CC BY
29
УДК 621.791.92
Исследование покрытия из легированной стали, полученного лазерной наплавкой
Е. А. Морозов
Проведены исследования покрытия из легированной стали, полученного лазерной наплавкой. Материал наплавляемой стали — 4Х5МФ1С, материал подложки — сталь 10. Рассмотрено влияние технологических параметров лазерной наплавки на толщину и пористость получаемого покрытия. Средствами полнофакторного эксперимента установлена эмпирическая зависимость толщины и пористости полученного покрытия от мощности лазерного излучения, скорости сканирования и подачи порошкового материала. Полученные коэффициенты уравнения регрессии применимы только для исследованного материала, но влияние параметров лазерной наплавки на получаемое покрытие характерно и для других материалов.
Ключевые слова: лазер, наплавка, регрессионный анализ, пористость.
Введение
Применяя технологии локального нанесения металла, можно ремонтировать поврежденные участки деталей. Для этого используют технологии, в основном связанные с наплавкой. С их помощью не только восстанавливают детали, но и создают покрытия, превосходящие по свойствам материал основы. Однако большинство методов наплавки оказывают существенное тепловое воздействие на подложку-деталь, что может приводить к ухудшению ее свойств.
Такого недостатка лишена технология наплавки с помощью лазерного излучения. В результате локального нагрева и постоянного перемещения источника теплоты образуются малые зоны термического влияния, не способные оказать существенного воздействия на свойства основной детали. При использовании лазерной наплавки не требуется специфической оснастки и более эффективно расходуется материал [1].
Несмотря на то что технология лазерной наплавки появилась в конце 1980-х годов, она менее распространена по сравнению с другими лазерными технологиями, такими как резка или сварка. Причина — в отсутствии мето-
дик разработки технологического процесса [6]. С помощью аналитических методов невозможно учесть все факторы, оказывающие влияние на процесс наплавления. Кроме того, такие методики требуют начальных данных, которые можно получить только после пробных проходов.
Материалы и методика исследования
Основной целью экспериментальных исследований является получение зависимостей, позволяющих оценить влияние мощности лазерного излучения, скорости перемещения лазера и подачи порошка материала на параметры наплавленного слоя [3].
Для проведения эксперимента в качестве материала основы используются плитки стали 10 размерами 70 X 70 X 10 мм. Наплавочный материал — порошок американской стали Н13. Российский аналог - высоколегированная инструментальная сталь 4Х5МФ1С (ГОСТ 5950-2000). Частицы порошка сферические, размерами от 40 до 150 мкм.
Экспериментальное исследование проводится методом полного факторного эксперимента. Взаимосвязи между параметрами напла-
|32
№ 3(87)/2015
вочного слоя и условиями процесса наплавки с помощью полного факторного эксперимента и последующего регрессионного анализа устанавливаются по методикам, описанным в работах [4, 5].
В основе проведения регрессионного анализа лежат следующие предположения:
1) давление в защитной камере постоянно;
2) среда в защитной камере не изменяется по химическому составу;
3) изменяемые факторы Х1, Х2, Х3 линейно независимы;
4) независимые факторы Х1, Х2, Х3 изменяются с ошибкой, много меньшей по сравнению с ошибкой в определении отклика У;
5) дисперсия случайной величины У постоянна;
6) при каждом сочетании значений независимых переменных Х1, Х2, Х3 зависимая переменная У подчиняется закону нормального распределения;
7) погрешность в траектории наплавки чередующихся слоев несравнимо мала и не учитывается;
8) заготовка ориентирована перпендикулярно к лазерной головке;
9) наплавки имеют равные условия тепло-отвода.
В качестве факторов, влияющих на параметры наплавочного слоя и выбранных для проведения регрессионного анализа, используются:
• мощность лазерного излучения Р, кВт;
• скорость перемещения лазера Б, м/мин;
• подача порошка V, г/мин.
Принятые в эксперименте кодовые обозначения факторов и их уровни указаны в табл. 1.
Наплавки выполнены в виде квадратов со стороной 15 мм с последовательным нанесением параллельных дорожек. Дорожки по-
следующего слоя нанесены перпендикулярно к дорожкам предыдущего. Расстояние между дорожками наплавки выбрано с учетом 25 % перекрытия.
В результате проведенного регрессионного анализа результатов эксперимента получена формула зависимости толщины наплавленного слоя от технологических параметров лазерной наплавки
У = 0,328 + 0,092х1 - 0,079х2 + 0,119х3 -- 0,032X1X2 - 0,037X2X3 + 0,016X1X2X3,
где У — толщина наплавленного слоя.
На рис. 1 представлен график зависимости толщины наплавленного слоя от наиболее значимых параметров. График влияния скорости перемещения лазера не приведен, так как влияние этого фактора на толщину наплавляемого слоя минимально.
Наибольшее влияние на значение толщины наплавленного слоя оказывают подача порошка и мощность (плотность мощности) излучения. При увеличении подачи порошка с 3 до 7 г/мин высота слоя изменяется от 0,17 до 0,48 мм. При увеличении мощности излучения с 0,25 до 0,45 кВт высота слоя изменяется от 0,25 до 0,4 мм. При увеличении скорости сканирования с 20 до 30 м/мин толщина наплавленного слоя уменьшается с 0,4 до 0,25 мм. При определении высоты слоя наплавки комбинация факторов в регрессионной модели играет меньшую роль, чем каждый фактор в отдельности.
Эмпирическое уравнение пористости наплавленного слоя в зависимости от режимов лазерной наплавки имеет вид
Мощность лазера, кВт '
Рис. 1. Изменение высоты слоя наплавки в зависимости от мощности лазерного излучения и подачи порошка
Таблица 1
Кодирование коэффициентов полнофакторного эксперимента
Фактор Кодовое обозначение Уровни факторов, соответствующие кодируемым значениям Шаг
Нижний Основной Верхний
Р, кВт 0,25 0,35 0,45 0,10
Б, м/мин 20 25 30 5
V, г/мин 4 6 8 2
№ 3 (87)/2015
33|
Y = 0,085 - 0,05*! - 0,053*2 - 0,007*3 + + 0,022*j*2 + 0,036** + 0,0057*2*3 -- 0,036*1*2*3-
Пористость принимает значения в диапазоне от 0 до 100 %, где:
• 0 % — абсолютно беспористая поверхность;
• 100 % — поверхность отсутствует.
Пористость исследована в соответствии
с ГОСТ 9391-80, с помощью оптического микроскопа Olympus GX51 и программного обеспечения JMicroVision. Микрошлифы, исследуемые на пористость, представлены на рис. 2.
На рис. 3 представлен график зависимости пористости слоя от мощности и подачи порошка. Установлено, что наибольшее влияние на наличие пор оказывает скорость сканирования. При увеличении скорости сканирования с 20 до 30 м/мин пористость на наплавках уменьшается с 14 до 3 %. При определении содержания пористости комбинации факторов в регрессионной модели могут оказывать большее влияние, чем каждый фактор в отдельности.
б)
100 мкм
Рис. 2. Пористость исследованных наплавок: а — 6 %; б — 0,27 %
м/мин 0,45 Мощность лазера, кВт
Рис. 3. Зависимость пористости наплавки от мощности лазера и скорости сканирования
Выводы
1. Показана зависимость высоты наплавленного слоя и пористости для непрерывной лазерной наплавки в виде регрессионной модели от трех основных факторов: мощности (плотности мощности), скорости сканирования и подачи порошка.
2. Полученные коэффициенты уравнения регрессии верны только для исследованного материала, но влияние параметров наплавки на получаемое покрытие характерно и для других материалов.
Исследование выполнено при финансовой поддержке Министерства образования и науки РФ по государственному заданию (базовая часть) № 2014/152, НИР № 1460.
Литература
1. Долговечный А. В., Демидова Л. А., Морозов Е. А.
Технологии наплавки легированной стали на основу из углеродистой стали // Изв. Самарского научного центра Российской академии наук. 2012. Т. 14, № 1 (2). С. 550-553.
2. Костюк Г. И. Лазерное упрочнение легированных сталей // Авиационно-космическая техника и технология. 2012. № 2. С. 23-27.
3. Морозов Е. А. Исследование процесса лазерной наплавки легированной стали: сб. науч. тр. БшогЫ. 2014. Т. 4, № 3. С. 46-49.
4. Спиридонов А. А. Планирование эксперимента при исследовании технологических процессов. М.: Машиностроение. 1981.184 с.
5. Хартман К., Лецкий Э. К., Шефер В. Планирование эксперимента в исследовании технологических процессов. М.: Мир. 1977. 548 с.
6. Хаскин В. Ю. Расчетно-экспериментальный метод определения параметров процесса лазерной наплавки // Наука и инновации. 2012. № 6. С. 5-16.
№ 3(87)/2015
