Lazer ile Kladlama

Şubat 13, 2018, 9:41 am
11 dakika

Lazer ile Kladlama

 

Dr. Ekrem Altuncu
ETSA / TESLAB
Teknoloji Fakültesi 
Metalurji ve Malzeme Mühendisliği Bölümü
Sakarya Üniversitesi 

 

 

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.

Lazer ile Kladlama

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.

Lazer ile Kladlama

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.

Lazer ile Kladlama

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.

Lazer ile Kladlama

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

Şekil 8. Kladlama proseslerinin karşılaştırılması

Yararlanılan Kaynaklar
[1] Global Laser Cladding Equipment Market 2017-2021; www.technavio.com
[2] Laser cladding with powder, www.or-laser.com
[3] Laser assisted metal deposition to produce wear resistant overlay, research.csiro.au
[4] Laser cladding process; www.oerlikon.com
[5] Comparison of cladding processes; http://www.ag-tolerie.com
[6] Laser cladding process; www.ipgphotonics.com
[7] Brückner F., Nowotny S., Leyens C., Innovations in laser cladding and direct metal deposition, SPIE Proceedings – The
International Society for Optical Engineering, 8239, art. no. 823904, (2012).
[8] Torims T., “Laser cladding device for in-situ repairs of marine crankshafts”, in Advanced Materials Research, Vols. 712-715,
2013, pp. 709-714
[9] Toyserkani E., Khajepour A., Corbin S., Laser Cladding, Taylor & Francis, Abingdon (UK), 2010, ISBN 1420039172 [10]Bach
F.W, Laarmann A., Wenz T. (Ed.), Modern Surface Technology, Weinheim (Germany), Verlag Gmbh & Co.,WILEY-VCH collection,
2006, ISBN 3-527- 31532-2

 

  • (gizli tutulacaktır)