CC BY
65
УДК 621.785.369 В. Д. Шелягин, В. Ю. Хаскин, А. П. Грищенко, А. В. Сиора, А. В. Бернацкий
ЛАЗЕРНАЯ МОДИФИКАЦИЯ ПЛАЗМЕННОНАНЕСЕННЫХ ПОКРЫТИЙ
Установлено, что определяющим фактором при оплавлении газотермических покрытий из самофлюсующихся сплавов лазерным излучением является величина погонной энергии, при увеличении которой в диапазоне 200400 кДж/м повышается однородность и мелко-дисперсностъ структуры оплавленных слоев, устраняются дефекты.
Введение
Вопросам технологии и качества нанесения газотермических покрытий уделялось значительное внимание на протяжении последних четырех десятков лет [1]. Ведущее место в разработках такого рода отводилось, главным образом, плазменным и микроплазменным технологиям. Несмотря на определенные успехи, достигнутые в этих вопросах, напыляемые плазменными методами покрытия сохраняют ряд основных недостатков. В первую очередь это относится к адгезионной прочности и пористости. И если недостаточная адгезионная прочность может привести к разрушению покрытий на деталях, работающих в условиях ударных нагрузок, то высокая пористость может вызвать отслоение любого покрытия, т.к. в этом случае возможно окисление как самого покрытия, так и подложки. Для устранения указанных недостатков после напыления покрытий проводят их оплавление. Однако при этом, из-за применения тепловых источников с малой концентрацией энергии, возникает ряд отрицательных явлений: объемный разогрев обрабатываемых деталей до высоких температур; усиление процессов отпуска и рекристаллизации; разупрочнение материала основы и значительные температурные деформации. Все это существенно сужает область использования данной технологии и вынуждает искать новые методы модификации покрытий. Одним из таких методов является использование мощных технологических лазеров [2].
Лазерное оплавление покрытий, напыленных плазменными способами, было предложено с целью повышения их прочностных характеристик путем устранения макродефектности структуры как всего покрытия, так и контактной зоны между покрытием и основой [2-4]. Установлено, что такая лазерная обработка уменьшает количество пор и окислов, а также существенно увеличивает адгезионную прочность покрытий. За счет изменения параметров излучения и характеристик его перемещения по поверхности появляется дополнительная возможность регулирования глубины
проплавления слоя покрытия. Эта глубина может быть равна толщине предварительно нанесенного слоя, а может превосходить ее и расплавлять металл основы на определенную глубину.
Однако, приведенные в работах [2-5] данные по структуре, фазовому составу и микротвердости для одного и того же типа самофлюсующегося порошка, не совпадают, и даже противоречат друг другу. Такая неопределенность приводит к противоположным выводам относительно механизмов формирования оплавленных лазерным излучением покрытий.
Поэтому структурные исследования, уточнение фазового состава и оценка механических характеристик покрытий из самофлюсующихся сплавов, модифицированных лазерным излучением, остаются актуальной научной проблемой с точки зрения более надежного прогнозирования эксплуатационных характеристик покрытий. Нами был проведен комплекс экспериментов по лазерному модифицированию предварительно напыленных сплавов системы №-Сг-В-81 с целью оценки влияния параметров процесса на образование структур, повышающих их износостойкость.
Материалы, оборудование и методики исследований
С помощью аргонодуговой плазменной установки УПУ-8М, были нанесены покрытия из самофлюсующихся сплавов ПГ-10Н-01 и ПГ-12Н-01 на образцы из сталей Ст3, 10ХСНД, 65Г, 38ХН3МФА и меди М1. Толщина нанесенного слоя варьировалась в пределах 0,3...0,8 мм.
В качестве источника лазерного излучения для оплавления напыленных слоев, использовали Ш:УАО-лазер модели БУ044 (ЯоАп 8шаг, Германия) с длиной волны X = 1,06 мкм. Обработка образцов проводилась как в среде защитного газа (аргона), так и без защиты.
В результате экспериментов на образцах установлено, что в диапазоне мощности лазерного излучения Мё:УАО-лазера ОУ 044 от 1 до 3 кВт, оптимальный диаметр пятна излучения на оплавленной поверхности прямо пропорционален мощ-
© В. Д. Шелягин, В. Ю. Хаскин, А. П. Грищенко, А. В. Сиора, А. В. Берна, 2009
1727-0219 Вестник двигателестроения № 2/2009
- 69 -
ности лазерного излучения и составляет 1,5 мм на 1 кВт для скоростей процесса 0,5...5 м/мин. Соответствующий диапазон плотностей мощности излучения !¥р = (0,5...5,0)106 Вт/см2. Время существования ванны расплава при этом может варьироваться от 0,03 до 0,3 с.
Указанная зависимость в данном диапазоне позволяет за один проход получать на стальных и медных образцах качественно оплавленные слои, сопоставимые по толщине с предварительно напыленными. Термическое влияние на оплавляемый образец при этом минимально, размер переходной зоны составляет 10...30 мкм. Дальнейшее уменьшение переходной зоны, как показали эксперименты, может привести к отслоению оплавленного покрытия. Увеличение переходной зоны не целесообразно, так как приводит к повышению содержания металла основы в модифицированном покрытии, затрудняет получение поверхностных слоев с заданными физико-химическими свойствами.
Для сравнения с лазерной обработкой покрытия оплавляли плазмотронами прямого и косвенного действия, а также газопламенной горелкой.
Оплавление покрытий плазмотроном косвенного действия проводили на установке УПУ-8М. Определено, что покрытия, которые были нанесены на стальные образцы, оплавились без видимых дефектов, получаемая поверхность имела гладкую однородную фактуру с характерным металлическим блеском. Покрытия, которые были нанесены на медные образцы, не оплавились из-за низкого теплового КПД плазмотронов косвенного действия, а также большого коэффициента теплопроводности меди. Покрытия на медных образцах удалось оплавить плазмотроном прямого действия на установке УПРП-200, нанеся подслой из кремния и применив предварительный подогрев образцов до 400...500 °С.
Оплавление покрытий газопламенным способом проводили на установке «Еию|е1». Покрытия на стальных образцах были оплавлены газопламенным способом без видимых дефектов, получаемая поверхность была гладкой и имела вид, аналогичный виду оплавленных плазмотроном косвенного действия поверхностей. Покрытия, которые были нанесены на медные образцы, этим способом оплавить не удалось.
В работе сделаны обобщения о результатах, полученных при лазерной, плазменной и газопламенной обработке покрытий на основании данных металлографического и ренгенофазового анализов структур, измерений микротвердости и пористости образцов.
Результаты и их обсуждение
При лазерном оплавлении покрытий из самофлюсующихся сплавов ПГ-10Н-01 и ПГ-12Н-01
на сталях и меди наблюдаются некоторые общие особенности структурообразования, связанные с энерговкладом процесса.
По структуре и свойствам полученные образцы можно разделить на четыре группы, которые соответствуют четырем уровням погонной энергии: низкий (10...50 кДж/м), средний (50...200 кДж/м), высокий (200...400 кДж/м) и критический (более 400 кДж/м).
Микроструктура материалов первой группы характеризуется отсутствием непрерывного следа оплавления. Глубина локальных мест оплавления достигает 150...200 мкм. На большей глубине сохраняется исходная структура и пористость на уровне 15...20 %. Адгезионная связь слабая, наблюдаются микротрещины по границе раздела основа-покрытие. Распределение микротвердости имеет большой разброс (НУ0,05-200...550), что обусловлено высокой гетерогенностью покрытий. Диффузия элементов на границе раздела «покрытие-основа» отсутствует, не выявлена также зона термического влияния (ЗТВ) в материале основы.
При средней погонной энергии на блестящей оплавленной поверхности материала покрытия наблюдаются трещины. В определенной области режимов обработки расплавленное покрытие кристаллизуется на не оплавленной поверхности основного металла в виде отдельных капель. Анализ микроструктур показывает, что средние значения погонной энергии недостаточны для образования надежных когезионных и адгезионных связей даже для слоя минимальной толщины. Остаточная пористость покрытий составляет 3...5 %. В материале основы наблюдается зона структурно-фазовых преобразований малой толщины — ЗТВ, которая представляет собой смесь из мартенсита и сорбито-перлита, переходящую в начальную ферритно-перлитную смесь. Распределение микротвердости здесь характеризуется меньшим разбросом (НУ0,05-300...500). Глубина переходной зоны составляет порядка 20...50 мкм.
Поверхность материалов, обработанных при высоком уровне погонной энергии, отличается волнистостью и отсутствием трещин. Микроструктура покрытий, оплавленных на данных режимах, характеризуется повышенной дисперсностью и однородностью, имеет высокую плотность при средней пористости 1...3% и глубокую ЗТВ, которая состоит из двух характерных частей. Первая часть, глубиной до 100 мкм, представляет собой мартенсит закалки и мартенсит отпуска. Вторая, глубиной около 400...600 мкм, представляет собой сорбито-перлит, переходящий в начальную структуру. На всем промежутке границы раздела покрытие-основа наличия пор, трещин или других дефектов не наблюдается. Однородное распределение микротвердости в покрытии и его
плавное снижение в переходной зоне свидетельствуют о достаточно полной гомогенизации структуры и фазового состава покрытия, существенной диффузии железа основы в поверхностные слоя покрытия. Микротвердость оплавленного слоя колеблется в пределах (ИУ0,05-350...600).
Рис. 1. Микроструктура оплавленного лазером покрытия из ПГ-12Н-01, нанесенного на сталь 38ХН3МФА, х100
При оплавлении лазерным излучением покрытий из сплавов на основе никеля, качественный рентгенофазовый анализ установил наличие двух основных структурных составляющих: изолированные ячеистые, а иногда и разветвленные зерна у-твердого раствора никеля и эвтектика у-№+№п(В,С). Благодаря наличию в напыленном сплаве хрома, также были идентифицированы упрочняющие фазы в виде его карбидов Сг7С3, СГ3С2 и боридов СгВ, СГВ2.
Все структурные составляющие мелкодисперсные. Твердый раствор пресыщен легирующими компонентами. Анализ показывает, что процесс образования карбидов и боридов направляется через образование сегрегаций хрома или образования метастабильных промежуточных фаз. Распределение образовавшихся мелкодисперсных твердых фаз является равномерным. В результате микротвердость оплавленного сплава значительно выравнивается по сравнению с традиционными методами оплавления.
Во всех случаях, при лазерном оплавлении с высоким уровнем погонной энергии, на границе оплавленного материала покрытия с основным металлом образуется светлый пластинчатый слой. Как показывают результаты металлографического анализа, он представляет собой переходную зону со структурой непрерывного ряда твердых растворов, то есть, обеспечена металлургическая связь основы и оплавленного слоя. Переходный слой представляет собой сетку, которая образованна тонкими иглами дендритов. Толщина переходной зоны увеличивается при снижении скорости плакирования.
Под переходной зоной в основном металле наблюдается зона термического влияния (ЗТВ). Твердость ЗТВ и ее структура обуславливаются
свойствами материала основы и существенно зависят от режима лазерного переплава покрытия. Материал последнего может оказывать влияние на свойства ЗТВ лишь при условии проникновения его в основной металл при лазерном переплаве с высокими погонными энергиями, обеспечивающем значительное проплавление основы.
При достижении критического уровня погонной энергии наблюдается интенсивное выгорание как отдельных участков покрытия, так и его самого.
Выводы
1. Экспериментальная оценка влияния параметров лазерного модифицирования на изменение структур предварительно нанесенных газотермическими способами покрытий из самофлюсующихся сплавов на основе никеля показала, что по сравнению с плазменным и газопламенным оплавлением, обеспечивается более высокая плотность покрытий, снижается дисперсность их структуры, а также устраняются такие недостатки, как порообразование, недостаточная прочность сцепления покрытия с основой, неравномерность по толщине, химическая и структурная неоднородность.
2. Определяющим фактором при лазерном оплавлении покрытий из самофлюсующихся сплавов системы №-Сг-В-81 является величина погонной энергии. Установлено, что в интервале 200...400 кДж/м обеспечивается равномерное распределение упрочняющих фаз в никелевой матрице и образование узкой (1030 мкм) зоны сплавления с основным металлом. Увеличение погонной энергии в указанном интервале повышает однородность и мелкодисперсность структуры оплавленных слоев, устраняются такие дефекты как трещины и поры.
3. При оплавлении покрытий на медной основе, применение лазерного излучения в качестве источника нагрева, позволяет избежать дополнительных технологических операций, а именно — предшествующего подогрева образцов и нанесения подслоя.
4. Результаты проведенных исследований могут быть использованы для получения износо-и коррозионностойких покрытий на деталях из сталей и медных сплавов, применяемых в двига-телестроении, машиностроительной, металлургической, полиграфической, химической и других отраслях промышленности.
Перечень ссыток
1. Газотермические покрытия из порошковых материалов. Справочник / [Борисов Ю. С., Харламов Ю. А., Сидоренко С. Л., Ардатов-ская Е. Н.]. — К.: Наукова думка, 1987. — 544 с.
1727-0219 Вестник двигателестроения № 2/2009
— 71 —
2. Спиридонов Н.В. Влияние лазерной обработки на структуру и триботехнические свойства плазменных покрытий из самофлюсующихся сплавов / Спиридонов Н. В., Протасович В. А., Самодеева Т. И. // Порошковая металлургия. — 1988. -№ 1. — С. 11—14.
3. Постников В. С. Формирование структуры в самофлюсующихся покрытиях на никелевой основе / Постников В. С., Временная Л. В. // Металловедение и термическая обработка металлов. — 1991. — № 3. — С. 5—8.
4. Клименов В. А. Исследование структуры и фазового состава плазменного покрытия на основе никелевого сплава после воздействия лазерного излучения / Клименов В. А., Пере-валова О. Б. // ФХИОМ. — 1996. — № 2. — С.68—77.
5. Новые материалы и технологии. Теория и практика упрочнения материалов в экстремальных процессах / [Папырин А. Н., Болотина Н. П., Боль А. А. идр.]; под ред. М. Ф. Жукова. — Новосибирск: Наука, 1992. — 200 с.
Поступила в редакцию
Установлено, що визначалъним фактором при оплавлены газотермгчних noKpummie гз самофлюсуючихся сплавгв лазерним випромтюванням е величина погонноi енергП, при збыъшент яког в дгапазот 200...400кДж/м тдвищуетъся одноргдшстъ i дргбнодкперстстъ структури оплавлених шаргв, усуваютъся дефекти.
It is established, that by the determining factor at a flashing off gasothermal coverings from самофлюсующихся alloys laser radiation, magnitude of running energy at which increase over the range 200...400 kJ/m uniformity and finely dispersiveness structures of the melted off layers raises is, defects are eliminated.
