توسط تعمیر شد روکش لیزری در سرعت های مختلف اسکن هنگامی که سرعت اسکن 150 میلی متر در دقیقه بود، سطح روکش تعمیر شده مقاومت در برابر خوردگی بهتری داشت. سطح تعمیر شده ساختار بلوری پایداری ایجاد کرد، پیوند متالورژیکی خوبی با سطح زیرلایه داشت، بیشترین پتانسیل خود خوردگی و کمترین نرخ خوردگی را داشت.

(2) هنگامی که سرعت اسکن 200 میلی متر در دقیقه است، ریزسختی سطح تعمیر روکش فلزی را می توان بهبود بخشید و مقدار سایش کم است. تعداد زیادی دانه‌های α ریز تولید شده توسط تبدیل مانع از حرکت نابجایی‌های شبکه ناشی از ضربه خارجی می‌شود که به صورت ریزسختی بالاتر و مقدار سایش کمتر در مقیاس ماکرو آشکار می‌شود.

(3) در طول فرآیند روکش، مواد روکش و سطح بستر گرم، ذوب، همرفت و سپس سرد و جامد می شوند. برخی از عناصر موجود در آلیاژ به طور اجتناب ناپذیری در فاز یا بستر تقویت سازه در طول سازماندهی مجدد شبکه حل می شوند و منجر به اعوجاج شبکه می شود و به اثر پوشش تقویتی خاصی دست می یابد که به صورت عملکرد جامعی که در ابعاد مختلف در مقیاس ماکرو تقویت یا حفظ می شود آشکار می شود.