Açık ortamda iyi performansa sahip bir titanyum alaşımlı lazer kaplama katmanı elde etmek için uygun işlem parametreleri aralığı seçildi. Kaplama tabakasının oksidasyon derecesi oksijen içeriği ile ölçülmüş ve farklı yüzey renk farkı değerleri altında oksijen içeriğinin değişimi incelenmiştir. Kaplama katmanının yüzey renk farkı, kontrol değişkenleri olarak lazer gücü, tarama hızı, toz besleme hızı ve gaz akış hızına sahip bir spektrofotometre ile tespit edildi ve kaplama katmanının yüzey renk farkı, bunlar kullanılarak ölçüldü. Yüzey renk farkı bir tepki indeksi olarak kullanılmış ve tepki yüzeyi metodolojisine dayalı olarak kaplama katmanının yüzey renk farkı ile kaplama proses parametreleri arasında matematiksel bir model oluşturulmuştur. Bulgular Kaplama katmanındaki oksijen içeriği, renk farkı değerinin artmasıyla arttı. Lazer gücünün renk farkı üzerindeki etkisi tarama hızınınkinden daha büyüktü. Lazer gücü ne kadar büyük olursa renk farkı değeri de o kadar büyük olur. Düşük lazer gücü ve yüksek toz besleme hızı ile daha küçük renk farkı değerleri elde edilebilir. Tarama hızı ile toz besleme hızı arasındaki etkileşimin renk farkı üzerinde çok az etkisi vardır. Gaz akış hızının değişmesinin renk farklılığı üzerinde önemli bir etkisi vardır. Daha küçük bir renk farkı elde etmek için gaz akış hızı arttırılabilir. Yüzey renk farkı modeline göre, lazer gücü 950~1 090 W olduğunda, tarama hızı 5~7 mm/s, toz besleme hızı 1.15~1.65 g/dak ve gaz akış hızı 24~ 32 L/dk ile kaplama şartlarını karşılayan yüzey renk farkı değeri elde edilebilmektedir. Sonuç Renk farkı, kaplama katmanının yüzey rengini karakterize etmek için kullanılabilir. Limit yüzey renk farkı değeri 5.09 olup uygun bir lazer kaplama işlem penceresi elde edilir. Deneysel doğrulama, model tarafından elde edilen tahmin edilen değerin ölçülen değerle tutarlı olduğunu göstermektedir, bu da bu makaledeki araştırma yönteminin etkinliğini kanıtlamaktadır.

Titanyum alaşımları yüksek spesifik mukavemetleri, iyi korozyon dirençleri ve yüksek ısı dirençleri nedeniyle biyotıp ve diğer alanlarda yaygın olarak kullanılmaktadır [1-4]. Geleneksel işleme ile karşılaştırıldığında lazer kaplama, düşük seyreltme oranı, küçük termal deformasyon ve yüzey modifikasyonu veya malzemelerin yüzey onarımı için kaplama katmanı ile alt tabaka arasında metalurjik bağlanma avantajlarına sahiptir [5-8]. Bununla birlikte, titanyum alaşımının yüksek kimyasal aktivitesi nedeniyle, lazer kaplamanın yüksek sıcaklığı altında oksitlenmesi çok kolaydır, bu da kaplama katmanında oksit kalıntıları, çatlaklar, gözenekler vb. gibi metalurjik kusurlara neden olur. mekanik özelliklerini etkiler [9-10].

Şu anda, lazer kaplama Titanyum alaşımının işlenmesi kapalı bir inert atmosfer kutusunda gerçekleştirilir. Atmosfer kutusundaki oksijen içeriğini kontrol ederek erimiş havuzun oksitlenmesi etkili bir şekilde önlenebilir, ancak ekipman pahalıdır, işlenen parçaların boyutu kutunun boyutuyla sınırlıdır ve parçaların uygun olmaması yerinde işlenebilir [11-12]. Yerel bir gaz koruma cihazı kullanılarak, kaplama yüksek sıcaklık alanını dış havadan izole etmek için lazer işleme alanında yerel bir inert atmosfer oluşturulur, böylece oksidasyon önlenir ve kaplama kalitesi sağlanır. Kapalı kutu işlemede boyut sınırlaması ve uygunsuz mobil çalışma sorunlarını çözer [13]. Bununla birlikte, lazer kaplamalı titanyum alaşımı açık ortamda oksidasyona daha yatkındır ve kaplama tabakasının oksidasyon derecesi ve şekillendirme kalitesi proses parametreleriyle yakından ilişkilidir. Oksitlenmiş titanyum alaşımının performansını değerlendirmek için, yalnızca bileşenin yapısal bütünlüğüne zarar vermekle kalmayıp aynı zamanda çok fazla zaman ve para harcayan tahribatlı testler gereklidir. Titanyum alaşımı oksitlendiğinde yüzeyin farklı renkler göstereceğini belirtmekte fayda var [14]. Kaplama tabakasındaki oksijen, nitrojen ve hidrojen gibi yabancı maddelerin içeriği, özellikle de oksijen içeriği, biriktirilen alaşımın performansı üzerinde önemli bir etkiye sahiptir [15-16]. Bu nedenle, biriktirilen titanyum oksit alaşımının performansını parçalara zarar vermeden değerlendirmek ve yüzey rengi ile kaplama tabakasının performansı arasındaki ilişkiyi kurmak büyük önem taşımaktadır.

Kaplama katmanının yüzey rengi, oksidasyon derecesini yansıtmak için kullanılır ve renk farkı analiz teknolojisi, yüzey rengini niceliksel olarak karakterize etmek için kullanılabilir [17]. Long Fei ve ark. [18], farklı sıcaklık işlemleri altında bakır-fosfor sert lehim malzemesinin renk farkının ve yüzey mikro bölge bileşiminin gelişimini inceledi. Renk farkının, malzemenin oksidasyon derecesini yansıtabilen yüksek sıcaklıktaki oksidasyon nedeniyle yüzey bileşiminin değişmesinden kaynaklandığı bulunmuştur. Oğul ve ark. [19], 3D baskılı parçaların renk farkı ve malzeme bileşimi arasındaki ilişkiyi incelemiş ve kaplama kalitesinin farklı oksidasyon dereceleriyle değişeceğini bulmuşlardır. Yang Guang ve diğerleri. [20], şekillendirme atmosferindeki oksijen içeriğinin (hacim fraksiyonu <%0.005~%0.019) titanyum alaşımlarının mikro yapısı ve mekanik özellikleri üzerindeki etkisini araştırmış ve oksijen içeriğinin artmasıyla birlikte biriktirilen numune yüzeyinin renginin değiştiğini bulmuşlardır. numunenin mukavemeti önemli ölçüde arttı ve plastisite azaldı. Na ve ark. [21], oksijen hacim oranı %0.2 olan bir şekillendirme atmosferi altında lazer gücünün saf titanyumla şekillendirilmiş parçaların oksijen hacim oranı üzerindeki etkisini inceledi. Lazer gücü 120 W'tan 440 W'a çıktığında oksijen hacim oranı %0.121'den %0.214'e yükseldi. Rousseau ve ark. [22] ve Tang ve ark. [23], atmosfer odasındaki oksijen hacim fraksiyonu %0.01'den düşük olduğunda, oluşturulan parçadaki oksijen içeriğinin artmayacağını ve içeriğinin, tozun oksijen içeriği ile ilişkili olduğunu göstermiştir. Eo ve ark. [24] lazer yoğunluğunun ve koruyucu gaz akışının oksidasyon davranışı üzerindeki etkisini araştırdı.

Şu anda, açık ortamda lazer kaplamalı titanyum alaşımının yüzeyinin renk farklılığı hakkında çok az rapor bulunmaktadır. Bu makale, açık ortamda lazer kaplama titanyum alaşımı yöntemine dayanmaktadır [25]. İlk olarak renk farkı, kaplama katmanının yüzey rengini ölçmek için kullanılır. Yanıt yüzeyi yöntemine dayalı olarak, yüzey renk farkı ve proses parametrelerinin regresyon matematiksel modeli kurulur ve her parametrenin yüzey renk farkı üzerindeki etkisi ve etkileşimi analiz edilir. İkinci olarak, kaplama katmanının oksijen içeriği, lazer kaplama titanyum alaşımının oksidasyon derecesi ve performansının bir değerlendirme indeksi olarak kullanılır. Farklı yüzey renk farkı değerleri altında oksijen içeriğinin değişim kanunu incelenerek sınır yüzey renk farkı değeri elde edilir. Son olarak optimizasyon koşullarına göre proses parametre aralığı elde edilir ve açık ortamda titanyum alaşımının lazerle kaplanması için teorik rehberlik sağlayabilecek kaplama koşullarını karşılayan yüzey renk farkı elde edilir.

1 Lazer kaplama testi

1.1 Test ekipmanı ve yöntemi

Açık ortamdaki lazer kaplama sistemi Şekil 1'de gösterilmektedir. Sistem temel olarak bir IPG YLS-2000-TR fiber lazer, bir KUKA robotu, bir HUIRUI toz besleyici ve bağımsız olarak geliştirilmiş bir optik toz besleme kaplama nozulundan oluşur. Optik toz besleme kaplama nozulu, "içi boş ışın ve ortalanmış toz ışınının" hafif toz birleştirme modunu benimser. Lazer ışını, harici optik yol dönüşümüyle elde edilen içi boş halka şeklinde bir ışıktır[26]. Açık ortamda lazer kaplamayı gerçekleştirmek için, eriyik havuzu çevresinde lokal inert bir atmosfer oluşturacak, dış havayı izole edecek ve eriyik havuzunun oksidasyonunu önleyecek çift katmanlı koaksiyel koruyucu gaz başlığı[27] tasarlanmıştır. Çift katmanlı koaksiyel koruyucu gaz başlığı, bir iç ana gaz koruyucu başlık ve bir dış yardımcı gaz koruyucu başlıktan oluşur. İç ana gaz koruyucu başlık, esas olarak erimiş havuzu koruyan kavisli bir akış kanalı yapısını benimser. Dış yardımcı gaz koruyucu başlık, esas olarak erimiş havuzun dışındaki yüksek sıcaklıktaki soğutma bölgesini koruyan küçük aralıklı düz akış kanalı yapısını benimser. Deneysel substrat, sıcak haddelenmiş TC4 titanyum alaşımlı plakadır ve kaplama tozu malzemesi, parçacık boyutu 4~75 µm olan TC106 küresel tozdur. Alt tabakanın ve kaplama tozunun kimyasal bileşimi Tablo 1'de gösterilmektedir. Aynı dış koşulları sağlamak için, alt tabaka 40 mm x 20 mm x 8 mm'lik küçük bir boyuta kesildi (ısı birikiminin etkisini ortadan kaldırmak için) . Her grup, %45 örtüşme oranıyla tek katmanlı sekiz geçişli yanal örtüşme kaplamasına tabi tutuldu. Oluşturulan kaplama katmanının uzunluğu ve genişliği sırasıyla yaklaşık 30 mm ve 12 mm olmuştur. Taşıyıcı gaz, yönlendirme gazı ve koruyucu gazın tamamında %99.99 saflıkta argon gazı kullanıldı.

1.2 Yüzey renk farkı tespiti ve analizi

Titanyum alaşımının lazer kaplama işlemi sırasında, oluşan parçanın yüzeyi oksidasyon oluştuğunda farklı renkler gösterecektir. Kaplama katmanının yüzey rengi oksidasyon derecesini yansıtmak için kullanılır ve CIE L*a*b* renk alanı yüzey rengini ölçmek için kullanılır.

CIELab, Uluslararası Aydınlatma Komisyonu (CIE) tarafından önerilen, insan gözünün görebildiği tüm renkleri tanımlayan üç boyutlu bir renk modelidir. Renk üç sayısal değerle temsil edilir: L*, a* ve b*. L* değeri açıklığı temsil eder ve değer ne kadar büyük olursa rengin parlaklığı da o kadar yüksek olur; a* değeri kırmızı/yeşil koordinat noktasını temsil eder; pozitif değerler kırmızıyı, negatif değerler ise yeşili belirtir; b* değeri sarı/mavi koordinat noktasını temsil eder, pozitif değerler sarıyı, negatif değerler ise maviyi belirtir [28]. Numunenin yüzey rengini tespit etmek için HunterLab UltraScan PRO spektrofotometresi kullanıldı. Gözlem ışık kaynağı D65, renk sıcaklığı 6500 K, gözlemci açısı 10°, dalga boyu ölçüm aralığı 350~1050 nm ve ölçüm açıklığı 9 mm idi. Her bir kaplama katmanının sırasıyla ön, orta ve arka uçları ölçülmüş ve ölçüm sonucu olarak üç ölçümün ortalama değeri alınmıştır.

ΔE* renk farkı yüzey renk farkını yani renk farkını temsil etmek için kullanılır. Cilalı titanyum alaşımlı plakanın yüzey rengi standart renk olarak alındığında, test sonuçları L0*, a0* ve b0*'ın sırasıyla 64.54, 0.44 ve 2 olduğunu göstermektedir. ΔE* renk farkı: bkz. şekildeki formül (1)-(4)

1.3 Tepki yüzeyi deneysel tasarımı

Kaplama katmanının yüzey renk farkı ile proses parametreleri arasında matematiksel bir model oluşturmak amacıyla, Design-Expert 8.0 yazılımındaki tepki yüzey tasarım modülünün merkezi kompozit tasarım modeli (CCD) kullanılarak dört faktörlü beş tasarım yapılmıştır. seviyeli lazer kaplama işlemi parametreleri. 30 grup küp nokta, 16 grup eksenel nokta ve 8 grup merkez nokta olmak üzere toplam 6 grup deney yürütülmektedir. Lazer kaplama işlemi parametreleri lazer gücü G, tarama hızı V, toz besleme hızı S ve gaz akış hızı Q'dur. Deneysel faktör seviyesi kodlaması ve gerçek parametre değerleri Tablo 2'de gösterilmektedir. Sistematik hataları önlemek için, test sırası rastgele bir şekilde düzenlenir. Spesifik test parametreleri ve yanıt sonuçları Tablo 3'te gösterilmektedir. Şekil 2, 30 deney grubunun sonuçlarını göstermektedir.

2 Yüzey renk farkının matematiksel modelinin oluşturulması

2.1 Modelin oluşturulması

Şekil 2'den görülebileceği gibi proses parametrelerinin farklı kombinasyonları altında kaplama katmanının yüzeyi farklı renkler ve farklı renk farkı değerleri sunmaktadır. Kaplama katmanı resminden de görülebileceği gibi 9 numaralı işlem parametrelerinde kaplama tozu tamamen erimemiş, erime yolu süreksiz ve yüzey düzgünlüğü zayıf olduğundan hesaplamaya dahil edilmemiştir. modeli. Tablo 3'teki test parametreleri ve ölçüm sonuçlarının analizi için Design-Expert yazılımındaki analiz modelleme modülü kullanılmış olup, denklemdeki katsayılar en küçük kareler yöntemi kullanılarak hesaplanmaktadır. Elde edilen ikinci dereceden regresyon modeli şu şekildedir: Şekildeki formül (5)'e bakınız.

Kaplama katmanı yüzey renk farkı regresyon modelinin varyans analizi sonuçları Tablo 4'te gösterilmektedir. Tablo 4'ten görüleceği üzere model katsayısı P 0.000 1'den küçük, 0.05'ten çok küçüktür ve uyum eksikliği terimi P, 0.172 6, 0.05'ten büyük olup, regresyon denkleminin iyi uyum sağladığını ve modelin anlamlı olduğunu gösterir. Çok değişkenli korelasyon katsayısı R2 0.989 3'tür, tahmin edilen uyum katsayısı R2Adj=0.978 6 düzeltilmiş uyum katsayısı R2pred=0.940 7'ye yakındır ve model sinyal-gürültü oranı AP 40.289'dur, bu da 4'ten büyüktür; model çok yakışıyor.

Şekil 3, regresyon modelinin standartlaştırılmış artıklarının normal grafiğidir. Şekil 3'ten görülebileceği gibi saçılan noktalar düz bir çizgiye yakındır ve artıklar normal dağılıma uymaktadır. Şekil 4, renk farkının gerçek değeri ile tahmin edilen değeri arasındaki ilişki diyagramıdır. Dağınık noktalar düz bir çizgi halinde dağılmış olup, gerçek değer ile tahmin edilen değer arasındaki hatanın küçük olması, kurulan modelin etkinliğini göstermektedir.

Matematiksel modelin doğruluğunun daha da doğrulanması amacıyla doğrulama testleri için 3 grup parametre tasarlanmış olup, gerçek test değerleri ile model hesaplama değerlerinin hata analizi yapılmıştır. Sonuçlar Tablo 5'te gösterilmektedir. Hata hesaplama formülü (gerçek değer – tahmin edilen değer)/tahmin edilen değer×%100'dür. Tablo 5'ten görülebileceği gibi tahmin edilen değer ile gerçek değer arasında belli bir hatanın bulunması ancak hatanın ±%5 aralığında olması, kurulan modelin yüksek derecede güvenilirliğe sahip olduğunu göstermektedir.

2.2 Proses parametrelerinin yüzey renk farkına etkisi

Şekil 5, çeşitli işlem parametrelerinin yüzey renk farkı üzerindeki etkileşiminin üç boyutlu bir yanıt yüzey diyagramıdır. Şekil 5a'dan görülebileceği gibi, lazer gücü değişiminin neden olduğu eğim değişimi, tarama hızı değişiminin neden olduğu eğim değişiminden daha büyüktür, bu da lazer gücünün renk farkı üzerindeki etkisinin tarama hızının etkisinden daha büyük olduğunu göstermektedir. Lazer gücü ne kadar büyük olursa renk farkı değeri de o kadar büyük olur. Şekil 5b'den görülebileceği gibi düşük lazer gücü ve yüksek toz besleme hızı ile daha küçük renk farkı değerleri elde edilebilmektedir. Şekil 5c'den görülebileceği gibi tarama hızı ile toz besleme hızı arasındaki etkileşimin renk farkı üzerinde çok az etkisi vardır. Şekil 5df'den görülebileceği gibi, gaz akış hızındaki değişimin renk farklılığı üzerinde önemli bir etkisi vardır. Daha küçük bir renk farkı elde etmek için gaz akış hızı arttırılabilir.

3 Deneysel optimizasyon

3.1 Oksijen içeriği analizi

Farklı renk farkı değerlerine sahip kaplama katmanındaki oksijen içeriği, O/N/H analizörü (LECO 836 serisi) kullanılarak 10–8 ölçüm doğruluğu ile inert erime yöntemiyle analiz edildi. Kaplama tabakasının merkez bölgesinden yaklaşık 0.1 g'lık bir ölçüm numunesi kesilmiş olup, test sonuçları Şekil 6'da gösterilmektedir. Şekil 6'dan görülebileceği gibi renk farkı değeri 3.95 olduğunda oksijen hacim fraksiyonu kaplama katmanındaki oksijen hacmi oranı %0.093 x 884'tür; bu, orijinal tozdaki oksijen hacim oranından (%0.015 x 4) yalnızca %0.078 x 5 daha yüksektir. Renk farkı değeri arttıkça kaplama tabakasındaki oksijen miktarı da artar. Renk farkı değeri 42.21 olduğunda oksijen hacim oranı %4.152 9'a ulaşır ve kaplama tabakasının oksidasyonu daha ciddi olur. Ulusal standart (GB/T 3620.1-2007), titanyum alaşımlı ürünlerdeki oksijen hacim oranının ≤%0.2 olmasını şart koşar. Renk farkı değeri 11.23 olduğunda oksijen hacim oranı %0.2'yi aşmaktadır.

3.2 Proses parametrelerinin optimizasyonu

Titanyum alaşımı oluşturan parçalarda oksijen hacim oranı ≤%0.2 standart olarak alındığında, yani renk farkı değeri 5.09'un altında olduğunda kullanım gereksinimlerini karşılayabilmektedir. Yüzey renk farkı modeline göre optimizasyon kriteri olarak 5.09'dan küçük renk farkı değeri kullanılmış olup, bazı proses parametrelerinin optimizasyon sonuçları Tablo 6'da gösterilmektedir. Optimizasyon sonuçlarından lazer gücü 950~1 090 W, tarama hızı 5~ 7 mm/s, toz besleme hızı 1.15~1.65 g/dak ve gaz akış hızı 24~32 L/dak, kaplama katmanı yüzey renk farkıyla 1.35~4.91 elde edilebilir. Proses parametrelerinin farklı kombinasyonları sayesinde renk farkı gereksinimlerini karşılayan bir kaplama katmanı elde edilebilir.

4 Sonuç

Renk farkı, kaplama katmanının yüzey rengini karakterize etmek için kullanılır. Yanıt yüzeyi yönteminin giriş değerleri olarak lazer gücü gibi proses parametreleri, çıkış değeri olarak ise yüzey renk farkı kullanılır. Tepki yüzeyi yönteminde CCD tasarım yöntemi esas alınarak, titanyum alaşımının tek katmanlı çok geçişli lazer kaplama testi açık ortamda gerçekleştirilmiş ve işlem parametreleri ile kaplama katmanının yüzey renk farkı arasında ikinci dereceden regresyon modeli elde edilmiştir. kurulmuş. Kaplama tabakasının oksidasyon derecesi oksijen içeriği ile ölçüldü ve farklı yüzey renk farkı değerleri altında oksijen içeriğinin değişimi analiz edildi. Renk farkının kritik durumuna göre lazer kaplama işlemi penceresi elde edilmiştir. Doğrulama testi, tahmin edilen değerin ölçülen değerle tutarlı olduğunu gösterdi; bu, bu makalede oluşturulan modelin yüksek güvenilirliğe sahip olduğunu ve açık bir ortamda titanyum alaşımlı lazer kaplama prosesi parametrelerinin seçimi için bir referans sağlayabileceğini gösterdi.