ЛАЗЕРНАЯ НАПЛАВКА СПЕЦИАЛЬНЫХ ПОРОШКОВ ДЛЯ ПОВЫШЕНИЯ ИЗНОСОСТОЙКОСТИ ДЕТАЛЕЙ МАШИН

Аннотация. В статье описан наиболее совершенный и универсальный способ нанесения износостойких покрытий, раскрыты его сильные и слабые стороны – лазерная наплавка. Данная технология позволяет получать многокомпонентные покрытия, обладающие расширенной функциональностью например износо - ,термо – и ударо - стойкостью. Используя различные присадочные материалы, возможно формировать не только слой с идентичными с основой свойствами, но и сложные покрытия, повышающие ресурс и изменяющие технические свойства детали.

Ключевые слова: лазерная наплавка, химико-термическая обработка, порошковая металлургия.

В последнее время все большее распространение получают лазерные технологии. Благодаря возможности регулирования в широком диапазоне соотношения между тепловой мощностью дуги и подачей присадочного (электродного) материала большинство способов лазерной наплавки обеспечивают достаточно высокую производительность (до 10 кг наплавленного металла в час) при минимальном проплавлении основного металла.

Важной особенностью данного является отличное формирование наплавленных валиков, стабильность и хорошая воспроизводимость их размеров. Это позволяет существенно сократить расход наплавочных материалов, время наплавки, а также (благодаря малым припускам) затраты на механическую обработку наплавленных деталей. Лазерная наплавка обеспечивает высокую работоспособность деталей за счет отличного качества наплавленного металла, его 31 однородности, а также благоприятной структуры, определяемой специфическими условиями кристаллизации металла сварочной ванны. Из существующих способов лазерной наплавки наиболее универсальной является лазерно-порошковая наплавка. Благодаря характерному для лазерной наплавки малому проплавлению основного металла требуемая твердость и заданный химический состав наплавленного металла обеспечивается уже на расстоянии 0,3 - 0,5 мм от поверхности сплавления, что позволяет ограничиться однослойной наплавкой там, где электродуговым способом необходимо наплавить 3 - 4 слоя.

Возможность нанесения тонких слоев с малым термическим воздействием на основной металл – важное преимущество лазерной порошковой наплавки. Зона между основным и наплавленным металлом при 32 наплавке никелевых сплавов составляет 50…100 мкм, а кобальтовых – 100…150 мкм. Ширина зоны перегрева с крупным аустенитным зерном при составляет 0,2…0,3 мм. Это выгодно отличает ее от индукционной наплавки, где основной металл неизбежно подвергается сильному нагреву с образованием крупного зерна, что может стать причиной усталостного разрушения деталей в процессе эксплуатации. При лазерно-порошковой наплавке присадкой служат шаровидные гранулированные металлические порошки, которые подаются в плазмотрон транспортирующим газом с помощью специального питателя. В настоящее время данный метод нашел широкое применение при изготовлении и ремонте клапанов и седел ДВС.

К достоинствам способа можно отнести: локальность и скорость наплавки, исключающие разогрев детали и ее коробление и обеспечивающие сохранность исходной структуры основного материала, повышение ресурса восстановленных деталей до уровня новых и более. Процесс лазерной наплавки экономичен, поскольку имеет низкую энергоемкость, высокую производительность и незначительные потери наплавляемого материала. Дает возможность обрабатывать труднодоступные участки поверхности, а также детали сложной конфигурации. Принципиальная схема лазера приведена на рис. 1. Под воздействием источника возбуждения один или несколько квантов света (фотонов), пролетевших перпендикулярно плоскости зеркала, отразятся от него и полетят обратно, пронизывая пространство рабочего вещества. Тогда возбужденные атомы рабочего вещества, отдавая свою энергию, усилят проходящий световой поток. Часть его отразится обратно от полупрозрачного зеркала. Остальная часть потока, проходящая через стекло, фокусируется с помощью системы в пятно определенного размера, необходимого для технологических целей.

Выделяют 3 основных способа создания покрытий лазерной наплавкой: Создание покрытий оплавлением предварительно нанесенных порошков (Рисунок 1). Состав шликера подбирают таким образом, чтобы он минимально влиял на состав будущего покрытия. Нанесенную на поверхность заготовки пасту оплавляют лазерным лучом, последовательно сканируя всю поверхность. Для создания многослойного покрытия необходимо наносить слой шликера заново после каждого прохода. Преимуществом метода является простота технологии и легкость конструкции необходимого оборудования, основные недостатки – высокая трудоемкость процесса и неравномерность покрытия по причине сил поверхностного натяжения жидкого металла.

Рисунок 1. Схема нанесения покрытий оплавлением предварительно нанесенного порошка

Создание покрытий, с помощью боковой подачи газопорошковой смеси – наиболее распространенный до недавнего времени способ лазерной наплавки (Рисунок 2). Впрыск порошка в жидкую ванну, качественно изменяет процесс наплавки, позволяя создавать как равномерные по толщине, и химическому составу покрытия, так и композитные материалы с сохранением упрочняющей фазы. Подача газопорошковой струи может осуществляться как сбоку относительно движения луча, так и навстречу. При этом формируемые валики, будут иметь различную геометрию. Недостатком метода является несимметричность подачи порошка относительно направления движения даже при создании покрытий сканированием лазерного луча в плоскости.

Рисунок 2 Схема лазерной наплавки с боковой подачей порошка

При коаксиальной наплавке (Рисунок 3) газопорошковый поток подается в зону воздействия лазерного излучения симметрично со всех сторон – сжимающимся в фокус конусом. Формирование такого симметричного равномерного конуса порошка – главная сложность данного метода. Коаксиальная наплавка – наиболее универсальный способ создания как однородных, так и композитных покрытий на плоских и трехмерных поверхностях. Процесс обеспечивает симметричность, относительно направления наплавки, равномерность формирования валиков, высокие производительность и коэффициент использования присадочного материала в общем случае обработки сложных поверхностей. Сложность коаксиальной подачи газопорошковой смеси является, пожалуй, главным недостатком системы коаксиальной наплавки.

Рисунок 3. Схема лазерной наплавки с коаксиальной подачей порошка

Чтобы воспользоваться всеми преимуществами и возможностями наплавки лазером необходимо специализированное оборудование, которое позволяет в производстве наносить композитные покрытия с повышенными характеристиками: коррозионной стойкости; механическими; жаростойкости; износостойкости; антифрикционными; радиационной стойкости.

В данный момент одним из самых актуальных применений лазерной коаксиальной наплавки является восстановление поврежденной или изношенной геометрии деталей из металла машиностроительного производства. Во время ремонта крупногабаритных узлов сложной геометрии, пресс-форм, валов, инструмента, литейных форм и других деталей данный метод наплавки обеспечивает экономию значительных средств за счет меньшего расхода материала, затрат времени на обработку и использование оборудования, задействованного в работах, чем при иных способах.

По прочности и плотности нанесенный при ремонте восстановительный слой не уступает материалу, из которого было изготовлено изделие, а в случае специального подбора состава присадочного порошка значительно его превосходит, что положительно сказывается на сроке эксплуатации обработанной детали. В каждом отдельном случае применения лазера восстановительный процесс условно заключается в технологии нанесения объема материала или слоя покрытия.

При традиционных способах наплавки основной металл подвергается значительному подплавлению и термическому воздействию, что является весомым недостатком, потому что технология должна обеспечивать минимальное тепловое влияние на деталь и перемешивание присадочного материала со сплавом изделия. Эти изъяны практически полностью отсутствуют у обработки лазером – нагрев локализован и соответствует форме, размеру подаваемого излучения, а глубина термического воздействия ограничена незначительным приповерхностным слоем, благодаря чему вероятность коробления (искажения формы) детали минимизирована.

Процесс наплавки: условно можно разделить на три стадии: создание физического контакта; химическое взаимодействие, т.е. образование прочных связей на микроучастках; объемные процессы.

Активация контактной поверхности при наплавке осуществляется, в основном, за счет нагрева, при этом практически всегда поверхностный слой детали оплавляется. Наплавленный материал отличается по химическому составу от материала, используемого для наплавки. Такое положение наблюдается даже в верхних валиках, получаемых при наплавке, где влиянием перемешивания с основным металлом можно пренебречь.

Это связано с активным взаимодействием нагретого металла с газами окружающей среды и шлаком. В частности. При дуговой наплавке проволокой ПП3Х2В8 под флюсом АН-20 снижение содержания углерода и марганца может составлять 50 %.

В результате подплавления основного металла, его растворения в жидкой сварочной ванне, а также диффузионных процессов на межфазной границе в наплавку переходит значительная часть компонентов основы. Интенсивность насыщения металла наплавки компонентами основы характеризируется долей основного металла в полеченном валике, которая определяется коэффициентом перемешивания γ.

 где:

  – площадь проплавленного основного металла;

   – площадь наплавленного металла.

Минимальная глубина проплавления основы достигается при раздельном нагреве основного и присадочного металлов, когда нагрев подложки осуществляется перегретой присадкой.

При порошковой лазерной наплавке большое внимание уделяется вопросу использования сканаторов лазерного луча, что позволяет увеличить шеометрические размеры получаемых валиков, например, ширину – на 10мм. Это особенно актуально в случае нанесения широких слоев. Формирование валиков сильно зависит от условий сканирования.

Применение сканатора позволяет повысить производительность наплавки от 40 до 800 % за счет возможности увеличения ширины валиков или скорости наплавки. В этом случае наблюдается также возрастание коэффициента использования порошка, который при наплавке со сканированием луча может составлять 84 %, а без сканирования – 51 %.

На практике доказано, что наплавку слоя размером h=1,5мм и b=8мм можно выполнить при сканировании луча за один проход при скорости наплавки V=0,36м/мин, а без сканирования излучения за три прохода с перекрытием валиков на 30% при V=0,12 м/мин. Производительность процесса при использовании сканирования в 8 раз больше, так как на 1см длины наплавленного слоя при этом затрачивается 0,17 с., тогда как без сканирования 1,5 с.

Возможные схемы подачи присадочных материалов в зону обработки можно разделить на две основные группы. а) предварительное расположение присадочных материалов на обрабатываемой поверхности и б) подача непосредственно в зону обработки одновременно с воздействием лазерного излучения.

Из способов предварительного нанесения покрытий наиболее прост в осуществлении методов насыпания.

Присадочный материал насыпается на всю поверхность, которую необходимо легировать или наплавлять, и слой выравнивается по толщине. Затем осуществляется его оплавление лазерным лучом. Применение этого метода затруднено, так как возможные вибрации или какие-либо другие посторонние воздействия приводят к изменению толщины насыпки, оголению локальных участков модифицированой поверхности к сдуванию порошка потоком защитного газа и в результате к значительной неравномерности толщины слоя и неудовлетворительному качеству поверхности.

Второй способ – нанесение паст, состоящих из присадочного материала и связующего вещества (связки). Нанесение паст осуществляется одним из известных промышленных методов: пульверизацией, окунание и т.д. Предварительно нанесенный и высушенный слой пасты на поверхности заготовки носит название шликерного слоя (шликера).

Метод наплавки с использованием шликера имеет некоторые преимущества: высокая поглощающая способность шликера, обусловленная присутствием связанного вещества; практически 100 %-ое использование шликера, так как полностью исключается его выдувание потоком защитного газа; возможность наплавлять покрытия на детали сложной формы; простота приготовления порошковой пасты и нанесения ее на обрабатываемую поверхность.

Наиболее существенное влияние на качество шликера оказывает состав связки, которая должна обеспечить максимальную адгезию к подложке и прочность шликерного слоя покрытия для удержания порошка на поверхности, технологичность приготовления и нанесения, нетоксичность.

Третий способ – нанесение присадки напрессовкой порошков, накаткой фольги, наложением прутков, напылением. Эти схемы ведения процесса подразумевают использование промежуточной операции – нанесение присадочного материала, что усложняет технологию.

Лазерная наплавка позволяет выполнять: наплавку, оплавление напыленных поверхностей, поверхностное легирование, поверхностную закалку, соединять детали в труднодоступных местах и керамические изделия. Применяется при восстановлении ответственных деталей с местным износом. Метод наиболее эффективен при восстановлении поверхностей площадью 5...50 мм и величиной износа 0,1...1,0 мм, при этом расход порошков невелик, глубина термического влияния обычно не превышает 0,5...0,6 мм, а деформации детали отсутствуют. Твердость покрытий из самофлюсующихся порошков, которые наносят на поверхность детали как пасту, составляет 35...60 HRC для подложки из стали и 45...60 HRC для подложки из чугуна. Толщина нанесенного слоя достигает 40...50 мкм. Прочность соединения покрытия с материалом подложки > 250 МПа.

Наука о лазерах и лазерной технологии является бурно развивающейся областью знаний. В последние годы сделаны открытия принципиально новых типов лазеров, обладающих высоким коэффициентом полезного действия, простых и удобных в эксплуатации, обеспечивающих высокую надежность и, таким образом, весьма пригодных для применения в различных отраслях промышленности. наплавка лазерный износостойкость металл.

В результате этого существенно расширился диапазон выполняемых функций лазерной техники. Наряду с увеличением производительности и качества традиционных лазерных технологических процессов обработки, были разработаны новые процессы, обеспечивающие общий прогресс развития, в том числе теории и практики в технологии машиностроения.

Список литературы:

1. Бирюков В.П., Гадолина И.В., Петрова И.М. и др. Определение механических и трибологических характеристик образцов с лазерной наплавкой // Технологии упрочнения, нанесения покрытий и ремонта: теория и практика: Материалы МНПК. СПб.: Изд-во Политехн. ун-та, 2013. Ч. 1. С. 20−26.
2. Костецкий Б. И., Носовский И.Г., Бершадский Л.И. Надежность и долговечность машин. К.: Техшка. 1975. - 408 с.
3. Теоретические и технологические основы наплавки. Наплавка деталей оборудования металлургии и энергетики. Сб. научн. ст. /Под ред. И.И. Фрумина. Киев: ИЭС им. Е.О. Патона АН УССР. 1980. - 156 с.
4. Григорьянц А. Г. Технологические процессы лазерной обработки: учебник / А. Г. Григорьянц, И. Н. Шиганов, А. И. Мисюров. Москва: Изд-во МГТУ им. Н. Э. Баумана, 2006. 664 с. 31
5. Морунов И. В. Применение лазерной наплавки для упрочнения и восстановления деталей машиностроения / И. В. Морунов, С. Е. Крылова // Всероссийской научнометодической конференции. Оренбургский государственный университет, 2017. С. 159–162.
6. Севернев М.М, Подлекарев Н.Н., Сохадзе В.Ш., Китиков В.О. Износ и коррозия поверхностей деталей //Минск: Наука, 2011.- 334 с.
7. А. Г. Григорьянц, Основы лазерной обработки материалов, издательство «Машиностроение», Москва, 1989 год.
8. Беккер М.С. Металлофизика износа режущего деталей машин. -В кн.: Теория трения, смазки и обрабатываемости материалов. Чебоксары: Чуваш. Госунт, 1978, № 5, с. 47-58.