Wymień i scharakteryzuj technologie laserowej obróbki powierzchni
Technologie laserowe zyskały zastosowanie do wytwarzania warstw powierzchniowych różnymi metodami:
cieplnymi (hartowanie, nadtapianie, natapianie, ablacja laserowa),
cieplno-chemicznymi (stopowanie),
cieplno-mechanicznymi (utwardzanie).
W zależności od efektów uzyskiwanych w wyniku przetapiania i krzepnięcia, przetapianie laserowe można podzielid na:
hartowanie przetopieniowe,
szkliwienie,
zagęszczanie,
wygładzanie.
Technologie laserowe:
Bazowe: cięcie,
Kluczowe: obróbka cieplna (hartowanie, wyżarzanie), przetapianie, stopowanie, napawanie, znakowanie, technologie laserowe w medycynie;
Eksperymentalne: Laserowe metody Rapid Prototyping,
Embrionalne: ablacja laserowa
Technologie laserowej obróbki cieplnej np. hartowanie przetopieniowe
Powoduje rozdrobnienie struktury materiału wyjściowego. W warstwie powierzchniowej o grubości kilku mikrometrów, po hartowaniu przetopieniowym wyróżnia się kilka stref.
Strefa powierzchniowa składa się głównie z tlenków metali i faz utworzonych w wyniku oddziaływania chemicznego i cieplnego stali oraz rozpuszczonych w niej gazów i składników powłoki absorpcyjnej z odpowiednią atmosferą oraz wiązką laserową.
W kolejnej strefie, o morfologii dendrytycznej i strukturze martenzytycznej uzyskanej po zahartowaniu ze stanu ciekłego, węgliki zawarte w stali uległy całkowitemu lub częściowemu rozpuszczeniu w osnowie, w wyniku działania wiązki laserowej.
Głębiej jest położona strefa podpowierzchniowa zahartowana ze stanu stałego o strukturze niejednorodnej, z martenzytem, austenitem szczątkowym i węglikami w pobliżu strefy przetopionej, oraz z martenzytem i ferrytem w stalach podeutektoidalnych lub cementytem w stalach nadeutektoidalnych w pobliżu rdzenia. Listwy martenzytu w tej strefie są 1,5-2-krotnie mniejsze niż po hartowaniu konwencjonalnym.
Laserowe hartowanie przetopieniowe wpływa na polepszenie własności eksploatacyjnych, trybologicznych, zmęczeniowych i antykorozyjnych oraz pogorszenie chropowatości powierzchni.
Przetapianie laserowe
Przetapianie laserowe polega na gwałtownym przetopieniu cienkiej warstwy wierzchniej materiału podłoża, lub naniesionej na nie powłoki i równie gwałtownie po nim następującej krystalizacji lub amorfizacji.
Podczas przetapiania laserowego warstwy powierzchniowej występuje parowanie przetapianego materiału, powstaje plazma. Plazma ma za zadanie ochronić powierzchnię żeby nie występowało dalsze nagrzewanie. Plazma oddziałuje także na powierzchnię jeziorka ciekłego metalu, zwiększa ciśnienie oraz miesza stopiony metal. W miejscu gdzie pada wiązka lasera w jeziorku tworzy się lejkowate zagłębienie, na jego powierzchnię działa ciśnienie hydrostatycznecieczy od strony roztopionego materiału oraz ciśnienie par od strony wiązki. Podczas procesu przetapiania laserowego powstają charakterystyczne wypływki na powierzchni przetapianego materiału, w tym przypadku tworzą się pofałdowania.
W zależności od efektów uzyskiwanych w wyniku przetapiania o krzepnięcia, przetapianie laserowe można podzielić na:
Hartowanie przetopieniowe,
Szkliwienie
Zagęszczanie,
Wygladzanie.
W zależności od zastosowanej energii wiązki laserowej oraz prędkości skanowania można wyróżnić:
Podtapianie,
Przetapianie,
Intensywne przetapianie,
Bardzo intensywne przetapianie.
Stopowanie/wtapianie laserowe
Polega na jednoczesnym topieniu materiału stopującego i podłoża, przez wiązkę laserową, przy intensywnym mieszaniu ich w ciekłym jeziorku. W zależności od sposobu wprowadzania dodatku stopującego do jeziorka rozróżnia się przetapianie
i wtapianie.
Proces stopowania polega na naniesieniu na podłoże materiału stopującego i na następnym przetopieniu go wraz z warstwą wierzchnią materiału podłoża. Materiał stopujący nakłada się na materiał podłoża metodami malowania, pokrywania przyklejonymi pastami lub proszkami (ze sproszkowanymi żelazostopami metali nasycających, węglikami boru, wolframu, tytanu), natryskiwania cieplnego (plazmowego, płomieniowego, dotonacyjnego), naparowywania, osadzania elektrolitycznego, natryskiwania zawiesinami, nanoszenia elektroiskrowego, nakładania cienkich folii, płytek, prętów lub drutów. Struktura tej warstwy, jej skład chemiczny i własności fizykochemiczne różnią się od podłoża i od materiału stopującego.
Materiał w warstwie stopowanej po zakooczeniu oddziaływania wiązki laserowej krzepnie, a materiał podłoża w jego sąsiedztwie ulega zahartowaniu. Struktura tej warstwy, jej skład chemiczny i własności fizykochemiczne różnią się od podłoża i od materiału stopującego. Grubośd warstw uzyskanych przez stopowanie przetopieniowe wynosi 0,3-0,4 mm przy nagrzewaniu impulsowym lub 0,3-1,0 mm przy nagrzewaniu ciągłym.
Napawanie laserowe/ Natapianie laserowe
Zwane również platerowaniem, polega na stopieniu grubej warstwy materiału natapianego i na podtopieniu bardzo cienkiej warstwy materiału podłoża wraz z przetopieniem naniesionego materiału powłoki, natapianego dla uzyskania powłoki bardziej odpornej na erozję, korozję lub ścieranie niż podłoże. Natapianie laserowe powoduje rozdrobnienie struktury oraz rozpuszczenie faz węglikowych, w wyniku czego po ochłodzeniu powstaje roztwór przesycony pierwiastkami stopowymi.
Napawanie laserowe może różnić się rodzajem wiązki laserowej, ale także sposobem podawania materiału dodatkowego. Możemy wyroznić następujące sposoby podawania:
Wdmuchiwanie proszku,
Nanoszenie proszku,
Smarowanie pastą,
Podawanie drutu.
Przewagą laserowego napawania nad klasycznymi metodami napawania jest powstawanie napoiny o minimalnym zniekształceniu i lepszej jakości powierzchni. Struktura napoiny jest bardzo drobnoziarnista, co dobrze wpływa na własności mechaniczne. Kolejną zaletą jest duża dokładność oraz powtarzalność procesu bez względu na kształt powierzchni roboczej.
Laserowe metody Rapid Prototyping –
Techniki RP, dzięki którym na podstawie trójwymiarowego, wirtualnego modelu CAD-3D możliwe jest wykonanie fizycznych modeli, części wzorcowych i prototypów. Do najpopularniejszych technik należą:
stereolitografia (Stereolithography SL, SLA),
selektywne laserowe spiekanie proszku (Selective Laser Sintering - SLS),
Laser Engineered Net Shaping (LENS).
Znakowanie laserowe
Czyli metoda zmiany własności i topografii powierzchni wykorzystująca zjawisko punktowego naświetlania laserem (a także bombardowania wiązką jonów, lub nastrzykiwania powierzchniowego). Dzięki możliwości połączenia wzornikowania z metodą wytwarzania warstw samoorganizujących się SAMs (j. ang.: self assembled monolayers) uzyskuje się powierzchnie o zróżnicowanej zwilżalności
Ablacja laserowa
Ablacja laserowa jest to proces, w którym wysokoenergetyczne kwanty promieniowania lasera wywołują obniżenie energii wiązań pomiędzy cząstkami, co umożliwia zdejmowanie warstw atomowych jedna po drugiej.
Ablacja laserowa jest zjawiskiem wykorzystywanym do realizacji procesów rozpylania wielu materiałów w technologii wytwarzania powłok metodą PLD (pulsed laser deposition). Zjawisko ablacyjnego odparowania materiału wywołane np. bombardowaniem jego powierzchni przez fotony promieniowania laserowego, jest wieloetapowym złożonym procesem fizycznym, w wyniku którego z powierzchni naświetlanego materiału następuje emisja cząstek na materiał tarczy.
Generalnie można wyróżnić 2 podstawowe mechanizmy ablacji laserowej:
Ablację fotochemiczną – zwana “zimną ablacją”, odgrywa dominującą rolę w procesie rozpylania materiałow organicznych (np. PCV). W procesie tym odpowiednio wysoka energia fotonów, bombardujących powierzchnię naświetlanego materiału, umożliwia rozrywanie jego wiązań międzyatomowych, a ograniczone efekty cieplne pojawiają się jedynie w obszarach brzegowych strefy oddziaływania wiązki laserowej na tarczę.
Ablację fototermiczną – jest procesem, w którym odparowanie materiału zachodzi głównie wskutek szybkiego wzrostu temperatury wprzypowierzchniowych warstwach tarczy, wywołanego oddziaływaniem na materiał tarczy wiązki promieniowania laserowego.
Cięcie laserowe
Cięcie laserowe jest termicznym procesem cięcia materiałów. Polega na topieniu i odparowywaniu lub spaleniu warstw materiału przy pomocy wysokoenergetycznej skoncentrowanej wiązki świetlnej uzyskanej w laserze. Głównymi cechami technologii cięcia laserowego jest wysoka jakość i niska chropowatość przeciętej powierzchni, wąska szczelina i mała strefa wpływu ciepła, małe odkształcenia materiału, ostre krawędzie oraz bardzo małe lub brak warstw utlenionych.
W urządzeniach do cięcia laserem wykorzystuje się wiązkę światła silnie skoncentrowaną w jednym punkcie za pomocą zestawu luster i soczewek skupiających. Pozwala to na uzyskanie wiązki o dużej gęstości mocy. Proces cięcia laserem polega na skierowaniu wiązki lasera na powierzchnię materiału, który zostaje stopiony, odparowany lub spalony. Padanie skoncentrowanej wiązki światła na powierzchnię materiału powoduje jego intensywne nagrzewanie się. Podczas procesu doprowadza się pewną ilość gazu do strefy cięcia. Dodatkowy strumień gazu wydmuchuje stopiony materiał i jego opary powstałe podczas procesu.
Metody cięcia laserowego:
Cięcie przez odparowanie,
Cięcie przez topienie i wydmuchiwanie,
Cięcie przez wypalanie,
Cięcie przez generowanie pęknięć termicznych.
Technologie laserowe w medycynie
Omów zjawisko krystalizacji stopów metali w procesie laserowej obróbki powierzchniowej
a - stan wyjściowy, b - nagrzewanie strefy wiązką laserową, c - chwilowe odkształcenie sprężyste próbki podczas nagrzewania, d - uplastycznienie i spęczenie strefy nagrzewanej, e - cyrkulacja jeziorka ciekłego metalu, f -postępująca krystalizacja strefy przetopionej, g - stan po zakończeniu krystalizacji, h - odkształcenie próbki podczas stygnięcia
W początkowym okresie krystalizacja zachodzi przy nieznacznym gradiencie temperatury i zdominowana jest powstawaniem kryształów słupkowych. Dendryty krystalizujące prostopadle do frontu odprowadzenia ciepła, wykazują jednocześnie uprzywilejowaną orientację krystalograficzną. Znaczącą rolę odgrywa też w tym etapie zarodkowanie heterogeniczne na częściowo nadtopionych ziarnach (krystalitach) pierwotnych materiału rodzimego gdyż, w związku z tym nowo rosnące dendryty przyjmują orientację krystalograficzną tych ziarn. Silna cyrkulacja strumienia ciekłego metalu powoduje rozmnażanie się powstających kryształów i w efekcie, w dalszym etapie krystalizacji nadtopionej stref)' materiału podłoża dominują bardzo drobne kryształy równoosiowe. W miarę postępującej krystalizacji następuje wyrównywanie się temperatury wewnątrz obrabianej próbki, zaś krystalizujące jeziorko, w wyniku skurczu, stopniowo zmniejsza swą objętość. Prowadzi to do występowania naprężeń, których ostateczny poziom i znak ustala się po osiągnięciu temperatury otoczenia. Zróżnicowanie poziomu naprężeń dla różnych parametrów przetopienia materiału rodzimego, związane jest z wielkością stref)' spęczoneJ na etapie nagrzewania warstwy wierzchniej. Przy dużej energii właściwej strefa ta jest proporcjonalnie większa, przez co skrócenie warstwy wierzchniej jest znaczniejsze i skutkuje wyższymi naprężeniami powstającymi podczas stygnięcia w obszarze przetopionym. Ostatecznym objawem geometrycznym przeprowadzonej obróbki laserowej jest sprężyste wygięcie próbki w taki sposób, że utworzona warstwa wierzchnia znajduje się po wewnętrznej stronie krzywizny.
Przedstaw metody charakteryzacji własności technologicznych materiałów inżynierskich obrabianych laserowo.
Badania laserowe:
Badanie chropowatości na powłokach poniżej 25µm – laser helowo-neonowy, przy wtrąceniach
Badania korozyjne – zliczanie impulsów laserowych
Badania korozyjne – badania grubości, bombardowanie powierzchni impulasami które się odbijają
Pomiar temperatury – określenie prędkości fli ultradźwiękowej przechodzącej przez materiał
Badanie zawartości siarki w części ze stali miękkiej – impuls lasera wytwarza plasmę , wynik – koncentracja siarki
Badania środowiska, geologia, w wojsku, medycynie, do zanieczyszczeń w atmosferze
Scharakteryzuj urządzenia stosowane w materiałowych procesach obróbki powierzchniowej
Podział:
Ze względu na moc: dużej, średniej, małej
Ze względu na sposób pracy:
Pracy ciągłej – em prom. O słabym natężeniu
Impulsowe – emituje imp. Światła
Ze względu na widmo prom.: w podczerwieni, w części miedzianej, w nadfiolecie
Ze względu na ośrodek czynny:
Gazowe: tlenowo –jonowy, na dwutlenek węgla, kryptonowy, azotowy, argonowy
Na ciele stałym – rubinowy, neodymowy, tytanowy na szafirze, diodowe
Ciekły – barwnikowe, chylatowe
Półprzewonikowe (diodowy)
Bezłączowe – kwantowy laser kaskadowy
Nowoczesne urządzenia laserowe a zwłaszcza lasery na ciele stałym: Nd:YAG, diodowe, włóknowe i tarczowe, umożliwiają doprowadzenie układem światłowodowym energii wiązki laserowej ciągłej lub impulsowej do dowolnych trudno dostępnych obszarów wymagających obróbki cieplnej.
Laser diodowy HDPL (ang. High Power Diode Laser) jest laserem półprzewodnikowym dużej mocy, w którym elementem czynnym jest pręt diodowy, zbudowany z pojedynczych emiterów diodowych. Jako materiał półprzewodnikowy do produkcji diod stosuje się arsenek galu GaAs, domieszkowany As, In i P. Pompowanie elementu czynnego odbywad może się poprzez pompowanie z innego źródła, np. wiązkę elektronów, promieniowanie świetlne czy poprzez złącze p-n. Na powierzchni pręta diodowego znajdują się emitery diodowe, na których zachodzi emisja promieniowania laserowego. Duże moce laserów HDPL uzyskuje się poprzez wykorzystanie specjalnych technologii budowy pakietów diodowych (wiele prętów diodowych ułożonych równolegle połączonych z sobą szeregowo). Laser HDPL jest to najnowocześniejsze źródło energii cieplnej od niedawna wykorzystywane do spawania na skale przemysłową.
Przedstaw perspektywy zastosowania laserowej obróbki powierzchniowej dla wybranych grup materiałów
Stosuje się do diamentów, ceramiki i stali.
Stal.
Można wykonad przegląd technologiczny który jest wykonany w odniesieniu do każdego z obszarów tematycznych laserowej obróbki powierzchniowej i będzie obejmował sporządzenie pełnej listy znanych i stosowanych w danym obszarze technologii i ocenę ich aktualnej fazy cyklu życia, dokonana w celu wyeliminowania rozwiązao przestarzałych, nieefektywnych, nieekologicznych i o słabszych perspektywach rozwojowych.
Laserowa obróbka cieplna w porównaniu z innymi metodami powierzchniowej obróbki cieplne czy tez z konwencjonalna obróbka cieplną ma lepszy wpływ na mikrostrukturę i własności mechaniczne stali.
Ze względu na niską przewodnośd cieplną, trudno obrabialnym materiałem jest stal szybkotnąca. Jednak stosując odpowiednią gęstośd mocy lasera można uzyskad w szybki sposób wysoką twardośd (nawet ponad nieco 1150 HV) oraz korzystną mikrostrukturę (martenzyt listwowy i płytkowy, austenit szczątkowy – 13,2% przy optymalnej gęstości mocy, nierozpuszczone węgliki oraz węgliki wydzieleniowe) a także mniejsze ziarno w porównaniu do tradycyjnych metod obróbki cieplnej stali szybkotnących.
Godnym uwagi procesem jest też natapianie laserowe. Proces ten powoduje rozdrobnienie struktury oraz rozpuszczenie faz weglikowych – powstawanie roztworu przesyconego pierwiastkami stopowymi. Zapewnia to polepszenie własności eksploatacyjnych i zwiększenie odporności na ścieranie oraz poprawę własności w podwyższonej temperaturze, chociaż zwiększa się podatnośd na pekanie natopionych warstw. Te własności decyduje ze stosuje się je do materiałów odpornych na korozje, materiałów narzędziowych, odpornych na ścieranie, żaroodpornych i odpornych na zużycie w wysokiej temperaturze. Stal można natapiad aluminium, stopami kobaltu, tytanu lub różnego rodzaju mieszaninami.