eng
Выпуск #3/2015
В. Бирюков
Повышение износостойкости деталей машин при лазерной наплавке
Повышение износостойкости деталей машин при лазерной наплавке
Просмотры: 4395
Представлены результаты исследования режимов лазерной наплавки порошковых материалов на основе никеля (размером 40–150 мкм) при использовании волоконного лазера с варьируемой мощностью в диапазоне 500–3000 Вт. Скорость перемещения подложки составляла 5–25 мм/с.
Теги: additive manufacturing laser cladding laser metal deposition (lmd) resistance selective laser melting (slm) аддитивная технология изностойкость лазерная наплавка прямое лазерное выращивание (лазерная порошковая наплавка – lmd) селективное лазерное выращивание (slm)
П
роцесс трехмерной лазерной наплавки производится с использованием порошковых дозаторов различного типа [1]. Разные компании для подачи порошкового материала используют различные системы: одноканальные, многоканальные (Optomec), коаксиальные (POM, Fraunhofer ILT), и совершенствование систем подачи материалов ведется очень высокими темпами [2]. Основной рабочий орган машин – это лазерная головка, представляющая собой чрезвычайно сложный агрегат, комбинирующий систему фокусировки лазера, систему охлаждения, систему подачи материала, а также элементы системы управления (датчики, видеокамеры и т. д.). В процессе выращивания детали необходимо согласовать несколько параметров: мощность лазера, размер пятна расплава, интенсивность подачи материала, дисперсность порошкового материала, скорость движения головки, обеспечив при этом точную фокусировку подачи металлопорошковой композиции в зону расплава. В зависимости от сочетания параметров построения коэффициент использования материала может варьировать от 0,2 до 0,9, то есть от 20 до 90% материала, поступившего через сопловые отверстия системы подачи, фактически формируют деталь.
Доля России среди стран активно развивающих и применяющих технологии аддитивного плавления (АП) составляет примерно 1,2%, однако эти цифры явно недостаточны для развития промышленного производства деталей для атомной промышленности и иных индустриальных отраслей. Для сравнения доля стран, показывающих устойчивый рост [3], выше: США – 39,1%, Японии – 12,2%, Германии – 8,0% и Китая – 7,7%.
Технология селективного лазерного плавления (Selective Laser Melting – SLM) является технологией послойного АП с помощью лазера из металлических порошков, которая удовлетворяет интересам промышленности в части возможностей и точности. На сегодня метод SLM является наиболее быстро развивающейся технологией среди методов АП [4–6]. Это связано, в первую очередь, с качеством получаемых изделий, например, получаемой шероховатостью или минимальной толщиной стенки, что обеспечивает малый радиус лазерного пятна на поверхности порошкового ложа (до 20 мкм). Детали, полученные методом SLM, при оптимизации технологических параметров могут быть использованы без постобработки.
Современные установки SLM фирмы Сoncept laser позволяют выращивать из металлических порошков изделия сложной конструкции для высокопроизводительного опытного и серийного производства. Промышленный 3D-принтер Concept Laser M1, оснащенный волоконным лазером мощностью 200 Вт с областью построения 250 × 250 × 250 мм, обеспечивает производительность процесса роста изделия 2–10 см3/ч. В 3D-принтере по металлу Concept Laser X–Line 1000R в области построения 630 × 400 × 500 мм при использовании волоконного лазера мощностью 1000 Вт возможная скорость выращивания металлических изделий достигает 10–100 см 3/ ч.
В то же время разработанная система селективного плавления SLM 500HL оснащена сразу двумя лазерами (400 и 1000 Вт), которые можно использовать как одновременно, так и параллельно и независимо – это значительно увеличивает производительность. Объем камеры построения 500 × 280 × 320. Практическая толщина слоя 20–200 мкм. Средняя скорость построения – 70 см 3/ ч.
В работе [7] рассмотрен процесс лазерной порошковой наплавки LMD (Laser Metal Deposition) при изготовлении различных компонентов авиационного двигателя и ремонте ответственных деталей из жаропрочных никелевых и титановых сплавов компрессора высокого давления и камеры сгорания. На поверхность детали в зону падения порошка направляется сфокусированный лазерный луч, он плавит металлический порошок и постепенно, слой за слоем, формирует деталь. Использование лазерной наплавки для восстановления деталей газотурбинного двигателя обусловлено локальностью воздействия, что снижает коробление изделия и уменьшает зоны термического влияния по сравнению с дуговой наплавкой.
Целью нашей работы стало исследование влияния режимов лазерной наплавки порошковых материалов на основе никеля на качество выращенных заготовок и производительность процесса при использовании универсального оборудования ООО НТО "ИРЭ-Полюс", содержащего волоконный лазер ЛС–6, 6-осевой робот KUKA, питатель порошка THERMACH – 1200, вращатель и оптическую головку с четырехсторонней подачей порошка. Размер частиц порошка составлял 40–150 мкм. Мощность излучения варьировалась в пределах 500–3000 Вт. Скорость перемещения подложки составляла 5–25 мм/с.
Металлографические исследования проводили c использованием микротвердомера ПМТ-3, металлографического микроскопа Альтами МЕТ-1С. Химический состав полученных покрытий исследовался при помощи растрового электронного микроскопа марки EVO 50 производства фирмы Carl Zeiss (Германия).
Испытание на абразивное изнашивание проводили на машине трения БХ-4 по модернизированной в ИМАШ РАН схеме Бриннеля – Хаворта [8].
При отработке режимов получали заготовки в виде цилиндра высотой до 50 мм с толщиной стенки 1,0–4,4 мм [9]. Для металлографических исследований вырезали образцы вдоль образующей цилиндра толщиной 5–10 мм. Шлифы изготавливали по стандартной методике. Образцы для испытаний на абразивное изнашивание изготавливали прямым лазерным сплавлением порошка и из стали 34ХН1МА с размерами 12 × 14 × 70 мм.
На рис.1 представлен микрошлиф образца, полученного прямым лазерным выращиванием. Его дендритная структура соответствует структурам, полученным при лазерной наплавке единичных валиков. Отсутствуют поры, раковины и трещины. Микротвердость в выращенном материале, измеренная по высоте образующей цилиндра в двадцати точках с шагом 0,1 мм (рис.2.), достаточно равномерна H0,98 3600–4700 МПа и превосходит твердость конструкционной легированной стали после закалки и отпуска 34ХН1МА – H0,98 2600–2900 МПа, которая используется при изготовлении валов, роторов, дисков газовых и паровых турбин, муфт, зубчатых колес и особо ответственных тяжело нагруженных деталей, работающих при температуре до 500°C.
На рис.3 представлены заготовки типа тел вращения: полый цилиндр и усеченный конус, выращенные по разработанной технологии. Габаритные размеры заготовок: диаметр 60–90 мм, толщина стенки 4,2–4,4 мм, высота 50–150 мм. Толщина единичного наплавленного валика изменялась в пределах 0,6–1,2 мм. Средняя производительность процесса выращивания заготовок из порошка при прямом лазерном сплавлении составила 105 см3/ч. Припуск на механическую обработку заготовок составил 0,2 мм на сторону. По данной технологии возможно изготовление трубчатых заготовок прямоугольного и многоугольного сечения с различной толщиной стенок. Возможно выращивание сосудов работающих в агрессивных и коррозионных средах без применения процесса сварки стенок.
Проведены сравнительные испытания на абразивную износостойкость образцов, выращенных прямым лазерным сплавлением порошка, и выполненных из стали 34ХН1МА. К вращающемуся резиновому диску прижимался плоский образец. В качестве абразива, использовался кварцевый песок с размером частиц 0,2–0,4 мм. Нагрузка испытаний составляла 15 Н. Продолжительность испытаний 10 мин. Средняя арифметическая потеря массы определялась по результатам испытаний трех образцов. Для образцов, выращенных методом LMD, потеря массы составила 0,0724 · 10–4 кг, а для образцов, изготовленных из поковки конструкционной стали 34ХН1МА, – 0,0942 · 10–4 кг, что в 1,3 больше, чем для образцов, выращенных по методу SLM.
Полученный опыт выращивания заготовок может быть полезен малым и средним предприятиям. В промышленном производстве возникает необходимость в приобретении заготовок в малых количествах, в то время как поставщики предлагают минимальные партии от одной тонны. При лазерном выращивании возможно применение как готовых порошковых материалов, так и их композиций, износостойкость, прочность, жаростойкость и другие свойства которых значительно превосходят известные конструкционные материалы. Средняя производительность процесса выращивания выше, чем с использованием системы селективного плавления SLM 500HL, содержащей два лазера мощностью 400 и 1000 Вт в 1,5 раза.
Использование добавок наночастиц тугоплавких соединений, таких как карбид тантала (TaC) и карбид вольфрама (WC), при лазерной наплавке приводит к тому, что улучшаются поверхностные свойства покрытия (износостойкость, микротвердость). Износостойкость покрытий с никелевой матрицей может значительно повыситься c добавлением тугоплавких частиц, таких как: WC, TaC, NiC, VC. Основная матрица содержит относительно мягкую фазу с содержанием твердых фаз карбидов, которые обеспечивают повышение абразивного износа покрытия [10]. При использовании добавок порошка WC было замечено, что с увеличением плотности мощности лазерного излучения количество частиц WC уменьшается [11]. Это объяснено тем, что начинают образовываться вторичные карбидные фазы и тем самым повышается чувствительность к образованию трещин в покрытии.
Для проведения экспериментов по шликерной наплавке были выбраны два типа порошков на никелевой основе производства фирмы HOGANAS – 1360 и 1559, с размерами гранул 50–140 мкм. В качестве добавок использовали нанопорошки карбида тантала (TaC) и карбида вольфрама (WC) с размерами до 100 нм, в качестве связующего вещества – водный раствор оксиэтилцеллюлозы. Наплавка стандартного порошка и порошка с добавками нанопорошка осуществлялась на плоские поверхности подложек из стали 34ХН1МА с размерами 15 × 70 × 10 мм.
В первой части экспериментов на подложку наносился слой смеси порошков 1559 и нанопорошка WC с различной объемной концентрацией (5, 10, 15 и 20% соответственно). Смесь была приготовлена со связующим веществом оксиэтилцеллюлозы на водной основе, толщина предварительно нанесенного слоя составила примерно 1 мм. Оценка плотности мощности в ходе данного эксперимента составила следующие значения: 0,68–0,98 МВт/см². На полученных образцах были проведены металлографические исследования, измерения микротвердости и насыщение металла наплавки компонентами основы.
На рис.4 продемонстрирован общий вид наплавленного валика. Смесь порошков 1559+нано-WC с концентрацией 7,5%, рядом показаны точки измерения спектра содержания элементов по массовой доле. В табл.1 представлены результаты измерения спектра обратно отраженных электронов. На рис.5 проведено сравнение измерений микротвердости наплавленных образцов порошком 1559 без добавок нанокарбида (≈6000 МПа) (а) и с добавками 15% нано-WC (≈9000 МПа) (б). Наблюдается значительный рост микротвердости в наплавках с добавками наночастиц карбида вольфрама.
Во второй серии экспериментов использовали порошки на никелевой основе 1360 с размером частиц 40–150 мкм. Для повышения сопротивления абразивному изнашиванию в шихту вводили 10–40% от объема нанопорошка карбида тантала, с шагом увеличения на 10%. После наплавки от края образцов отрезали фрагменты по 10 мм, перпендикулярно дорожкам наплавки для изготовления шлифов. Оставшиеся части образцов зачищали от заусенцев, промывали в уайт-спирите и сушили при температуре 70°С в сушильном шкафу ШС-80–01 в течение 2 ч. После сушки образцы взвешивали на электронных весах VIBRA HT/HTR 220TE. Металлографические исследования на приборе ПМТ-3 и кинетическом микротвердомере показали, что микротвердость наплавленных слоев порошком 1360 находится в пределах 5200–6160 МПа. С повышением содержания нанокарбида тантала с 10 до 40% средняя микротвердость возрастает с 7400 (10% ТаС) до 8600 (40% ТаС) МПа (рис.6). Для определения влияния лазерной наплавки на абразивную износостойкость проводились испытания образцов на машине трения БХ-4. К вращающемуся резиновому диску прижимался плоский образец с наплавленным покрытием и без него. В качестве абразива использовался кварцевый песок с размером частиц 0,2–0,4 мм. Нагрузка испытаний составляла 15 Н, продолжительность испытаний 30 мин. Средняя арифметическая потеря массы находилась по результатам испытаний трех образцов (табл.2).
Из приведенных данных следует, что лазерная наплавка порошком 1360 без добавок повышает износостойкость по сравнению со сталью 34ХН1МА в 1,57 раза при выбранных режимах наплавки. В тоже время, введение нанопорошка карбида тантала в пределах 10% от объема шихты позволяет повысить износостойкость наплавленных слоев в 4 раза. Дальнейшее увеличение содержания нанопорошка до 40% от объема шихты приводит к повышению износостойкости до 6 раз, однако введение такого количества нанопорошка существенно удорожает наплавляемую деталь и в каждом конкретном случае необходимо проводить оценку экономической эффективности применяемой технологии.
В результате проведенных исследований разработана технология выращивания полых заготовок простых геометрических форм с припуском на механическую обработку 0,2 мм, которая позволяет изготавливать из них детали, работающие в агрессивных средах, при повышенных температурах, нагрузках обладающих большей износостойкостью по сравнению с применяемыми сталями. Кроме того, разработана технология лазерной наплавки шликерных покрытий металлических порошковых материалов с добавками нанокарбидов вольфрама и тантала, показавшая повышение износостойкости при абразивном изнашивании по схеме Бринелля – Хаворта до 6 раз в зависимости от содержания нанокарбида тантала в объеме шихты по сравнению со сталью 34ХН1МА.
Литература
Шишковский И. В. Лазерный синтез функционально-градиентных мезоструктур и объемных изделий. – М.: Физматлит, 2009.
Beyer E. New Industrial Systems & Concepts for Highest Laser Cladding Efficiency. Fraunhofer-Institut für Werkstof f- und Strahltechnik. – MAY 6, 2011 in LASER CLADDING, LASER MANUFACTURING [Электронный ресурс] режим доступа http://www.lia.org/blog/2011/05/high-performance-laser-cladding.
Григорьев С. Н. Проблемы и перспективы развития отечественного машиностроительного производства. – Справочник. Инженерный журнал с приложением. 2011. № 12. С. 3–7.
Волосова М. А., Окунькова А. А. Пути оптимизации процесса селективного лазерного плавления при помощи выбора стратегии обработки лазерным лучом. – Известия Самарского научного центра РАН, 2012, № 4, т. 14, с. 587–591.
Doubenskaia M., Pavlov M., Grigoriev S., Smurov I. Definition of Brightness Temperature and Restoration of True Temperature in Laser Cladding Using Infrared Camera. – Surface and Coatings Technology, 2013, v. 220, p. 244–247.
Григорьев С. Н., Смуров И. Ю. Перспективы развития инновационного аддитивного производства в России и за рубежом. – Инновации, 2013, № 10 (180), c. 76–82.
Ермолаев А. С., Иванов А. М., Василенко С. А. Лазерные технологии и процессы при изготовлении и ремонте деталей газотурбинного двигателя. – Вестник ПНИПУ, Аэрокосмическая техника, 2013, № 35, c. 49–63.
Хрущов М. М., Бабичев М. А. Абразивное изнашивание. – М.: Наука, 1970.
Бирюков В. П., Татаркин Д. Ю., Фишков А. А. Выращивание заготовок из металлических порошковых материалов на основе никеля с помощью лазерного луча. – Технологии упрочнения, нанесения покрытий и ремонта: теория и практика. Материалы 17-й международной научно-практической конференции. 14–17 апреля 2015. – СПб.: Изд-во Политехн. ун-та, 2015, c. 204–207.
Izdinska Z., Nasher A., Izdinsky K. The Structure and Properties of composite Laser clad coatings with Ni based matrix with WC particles. – Materials engineering. 2010, v.17, № 2, p. 1–5.
Janicki D. High Power Direct Diode Laser cladding of Stellite 6 +WC coatings. – MTM virtual journal, 2012, № 7, p. 57–61.
Бирюков В. П., Петровский В. Н., Мурзаков М. А., Чурляева О. Н. Повышение износостойкости покрытий введением нанокарбидов тугоплавких металлов при лазерной наплавке. – Технологии упрочнения, нанесения покрытий и ремонта: теория и практика. Материалы 17-й международной научно-практической конференции. 14–17 апреля 2015. – СПб.: Изд-во Политехн. ун-та, 2015, c. 52–55.
роцесс трехмерной лазерной наплавки производится с использованием порошковых дозаторов различного типа [1]. Разные компании для подачи порошкового материала используют различные системы: одноканальные, многоканальные (Optomec), коаксиальные (POM, Fraunhofer ILT), и совершенствование систем подачи материалов ведется очень высокими темпами [2]. Основной рабочий орган машин – это лазерная головка, представляющая собой чрезвычайно сложный агрегат, комбинирующий систему фокусировки лазера, систему охлаждения, систему подачи материала, а также элементы системы управления (датчики, видеокамеры и т. д.). В процессе выращивания детали необходимо согласовать несколько параметров: мощность лазера, размер пятна расплава, интенсивность подачи материала, дисперсность порошкового материала, скорость движения головки, обеспечив при этом точную фокусировку подачи металлопорошковой композиции в зону расплава. В зависимости от сочетания параметров построения коэффициент использования материала может варьировать от 0,2 до 0,9, то есть от 20 до 90% материала, поступившего через сопловые отверстия системы подачи, фактически формируют деталь.
Доля России среди стран активно развивающих и применяющих технологии аддитивного плавления (АП) составляет примерно 1,2%, однако эти цифры явно недостаточны для развития промышленного производства деталей для атомной промышленности и иных индустриальных отраслей. Для сравнения доля стран, показывающих устойчивый рост [3], выше: США – 39,1%, Японии – 12,2%, Германии – 8,0% и Китая – 7,7%.
Технология селективного лазерного плавления (Selective Laser Melting – SLM) является технологией послойного АП с помощью лазера из металлических порошков, которая удовлетворяет интересам промышленности в части возможностей и точности. На сегодня метод SLM является наиболее быстро развивающейся технологией среди методов АП [4–6]. Это связано, в первую очередь, с качеством получаемых изделий, например, получаемой шероховатостью или минимальной толщиной стенки, что обеспечивает малый радиус лазерного пятна на поверхности порошкового ложа (до 20 мкм). Детали, полученные методом SLM, при оптимизации технологических параметров могут быть использованы без постобработки.
Современные установки SLM фирмы Сoncept laser позволяют выращивать из металлических порошков изделия сложной конструкции для высокопроизводительного опытного и серийного производства. Промышленный 3D-принтер Concept Laser M1, оснащенный волоконным лазером мощностью 200 Вт с областью построения 250 × 250 × 250 мм, обеспечивает производительность процесса роста изделия 2–10 см3/ч. В 3D-принтере по металлу Concept Laser X–Line 1000R в области построения 630 × 400 × 500 мм при использовании волоконного лазера мощностью 1000 Вт возможная скорость выращивания металлических изделий достигает 10–100 см 3/ ч.
В то же время разработанная система селективного плавления SLM 500HL оснащена сразу двумя лазерами (400 и 1000 Вт), которые можно использовать как одновременно, так и параллельно и независимо – это значительно увеличивает производительность. Объем камеры построения 500 × 280 × 320. Практическая толщина слоя 20–200 мкм. Средняя скорость построения – 70 см 3/ ч.
В работе [7] рассмотрен процесс лазерной порошковой наплавки LMD (Laser Metal Deposition) при изготовлении различных компонентов авиационного двигателя и ремонте ответственных деталей из жаропрочных никелевых и титановых сплавов компрессора высокого давления и камеры сгорания. На поверхность детали в зону падения порошка направляется сфокусированный лазерный луч, он плавит металлический порошок и постепенно, слой за слоем, формирует деталь. Использование лазерной наплавки для восстановления деталей газотурбинного двигателя обусловлено локальностью воздействия, что снижает коробление изделия и уменьшает зоны термического влияния по сравнению с дуговой наплавкой.
Целью нашей работы стало исследование влияния режимов лазерной наплавки порошковых материалов на основе никеля на качество выращенных заготовок и производительность процесса при использовании универсального оборудования ООО НТО "ИРЭ-Полюс", содержащего волоконный лазер ЛС–6, 6-осевой робот KUKA, питатель порошка THERMACH – 1200, вращатель и оптическую головку с четырехсторонней подачей порошка. Размер частиц порошка составлял 40–150 мкм. Мощность излучения варьировалась в пределах 500–3000 Вт. Скорость перемещения подложки составляла 5–25 мм/с.
Металлографические исследования проводили c использованием микротвердомера ПМТ-3, металлографического микроскопа Альтами МЕТ-1С. Химический состав полученных покрытий исследовался при помощи растрового электронного микроскопа марки EVO 50 производства фирмы Carl Zeiss (Германия).
Испытание на абразивное изнашивание проводили на машине трения БХ-4 по модернизированной в ИМАШ РАН схеме Бриннеля – Хаворта [8].
При отработке режимов получали заготовки в виде цилиндра высотой до 50 мм с толщиной стенки 1,0–4,4 мм [9]. Для металлографических исследований вырезали образцы вдоль образующей цилиндра толщиной 5–10 мм. Шлифы изготавливали по стандартной методике. Образцы для испытаний на абразивное изнашивание изготавливали прямым лазерным сплавлением порошка и из стали 34ХН1МА с размерами 12 × 14 × 70 мм.
На рис.1 представлен микрошлиф образца, полученного прямым лазерным выращиванием. Его дендритная структура соответствует структурам, полученным при лазерной наплавке единичных валиков. Отсутствуют поры, раковины и трещины. Микротвердость в выращенном материале, измеренная по высоте образующей цилиндра в двадцати точках с шагом 0,1 мм (рис.2.), достаточно равномерна H0,98 3600–4700 МПа и превосходит твердость конструкционной легированной стали после закалки и отпуска 34ХН1МА – H0,98 2600–2900 МПа, которая используется при изготовлении валов, роторов, дисков газовых и паровых турбин, муфт, зубчатых колес и особо ответственных тяжело нагруженных деталей, работающих при температуре до 500°C.
На рис.3 представлены заготовки типа тел вращения: полый цилиндр и усеченный конус, выращенные по разработанной технологии. Габаритные размеры заготовок: диаметр 60–90 мм, толщина стенки 4,2–4,4 мм, высота 50–150 мм. Толщина единичного наплавленного валика изменялась в пределах 0,6–1,2 мм. Средняя производительность процесса выращивания заготовок из порошка при прямом лазерном сплавлении составила 105 см3/ч. Припуск на механическую обработку заготовок составил 0,2 мм на сторону. По данной технологии возможно изготовление трубчатых заготовок прямоугольного и многоугольного сечения с различной толщиной стенок. Возможно выращивание сосудов работающих в агрессивных и коррозионных средах без применения процесса сварки стенок.
Проведены сравнительные испытания на абразивную износостойкость образцов, выращенных прямым лазерным сплавлением порошка, и выполненных из стали 34ХН1МА. К вращающемуся резиновому диску прижимался плоский образец. В качестве абразива, использовался кварцевый песок с размером частиц 0,2–0,4 мм. Нагрузка испытаний составляла 15 Н. Продолжительность испытаний 10 мин. Средняя арифметическая потеря массы определялась по результатам испытаний трех образцов. Для образцов, выращенных методом LMD, потеря массы составила 0,0724 · 10–4 кг, а для образцов, изготовленных из поковки конструкционной стали 34ХН1МА, – 0,0942 · 10–4 кг, что в 1,3 больше, чем для образцов, выращенных по методу SLM.
Полученный опыт выращивания заготовок может быть полезен малым и средним предприятиям. В промышленном производстве возникает необходимость в приобретении заготовок в малых количествах, в то время как поставщики предлагают минимальные партии от одной тонны. При лазерном выращивании возможно применение как готовых порошковых материалов, так и их композиций, износостойкость, прочность, жаростойкость и другие свойства которых значительно превосходят известные конструкционные материалы. Средняя производительность процесса выращивания выше, чем с использованием системы селективного плавления SLM 500HL, содержащей два лазера мощностью 400 и 1000 Вт в 1,5 раза.
Использование добавок наночастиц тугоплавких соединений, таких как карбид тантала (TaC) и карбид вольфрама (WC), при лазерной наплавке приводит к тому, что улучшаются поверхностные свойства покрытия (износостойкость, микротвердость). Износостойкость покрытий с никелевой матрицей может значительно повыситься c добавлением тугоплавких частиц, таких как: WC, TaC, NiC, VC. Основная матрица содержит относительно мягкую фазу с содержанием твердых фаз карбидов, которые обеспечивают повышение абразивного износа покрытия [10]. При использовании добавок порошка WC было замечено, что с увеличением плотности мощности лазерного излучения количество частиц WC уменьшается [11]. Это объяснено тем, что начинают образовываться вторичные карбидные фазы и тем самым повышается чувствительность к образованию трещин в покрытии.
Для проведения экспериментов по шликерной наплавке были выбраны два типа порошков на никелевой основе производства фирмы HOGANAS – 1360 и 1559, с размерами гранул 50–140 мкм. В качестве добавок использовали нанопорошки карбида тантала (TaC) и карбида вольфрама (WC) с размерами до 100 нм, в качестве связующего вещества – водный раствор оксиэтилцеллюлозы. Наплавка стандартного порошка и порошка с добавками нанопорошка осуществлялась на плоские поверхности подложек из стали 34ХН1МА с размерами 15 × 70 × 10 мм.
В первой части экспериментов на подложку наносился слой смеси порошков 1559 и нанопорошка WC с различной объемной концентрацией (5, 10, 15 и 20% соответственно). Смесь была приготовлена со связующим веществом оксиэтилцеллюлозы на водной основе, толщина предварительно нанесенного слоя составила примерно 1 мм. Оценка плотности мощности в ходе данного эксперимента составила следующие значения: 0,68–0,98 МВт/см². На полученных образцах были проведены металлографические исследования, измерения микротвердости и насыщение металла наплавки компонентами основы.
На рис.4 продемонстрирован общий вид наплавленного валика. Смесь порошков 1559+нано-WC с концентрацией 7,5%, рядом показаны точки измерения спектра содержания элементов по массовой доле. В табл.1 представлены результаты измерения спектра обратно отраженных электронов. На рис.5 проведено сравнение измерений микротвердости наплавленных образцов порошком 1559 без добавок нанокарбида (≈6000 МПа) (а) и с добавками 15% нано-WC (≈9000 МПа) (б). Наблюдается значительный рост микротвердости в наплавках с добавками наночастиц карбида вольфрама.
Во второй серии экспериментов использовали порошки на никелевой основе 1360 с размером частиц 40–150 мкм. Для повышения сопротивления абразивному изнашиванию в шихту вводили 10–40% от объема нанопорошка карбида тантала, с шагом увеличения на 10%. После наплавки от края образцов отрезали фрагменты по 10 мм, перпендикулярно дорожкам наплавки для изготовления шлифов. Оставшиеся части образцов зачищали от заусенцев, промывали в уайт-спирите и сушили при температуре 70°С в сушильном шкафу ШС-80–01 в течение 2 ч. После сушки образцы взвешивали на электронных весах VIBRA HT/HTR 220TE. Металлографические исследования на приборе ПМТ-3 и кинетическом микротвердомере показали, что микротвердость наплавленных слоев порошком 1360 находится в пределах 5200–6160 МПа. С повышением содержания нанокарбида тантала с 10 до 40% средняя микротвердость возрастает с 7400 (10% ТаС) до 8600 (40% ТаС) МПа (рис.6). Для определения влияния лазерной наплавки на абразивную износостойкость проводились испытания образцов на машине трения БХ-4. К вращающемуся резиновому диску прижимался плоский образец с наплавленным покрытием и без него. В качестве абразива использовался кварцевый песок с размером частиц 0,2–0,4 мм. Нагрузка испытаний составляла 15 Н, продолжительность испытаний 30 мин. Средняя арифметическая потеря массы находилась по результатам испытаний трех образцов (табл.2).
Из приведенных данных следует, что лазерная наплавка порошком 1360 без добавок повышает износостойкость по сравнению со сталью 34ХН1МА в 1,57 раза при выбранных режимах наплавки. В тоже время, введение нанопорошка карбида тантала в пределах 10% от объема шихты позволяет повысить износостойкость наплавленных слоев в 4 раза. Дальнейшее увеличение содержания нанопорошка до 40% от объема шихты приводит к повышению износостойкости до 6 раз, однако введение такого количества нанопорошка существенно удорожает наплавляемую деталь и в каждом конкретном случае необходимо проводить оценку экономической эффективности применяемой технологии.
В результате проведенных исследований разработана технология выращивания полых заготовок простых геометрических форм с припуском на механическую обработку 0,2 мм, которая позволяет изготавливать из них детали, работающие в агрессивных средах, при повышенных температурах, нагрузках обладающих большей износостойкостью по сравнению с применяемыми сталями. Кроме того, разработана технология лазерной наплавки шликерных покрытий металлических порошковых материалов с добавками нанокарбидов вольфрама и тантала, показавшая повышение износостойкости при абразивном изнашивании по схеме Бринелля – Хаворта до 6 раз в зависимости от содержания нанокарбида тантала в объеме шихты по сравнению со сталью 34ХН1МА.
Литература
Шишковский И. В. Лазерный синтез функционально-градиентных мезоструктур и объемных изделий. – М.: Физматлит, 2009.
Beyer E. New Industrial Systems & Concepts for Highest Laser Cladding Efficiency. Fraunhofer-Institut für Werkstof f- und Strahltechnik. – MAY 6, 2011 in LASER CLADDING, LASER MANUFACTURING [Электронный ресурс] режим доступа http://www.lia.org/blog/2011/05/high-performance-laser-cladding.
Григорьев С. Н. Проблемы и перспективы развития отечественного машиностроительного производства. – Справочник. Инженерный журнал с приложением. 2011. № 12. С. 3–7.
Волосова М. А., Окунькова А. А. Пути оптимизации процесса селективного лазерного плавления при помощи выбора стратегии обработки лазерным лучом. – Известия Самарского научного центра РАН, 2012, № 4, т. 14, с. 587–591.
Doubenskaia M., Pavlov M., Grigoriev S., Smurov I. Definition of Brightness Temperature and Restoration of True Temperature in Laser Cladding Using Infrared Camera. – Surface and Coatings Technology, 2013, v. 220, p. 244–247.
Григорьев С. Н., Смуров И. Ю. Перспективы развития инновационного аддитивного производства в России и за рубежом. – Инновации, 2013, № 10 (180), c. 76–82.
Ермолаев А. С., Иванов А. М., Василенко С. А. Лазерные технологии и процессы при изготовлении и ремонте деталей газотурбинного двигателя. – Вестник ПНИПУ, Аэрокосмическая техника, 2013, № 35, c. 49–63.
Хрущов М. М., Бабичев М. А. Абразивное изнашивание. – М.: Наука, 1970.
Бирюков В. П., Татаркин Д. Ю., Фишков А. А. Выращивание заготовок из металлических порошковых материалов на основе никеля с помощью лазерного луча. – Технологии упрочнения, нанесения покрытий и ремонта: теория и практика. Материалы 17-й международной научно-практической конференции. 14–17 апреля 2015. – СПб.: Изд-во Политехн. ун-та, 2015, c. 204–207.
Izdinska Z., Nasher A., Izdinsky K. The Structure and Properties of composite Laser clad coatings with Ni based matrix with WC particles. – Materials engineering. 2010, v.17, № 2, p. 1–5.
Janicki D. High Power Direct Diode Laser cladding of Stellite 6 +WC coatings. – MTM virtual journal, 2012, № 7, p. 57–61.
Бирюков В. П., Петровский В. Н., Мурзаков М. А., Чурляева О. Н. Повышение износостойкости покрытий введением нанокарбидов тугоплавких металлов при лазерной наплавке. – Технологии упрочнения, нанесения покрытий и ремонта: теория и практика. Материалы 17-й международной научно-практической конференции. 14–17 апреля 2015. – СПб.: Изд-во Политехн. ун-та, 2015, c. 52–55.
Отзывы читателей
