Additieve productie is een krachtige methode voor het creëren van titaniumgebaseerde legeringen en composieten met aangepaste microstructuren en mechanische eigenschappen 1,2. Lasermetaaldepositie (LMD) en selectieve lasermetaaldepositie (SLMD) zijn gerichte-energiedepositieprocessen die de precieze afgifte van metalen of composietpoeders in een lasergegenereerde smeltpool mogelijk maken voor laag-voor-laag fabricage en binding aan het substraat. Titanium–6 aluminium–4Vanadium (TI6Al4V) blijft een van de meest gebruikte titaniumlegeringen in de lucht- en ruimtevaart, biomedische en industriële toepassingen vanwege de hoge soortelijke sterkte, corrosiebestendigheid en biocompatibiliteit3–5. Ondanks de gunstige bulkmechanische eigenschappen vertoont TI6Al4V matige hardheid en relatief slechte slijtvastheid onder glijdende contactomstandigheden 6,7.
Eerdere onderzoeken met lasermetaalafzetting en gerelateerde gerichte energiedepositieprocessen hebben aangetoond dat laserverwerkingsparameters een sterke invloed hebben op microstructuur, fasevorming en mechanisch gedrag 8,9. Surface engineering-strategieën, waaronder laser oppervlaktebehandeling10, nitriteren, coatings en conventionele laserbekleding 11,12,13,14,15,16, zijn ook toegepast om oppervlaktehardheid en slijtvastheid te verbeteren. Diffusiegebaseerde behandelingen leveren echter doorgaans dunne, gemodificeerde lagen met beperkte draagkracht op, terwijl mechanisch gebonden coatings gevoelig kunnen zijn voor scheuren of delaminatie onder hoge contactspanningen. Daarnaast rapporteren veel laserbewerkingsstudies verbeterde hardheid of slijtageprestaties zonder gedetailleerde procedurele richtlijnen te bieden die laserparameters koppelen aan versterkingsretentie, faseontwikkeling en tribologische respons. Deze beperkingen beperken het gebruik ervan in componenten die blootgesteld zijn aan zware wrijving, herhaalde contactbelasting of schurende omgevingen17.
LMD biedt voordelen ten opzichte van poederbedsystemen, zoals flexibiliteit in de samenstelling van grondstoffen, lokale versterking en realtime energie-invoerregeling, waardoor het ideaal is voor het creëren van functioneel aangepaste oppervlakken en metaalmatrixcomposieten 18,19,20,21,22,23. Figuur 1 toont een overzicht van het lasermetaalafzettingsproces (LMD) dat coaxiale poederafgifte, smeltpoolvorming, bekleedde zone, fusiezone en warmte-geïnspireerde zone met 50% overlappende sporen toont. Het hier gepresenteerde protocol vult deze kloof aan door een reproduceerbare methode te bieden voor het vervaardigen van gemodificeerde titaniummatrixcomposieten met behulp van lasermetaaldepositie en systematisch de laserenergie-invoer te correleren met microstructurele ontwikkeling en slijtagegedrag. De workflow integreert poedervoorbereiding, laserdepositie, microstructurele karakterisering, hardheidstesten en tribologische evaluatie. Door het laservermogen tijdens afzetting te beheersen, maakt de methode aanpassing van smeltpooldynamiek, verdunning, versterkingsontbinding en in situ. fasevorming mogelijk, die gezamenlijk hardheid en slijtageprestaties beïnvloeden. Figuur 2 toont dominante slijtagemechanismen die typisch worden waargenomen in monolithische TI6Al4V, en biedt context voor het evalueren van versterkte systemen.
Aangepaste versterkingsstrategieën hebben veelbelovend aangetoond om de mechanische en tribologische eigenschappen van titaniumlegeringen te verbeteren door het combineren van meerdere keramische fasen 23,24,25. In dit protocol worden boorcarbide (B₄C) en boornitride (BN) als versterkingen gebruikt tijdens lasermetaalafzetting. Boroncarbide heeft een hoge intrinsieke hardheid en bevordert de vorming van titaniumcarbide (TiC) tijdens laserverwerking, terwijl boornitride bijdraagt aan de vorming van titaniumnitride (TiN) en tijdens het schuiveneen vast smeereffect kan geven. In vergelijking met nitrieren en conventionele coatings produceert de huidige lasergebaseerde benadering een metallurgisch gebonden versterkte laag in plaats van een diffusiebeperkte of mechanisch hechtende oppervlaktefilm. In tegenstelling tot traditionele bekledingsprocessen vinden de inbouw van versterking en fasevorming plaats in situ. en kunnen direct worden geregeld door het laservermogen aan te passen, waardoor systematische evaluatie van microstructurele evolutie en tribologische respons mogelijk is28,29. Laservermogenskeuze is bijzonder cruciaal, omdat deze de temperatuur van het smeltbassin, de oplossing van de versterking, porositeitsvorming en de ontwikkeling van restspanning30,31 bepaalt. De gelijktijdige introductie van deze versterkingen maakt gecombineerde versterking en wrijvingsmodificatie mogelijk binnen de afgezet composietlaag 32,33,34.
Het algemene doel van dit protocol is om onderzoekers en de industrie in staat te stellen gemodificeerde TI6Al4V matrixcomposieten te vervaardigen met behulp van lasermetaaldepositie en om kwantitatief te evalueren hoe gecontroleerde variaties in laservermogen microstructuur, hardheid en slijtagegedrag beïnvloeden. Deze methode is geschikt voor onderzoekers die de oppervlakteprestaties van titaniumlegeringen voor lucht- en ruimtevaartcomponenten, biomedische implantaten en hoogbelastende schuifsystemen willen verbeteren die verhoogde hardheid en slijtvastheid vereisen.