Lazer ile Kladlama

13.02.2018

1. Giriş

Metalik esaslı iş parçalarının yüzey özelliklerini (aşınma, korozyon, yorulma ve yüksek sıcaklığa direnç gibi) iyileştirmek için çeşitli termal yüzey işlemler mevcuttur. Bu işlemler arasında alev sprey, plazma sprey, ark kaynağı en bilinen tekniklerdir. Bu yöntemlerin temel amacı yüzeyde uygun karakteristik özelliklere sahip bir tabakanın oluşturulmasıdır. Uygulanan yönteme bağlı olarak altlık ile kaplama tabakası arasında bir takım yapışma, çatlama, termal distorsiyon problemleri ile karşılaşılabilmektedir. Lazer ile kladlama tekniği bu problemlerin üstesinden gelinmesinde etkin bir teknolojiye sahiptir. Lazer ile kladlama prosesi lazer ışını aracılığıyla elde edilen ısı kaynağı yardımı ile yüzeyde kaplama eldesine imkan veren bir prosestir.

Laser cladding

Lazer ile kladlama kaynak tekniğine benzer şekilde yüzeyde malzeme biriktiren, termal sprey tekniğine rekabet eden tamamlayıcı bir kaplama teknolojisidir. Plazma transfer ark kaynağı ve geleneksel TIG kaynak yöntemlerinin yerine tamir ve dolgu uygulamalarında kullanım alanı bulan ve yaygınlaşan alternatif gelişmiş bir yöntemdir. Geleneksel kladlama yöntemleri ile metalleri bir araya getirmek için yüksek oranda ısı girdisine ve işlem sonrasında ise nihai ürünü elde etmek için ilave ek yüzey işlemlere gereksinim duyulmaktadır. Bu durum üretim süresinin uzamasına ve operasyonel maliyetlerin artmasına neden olmaktadır. Lazer ile kladlama prosesi bir ürünün ömrünün artırılmasına, performansının ve verimliliğinin geliştirilmesine olan ihtiyacın artması doğrultusunda ortaya çıkmıştır. Bunun yanısıra lazer ile kladlama prosesi tamir, dolgu amaçlı kullanılabildiği gibi parçanın yeniden toleransa getirilmesi işlemlerine alternatif ekonomik bir çözüm olarak karşımıza çıkmaktadır. Böylelikle sektörde gelecek yıllarda lazer ile kladlama işlemlerine olan gereksinimin daha da artması beklenmektedir. Küresel lazer kladlama ekipmanları pazarının sürekli bir gelişme halinde olduğu ve 2021’de %8’den daha fazla büyüme hızına ulaşacağı öngörülmektedir. Lazer ile kladlama veya kaplama bir yüzey işlem tekniği olup, tel veya toz formundaki bir malzemenin diğer bir malzeme yüzeyine kontrollü bir şekilde ilave edilmesi veya yüzeyde biriktirilmesi işlemidir. Tel veya toz malzeme odaklanmış yüksek enerjili bir lazer ışınına beslenerek hedef altlık yüzeyinde seçilen malzemenin biriktirilmesine olanak sağlamaktadır. Lazer ile Kladlama

Şekil 1. Robotik lazer kladlama sistemi

Yüksek lazer gücü etkisiyle yüksek oranda kontrollü bir ısı girdisi sağlanabilmektedir. Böylece yüzey tabakasında ısıtma hızları oldukça yüksektir. Lazer uygulanan ısıtılmış yüzey kendi kendine hızla soğumaktadır. Yüksek oranda ısıtma ve soğutma hızının sonucunda ince tane yapısı ve yarı kararlı mikroyapısal fazlar elde edilebilmektedir. Lazer ile Kladlama

Şekil 2. Şematik olarak lazer kladlama ve uygulamaları

Prosesin Avantajları:

• İstenilen her bölgede hassas bir şekilde uygulanabilmektedir. • Çok geniş bir malzeme seçeneğine sahip olup yüzeyde lazer ile biriktirilebilir veya yüzeyi doldurabilir. • Kaplama yüzey ile çok iyi bir bağ oluşturur ve neredeyse çok düşük seviyede veya hiç porozite içermez (metalurjik bağ). • Altlığa minimal ısı girdisi söz konusu olup ısıdan etkilenen bölge çok dardır (Düşük dilitasyon %5’ten daha az) • Isı girdisinin az olması distorsiyon problemini de azaltmaktadır, böylelikle ek işlem gereksinimi azdır. • Kolaylıkla CAD, CAM ile entegre edilebilmekte ve CNC sistemlerine adapte edilerek otomasyon sağlanabilmektedir. • Yüksek toz verimliliği (%90 oranında). • Yüksek proses hızı (3m/dak.).

Malzemeler:

Lazer kladlama prosesi performansı doğrudan uygun kaplama malzemesi seçimi ile ilişkilidir. Kaplamadan beklenen özelliklere bağlı olarak çok çeşitli toz veya tel formunda metalik veya metal kompozit esaslı malzemeler kullanılabilmektedir. Doğru proses ve kaplama malzemesi seçimi korozyondan korunma, aşınma direncini artırma ve yüksek sıcaklık uygulamaları açısından oldukça kritik önem taşımaktadır. Lazer ile kladlama prosesinde kullanılan tozlar 20-200μm boyut aralığındadır. genellikle küresel formda olması arzu edilir ve gaz atomizasyon yöntemi ile üretilmiş olması tercih edilmektedir. • Korozyondan korunma amaçlı: nikel esaslı alaşımlar, paslanmaz çelikler, • Yüksek sıcaklık uygulamaları için: kobalt esaslı alaşımlar, • Aşınma direnci amaçlı: NiBSi+WC, demir esaslı alaşımlar ile birlikte farklı karbür türleri.

2. Lazer ile Kladlama Prosesi

Lazer ile kladlama prosesi bir çok parametreye sahip olup, ergiyik haldeki tozun/telin altlık yüzeyinde kontrollü bir şekilde altlık üzerinde biriktirilmesi ile altlığın yüzey özellikleri ve davranışlarını değiştirmekte ve geliştirmektedir. Prosesin başarısında etkin parametrelerin kontrol edilmesi kritik öneme sahiptir. Ana parametreler: proses hızı, lazer gücü, besleme oranı, lazer ışını geometrisi. Lazer ile kladlama prosesi esnasında altlık çok az oranda ergimekte, kaplamanın kompozisyonunda önemli bir değişim gerçekleşmemektedir.

1.Lazer Işını 2.Toz Besleme 3.İş Parçası 4.Kaplama

Şekil 3. Lazer kladlama a. toz b. tel

Lazer ile kladlama işlemlerinin ana uygulamaları yüksek katmadeğere sahip parçalar için tamir, yenileme amaçlıdır. Özellikle turbin kanatçıkları, içten yanmalı motor parçaları, takımlar ve birçok askeri amaçlı parçalar buna örnek verilebilir. Geleneksel yöntemler (kaynak gibi) ile yüksek ve kontrolsüz ısı girdisi etkisiyle parçaya zarar verilme riski oldukça fazladır. Termal gerilmeler etkisiyle mekanik dayanım, yüzey kalitesi azalmakta, çatlak oluşumlarıi porozite meydana gelmekte bunun sonucunda da parça ömrü kısalmaktadır.

Şekil 4. Kladlama prosesi parametreleri

3. Uygulamalar Lazer kladlama prosesi koruyucu bir kaplama oluşturarak yüzeyin fonksiyonelliğini artırmaktadır. Lazer kladlama işlemleri ile korozyona, aşınmaya ve darbeye uğrayan parçaların ömrü artırılabilmektedir. Tipik uygulamaları; delme sondaj vidaları, pompa parçaları, vallf parçaları, pnomatik silindirler, yataklar, güç aktarma sistemleri, ekstruzyon parçaları, dövme kalıpları, korozyona dirençli borular, motor silindirleri, dişli sistemleri. Lazer ile kladlama ile kaplama kalınlıkları azaltılabilmektedir. Dilitasyon oldukça düşük olup, istenilen kalınlık boyunca arzulanan kaplama özellikleri elde edilebilmektedir. •Kladlama zonunda enerji kontrolü istenildiği oranda gerçekleştirilebilmektedir, deformasyon olmaksızın çok hızlı birikme yapılabilmektedir. •Kaplama kalitesinin tekrarlanabilirliği oldukça yüksektir, kontrollü proses parametreleri ile istenilen kalınlıklara ulaşılabilmektedir. •Kaplamalara ısıl işlem uygulanabilmektedir.

Şekil 5. Buhar valfi yüksek sıcaklıkta eroziv etkilere maruz kalarak önemli oranda aşınmış, sonrasındakobalt esaslı super alaşım ile lazer kladlama yapılarak tamir edilmiş hali.

Şekil 6. Lazer ile kladlama örnekleri

Şekil 7. Mikroyapıların karşılaştırılması

4. Genel Sonuç

Lazer kladlama metal yüzeyleri iyileştirmek için toz formundaki malzemenin lazer yardımı ile yüzeyde biriktirilmesi işlemleridir. Altlık ile iyi bir yapışma, minimum ısıdan etkilenen bölge ve minimum distorsiyon oluşturmaktadır. Kladlama malzemesi iş parçasının çalışma ortam şartlarına uygun şekilde seçilmektedir. Korozyondan korunma, aşınma direncini artırmak ve mekanik özellikleri iyileştirmek amacıyla tercih edilmektedir. Lazer ile Kladlama