חיפוי לייזר הוא טכנולוגיית שינוי פני השטח המשתמשת בקרן לייזר בעלת אנרגיה גבוהה כמקור חום להנחת ציפוי סגסוגת בעל תכונות מיוחדות על המצע. יש לו יתרונות של קצב דילול נמוך, אזור קטן מושפע חום, חוזק מליטה גבוה עם המצע וזיהום סביבתי מועט. לכן, הוא נמצא בשימוש נרחב בתיקון משטח וחיזוק רכיבי מפתח כגון ייצור רכב, תעשייה פטרוכימית ומכונות כרייה.
חיפוי לייזרהוא תהליך מתכות מורכב הכולל פיזיקה, כימיה וחומרים. מאפייני ההתמצקות המהירים והמרווה שלו גורמים לרוב לפגמים כמו סדקים ונקבוביות בשכבת החיפוי. במחקרים קודמים, חוקרים מקומיים וזרים בעיקר ביטלו או הפחיתו את הפגמים של ציפויי לייזר באמצעות עיצוב חומרים ואופטימיזציה של פרמטרים של תהליך. עם זאת, עבור ציפויי סגסוגת קשים, עדיין קשה לבטל פגמים מבניים על ידי שינוי התהליך הקיים, המצריך שיקול של שליטה במבנה ההתמצקות של הציפוי על ידי יישום שדה חיצוני, ובכך לשפר את איכות הציפוי. כטכנולוגיית עזר לשדה חיצוני, לשדה האלקטרומגנטי יש את היתרונות של שילובים שונים, יכולת שליטה טובה וידידותיות לסביבה. זה יושם ביציקה, ריתוך, עיבוד לייזר ותחומים אחרים. הכוח האלקטרומגנטי שנוצר על ידי השדה האלקטרומגנטי משמש לערעור ההמסה, מה שעלול לגרום להסעה חזקה של המתכת הנוזלית בבריכה המותכת, להומוג את שדה הטמפרטורה ופיזור המומסים של הבריכה המותכת, ולמלא תפקיד בהפחתת מידת קירור-על וחידוד מבנה ההתמצקות.
1 מנגנון השפעה של שדה אלקטרומגנטי על תהליך חיפוי לייזר
השדה האלקטרומגנטי הוא אמצעי עזר לשדה חיצוני ללא מגע. במהלך תהליך חיפוי הלייזר, השדה האלקטרומגנטי ייצור אינטראקציה עם נמס המתכת בבריכה המותכת כדי ליצור כוח אלקטרומגנטי. הכוח האלקטרומגנטי ישנה את תנועת ההסעה ואת תהליך העברת המסה והעברת החום של ההיתוך, ולאחר מכן ישפיע על תהליך ההתמצקות של שכבת החיפוי. השפעת השדה האלקטרומגנטי על התנהגות התנועה של נמס באה לידי ביטוי בעיקר בכמה היבטים כגון אפקט הערבול האלקטרומגנטי, אפקט בלימה אלקטרומגנטית, אפקט נוזל אלקטרומגנטי תרמי, אפקט אלקטרומגנטי ואפקט העור. השפעת השדה האלקטרומגנטי על תהליך ההתמצקות של הנמס באה לידי ביטוי בעיקר במספר היבטים כגון פיצול גרגרים, אפקט תנודת קבוצה אטומית ואפקט חימום ג'ול.
2 השפעות של צורות שונות של שדות אלקטרומגנטיים על מבנה המיקרו והמאפיינים של ציפויי לייזר
- שדה מגנטי במצב יציב: השדה המגנטי במצב יציב עוזר לדכא את אדוות השטח של הציפוי, להפחית את מספר הסדקים ולחדד את מבנה הציפוי. השדה המגנטי במצב יציב יכול להפחית את מהירות הזרימה בתוך הבריכה המותכת, אך אין לו השפעה ברורה על שדה הטמפרטורה; כאשר עוצמת השדה המגנטי במצב יציב גבוה מערך מסוים, יש לו השפעה מעכבת משמעותית על אדוות פני השטח של השכבה המותכת.
- שדה מגנטי לא יציב: לשדה המגנטי המתחלף יש השפעה מועטה על הרוחב וקצב הדילול של שכבת החיפוי, בעוד שגובהה וזווית המגע שלה יורדים עם עליית עוצמת השדה המגנטי, ושטיחות פני השטח של שכבת החיפוי מושפעת גם על ידי חוזק ותדירות השדה המגנטי. בהשוואה לשדות המגנטיים המתחלפים והמסתובבים, ניתן להחיל את השדה המגנטי הפועם לסירוגין על הבריכה המותכת על ידי שליטה בעוצמתו ובתדירות השדה המגנטי. עם זאת, בשל מאפייני החימום המהיר ותהליך הקירור המהיר של חיפוי לייזר, זמן הקיום של הבריכה המותכת קצר יחסית, ולכן יש מעט מחקרים יחסית על חיפוי לייזר בעזרת שדה מגנטי פועם. כפי שמוצג באיור, בהשוואה לדגימות שהוכנו ללא סיוע בשדה חיצוני, ארבעת סוגי השדות המגנטיים יכולים להפחית את מספר הסדקים בציפוי, לעדן את הגרגירים ולהגדיל את קשיות הציפוי. ביניהם, חיפוי לייזר בסיוע שדה מגנטי פועם הוא בעל האפקט הטוב ביותר, אך בציפוי מופיעה תופעת הפרדת הפאזות הקשות.
שדה חשמלי בודד נמצא בשימוש נרחב בריתוך ויציקה, אך פחות מחקרים נעשים בתחום חיפוי הלייזר. כיום, קיימות שתי צורות עיקריות של שדה חשמלי בחיפוי לייזר: שדה חשמלי מתחלף ושדה חשמלי דופק.
- שדה חשמלי מתחלף: אפקט ההגירה האלקטרונית גורם ליונים בהיתוך לנוע בכיוון, ואפקט חימום הג'ול של הזרם ישנה את טמפרטורת ההיתוך, ובכך ישפיע על תהליך ההתמצקות של שכבת החיפוי. זרם חילופין יכול לקדם עידון גרגירים ובמקביל להגדיל את גובה האזור העדין בתחתית הציפוי, מה שעוזר להפחית היווצרות סדקים. הכנסת זרם חילופין תיצור בבריכה המותכת כוח אלקטרומגנטי מושרה עם כיוון שמשתנה ללא הרף, שיפעל כאפקט בחישה אלקטרומגנטית על המתכת הנוזלית בבריכה המותכת, יקטין את שיפוע הטמפרטורה בחזית ההתמצקות, ובכך יתרום עידון הדגנים.
- שדה חשמלי דופק: לזרם הדופק יש מאפיינים של אי-רציפות, שונות ומחזוריות. הפעלת זרם פולס במהלך תהליך החיפוי יכולה לשנות את מהירות זרימת ההיתוך, וכוח הגזירה הנוצר בהתכה יכול לשבור את הגרגרים שנוצרו, להגביר את קצב הגרעין ולעדן את הגרגרים.
3 מערכת חיפוי לייזר בעזרת שדה אלקטרומגנטי
כיום, טכנולוגיית חיפוי לייזר בעזרת שדה אלקטרומגנטי יושמה בהכנת ציפויי סגסוגת שונים וציפויים מרוכבים. עבור ציפויי סגסוגת, השדה האלקטרומגנטי מסייע לשפר את ההומוגניות של רכיבי הציפוי וההפצה של שלבים משקעים. עבור ציפויים מרוכבים, אפקט הערבול האלקטרומגנטי של השדה האלקטרומגנטי יכול לשנות את מאפייני ההפצה של שלב החיזוק בבריכה המותכת.
- ציפוי על בסיס ברזל: לאחר יישום השדה האלקטרומגנטי, ככל שעוצמת השדה המגנטי עולה, החספוס פני השטח של שכבת החיפוי פוחת, המבנה מתעדן משמעותית, ומצטמצמים פגמים כמו נקבוביות וסדקים; קשיות, עמידות ללבוש ועמידות בפני קורוזיה של הציפוי משופרים. בהשוואה לציפוי שהוכן ללא שדה מגנטי, ערך הקשיות של הציפוי שהוכן בעזרת שדה מגנטי יציב יותר לאורך כיוון העומק.
- ציפוי על בסיס קובלט: השדה המגנטי במצב יציב יכול לעכב את הסעת הבריכה המותכת, ולהעשיר את ההפרדה המאקרו, ואלמנטי המטריצה יכולים להיות מפוזרים יותר בתחתית הבריכה המותכת, כך שקל יותר להשיג שכבת חיפוי בהרכב קרוב לזה של אבקת הסגסוגת. האפקט המגנטוסטרקטי שנוצר על ידי השדה המגנטי יכול להפחית ביעילות את מקדם ההתפשטות התרמית ומודול האלסטי של שכבת החיפוי, להפחית את הלחץ התרמי במהלך תהליך החיפוי, ולאחר מכן להפחית את רגישות הסדק.
- ציפוי מרוכב: השדה המגנטי הקבוע אינו משפיע על הרכב הפאזה של הציפוי המרוכב, אך יש לו השפעה משמעותית על מבנה המיקרו של הציפוי ופיזור שלב החיזוק הקרמי. חוזק שדה מגנטי מסוים תורם לחידוד המבנה, והתפלגות שלב החיזוק הקרמי במבנה צפופה. האיור מציג את השפעת השדה המרוכב האלקטרומגנטי בשילוב עם השדה המגנטי במצב יציב והשדה החשמלי DC על הפצה ומבנה המיקרו של חלקיקי WC בציפוי הלייזר המרוכב In718/WC. כוח לורנץ כלפי מטה שנוצר על ידי השדה האלקטרומגנטי יכול לשפר את הסעת המרנגוני בבריכה המותכת, מה שתורם לפיזור אחיד של חלקיקי WC בציפוי המרוכב. זרם ישר יכול להגביר את קצב הגרעין של קרבידים אוטקטיים, והסעת Marangoni המשופרת יכולה לשבור דנדריטים עמודים, ובכך לעדן את המבנה.
4 אאוטלוק
טכנולוגיית חיפוי לייזר בעזרת שדה אלקטרומגנטי יכולה לממש שליטה במבנה המיקרו של שכבת החיפוי, לקדם עידון גרגרים, להפחית את הפרדת ההרכב, להפוך את חלוקת שלב החיזוק לאחידה יותר ולבלום את התחלת פגמים כגון חורים וסדקים. לכן, ניתן להכין ציפויים בעלי תכונות מצוינות בטכנולוגיית חיפוי לייזר בעזרת שדה אלקטרומגנטי. טכנולוגיית חיפוי לייזר בעזרת שדה אלקטרומגנטי היא חידוש של טכנולוגיית עיבוד לייזר מסורתית. זה לא רק יכול לקדם את היישום של תיאוריה אלקטרומגנטית בטכנולוגיית עיבוד לייזר אלא גם לקדם את הפיתוח של טכנולוגיית ייצור מחדש בלייזר על פני השטח של חלקים בעלי ביצועים גבוהים. יש לו סיכויי מחקר תיאורטיים ויישום הנדסי רחבים.