Пути снижения неметаллических включений в покрытиях, нанесенных лазерной наплавкой

Полный текст

Введение Лазерная порошковая наплавка является перспективным методом восстановления изношенных поверхностей, а также модификации поверхности путем придания недорогим маркам стали необходимых свойств на поверхности с повышенными характеристиками: износостойкости, жаростойкости, антифрикционными и коррозионной стойкости [1-3]. При лазерной наплавке на поверхность, содержащую неорганические соединения (оксиды, нитриды, загрязнения) может значительно понизиться качество наносимых покрытий [4]. Это связано с интенсивным перемешиванием в ванне расплава материала наплавки и материала подложки. За счет этого процесса неметаллические включения с поверхности подложки могут оказаться внутри наплавляемого покрытия. Неметаллическими включениями являются окислы, шлак, в том числе газовые поры. Обозначенные дефекты образуются в наплавленном материале, также в результате наследования структуры гранул порошка. Для обеспечения наплавки исключающих неметаллические включения необходимо формирование условий, способствующих повышению длительности фазы ванны расплава, а также ее текучести [5-7]. В процессе застывания и кристаллизации ванны расплава неметаллические включения концентрируются по границе зерен, что приводит к снижению механических свойств получаемого материала. Эффективным методом выявления неметаллических включений является КР-спектроскопия [8-10]. Проблемы наличия неметаллических включений в слое наплавки были решены путем принятия комплекса мер, а именно: предварительная подготовка поверхности под наплавку (устранение поверхностного слоя окислов); увеличение погонной мощности лазерного излучения [11; 12]; улучшение эффективности газовой защиты. 1. Методы исследования Для проведения экспериментальных работ по наплавке в работе был использован лазерный роботизированный комплекс наплавки на базе иттербиевого волоконного лазера, в состав которого входят 6-осевой промышленный робот манипулятор FANUC М710iC/50, одноколбо вый порошковый питатель GTV PF 2/1 LC, экспериментальная оптическая лазерная головка с модулем подачи порошка с четырех сторон. Использование сопла, обеспечивающего заданный поток порошкового материала в зону наплавки, лазер IPG ЛС-3-К, было рассмотрено в [12]. В качестве наплавочного материала использовали металлический порошок эрозионностойких сплавов марки ПР-08Х17Н8С6Г (аналог электродов ЦН-6Л) с размерами частиц 63- 125 мкм по ТУ 14-22-250-2013, предназначенный для высокопроизводительной и качественной наплавки уплотнительных поверхностей деталей арматуры энергетических установок [12; 13]. Данный порошковый материал имеет сферическую форму частиц и обладает хорошей текучестью. Химический состав порошка представлен в табл. 1. Таблица 1 / Table 1 Элементный состав порошкового материала ПР#08Х17Н8С6Г / Elemental composition of powder 08Kh17N8S6G Fe C Cr Co Ni Si Mn S O2 P N2 base 0,096 17,7 0,08 7,97 5,55 1,92 0,014 0,02 0,03 0,09 В качестве подложки использовали сталь марки 08Х18Н10Т (AISI 321). Наплавка выполнялась с предварительным подогревом подложки 350 °C в среде защитного газа аргона (Ar ВЧ 99,998 %). Для оценки эффективности используемых методов уменьшения содержания неметаллических включений внутри наплавляемых покрытий были изготовлены лабораторные образцы лазерной наплавки с размерами подложки 100×100×8 мм. Наплавка наносилась в один слой. На основе ранее проведенных исследований [12; 14] был выбран оптимальный технологический режим: мощность лазерного излучения - 2800 Вт, движение лазерной головки - 6 мм/сек, расход порошкового материала - 15 г/мин, шаг перекрытия наплавляемых дорожек - 2 мм, расход защитного газа 25 л/мин, диаметр пятна лазерного излучения - 5 мм, расход транспортирующего газа - 8 л/мин, расход защитного газа - 20 л/мин. Перед проведением экспериментальных работ поверхность образцов подвергалась механической обработке с целью удаления поверхностного слоя, содержащего неорганические включения. Эффективность влияния указанных методов уменьшения количества неметаллических включений внутри, а также на поверхности наплавляемых покрытий была оценена металлографическим анализом на травленых поперечных шлифах полученных образцов, а также методом КР-спектроскопии. Травление осуществлялось смесью азотной (HNO3), соляной (HCl), серной (H2SO4) кислот, дистиллированной воды (H2O) и хлорного железа (FeCl). 2. Результаты При нанесении порошкового материала на предварительно подготовленную поверхность, а с использованием разработанной сопловой насадки в процессе лазерной наплавки удается снизить неметаллические включения в структуре наплавленного слоя. Поперечные сечения наплавленного слоя, состоящего из единичных валиков, нанесенных с перекрытием, на предварительно подготовленную и не подготовленную поверхность представлены на рис. 1. Для проведения КР-спектроскопии были подготовлены следующие образцы: • области разрушения наплавленного образца, выполненные без предварительной обработки поверхности подложки (см. рис. 1, а); • поверхности излома образца, выполненные с предварительной обработкой поверхности перед наплавкой (см. рис. 1, б); • поверхности гранул наплавляемого порошкового материала (см. рис. 5). а б Рис. 1. Микрошлифы образцов наплавки: а - на неподготовленную поверхность, с сопловой насадкой; б - на механически обработанную поверхность, использовав сопловую насадку Figure 1. Microplates of surfacing samples: a - on an unprepared surface, with a nozzle nozzle; б - on a mechanically treated surface, using a nozzle nozzle Рис. 2. КРспектр поверхности разрушения образца для трех (а, b, c) случайных мест без предварительной обработки исследуемой поверхности: 1 - область с пиками, характерная для оксидов, нитридов; 2 - область с пиками, характерная для углерода; 3 - область с артефактами [15-18] Figure 2. Raman spectrum of the fracture surface of the sample for three (a, b, c) random places without pretreatment of the surface under study: 1 - area with peaks characteristic of oxides, nitrides; 2 - area with peaks characteristic of carbon; 3 - area with artifacts [15-18] Образование неметаллических включений характерно по границе зерна, по ним наблюдается разрушение структуры материала на поверхности излома, по которому произошло разрушение образца. Можно сделать предположение о попадании азота/кислорода в объем порошкового материала в процессе наплавки, либо это результат разрушения поверхностного слоя загрязнений на поверхности образца, наплавка на который осуществлялась без предварительной подготовки (механической очистки поверхности). В процессе наплавки, образования ванны расплава и кристаллизации материала неметаллические включения вытесняются на границу зерна, что мы наблюдаем на КР-спектре, представленном на рис. 2. Далее были проанализированы результаты КР-спектров поверхности разрушения образца без предварительной обработки (рис. 2). На передней части спектра (область 1), присутствуют выраженные пики оксидов, нитридов компонентов наплавочного материала, в средней части спектра, наблюдается два пика, характерных для углерода, в области 3 обозначены артефакты, вызванные засветкой люминесцентной лампы освещения. На рис. 3 представлен КР-спектр поверхности, полученной после шлифовки плоскости разрушения образца наплавки, изготовленного с предварительно зачищенной поверхностью. КР-спектр поверхности, полученной в результате шлифовки плоскости разрыва образца, говорит о значительном снижении концентрации неметаллических примесей, вероятно, они присутствуют в виде мелких включений в объеме зерна. Регистрируемые пики имеют несколько большую интенсивность пиков, полученных с поверхности гранул порошкового материала. Вероятно, увеличение интенсивности регистрируемых пиков вызвано появлением дополнительных примесей, например, с необработанной поверхности подложки, либо кластеризацией неметаллических частиц в более крупные объекты, дающие более интенсивный отклик соответствующих линий на КР-спектре. Рис. 3. КРспектр области разрушения (поверхность зерна) на: a, b - исследуемом образце с предварительно зачищенной поверхностью перед наплавкой Figure 3. Raman spectrum of the fracture region (grain surface) on: a, b - the test sample from the precleaned surface before surfacing Предположение о возможности образования окислов за счет наличия таковых в наплавляемом порошке отчасти может быть верно. На КР-спектрах, полученных с поверхности гранул используемого порошкового материала (см рис. 4), наблюдается наличие неметаллических материалов, наблюдаемых в аналогично представленных на рис. 2 областях. Наблюдаемые линии могут быть вызваны наличием как неметаллических примесей на поверхности, так и равномерно растворенных во всем объеме исследуемых гранул. Рис. 4. КРспектр поверхности гранул наплавляемого порошка для трех случайных мест: a - измерение № 1; b - измерение № 2; c - измерение № 3 / Figure 4. Raman spectrum of the surface of the granules of the deposited powder for three random places: a - measurement No. 1; b - measurement No. 2; c - measurement No. 3 Анализ КР-спектров поверхностей гранул и поверхностей зерен разрушенного образца схожи, что свидетельствует о наследовании химического и фазового составов наплавленного материала от порошкового материала, что отмечалось в работе [8]. Структура используемого порошкового материала была исследована путем подготовки торцевого сечения гранул порошкового материала, залитых эпоксидной смолой (рис. 5). В исследуемых гранулах выявлено наличие пор (отмечены красным на рис. 5), что описано в литературе как распространенное явление, вызванное методом синтеза порошкового материала. Данные поры могут приводить к образованию пор в объеме наплавленного валика при условии недостаточного теплового вклада в процесс наплавки (когда полное расплавление гранул затруднено, наблюдается частичное оплавление) либо низкой скорости перемешивания оплавленного материала в ванне расплава, опять же ввиду недостаточного объема либо приложенной энергии. Рис. 5. Шлиф поверхности гранул наплавляемого порошкового материала Figure 5. The cut of the surface of the granules of the deposited powder material В результате сравнения КР-спектров сечения наплавленной дорожки на поверхность без предварительной подготовки выявлено значительное снижение интенсивности пиков комбинационного рассеяния характерных для оксидных и нитридных включений. Проведенное исследование носило качественный характер, показавший, что использование предварительной подготовкой поверхности (устранение поверхностного слоя окислов), позволило снизить наличие неметаллических включений в ванне расплава, повысить эффективность взаимного перемешивания материала подложки и порошкового материала. Неметаллические включения, регистрируемые на КР-спектрах, аналогичны включениям, зарегистрированным с поверхности гранул используемого порошкового материала. Для устранения пор и газовых карманов в структуре гранул порошкового материала (см. рис. 4) необходимо повысить энергоемкость процесса, чтобы снизить поверхностное натяжение компонентов ванны расплава, повысить общую ликвидность, что позволит эффективно устранить газовые пузырьки из расплавленных гранул порошкового материала в процессе конвективных движений в ванне расплава [9]. Энергоемкость процесса увеличилась за счет повышения мощности лазерного излучения, снижения потерь тепла во внешнюю среду из области наплавки и создания теплового газового экрана путем использования разработанной конструкции сопловой насадки (рис. 6). Рис. 6. Сопловая насадка: 1 - лазерное излучение; 2 - защитный газ (Ar); 3 - газовая линза; 4 - сопловая насадка; 5 - порошковый материал Figure 6. Nozzle nozzle: 1 - laser radiation; 2 - protective gas (Ar); 3 - gas lens; 4 - nozzle nozzle; 5 - powder material При использовании сопловой насадки в области воздействия лазерного излучения отраженное излучение разогревает стенки насадки, а при прохождении газового потока, содержащего гранулы порошкового материала, через область, ограниченную ее стенками, требуется меньше энергии для их оплавления. Газовая линза, в состав которой входит металлическая сетка с размером ячейки 40 мкм, обеспечивает направленный поток защитного газа, в объеме которого распространяется порошковый материал, оплавляемый лазерным излучением, и ложится на поверхность образца. Направленная газовая струя приводит к более эффективному движению ванны расплава [19; 20]. Совокупность этих действий позволяет эффективно удалять неметаллические включения и поры, в том числе содержащиеся внутри гранул порошкового материала из объема ванны расплава на поверхности наплавляемого валика. Заключение Совокупность приведенных в работе способов позволяет эффективно удалять неметаллические включения и поры, в том числе содержащиеся внутри гранул порошкового материала из объема ванны расплава на поверхность наплавляемого валика, путем повышения погонной мощности лазерного излучения. С учетом применения комплекса мер были получены образцы лазерной порошковой наплавки. Количество неметаллических включений в образцах было ниже, чем на гранулах используемого порошкового материала. Для получения покрытий с минимальным количеством неметаллических включений необходима не только качественная подготовка покрытия, но и обеспечение большей длительности существования ванны расплава, что было сделано в работе путем повышения мощности лазерного излучения, а также использования специальной сопловой насадки.

Об авторах

Алексей Викторович Завитков

Владимирский государственный университет им. А.Г. и Н.Г. Столетовых, ВлГУ

Автор, ответственный за переписку.
Email: vip.zavitkov@mail.ru
ORCID iD: 0000-0003-4323-5398

ассистент кафедры тепловых двигателей и энергетических установок

Владимир, Российская Федерация

Александр Сергеевич Локтев

Владимирский государственный университет им. А.Г. и Н.Г. Столетовых, ВлГУ

Email: sloktev15@gmail.com
ORCID iD: 0009-0004-5978-2219

аспирант кафедры технологий машиностроения

Владимир, Российская Федерация

Александр Борисович Люхтер

Владимирский государственный университет им. А.Г. и Н.Г. Столетовых, ВлГУ

Email: 3699137@mail.ru
ORCID iD: 0000-0003-1523-0637

кандидат технических наук, директор научно-образовательного центра внедрения лазерных технологий

Владимир, Российская Федерация

Кирилл Андреевич Фролов

Владимирский государственный университет им. А.Г. и Н.Г. Столетовых, ВлГУ

Email: golegoga33rus@gmail.com
ORCID iD: 0000-0001-8691-8151

аспирант кафедры функционального анализа и его приложения института прикладной математики, физики и информатики

Владимир, Российская Федерация

Список литературы