Visão geral do revestimento a laser
O revestimento a laser é um processo que utiliza diferentes métodos de enchimento para depositar materiais de revestimento selecionados na superfície de um substrato.
O material é derretido na superfície do substrato com uma camada fina após ser irradiado por um laser e, em seguida, solidificado rapidamente para formar um revestimento de superfície com diluição mínima e ligação metalúrgica com o material do substrato.
Isto melhora significativamente a resistência da superfície ao desgaste, corrosão, calor, oxidação e melhora suas propriedades elétricas no material de base.
O revestimento a laser é uma tecnologia econômica que pode criar superfícies de liga de alto desempenho em substratos metálicos baratos, sem alterar as propriedades do substrato. Isto reduz custos e conserva materiais metálicos preciosos e raros.
Os lasers utilizados no revestimento a laser são principalmente CO2 lasers e lasers de estado sólido, como lasers de disco, lasers de fibra e lasers de diodo.
Características do processo de revestimento a laser
O revestimento a laser pode ser dividido em duas categorias com base nos diferentes processos de alimentação de pó: método de predefinição de pó e alimentação síncrona de pó.
Os dois métodos são semelhantes, mas a alimentação síncrona de pó tem vantagens como fácil automação e controle, alta absorção de energia do laser e ausência de porosidade interna. Isto é particularmente benéfico para o revestimento de cerâmica metálica, pois melhora significativamente as propriedades anti-fissuras da camada de revestimento e permite uma distribuição uniforme da fase cerâmica dura por toda a camada de revestimento.
1. O revestimento a laser tem as seguintes características
- Taxa de resfriamento rápida (até 106K/s), que faz parte do processo de solidificação rápida, facilitando a obtenção de estruturas cristalinas finas ou a produção de novas fases que não podem ser obtidas através de um estado de equilíbrio, como fases não estacionárias e estados amorfos .
- Baixa taxa de diluição do revestimento (geralmente inferior a 5%) com uma ligação de difusão firmemente metalúrgica ou interfacial ao substrato. Bons revestimentos com baixas taxas de diluição podem ser obtidos ajustando os parâmetros do processo a laser, e a composição do revestimento e o grau de diluição podem ser controlados.
- Entrada de calor e distorção reduzidas, especialmente quando é usado revestimento rápido de alta densidade de potência, com distorção mantida dentro das tolerâncias de montagem da peça.
- Poucas restrições na escolha do pó, particularmente para a deposição de ligas de alto ponto de fusão em metais de baixo ponto de fusão.
- Grande variedade de espessuras de camada de revestimento, com espessura de revestimento de pó de canal único variando de 0,2 mm a 2,0 mm.
- Deposição seletiva com baixo consumo de material e excelente relação desempenho/preço.
- Capacidade de fundir áreas inacessíveis através da mira do feixe.
- Fácil de automatizar.
O revestimento a laser é altamente adequado para o reparo de peças comumente desgastadas em campos de petróleo devido à sua resistência ao desgaste.
2. Diferenças e semelhanças entre revestimento a laser e liga a laser
Tanto o revestimento a laser quanto a liga a laser usam feixes de laser de alta densidade de energia para formar uma camada de revestimento de liga na superfície de um substrato, que é fundida com o substrato e possui composição e propriedades únicas.
Os dois processos são semelhantes, mas fundamentalmente diferentes, com as seguintes diferenças principais:
(1) No revestimento a laser, o material de revestimento é completamente derretido com uma camada de fusão de matriz extremamente fina, causando impacto mínimo na composição do revestimento. Na liga a laser, elementos de liga são adicionados à superfície do material de base na camada compósita fundida, formando uma nova camada de liga com base no material de base.
(2) O revestimento a laser não depende do metal fundido da camada superficial do substrato como solvente, mas, em vez disso, derrete um pó de liga pré-configurado para criar a liga em questão da camada de revestimento. Ao mesmo tempo, a liga da matriz também possui uma fina camada de fusão, levando à formação de uma ligação metalúrgica.
O revestimento a laser é uma base crucial para o reparo e remanufatura de peças defeituosas sob condições extremas e para a fabricação direta de peças metálicas. Tem recebido atenção significativa da comunidade científica e de empresas em todo o mundo pela sua capacidade de preparar novos materiais.
Avaliação do efeito da fusão a laser
Avaliar a qualidade do revestimento a laser envolve dois aspectos principais: macroscópico e microscópico.
O aspecto macroscópico examina a forma do canal de fusão, irregularidades da superfície, rachaduras, porosidade e taxa de diluição. Microscopicamente, analisa a formação de uma boa organização e o fornecimento das propriedades necessárias.
Além disso, o tipo e a distribuição dos elementos químicos na camada de revestimento superficial devem ser determinados, deve-se prestar atenção à análise da camada de transição para ligação metalúrgica e, se necessário, devem ser realizados testes de qualidade de vida.
Os esforços de pesquisa concentram-se no desenvolvimento de equipamentos de revestimento, na dinâmica da poça de fusão, no projeto da composição da liga, nos métodos de formação, propagação e controle de fissuras e nas forças de ligação entre a camada de revestimento e o substrato.
Os principais desafios enfrentados pela aplicação adicional da tecnologia de deposição a laser são:
- A instabilidade da qualidade da camada de revestimento é a principal razão pela qual a tecnologia de revestimento a laser ainda não foi totalmente industrializada na China. Durante o processo de revestimento a laser, defeitos como porosidade, rachaduras, deformação e irregularidades superficiais podem ocorrer na camada de revestimento devido às diferenças no gradiente de temperatura e no coeficiente de expansão térmica entre a camada de revestimento e o material de base.
- O controle automatizado do processo de revestimento a laser deve ser detectado e implementado.
- A sensibilidade à fissuração do revestimento a laser ainda é um problema para pesquisadores nacionais e internacionais e continua sendo um obstáculo para a aplicação de engenharia e industrialização. Embora a formação e expansão de fissuras tenham sido estudadas, o método de controle ainda não está maduro.
Aplicação de revestimento a laser
O processamento de revestimento a laser tem uma ampla gama de aplicações e campos, abrangendo quase toda a indústria de fabricação de máquinas.
Atualmente, o revestimento a laser tem sido aplicado com sucesso em aço inoxidável, aço moldado, ferro fundido maleável, ferro fundido cinzento, ligas de cobre, ligas de titânio, ligas de alumínio e ligas especiais, como à base de cobalto, à base de níquel, à base de ferro e outros pós de liga autofusíveis e fases cerâmicas na superfície do revestimento a laser.
Os pós de liga à base de ferro são adequados para peças que requerem resistência ao desgaste local e são propensas à deformação.
Os pós de liga à base de níquel são ideais para componentes que necessitam de resistência local à abrasão, resistência ao calor e resistência à fadiga térmica.
Os pós de liga à base de cobalto são adequados para peças que requerem resistência local à abrasão, resistência à corrosão e resistência à fadiga térmica.
Os revestimentos cerâmicos possuem alta resistência em altas temperaturas, boa estabilidade térmica e alta estabilidade química, tornando-os adequados para peças que requerem resistência ao desgaste, resistência à corrosão, resistência a altas temperaturas e resistência à oxidação.
Algumas aplicações típicas de revestimento a laser são:
Fabricação e Remanufatura de Equipamentos e Componentes de Mineração
Os equipamentos de mineração de carvão sofrem muito desgaste devido ao seu ambiente de trabalho hostil, levando a quebras frequentes de peças. O revestimento a laser é usado para fabricar e remanufaturar essas peças, incluindo:
- Mineiro de carvão: estrutura principal, balancim, engrenagem, eixo de engrenagem, buchas, estrutura articulada, cilindro de óleo, sede do cilindro, sapata deslizante guia, roda dentada, roda de trilho de pino, roda motriz, chave inglesa, etc.
- Roadheader: cilindros, suportes, eixos, buchas, cortadores, etc.
- Transportador raspador: calha central, ranhura de transição, caixa de engrenagens, engrenagens, eixos de engrenagem, engrenagens cônicas espirais, peças de eixo, etc.
- Suporte hidráulico: cilindro, furo de articulação da base e suporte, buchas, etc.
Roadheader cortando dentes
Coluna de suporte hidráulico após revestimento
Escolhas após revestimento a laser
Fabricação e Remanufatura de Equipamentos Elétricos e seus Componentes
Os equipamentos de energia elétrica possuem alto volume de distribuição e devem operar continuamente, tornando-os vulneráveis a danos aos seus componentes.
A turbina a vapor é o coração da geração de energia térmica, mas as suas exigentes condições de trabalho, incluindo altas temperaturas e calor, levam ao desgaste regular de componentes essenciais, como o eixo principal e as palhetas dinâmicas, que devem ser reparados anualmente.
A turbina a gás também está sujeita a danos devido à sua exposição a altas temperaturas de até 1300°C.
A tecnologia de remanufatura a laser oferece uma solução eficaz para restaurar o desempenho de equipamentos danificados e é significativamente mais econômica, com um preço que é apenas um décimo do preço de uma unidade nova.
Revestimento a laser do eixo do rotor do motor
Reparação de rotor de turbina a vapor
Reparação do desgaste da lâmina do exaustor de pó
Fabricação e Remanufatura de Equipamentos Petroquímicos e seus Componentes
A indústria petroquímica opera num modelo de produção em massa, o que requer a utilização de máquinas que trabalham continuamente em ambientes agressivos. Com o tempo, a exposição a tais condições resulta em danos, desgaste e corrosão dos componentes do equipamento.
Válvulas, bombas, impulsores, munhões do rotor, discos, buchas e placas de eixo estão entre as peças mais suscetíveis a falhas. Esses componentes não são apenas caros, mas também de formato complexo, dificultando os reparos.
No entanto, o advento da tecnologia de fusão a laser eliminou estes desafios, tornando possível reparar e fabricar eficazmente estas peças.
Revestimento a laser de revestimentos cerâmicos duros em tubos de perfuração de petróleo, ferramentas de perfuração, etc.
Fabricação e Remanufatura de Equipamentos e Componentes Ferroviários
O rápido crescimento do transporte ferroviário e o seu correspondente desenvolvimento socioeconómico resultaram numa elevada procura de novos veículos ferroviários, bem como num aumento no número e nos requisitos de desempenho dos principais componentes.
Uma solução para esta procura é a aplicação de tecnologia de refabricação, que oferece o potencial de reutilização de peças vestíveis de veículos.
A principal tecnologia por trás da remanufatura é o fortalecimento da superfície a laser. Este processo envolve a aplicação de tecnologia de revestimento de superfície a laser para reparar e reforçar a superfície de peças remanufaturadas.
Remanufatura de componentes-chave em outras indústrias de máquinas
A remanufatura de componentes-chave não se limita à indústria ferroviária e também é aplicada em uma variedade de outras indústrias de máquinas, incluindo metalurgia, petroquímica, mineração, química, aviação, automotiva, naval, máquinas-ferramentas e muito mais.
Para reparar e melhorar o desempenho de equipamentos de precisão, equipamentos de grande porte e peças valiosas que são suscetíveis a desgaste, erosão e corrosão, o processo de revestimento a laser é utilizado.
Revestimento a laser de barras de engrenagem sem-fim para mandriladoras e fresadoras de pórtico
Rolos de fundição contínua de aço altamente resistentes ao desgaste com revestimento a laser