eng
Выпуск #4/2019
Н. А. Афанасьев
Разработка технологии лазерного синтезирования антифрикционной поверхности трения крупногабаритных судовых гребных валов
Разработка технологии лазерного синтезирования антифрикционной поверхности трения крупногабаритных судовых гребных валов
Просмотры: 2379
К судам арктического плавания заказчик предъявляет повышенные требования по надежности, эксплуатационной эффективности и экологичности. Движительные системы судов арктического плавания, в частности ледоколов, состоят из мощной многовальной силовой установки, единичная мощность которой составляет 20 МВт и более, и короткого жесткого валопровода с минимальным количеством подшипников. Предложено для формирования антифрикционной поверхности трения использовать технологию порошковой лазерной наплавки бронзы на стальной втулке.
DOI: 10.22184/1993-7296.FRos.2019.13.4.348.353
DOI: 10.22184/1993-7296.FRos.2019.13.4.348.353
Теги: antifriction friction surface powder laser deposition of bronze propulsion systems of arctic navigation ships антифрикционные поверхности трения движительные системы судов арктического плавания лазерная наплавка бронзы
К судам арктического плавания заказчик предъявляет повышенные требования по надежности, эксплуатационной эффективности и экологичности. Движительные системы судов арктического плавания, в частности ледоколов, состоят из мощной многовальной силовой установки, единичная мощность которой составляет 20 МВт и более, и короткого жесткого валопровода с минимальным количеством подшипников. Предложено для формирования антифрикционной поверхности трения использовать технологию порошковой лазерной наплавки бронзы на стальной втулке.
Надежность и эффективность эксплуатации транспортных судов характеризуется в том числе безаварийной работой движительной системы, что можно обеспечить только комплексом прогрессивных конструктивно-технологических решений, реализуемых при постройке судна. Это особо касается судов арктического плавания, к которым заказчик предъявляет повышенные требования по надежности, эксплуатационной эффективности и экологичности [1].
Движительные системы современных судов арктического плавания, в частности ледоколов, относятся к разряду тяжелонагруженных и состоят, как правило, из мощной многовальной силовой установки, единичная мощность которой составляет 20 МВт и более, и короткого жесткого валопровода с минимальным количеством подшипников, при этом валы имеют диаметр 700 мм и выше [2]. На ледоколе проекта 22220 «Арктика» (рис. 1а) диаметр вала составляет 860 мм, а в проектируемом ледоколе проекта 10510 «Лидер» (рис. 1b) составит более 1 050 мм.
Конструктивные особенности и значительные массогабаритные характеристики движительных систем требуют специальных технологий изготовления, центровки и монтажа, так как существующие технологии, освоенные верфями в 70-х годах прошлого века, не обеспечат реализацию тех требований, что предъявляются в настоящее время к движительным системам судов арктического плавания.
Существующая технология формирования антифрикционной поверхности трения дейдвудного подшипника базируется на установке облицовок из бронзы на гребной вал с натягом «в горячую». Учитывая габариты гребного вала и облицовок, весьма велик риск заклинивания облицовки при насадке. Кроме того, при такой технологии облицовка является концентратором напряжений, что снижает усталостную прочность гребного вала и может привести к его поломке.
Для замены традиционной технологии установки дорогостоящих облицовок из бронзы на гребной вал АО «ЦТСС» предложила использовать технологию порошковой лазерной наплавки для создания антифрикционного слоя бронзы на стальной втулке.
Одним из главных технологических достоинств метода лазерной наплавки в сравнении с такими традиционными методами, как электродуговая или плазменная наплавка, является низкий подвод тепла к основному материалу. Это способствует снижению деформации создаваемых изделий. Высокая скорость охлаждения способствует формированию желаемой мелкозернистой микроструктуры. Данная технология обеспечивает полное металлургическое сцепление наплавочного слоя с основой и низкое разжижение (смешение с металлом основы) по сравнению с традиционными методами.
Таким образом, одного слоя покрытия бывает достаточно для полного замещения базового материала. При этом допуски по толщине и качество поверхности оказываются вполне приемлемыми и, в зависимости от задачи, требуют лишь минимальных доработок или сразу полностью соответствуют техническим требованиям.
Основной задачей при разработке технологического процесса лазерной порошковой наплавки является получение покрытия высокого качества (без пор), с хорошим сцеплением с основным материалом. При этом требуется обеспечить минимальное смешение и растворение наплавленного материала с основой. Для заданных скоростей перемещения и скорости подачи наплавочного порошка возможно определить оптимальный размер пятна и плотности мощности, при которых обеспечивается максимальный коэффициент наплавки.
При реализации процесса лазерной наплавки порошки подаются, как правило, с помощью напорных или газоинжекторных питателей-дозаторов непосредственно в зону действия лазерного излучения. При этом порошок смешивается с газовой струей, ускоряется струей и нагревается за время пролета от зоны смешения до напыляемой поверхности, после чего попадает на поверхность подложки. В качестве рабочей была принята схема четырехсторонней коаксиальной подачи порошкового материала.
В ходе проведения экспериментальных работ было определено три характерных профиля, описывающих взаимодействие наплавленного материала. При высоких значениях скорости подачи порошка или недостаточной плотности мощности излучения возникает формирование профиля правильной сферической формы на поверхности изделия (тип 1), не обеспечивающей возможность корректного перекрытия слоев. Избыточное растворение и поверхностные деформации формы наплавленного слоя (тип 2) характерны, наоборот, при высоких значениях плотности мощности излучения и недостаточной подаче наплавочного порошка. Наиболее предпочтительным является профиль эллиптической формы с четкими границами и оптимальным сплавлением с минимальным растворением в основе (тип 3). Такой профиль является предпочтительным для выполнения наплавки на поверхность с перекрытием слоев.
В ходе наплавки с перекрытием слоев возможно порообразование при характере переноса порошка на основу, близкому к типу 1, для случаев высокого потока порошка и более толстых наплавленных слоев. Таким образом, по характеру формообразования одиночных слоев можно спрогнозировать появление внутренней пористости при многопроходной наплавке с перекрытием валиков.
В качестве материала основы использовались стали 40ХФА и 38Х2Н2МА. Для создания антифрикционного слоя применялись бронзовые порошки RotoTec 19850, RotoTec 19868 и металлический порошок EuTroLoy 16625G.04 с размером фракции 53–150 мкм (см. табл.).
Отработка технологии лазерного синтезирования (наплавки) проводилась на разработанном АО «ЦТСС» роботизированном комплексе порошковой лазерной наплавки (рис. 2). Комплекс построен по модульному принципу, что позволяет осуществлять гибкую перенастройку, заменять модули, а также адаптировать оборудование под определенную технологическую задачу. Комплекс оснащен волоконным лазерным источником мощностью 4 кВт, модулем перемещения и позиционирования (шестиосевой манипулятор с двухосевым позиционером), оптическим модулем, модулем подачи порошка и системой управления, обеспечивающей настройку и работу оборудования в ручном и автоматическом режиме. Комплекс также оснащен системой видеонаблюдения для мониторинга процесса в режиме реального времени, а также защитной кабиной для обеспечения требований лазерной и промышленной безопасности.
В ходе исследований были получены пробы с наплавленными валиками (рис. 3) в один или несколько проходов. Макрошлифы проб (рис. 4) изготовлены на шлифовально-полировальном станке Buehler MetaServ 250.
Исследование микроструктуры и размера зерен поверхностного слоя шлифов проводилось на металлографическом микроскопе Nikon MA200 при увеличении от 100 до 1000 крат в зависимости от методов исследований.
Ширина переходной зоны между основным металлом и наплавленным слоем составила 0,1–0,2 мм. Структура сплава, полученного наплавлением порошка EuTroLoy 16625G.04, состоит из никелевого твердого раствора и выделений карбидов хрома, боридов и силицидов, равномерно распределенных в матрице сплава (рис. 5, 6). Переходный участок характеризуется смешанной аустенитно-мартенистной структурой. Выделения карбидных, боридных и силицидных фаз исчезают по мере приближения к основному металлу.
На пробах, изготовленных с использованием бронзовых порошков, структура слоя состоит преимущественно из меди с размером зерен от 5 до 15 мкм. Переходный участок зоны сплавления бронзы и стальной основы характеризуется наличием выделений твердого раствора меди в ферритно-бейнитной структуре стальной матрицы.
Выполнена пробная многопроходная наплавка на заготовку вала диаметром 218 мм (рис. 7) для получения изделия с диаметром 220 мм по чертежу. Скорость подачи порошка составляет 14 г / мин. Ширина переходной зоны между основным металлом и наплавленным слоем составила 0,1–0,2 мм. Среднее значение высоты наплавочного валика H (толщины слоя, полученного лазерной наплавкой за один проход) составляет 0,6 мм.
Установлено, что при многопроходном лазерном синтезировании необходимо осуществлять зачистку наплавленной поверхности от грата перед нанесением каждого последующего слоя.
Изготовленные образцы с антифрикционным слоем бронзы прошли испытания на абразивное изнашивание по схеме Бренелля-Хаворта. Исследования проводилось следующим образом: к вращающемуся резиновому диску в течение 10 минут прижимали образец с наплавленным слоем, подавая в зону трения кварцевый песок с размером частиц 200–600 мкм. По результатам испытаний трех образцов определялась средняя величина потери массы наплавленного покрытия.
Результаты испытаний подтвердили высокие антифрикционные свойства бронзового слоя. Потеря массы наплавленного покрытия в ходе испытаний на абразивное изнашивание составила не более 0,0055 г.
Проведенные исследования технологии лазерного синтезирования антифрикционной поверхности трения показывают возможность ее успешного применения для изготовления узлов движительных систем судов арктического плавания.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
Лебедев А. А., Писаренко Г. С. Прочность конструкций при сложнонапряженнном состоянии. Киев: Наукова Думка, 1983.
Lebedev A. A., Pisarenko G. S. Prochnost' konstrukcij pri slozhnonapryazhennnom sostoyanii. Kiev: Naukova Dumka, 1983.
Раздрогин Ю. В. Справочник по монтажу судового механического оборудования. Л.: Судостроение. 1981.
Razdrogin YU. V. Spravochnik po montazhu sudovogo mekhanicheskogo oborudovaniya. L.: Sudostroenie. 1981.
Надежность и эффективность эксплуатации транспортных судов характеризуется в том числе безаварийной работой движительной системы, что можно обеспечить только комплексом прогрессивных конструктивно-технологических решений, реализуемых при постройке судна. Это особо касается судов арктического плавания, к которым заказчик предъявляет повышенные требования по надежности, эксплуатационной эффективности и экологичности [1].
Движительные системы современных судов арктического плавания, в частности ледоколов, относятся к разряду тяжелонагруженных и состоят, как правило, из мощной многовальной силовой установки, единичная мощность которой составляет 20 МВт и более, и короткого жесткого валопровода с минимальным количеством подшипников, при этом валы имеют диаметр 700 мм и выше [2]. На ледоколе проекта 22220 «Арктика» (рис. 1а) диаметр вала составляет 860 мм, а в проектируемом ледоколе проекта 10510 «Лидер» (рис. 1b) составит более 1 050 мм.
Конструктивные особенности и значительные массогабаритные характеристики движительных систем требуют специальных технологий изготовления, центровки и монтажа, так как существующие технологии, освоенные верфями в 70-х годах прошлого века, не обеспечат реализацию тех требований, что предъявляются в настоящее время к движительным системам судов арктического плавания.
Существующая технология формирования антифрикционной поверхности трения дейдвудного подшипника базируется на установке облицовок из бронзы на гребной вал с натягом «в горячую». Учитывая габариты гребного вала и облицовок, весьма велик риск заклинивания облицовки при насадке. Кроме того, при такой технологии облицовка является концентратором напряжений, что снижает усталостную прочность гребного вала и может привести к его поломке.
Для замены традиционной технологии установки дорогостоящих облицовок из бронзы на гребной вал АО «ЦТСС» предложила использовать технологию порошковой лазерной наплавки для создания антифрикционного слоя бронзы на стальной втулке.
Одним из главных технологических достоинств метода лазерной наплавки в сравнении с такими традиционными методами, как электродуговая или плазменная наплавка, является низкий подвод тепла к основному материалу. Это способствует снижению деформации создаваемых изделий. Высокая скорость охлаждения способствует формированию желаемой мелкозернистой микроструктуры. Данная технология обеспечивает полное металлургическое сцепление наплавочного слоя с основой и низкое разжижение (смешение с металлом основы) по сравнению с традиционными методами.
Таким образом, одного слоя покрытия бывает достаточно для полного замещения базового материала. При этом допуски по толщине и качество поверхности оказываются вполне приемлемыми и, в зависимости от задачи, требуют лишь минимальных доработок или сразу полностью соответствуют техническим требованиям.
Основной задачей при разработке технологического процесса лазерной порошковой наплавки является получение покрытия высокого качества (без пор), с хорошим сцеплением с основным материалом. При этом требуется обеспечить минимальное смешение и растворение наплавленного материала с основой. Для заданных скоростей перемещения и скорости подачи наплавочного порошка возможно определить оптимальный размер пятна и плотности мощности, при которых обеспечивается максимальный коэффициент наплавки.
При реализации процесса лазерной наплавки порошки подаются, как правило, с помощью напорных или газоинжекторных питателей-дозаторов непосредственно в зону действия лазерного излучения. При этом порошок смешивается с газовой струей, ускоряется струей и нагревается за время пролета от зоны смешения до напыляемой поверхности, после чего попадает на поверхность подложки. В качестве рабочей была принята схема четырехсторонней коаксиальной подачи порошкового материала.
В ходе проведения экспериментальных работ было определено три характерных профиля, описывающих взаимодействие наплавленного материала. При высоких значениях скорости подачи порошка или недостаточной плотности мощности излучения возникает формирование профиля правильной сферической формы на поверхности изделия (тип 1), не обеспечивающей возможность корректного перекрытия слоев. Избыточное растворение и поверхностные деформации формы наплавленного слоя (тип 2) характерны, наоборот, при высоких значениях плотности мощности излучения и недостаточной подаче наплавочного порошка. Наиболее предпочтительным является профиль эллиптической формы с четкими границами и оптимальным сплавлением с минимальным растворением в основе (тип 3). Такой профиль является предпочтительным для выполнения наплавки на поверхность с перекрытием слоев.
В ходе наплавки с перекрытием слоев возможно порообразование при характере переноса порошка на основу, близкому к типу 1, для случаев высокого потока порошка и более толстых наплавленных слоев. Таким образом, по характеру формообразования одиночных слоев можно спрогнозировать появление внутренней пористости при многопроходной наплавке с перекрытием валиков.
В качестве материала основы использовались стали 40ХФА и 38Х2Н2МА. Для создания антифрикционного слоя применялись бронзовые порошки RotoTec 19850, RotoTec 19868 и металлический порошок EuTroLoy 16625G.04 с размером фракции 53–150 мкм (см. табл.).
Отработка технологии лазерного синтезирования (наплавки) проводилась на разработанном АО «ЦТСС» роботизированном комплексе порошковой лазерной наплавки (рис. 2). Комплекс построен по модульному принципу, что позволяет осуществлять гибкую перенастройку, заменять модули, а также адаптировать оборудование под определенную технологическую задачу. Комплекс оснащен волоконным лазерным источником мощностью 4 кВт, модулем перемещения и позиционирования (шестиосевой манипулятор с двухосевым позиционером), оптическим модулем, модулем подачи порошка и системой управления, обеспечивающей настройку и работу оборудования в ручном и автоматическом режиме. Комплекс также оснащен системой видеонаблюдения для мониторинга процесса в режиме реального времени, а также защитной кабиной для обеспечения требований лазерной и промышленной безопасности.
В ходе исследований были получены пробы с наплавленными валиками (рис. 3) в один или несколько проходов. Макрошлифы проб (рис. 4) изготовлены на шлифовально-полировальном станке Buehler MetaServ 250.
Исследование микроструктуры и размера зерен поверхностного слоя шлифов проводилось на металлографическом микроскопе Nikon MA200 при увеличении от 100 до 1000 крат в зависимости от методов исследований.
Ширина переходной зоны между основным металлом и наплавленным слоем составила 0,1–0,2 мм. Структура сплава, полученного наплавлением порошка EuTroLoy 16625G.04, состоит из никелевого твердого раствора и выделений карбидов хрома, боридов и силицидов, равномерно распределенных в матрице сплава (рис. 5, 6). Переходный участок характеризуется смешанной аустенитно-мартенистной структурой. Выделения карбидных, боридных и силицидных фаз исчезают по мере приближения к основному металлу.
На пробах, изготовленных с использованием бронзовых порошков, структура слоя состоит преимущественно из меди с размером зерен от 5 до 15 мкм. Переходный участок зоны сплавления бронзы и стальной основы характеризуется наличием выделений твердого раствора меди в ферритно-бейнитной структуре стальной матрицы.
Выполнена пробная многопроходная наплавка на заготовку вала диаметром 218 мм (рис. 7) для получения изделия с диаметром 220 мм по чертежу. Скорость подачи порошка составляет 14 г / мин. Ширина переходной зоны между основным металлом и наплавленным слоем составила 0,1–0,2 мм. Среднее значение высоты наплавочного валика H (толщины слоя, полученного лазерной наплавкой за один проход) составляет 0,6 мм.
Установлено, что при многопроходном лазерном синтезировании необходимо осуществлять зачистку наплавленной поверхности от грата перед нанесением каждого последующего слоя.
Изготовленные образцы с антифрикционным слоем бронзы прошли испытания на абразивное изнашивание по схеме Бренелля-Хаворта. Исследования проводилось следующим образом: к вращающемуся резиновому диску в течение 10 минут прижимали образец с наплавленным слоем, подавая в зону трения кварцевый песок с размером частиц 200–600 мкм. По результатам испытаний трех образцов определялась средняя величина потери массы наплавленного покрытия.
Результаты испытаний подтвердили высокие антифрикционные свойства бронзового слоя. Потеря массы наплавленного покрытия в ходе испытаний на абразивное изнашивание составила не более 0,0055 г.
Проведенные исследования технологии лазерного синтезирования антифрикционной поверхности трения показывают возможность ее успешного применения для изготовления узлов движительных систем судов арктического плавания.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
Лебедев А. А., Писаренко Г. С. Прочность конструкций при сложнонапряженнном состоянии. Киев: Наукова Думка, 1983.
Lebedev A. A., Pisarenko G. S. Prochnost' konstrukcij pri slozhnonapryazhennnom sostoyanii. Kiev: Naukova Dumka, 1983.
Раздрогин Ю. В. Справочник по монтажу судового механического оборудования. Л.: Судостроение. 1981.
Razdrogin YU. V. Spravochnik po montazhu sudovogo mekhanicheskogo oborudovaniya. L.: Sudostroenie. 1981.
Отзывы читателей
