eng
Выпуск #4/2019
А. Г. Григорьянц, А. В. Пересторонин, А. И. Мисюров, И. Н. Шиганов
Лазерная поверхностная модификация бандажных сталей карбидом вольфрама
Лазерная поверхностная модификация бандажных сталей карбидом вольфрама
Просмотры: 2624
Формирование поверхностных металлокерамических композитных слоев позволяет значительно повысить износостойкость. Для этого может быть использован процесс лазерно-порошковой обработки. При подаче порошка соосно лазерному лучу можно добиться формирования глубокого упрочненного слоя, однако при выборе параметров обработки следует учитывать снижение интенсивности луча при прохождении потока порошка и нагрев частиц в полете через облучаемую область. Расчеты показали, что при реализуемых на практике параметрах обработки снижение интенсивности лазерного излучения на поверхности детали может достигать 10%. Состояние частиц, попадающих в жидкую сталь, зависит от их размера. Частицы сравнительно небольших размеров могут испытывать оплавление, в результате интенсифицируется диффузия вольфрама в сталь.
DOI: 10.22184/1993-7296.FRos.2019.13.4.340.347
DOI: 10.22184/1993-7296.FRos.2019.13.4.340.347
Теги: carbon steel laser processing railway wheels tungsten carbide железнодорожные колеса карбид вольфрама лазерная обработка углеродистая сталь
Формирование поверхностных металлокерамических композитных слоев позволяет значительно повысить износостойкость. Для этого может быть использован процесс лазерно-порошковой обработки. При подаче порошка соосно лазерному лучу можно добиться формирования глубокого упрочненного слоя, однако при выборе параметров обработки следует учитывать снижение интенсивности луча при прохождении потока порошка и нагрев частиц в полете через облучаемую область. Расчеты показали, что при реализуемых на практике параметрах обработки снижение интенсивности лазерного излучения на поверхности детали может достигать 10%. Состояние частиц, попадающих в жидкую сталь, зависит от их размера. Частицы сравнительно небольших размеров могут испытывать оплавление, в результате интенсифицируется диффузия вольфрама в сталь
Статья поступила в редакцию 29.11.2018
Статья принята к публикации 20.01.2019
Для лазерного модифицирования поверхности наибольшее распространение получили такие процессы, как поверхностное легирование и лазерная наплавка [1]. Появление высокоэффективных источников, таких как волоконные и диодные лазеры, дало новый импульс развитию этих технологий, а также появлению новых процессов обработки.
Модификация поверхности используется, в первую очередь, в тех случаях, когда требуется повысить износостойкость изделий. Для колес железнодорожных локомотивов износ гребня является одним из основных факторов, ограничивающих межремонтный пробег. Поэтому для актуальной задачи упрочнения бандажа предложено множество решений, таких как плазменная поверхностная закалка [2–5], электроконтактная обработка [6], механическая обработка [7]. Поскольку для изготовления этих изделий применяются углеродистые стали, упрочнение достигается в первую очередь изменением фазового состава материала. В исходном состоянии, как правило, он имеет трооститную структуру, после обработки – бейнитную [4] или мартенситную [2, 3]. Достигаемое таким образом повышение твердости позволяет увеличить пробег локомотивов до 3 раз, однако этого недостаточно для достижения максимально эффективного цикла их эксплуатации.
Применение лазерной обработки позволяет добиться более высокой твердости стали за счет измельчения мартенситной структуры, однако при ее применении глубина обработанного слоя относительно невелика (до 1,5 мм при обработке без оплавления поверхности) [8], а для достижения высокой производительности требуется применение специальных оптических систем и высокомощных лазеров [9].
Общим недостатком всех перечисленных способов является ограничение максимально достижимых результатов обработки свойствами материала изделия. Дальнейшее повышение свойств поверхностного слоя можно обеспечить путем наплавки или легирования, в обоих случаях для локализации воздействия эффективно применение лазерного теплового источника.
Лазерная наплавка металлокерамических композитных слоев позволяет добиться рекордных показателей твердости и износостойкости [10, 11], но вносит существенное изменение в геометрию изделия и требует применения больших объемов дорогостоящих присадочных материалов. В то же время получить поверхностный композитный слой системы сталь-карбид вольфрама можно без использования порошка для формирования матрицы, используя процесс, родственный легированию, а именно: путем введения армирующих частиц непосредственно в ванну расплава на поверхности изделия. В частности, показана возможность упрочнения путем применения плазменно-порошковой [12, 13] и лазерно-порошковой [14, 15] обработки стальных деталей.
Как показано в работе [15], лазерно-порошковая обработка позволяет получить композитный слой со сферическими частицами WC. Наиболее рационально использование частиц диаметром 90–150 мкм. Однако, в отличие от процессов наплавки, при этом типе обработки требуется, чтобы лазерное излучение в первую очередь использовалось для расплавления металла подложки. При этом развитие процесса испарения металла нежелательно, так как может привести к затруднению введения порошка [16]. Избыточный нагрев может оплавлять или даже разрушать частицы порошка, что снизит его роль как армирующего компонента композитного слоя, а также может привести к изменению химического состава стали [17].
Таким образом, при разработке технологии лазерно-порошковой модификации поверхностности с целью формирования композитного слоя сталь-карбид вольфрама необходимо оценить снижение интенсивности лазерного излучения при прохождении газопорошкового потока. Кроме этого, следует оценить нагрев частиц, а также определить возможность изменения химического состава стальной матрицы.
В данной работе в качестве материала матрицы использовалась сталь марки 2 по ГОСТ 398-2010, в качестве армирующих частиц – сферический порошок монокарбида вольфрама, содержащий частицы диаметром от 50 до 200 мкм с преобладающей фракцией около 100 мкм. Для экспериментальных исследований использовался роботизированный технологический комплекс на основе волоконного лазера ЛС‑5 производства ООО «НТО ИРЭ-Полюс», генерирующий непрерывной лазерное излучение мощностью до 5 кВт на длине волны 1 070 нм. Подача порошка осуществлялась соосно с использованием технологической оптической головки для лазерной наплавки и питателя, обеспечивающего непрерывное поступления порошка в потоке транспортирующего газа (аргона). Взаимное расположение лазерного луча и порошкового потока представлено на рис. 1.
Поток частиц, проходящий через область распространения лазерного луча, должен оказывать воздействие на интенсивность излучения, попадающего на стальную подложку.
При оценочном расчете доли излучения, проходящей через порошковый поток, можно использовать следующие допущения:
- частицы попадают под действия лазерного излучения только на завершающем участке пути, вблизи фокуса пятна порошка;
- в пределах завершающего участка пути диаметр лазерного луча и диаметр потока порошка можно считать постоянными, и, с учетом оптимизации расхода последнего, равными;
- распределение плотности мощности по поперечному сечению лазерного луча в той же зоне можно считать равномерным;
- порошковый поток состоит из частиц одного диаметра, движущихся с одинаковой скоростью.
Поскольку диаметр порошинок (минимальная фракция 50 мкм) существенно больше длины волны излучения волоконного лазера (1,07 мкм), коэффициент затухания в области, содержащей частицы, можно рассчитать по методике, предложенной и изученной в работах [18–19], для коэффициента затухания запишем выражение (1):
, (1)
где kλ – коэффициент затухания излучения, м–1;
ρfWC – относительная плотность содержания непрозрачных частиц в области распространения луча;
dWC – диаметр частиц карбида вольфрама, м.
Формула учитывает потери излучения на поглощение и рассеяние на частицах и позволяет оценить падение интенсивности луча, проходящего через поток частиц.
Плотность частиц можно рассчитать из геометрических соображений. На последнем участке пути форму луча и потока порошка можно считать цилиндрическими и примерно равными по размерам на длине hWC, объем области, содержащей частицы и влияющей на прохождение лазерного луча можно рассчитать по формуле (2):
, (2)
где Vl – объем области распространения луча, содержащего частицы карбида вольфрама, м3;
hWC – длина пути частицы через обучаемый участок, в данном расчете на основе экспериментальных данных принимается равной 0,002 м.
dl – диаметр лазерного луча, в данном расчете составляет 0,003 м.
Допустим, что все порошинки WC имеют равный диаметр 100 мкм, тогда объем, занимаемый ими в исследуемой области, зависит от их количества, которое в свою очередь зависит от массового расхода порошка и скорости движения отдельных порошинок. Относительная плотность частиц может быть определена по формуле (3):
, (3)
где MWC – массовый расход порошка, кг · с–1.
vWC – средняя скорость движения частиц, м · с–1,
γWC – плотность порошка карбида вольфрама, составляет 15 670 кг · м–3.
Интенсивность лазерного излучения, распространяющегося в среде с коэффициентом затухания kλ, определяется по формуле (4):
, (4)
где I0 – плотность мощности лазерного излучения, выходящего из оптической системы, Вт · м–2;
Il – плотность мощности лазерного излучения, попадающего на подложку, Вт · м2.
На основе выражений (1) – (4) для доли излучения, достигающей подложки, можно записать выражение (5):
. (5)
Результаты расчета по формуле (4) для массовых расходов в интервале от 0,005 до 0,05 кг · мин–1 и скоростей движения частиц от 5 до 10 м · с–1 представлены на рис. 2.
Из графиков видно, что доля излучения, достигшего подложки, составляет от 0,90 до 0,99 при практически реализуемых параметрах подачи порошка. Полученные результаты качественно согласуются с экспериментальными данными, приведенными в работе [20] для аналогичной технологической установки. Поскольку количество вводимой энергии влияет на объем ванны расплава, следует корректировать режим лазерной обработки в зависимости от параметров подачи порошка. При сохранении мощности лазерного излучения на одном уровне с ростом подачи порошка следует ожидать уменьшения объема ванны расплава и уменьшения глубины обрабатываемого слоя.
Расчеты нагрева частиц под действием лазерного излучения показали, что их температура зависит от размера частицы, причем для порошинок минимального и максимального размера, присутствующих в выбранном присадочном материале, могут реализовываться принципиально различные сценарии. В частности, частицы диаметром более 100 мкм могут попадать в расплав, имея температуру ниже температуры плавления стали, благодаря чему они потенциально могут стать центрами кристаллизации. Частицы диаметром менее 60 мкм могут претерпевать оплавление. Из работы [21] известно, что при высоких температурах возможна диффузия вольфрама в сталь, что приводит к изменению свойств последней.
На рис. 3 приведены результаты измерения содержания железа и вольфрама вблизи частицы WC в упроченном слое на электронном микроскопе методом ЭДС.
Наблюдается присутствие этого элемента в стальной матрице, что приводит к неоднородности ее свойств.
Таким образом, лазерная модификация поверхности бандажной стали карбидом вольфрама может быть реализована на режимах, обеспечивающих неполное плавление порошка и диффузию вольфрама в стальную матрицу. При этих условиях повышаются механические свойства поверхности и износостойкость, как показано в работе [15].
Выводы
- Газопорошковый поток, используемый для введения частиц WC в поверхностный слой при лазерной обработке, снижает интенсивность проходящего излучения на величину до 10%, что следует учитывать при оптимизации параметров режима;
- Нагрев порошка лазерным излучением вызывает интенсификацию диффузии вольфрама, в первую очередь – из небольших частиц, в стальную матрицу композитного слоя;
- Изменение содержания вольфрама приводит к локальным изменения свойств стали на поверхности.
Исследование выполнено при финансовой поддержке РФФИ в рамках научного проекта № 17-20-03230.
Литература
Григорьянц А. Г., Шиганов И. Н., Мисюров А. И. Технологические процессы лазерной обработки: Учеб. пособие для вузов / Под ред. А. Г. Григорьянца. М.: Изд-во МГТУ им. Н. Э. Баумана. 2008.
Grigor'yanc A. G., SHiganov I. N., Misyurov A. I. Tekhnologicheskie processy lazernoj obrabotki: Ucheb. posobie dlya vuzov / Pod red. A. G. Grigor'yanca. M.: Izd-vo MGTU im. N. E. Baumana. 2008.
Антиповский С. В., Исакаев Э. Х., Тюфтяев А. С. и др. Плазменное упрочнение как способ увеличения ресурса колесных пар. Локомотив. 2009; 6: 26–27.
Antipovskij S. V., Isakaev E. H., Tyuftyaev A. S. i dr. Plazmennoe uprochnenie kak sposob uvelicheniya resursa kolesnyh par. Lokomotiv. 2009; 6: 26–27.
Тюфтяев А. С., Мордынский В. Б., Желобцов Е. А. и др. Влияние параметров поверхностной плазменной обработки стали 60Г на трибологические характеристики упрочненного слоя – Справочник. Инженерный журнал. 2014; 11: 6–12.
Tyuftyaev A. S., Mordynskij V. B., ZHelobcov E. A. i dr. Vliyanie parametrov poverhnostnoj plazmennoj obrabotki stali 60G na tribologicheskie harakteristiki uprochnennogo sloya – Spravochnik. Inzhenernyj zhurnal. 2014; 11: 6–12.
Лыков А. М., Маслов В. Э., Глибина Л. А. Плазменное упрочнение гребней локомотивных и вагонных колес . Вестник ВНИИЖТ. 2005; 1: 31–33.
Lykov A. M., Maslov V. E., Glibina L. A. Plazmennoe uprochnenie grebnej lokomotivnyh i vagonnyh koles . Vestnik VNIIZHT. 2005; 1: 31–33.
Korotkov A. V., Zlokazov M. V. Studying Wear Resistance of Carbon Steels Strengthened by Plasma Hardening . Journal of Friction and Wear. 2014; 35(2): 133–136.
Петров С. Ю., Рябов А. А., Костюкевич А. И. Упрочнение гребней и снижение износа колесных пар. Мир транспорта. 2013; 2: 62–69.
Petrov S. YU., Ryabov A. A., Kostyukevich A. I. Uprochnenie grebnej i snizhenie iznosa kolesnyh par. Mir transporta. 2013; 2: 62–69.
Соломин А. П., Гончарова Д. С., Балагура А. С. Повышение эксплуатационного ресурса колесных пар локомотивов. Вестник института тяги и подвижного состава. 2016; 12:75–77.
Solomin A. P., Goncharova D. S., Balagura A. S. Povyshenie ekspluatacionnogo resursa kolesnyh par lokomotivov. Vestnik instituta tyagi i podvizhnogo sostava. 2016; 12:75–77.
Богданов А. В., Грезев Н. В., Шмелев С. А. Применение волоконных лазеров для повышения износостойкости и контактно-усталостной прочности железнодорожных колес. Наукоемкие технологии в машиностроении. 2015; 6: 30–34.
Bogdanov A. V., Grezev N. V., SHmelev S. A. Primenenie volokonnyh lazerov dlya povysheniya iznosostojkosti i kontaktno-ustalostnoj prochnosti zheleznodorozhnyh koles. Naukoemkie tekhnologii v mashinostroenii. 2015; 6: 30–34.
Богданов А. В., Соколов В. И., Шмелев С. А. Выбор оптимальных конфигураций оптических систем для задачи лазерной термообработки стальных изделий. Наукоемкие технологии в машиностроении. 2017; 10: 30–34.
Bogdanov A. V., Sokolov V. I., SHmelev S. A. Vybor optimal'nyh konfiguracij opticheskih sistem dlya zadachi lazernoj termoobrabotki stal'nyh izdelij. Naukoemkie tekhnologii v mashinostroenii. 2017; 10: 30–34.
Григорьянц А. Г., Ставертий А. Я., Базалеева К. О., Юдина Т. Ю., Смирнова Н. А., Третьяков Р. С., Мисюров А. И. Лазерная наплавка композиционных износостойких покрытий на никелевой основе, армированных карбидом вольфрама . Сварочное производство. 2016; 1: 10–15.
Grigor'yanc A. G., Stavertij A. YA., Bazaleeva K. O., YUdina T. YU., Smirnova N. A., Tret'yakov R. S., Misyurov A. I. Lazernaya naplavka kompozicionnyh iznosostojkih pokrytij na nikelevoj osnove, armirovannyh karbidom vol'frama . Svarochnoe proizvodstvo. 2016; 1: 10–15.
Sahour M. C., Bahloul A., Vannes A. B. Characteristics of the laser clad metal made with pow der mixture of Ni-based alloy and tungsten carbide. International Journal of Material Forming. 2008; 1( 1): 1379–1382.
Minhai Zhao, Aiguo Liu, Mianhuan Guo, Dejian Liu, Zhijian Wang, Changbai Wang. WC reinforced surface metal matrix composite produced by plasma melt injection. Surface and Coatings Technology. 2006; 201( 3–4): 1655–1659.
Yi-ming Zhong, Xiao-dong Du, Gang Wu. Effect of Powder-Feeding Modes During Plasma Spray on the Properties of Tungsten Carbide Composite Coatings . Journal of Materials Engineering and Performance. 2017; 26( 5): 2285–2292.
Do Nascimento A. M., Ocelík V., Ierardi M. C. F., De Hosson J. Th. M. Wear resistance of WCp / Duplex Stainless Steel metal matrix composite layers prepared by laser melt injection – Surface and Coatings Technology. 2008; 202 (19): 4758–4765.
Григорьянц А. Г., Шиганов И. Н., Третьяков Р. С., Мисюров А. И., Смирнова Н. А., Асютин Р. Д., Пересторонин А. В., Усов С. В. Особенности формирования поверхностного композиционного слоя методом лазерно-порошкового введения частиц монокарбида вольфрама в матрицу из углеродистой стали. Сварочное производство. 2018; 10: 25–29.
Grigor'yanc A. G., SHiganov I. N., Tret'yakov R. S., Misyurov A. I., Smirnova N. A., Asyutin R. D., Perestoronin A. V., Usov S. V. Osobennosti formirovaniya poverhnostnogo kompozicionnogo sloya metodom lazerno-poroshkovogo vvedeniya chastic monokarbida vol'frama v matricu iz uglerodistoj stali. Svarochnoe proizvodstvo. 2018; 10: 25–29.
Шиганов И. Н., Самарин П. Е. Моделирование процесса формирования на поверхности алюминиевых сплавов композиционного покрытия с частицами SiC мощным лазерным излучением. Сварочное производство. 2015; 5: 31–34.
SHiganov I. N., Samarin P. E. Modelirovanie processa formirovaniya na poverhnosti alyuminievyh splavov kompozicionnogo pokrytiya s chasticami SiC moshchnym lazernym izlucheniem. Svarochnoe proizvodstvo. 2015; 5: 31–34.
Babu S. S., David S. A, Martukanitz R. P., Parks K. D. Toward Prediction of Microstructural Evolution during Laser Surface Alloying . Metallurgical and Material Translations A. 2002; 33(4): 1189–1200.
Гусаров А. В. Перенос излучения в слоях металлических порошков при лазерном формировании. Квантовая электроника. 2010; 40(5): 451–459.
Gusarov A. V. Perenos izlucheniya v sloyah metallicheskih poroshkov pri lazernom formirovanii. Kvantovaya elektronika. 2010; 40(5): 451–459.
Gusarov A. V. Homogenization of radiation transfer in two-phase media with irregular phase boundaries. Physical Review. 2008; B77: 144201.
Дренин А. А. Исследование взаимодействия газопорошкового потока с лазерным излучением при коаксиальной подаче порошковых материалов с различной формой и размерами частиц в процессе лазерной наплавки. Молодежный научно-технический вестник: электрон. издание, Эл. № ФС77-51038. 2014. № 05. URL: http://sntbul.bmstu.ru/doc/721953.html.
Drenin A. A. Issledovanie vzaimodejstviya gazoporoshkovogo potoka s lazernym izlucheniem pri koaksial'noj podache poroshkovyh materialov s razlichnoj formoj i razmerami chastic v processe lazernoj naplavki. Molodezhnyj nauchno-tekhnicheskij vestnik: elektron. izdanie, El. № FS77-51038. 2014. № 05. URL: http://sntbul.bmstu.ru/doc/721953.html.
Shengfeng Zhou, Xiaoqin Dai. Microstructure evolution of Fe-based WC composite coating prepared by laser induction hybrid rapid cladding – Applied Surface Science, 2010, Volume 256, Issue 24, p. 7395–7399.
Статья поступила в редакцию 29.11.2018
Статья принята к публикации 20.01.2019
Для лазерного модифицирования поверхности наибольшее распространение получили такие процессы, как поверхностное легирование и лазерная наплавка [1]. Появление высокоэффективных источников, таких как волоконные и диодные лазеры, дало новый импульс развитию этих технологий, а также появлению новых процессов обработки.
Модификация поверхности используется, в первую очередь, в тех случаях, когда требуется повысить износостойкость изделий. Для колес железнодорожных локомотивов износ гребня является одним из основных факторов, ограничивающих межремонтный пробег. Поэтому для актуальной задачи упрочнения бандажа предложено множество решений, таких как плазменная поверхностная закалка [2–5], электроконтактная обработка [6], механическая обработка [7]. Поскольку для изготовления этих изделий применяются углеродистые стали, упрочнение достигается в первую очередь изменением фазового состава материала. В исходном состоянии, как правило, он имеет трооститную структуру, после обработки – бейнитную [4] или мартенситную [2, 3]. Достигаемое таким образом повышение твердости позволяет увеличить пробег локомотивов до 3 раз, однако этого недостаточно для достижения максимально эффективного цикла их эксплуатации.
Применение лазерной обработки позволяет добиться более высокой твердости стали за счет измельчения мартенситной структуры, однако при ее применении глубина обработанного слоя относительно невелика (до 1,5 мм при обработке без оплавления поверхности) [8], а для достижения высокой производительности требуется применение специальных оптических систем и высокомощных лазеров [9].
Общим недостатком всех перечисленных способов является ограничение максимально достижимых результатов обработки свойствами материала изделия. Дальнейшее повышение свойств поверхностного слоя можно обеспечить путем наплавки или легирования, в обоих случаях для локализации воздействия эффективно применение лазерного теплового источника.
Лазерная наплавка металлокерамических композитных слоев позволяет добиться рекордных показателей твердости и износостойкости [10, 11], но вносит существенное изменение в геометрию изделия и требует применения больших объемов дорогостоящих присадочных материалов. В то же время получить поверхностный композитный слой системы сталь-карбид вольфрама можно без использования порошка для формирования матрицы, используя процесс, родственный легированию, а именно: путем введения армирующих частиц непосредственно в ванну расплава на поверхности изделия. В частности, показана возможность упрочнения путем применения плазменно-порошковой [12, 13] и лазерно-порошковой [14, 15] обработки стальных деталей.
Как показано в работе [15], лазерно-порошковая обработка позволяет получить композитный слой со сферическими частицами WC. Наиболее рационально использование частиц диаметром 90–150 мкм. Однако, в отличие от процессов наплавки, при этом типе обработки требуется, чтобы лазерное излучение в первую очередь использовалось для расплавления металла подложки. При этом развитие процесса испарения металла нежелательно, так как может привести к затруднению введения порошка [16]. Избыточный нагрев может оплавлять или даже разрушать частицы порошка, что снизит его роль как армирующего компонента композитного слоя, а также может привести к изменению химического состава стали [17].
Таким образом, при разработке технологии лазерно-порошковой модификации поверхностности с целью формирования композитного слоя сталь-карбид вольфрама необходимо оценить снижение интенсивности лазерного излучения при прохождении газопорошкового потока. Кроме этого, следует оценить нагрев частиц, а также определить возможность изменения химического состава стальной матрицы.
В данной работе в качестве материала матрицы использовалась сталь марки 2 по ГОСТ 398-2010, в качестве армирующих частиц – сферический порошок монокарбида вольфрама, содержащий частицы диаметром от 50 до 200 мкм с преобладающей фракцией около 100 мкм. Для экспериментальных исследований использовался роботизированный технологический комплекс на основе волоконного лазера ЛС‑5 производства ООО «НТО ИРЭ-Полюс», генерирующий непрерывной лазерное излучение мощностью до 5 кВт на длине волны 1 070 нм. Подача порошка осуществлялась соосно с использованием технологической оптической головки для лазерной наплавки и питателя, обеспечивающего непрерывное поступления порошка в потоке транспортирующего газа (аргона). Взаимное расположение лазерного луча и порошкового потока представлено на рис. 1.
Поток частиц, проходящий через область распространения лазерного луча, должен оказывать воздействие на интенсивность излучения, попадающего на стальную подложку.
При оценочном расчете доли излучения, проходящей через порошковый поток, можно использовать следующие допущения:
- частицы попадают под действия лазерного излучения только на завершающем участке пути, вблизи фокуса пятна порошка;
- в пределах завершающего участка пути диаметр лазерного луча и диаметр потока порошка можно считать постоянными, и, с учетом оптимизации расхода последнего, равными;
- распределение плотности мощности по поперечному сечению лазерного луча в той же зоне можно считать равномерным;
- порошковый поток состоит из частиц одного диаметра, движущихся с одинаковой скоростью.
Поскольку диаметр порошинок (минимальная фракция 50 мкм) существенно больше длины волны излучения волоконного лазера (1,07 мкм), коэффициент затухания в области, содержащей частицы, можно рассчитать по методике, предложенной и изученной в работах [18–19], для коэффициента затухания запишем выражение (1):
, (1)
где kλ – коэффициент затухания излучения, м–1;
ρfWC – относительная плотность содержания непрозрачных частиц в области распространения луча;
dWC – диаметр частиц карбида вольфрама, м.
Формула учитывает потери излучения на поглощение и рассеяние на частицах и позволяет оценить падение интенсивности луча, проходящего через поток частиц.
Плотность частиц можно рассчитать из геометрических соображений. На последнем участке пути форму луча и потока порошка можно считать цилиндрическими и примерно равными по размерам на длине hWC, объем области, содержащей частицы и влияющей на прохождение лазерного луча можно рассчитать по формуле (2):
, (2)
где Vl – объем области распространения луча, содержащего частицы карбида вольфрама, м3;
hWC – длина пути частицы через обучаемый участок, в данном расчете на основе экспериментальных данных принимается равной 0,002 м.
dl – диаметр лазерного луча, в данном расчете составляет 0,003 м.
Допустим, что все порошинки WC имеют равный диаметр 100 мкм, тогда объем, занимаемый ими в исследуемой области, зависит от их количества, которое в свою очередь зависит от массового расхода порошка и скорости движения отдельных порошинок. Относительная плотность частиц может быть определена по формуле (3):
, (3)
где MWC – массовый расход порошка, кг · с–1.
vWC – средняя скорость движения частиц, м · с–1,
γWC – плотность порошка карбида вольфрама, составляет 15 670 кг · м–3.
Интенсивность лазерного излучения, распространяющегося в среде с коэффициентом затухания kλ, определяется по формуле (4):
, (4)
где I0 – плотность мощности лазерного излучения, выходящего из оптической системы, Вт · м–2;
Il – плотность мощности лазерного излучения, попадающего на подложку, Вт · м2.
На основе выражений (1) – (4) для доли излучения, достигающей подложки, можно записать выражение (5):
. (5)
Результаты расчета по формуле (4) для массовых расходов в интервале от 0,005 до 0,05 кг · мин–1 и скоростей движения частиц от 5 до 10 м · с–1 представлены на рис. 2.
Из графиков видно, что доля излучения, достигшего подложки, составляет от 0,90 до 0,99 при практически реализуемых параметрах подачи порошка. Полученные результаты качественно согласуются с экспериментальными данными, приведенными в работе [20] для аналогичной технологической установки. Поскольку количество вводимой энергии влияет на объем ванны расплава, следует корректировать режим лазерной обработки в зависимости от параметров подачи порошка. При сохранении мощности лазерного излучения на одном уровне с ростом подачи порошка следует ожидать уменьшения объема ванны расплава и уменьшения глубины обрабатываемого слоя.
Расчеты нагрева частиц под действием лазерного излучения показали, что их температура зависит от размера частицы, причем для порошинок минимального и максимального размера, присутствующих в выбранном присадочном материале, могут реализовываться принципиально различные сценарии. В частности, частицы диаметром более 100 мкм могут попадать в расплав, имея температуру ниже температуры плавления стали, благодаря чему они потенциально могут стать центрами кристаллизации. Частицы диаметром менее 60 мкм могут претерпевать оплавление. Из работы [21] известно, что при высоких температурах возможна диффузия вольфрама в сталь, что приводит к изменению свойств последней.
На рис. 3 приведены результаты измерения содержания железа и вольфрама вблизи частицы WC в упроченном слое на электронном микроскопе методом ЭДС.
Наблюдается присутствие этого элемента в стальной матрице, что приводит к неоднородности ее свойств.
Таким образом, лазерная модификация поверхности бандажной стали карбидом вольфрама может быть реализована на режимах, обеспечивающих неполное плавление порошка и диффузию вольфрама в стальную матрицу. При этих условиях повышаются механические свойства поверхности и износостойкость, как показано в работе [15].
Выводы
- Газопорошковый поток, используемый для введения частиц WC в поверхностный слой при лазерной обработке, снижает интенсивность проходящего излучения на величину до 10%, что следует учитывать при оптимизации параметров режима;
- Нагрев порошка лазерным излучением вызывает интенсификацию диффузии вольфрама, в первую очередь – из небольших частиц, в стальную матрицу композитного слоя;
- Изменение содержания вольфрама приводит к локальным изменения свойств стали на поверхности.
Исследование выполнено при финансовой поддержке РФФИ в рамках научного проекта № 17-20-03230.
Литература
Григорьянц А. Г., Шиганов И. Н., Мисюров А. И. Технологические процессы лазерной обработки: Учеб. пособие для вузов / Под ред. А. Г. Григорьянца. М.: Изд-во МГТУ им. Н. Э. Баумана. 2008.
Grigor'yanc A. G., SHiganov I. N., Misyurov A. I. Tekhnologicheskie processy lazernoj obrabotki: Ucheb. posobie dlya vuzov / Pod red. A. G. Grigor'yanca. M.: Izd-vo MGTU im. N. E. Baumana. 2008.
Антиповский С. В., Исакаев Э. Х., Тюфтяев А. С. и др. Плазменное упрочнение как способ увеличения ресурса колесных пар. Локомотив. 2009; 6: 26–27.
Antipovskij S. V., Isakaev E. H., Tyuftyaev A. S. i dr. Plazmennoe uprochnenie kak sposob uvelicheniya resursa kolesnyh par. Lokomotiv. 2009; 6: 26–27.
Тюфтяев А. С., Мордынский В. Б., Желобцов Е. А. и др. Влияние параметров поверхностной плазменной обработки стали 60Г на трибологические характеристики упрочненного слоя – Справочник. Инженерный журнал. 2014; 11: 6–12.
Tyuftyaev A. S., Mordynskij V. B., ZHelobcov E. A. i dr. Vliyanie parametrov poverhnostnoj plazmennoj obrabotki stali 60G na tribologicheskie harakteristiki uprochnennogo sloya – Spravochnik. Inzhenernyj zhurnal. 2014; 11: 6–12.
Лыков А. М., Маслов В. Э., Глибина Л. А. Плазменное упрочнение гребней локомотивных и вагонных колес . Вестник ВНИИЖТ. 2005; 1: 31–33.
Lykov A. M., Maslov V. E., Glibina L. A. Plazmennoe uprochnenie grebnej lokomotivnyh i vagonnyh koles . Vestnik VNIIZHT. 2005; 1: 31–33.
Korotkov A. V., Zlokazov M. V. Studying Wear Resistance of Carbon Steels Strengthened by Plasma Hardening . Journal of Friction and Wear. 2014; 35(2): 133–136.
Петров С. Ю., Рябов А. А., Костюкевич А. И. Упрочнение гребней и снижение износа колесных пар. Мир транспорта. 2013; 2: 62–69.
Petrov S. YU., Ryabov A. A., Kostyukevich A. I. Uprochnenie grebnej i snizhenie iznosa kolesnyh par. Mir transporta. 2013; 2: 62–69.
Соломин А. П., Гончарова Д. С., Балагура А. С. Повышение эксплуатационного ресурса колесных пар локомотивов. Вестник института тяги и подвижного состава. 2016; 12:75–77.
Solomin A. P., Goncharova D. S., Balagura A. S. Povyshenie ekspluatacionnogo resursa kolesnyh par lokomotivov. Vestnik instituta tyagi i podvizhnogo sostava. 2016; 12:75–77.
Богданов А. В., Грезев Н. В., Шмелев С. А. Применение волоконных лазеров для повышения износостойкости и контактно-усталостной прочности железнодорожных колес. Наукоемкие технологии в машиностроении. 2015; 6: 30–34.
Bogdanov A. V., Grezev N. V., SHmelev S. A. Primenenie volokonnyh lazerov dlya povysheniya iznosostojkosti i kontaktno-ustalostnoj prochnosti zheleznodorozhnyh koles. Naukoemkie tekhnologii v mashinostroenii. 2015; 6: 30–34.
Богданов А. В., Соколов В. И., Шмелев С. А. Выбор оптимальных конфигураций оптических систем для задачи лазерной термообработки стальных изделий. Наукоемкие технологии в машиностроении. 2017; 10: 30–34.
Bogdanov A. V., Sokolov V. I., SHmelev S. A. Vybor optimal'nyh konfiguracij opticheskih sistem dlya zadachi lazernoj termoobrabotki stal'nyh izdelij. Naukoemkie tekhnologii v mashinostroenii. 2017; 10: 30–34.
Григорьянц А. Г., Ставертий А. Я., Базалеева К. О., Юдина Т. Ю., Смирнова Н. А., Третьяков Р. С., Мисюров А. И. Лазерная наплавка композиционных износостойких покрытий на никелевой основе, армированных карбидом вольфрама . Сварочное производство. 2016; 1: 10–15.
Grigor'yanc A. G., Stavertij A. YA., Bazaleeva K. O., YUdina T. YU., Smirnova N. A., Tret'yakov R. S., Misyurov A. I. Lazernaya naplavka kompozicionnyh iznosostojkih pokrytij na nikelevoj osnove, armirovannyh karbidom vol'frama . Svarochnoe proizvodstvo. 2016; 1: 10–15.
Sahour M. C., Bahloul A., Vannes A. B. Characteristics of the laser clad metal made with pow der mixture of Ni-based alloy and tungsten carbide. International Journal of Material Forming. 2008; 1( 1): 1379–1382.
Minhai Zhao, Aiguo Liu, Mianhuan Guo, Dejian Liu, Zhijian Wang, Changbai Wang. WC reinforced surface metal matrix composite produced by plasma melt injection. Surface and Coatings Technology. 2006; 201( 3–4): 1655–1659.
Yi-ming Zhong, Xiao-dong Du, Gang Wu. Effect of Powder-Feeding Modes During Plasma Spray on the Properties of Tungsten Carbide Composite Coatings . Journal of Materials Engineering and Performance. 2017; 26( 5): 2285–2292.
Do Nascimento A. M., Ocelík V., Ierardi M. C. F., De Hosson J. Th. M. Wear resistance of WCp / Duplex Stainless Steel metal matrix composite layers prepared by laser melt injection – Surface and Coatings Technology. 2008; 202 (19): 4758–4765.
Григорьянц А. Г., Шиганов И. Н., Третьяков Р. С., Мисюров А. И., Смирнова Н. А., Асютин Р. Д., Пересторонин А. В., Усов С. В. Особенности формирования поверхностного композиционного слоя методом лазерно-порошкового введения частиц монокарбида вольфрама в матрицу из углеродистой стали. Сварочное производство. 2018; 10: 25–29.
Grigor'yanc A. G., SHiganov I. N., Tret'yakov R. S., Misyurov A. I., Smirnova N. A., Asyutin R. D., Perestoronin A. V., Usov S. V. Osobennosti formirovaniya poverhnostnogo kompozicionnogo sloya metodom lazerno-poroshkovogo vvedeniya chastic monokarbida vol'frama v matricu iz uglerodistoj stali. Svarochnoe proizvodstvo. 2018; 10: 25–29.
Шиганов И. Н., Самарин П. Е. Моделирование процесса формирования на поверхности алюминиевых сплавов композиционного покрытия с частицами SiC мощным лазерным излучением. Сварочное производство. 2015; 5: 31–34.
SHiganov I. N., Samarin P. E. Modelirovanie processa formirovaniya na poverhnosti alyuminievyh splavov kompozicionnogo pokrytiya s chasticami SiC moshchnym lazernym izlucheniem. Svarochnoe proizvodstvo. 2015; 5: 31–34.
Babu S. S., David S. A, Martukanitz R. P., Parks K. D. Toward Prediction of Microstructural Evolution during Laser Surface Alloying . Metallurgical and Material Translations A. 2002; 33(4): 1189–1200.
Гусаров А. В. Перенос излучения в слоях металлических порошков при лазерном формировании. Квантовая электроника. 2010; 40(5): 451–459.
Gusarov A. V. Perenos izlucheniya v sloyah metallicheskih poroshkov pri lazernom formirovanii. Kvantovaya elektronika. 2010; 40(5): 451–459.
Gusarov A. V. Homogenization of radiation transfer in two-phase media with irregular phase boundaries. Physical Review. 2008; B77: 144201.
Дренин А. А. Исследование взаимодействия газопорошкового потока с лазерным излучением при коаксиальной подаче порошковых материалов с различной формой и размерами частиц в процессе лазерной наплавки. Молодежный научно-технический вестник: электрон. издание, Эл. № ФС77-51038. 2014. № 05. URL: http://sntbul.bmstu.ru/doc/721953.html.
Drenin A. A. Issledovanie vzaimodejstviya gazoporoshkovogo potoka s lazernym izlucheniem pri koaksial'noj podache poroshkovyh materialov s razlichnoj formoj i razmerami chastic v processe lazernoj naplavki. Molodezhnyj nauchno-tekhnicheskij vestnik: elektron. izdanie, El. № FS77-51038. 2014. № 05. URL: http://sntbul.bmstu.ru/doc/721953.html.
Shengfeng Zhou, Xiaoqin Dai. Microstructure evolution of Fe-based WC composite coating prepared by laser induction hybrid rapid cladding – Applied Surface Science, 2010, Volume 256, Issue 24, p. 7395–7399.
Отзывы читателей
