Лазерный мир

В. П. Бирюков, А. Н. Принц, А. П. Савин, Э. Г. Гудушаури // Журнал Фотоника, №1, 2020, стр: 34-40

В работе представлен обзор работ зарубежных исследований по определению характеристик высокоэнтропийных сплавов (ВЭС). Показано, что ВЭС на основе объемноцентрированной решетки (ОЦК) твердого раствора более жаропрочны по сравнению с высокоэнтропийным сплавом на основе гранецентрированной решетки (ГЦК) твердого раствора. Представлены результаты полученных квазивысокоэнропийных сплавов (КВЭС) с новыми свойствами взамен дорогостоящих высокоэнтропийных сплавов путем введения в шихту нескольких серийных порошковых материалов на основе железа, никеля, кобальта и добавок нанокарбидов тантала для повышения износостойкости покрытий, полученных лазерной наплавкой. Введение в состав шихты КВЭС 6% нанокарбида тантала повышает износостойкость в 2,8 раза по сравнению с наплавкой без использования карбида и увеличивает износостойкость в 7,2 раза по сравнению с характеристикой материала основы из стали 40Х. Технология лазерной наплавки КВЭС может быть использована для восстановления различных деталей машин, в том числе работающих при повышенных нагрузках и температурах. Приведены характеристики покрытий, полученных в процессе лазерной наплавки. Указан диапазон варьирования рабочих параметров лазерного излучения: мощности скорости перемещения, диаметра пучка.

Введение
Высокоэнтропийные сплавы (ВЭС), также известные как многокомпонентные сплавы или сплавы с несколькими основными элементами, впервые были получены методом литья [1, 2] в 2004 году. ВЭС – ​полностью новая стратегия конструирования сплава, смешивания большого количества элементов или компонентов. Содержание каждого элемента составляет от 5 до 35 ат.% [3]. Высокоэнтропийные сплавы на основе объемноцентрированной решетки (ОЦК) твердого раствора более жаропрочны по сравнению с высокоэнтропийным сплавом на основе гранецентрированной решетки (ГЦК) твердого раствора. Как показали испытания на сжатие, высокоэнтропийный сплав на основе ОЦК твердого раствора обладал прочностью на уровне 450 МПа при температуре 1 300 °C [4]. Особенностью высокоэнтропийных сплавов является способность к упорядочению параметра решетки при отжиге, что сопровождается снижением параметра решетки и некоторым повышением модуля упругости и твердости.

Порошковые смеси Fe, Co, Ni, Cr и Cu были получены путем механического смешивания химически чистых порошков. Размеры частиц порошков составляли 50–120 мкм [5]. В качестве добавок использовали Si (1,2%), Mn (1,2%) и Мо (2,8%). Лазерную наплавку выполняли с использованием СО2-лазера на подложку стали Q235. Порошковую смесь предварительно наносили на поверхность образца толщиной 1,7–2,0 мм. Обработку проводили при мощности излучения 2 кВт, диаметре луча 4,5 мм и скорости перемещения 400 мм / мин с перекрытием дорожек 30%. Термообработка наплавленных образцов проводилась при температурах 550–950 °C в течение 5 часов. Покрытия FeCoNiCrCu с добавками Si, Mn и Mo или без них идентифицированы как простой твердый раствор с гранецентрированной кубической решеткой (ГЦК). Микротвердость сплава без добавок составила 3 750 МПа, что примерно на 50% выше, чем у того же сплава, полученного методом дуговой плавки. Введение Си, Mn и Мо улучшает качество покрытия и значительно увеличивается микротвердость до 4 500 МПа.

Сплав FeCoNiCrCu имеет более высокую коррозионную стойкость в 5% растворе H2SO4 по сравнению с жаропрочным никелевым сплавом Ni60. Металлические порошки Fe, Cr, Co, Si, Ti, Nb, Mo и W с чистотой более 99,6% и размером около 150–250 мкм были использованы для создания шихты [6]. Порошки смешивали в определенной пропорции 5 : 5 : 5 : 1 : 1 : 1 : 1 : 1 в течение 4 часов в сосуде из нержавеющей стали с использованием планетарной шаровой мельницы. Для наплавки применяли волоконный лазер YLS‑6000 IPG. Порошок толщиной 1,5 мм был размещен на подложке стали W6Mo5Cr4V2 с размерами Ø50 × 10 мм. Лазерную наплавку выполняли при мощности излучения 4 кВт, скорости перемещения 6 мм / с, диаметра пятна 3,5 мм в среде аргона. После наплавки производили отжиг при температуре 800–1 050 °C в течение 4 часов. Наибольшая твердость 10500 МПа достигнута при температуре отжига 850 °C, что значительно превышает твердость образца после наплавки 7 800 МПа.

Порошки высокоэнтропийных сплавов Al2CrFeCoCuTiNix (x = 0,0; 0,5; 1,0; 1,5; 2,0) наносили на подложку из стали Q235 толщиной 0,8 мм в виде обмазки на основе органического связующего [7]. Лазерную наплавку выполняли на установке DL-HL-T5000B при мощности излучения 2 500 Вт, диаметре луча 4 мм, скорости перемещения луча 3 мм / с, в среде аргона. Микротвердость покрытий возрастает с увеличением содержания никеля и достигает максимального значения 1 102 HV, что в 4 раза выше материала основы. Покрытие сплавов Al2CrFeCoCuTiNix обладает хорошей коррозионной стойкостью в 1 моль / л растворе NaOH и 3,5% растворе NaCl. С увеличением содержания никеля коррозионная стойкость сначала увеличивается, но затем начинает снижаться. То же самое происходит с износостойкостью покрытия. Максимальная износостойкость получена при содержании никеля 1,0%.

Целью работы было получение квазивысокоэнтропийных сплавов (КВЭС) с новыми свой­ствами взамен дорогостоящих высокоэнтропийных сплавов путем введения в шихту нескольких серийных порошковых материалов на основе железа, никеля, кобальта и добавок нанокарбидов тантала для повышения износостойкости покрытий, полученных лазерной наплавкой.

Оборудование и методы исследований
В экспериментальных исследованиях использовали лазерный комплекс ИМАШ РАН [8]. Образцы изготавливали из стали 40Х размерами 15 × 20 × 70 мм. Для изготовления шихты выбраны порошки на основе железа, никеля и кобальта средней твердости в соотношении 2 : 2 : 1 соответственно с размером частиц 40–150 мкм, порошок нанокарбида тантала с размером частиц 40–100 нм. Состав порошков можно представить в виде (Ni-­Cr-­B-Si, Fe-­Cr-­Co-­Mo, Co-­Cr-­W)ТаСx (x = 0; 3,0; 4,0; 5,0; 6,0). Шликерные покрытия наносили толщиной 0,9–1,0 мм. В качестве связующего материала использовали водный раствор оксиэтилцеллюлозы. Варьируемыми параметрами были выбраны мощность излучения P = 800–1000 Вт, скорость обработки V = 5–10 мм / с и диаметр пучка d = 2–3 мм. В качестве дополнительного фактора рассматривалось сканирование луча с фиксированной частотой f = 215 Гц. Использовался сканатор резонансного типа с упругим элементом, на котором закреплено зеркало. Металлографические исследования наплавленных покрытий проводились на микротвердомере ПМТ‑3 при нагрузке 0,98 Н, металлографическом микроскопе Альтами МЕТ 1С (производства ООО «Альтами», г. Санкт-­Петербург) и цифровом микроскопе АМ413МL (производства компании «AnMo Electronics Corporation», Китай). Структура и химический состав наплавленных слоев исследовались на сканирующем электронном микроскопе TESCAN VEGA 3 SBH (производства компании «TESCAN», Чехия) с системой энергодисперсионного анализа с применением режимов отраженных и вторичных электронов.

Для определения трибологических характеристик наплавленных образцов проводили испытание на абразивное изнашивание по схеме Бринелля-­Хаворта [9]. В зону трения подавался кварцевый песок с размером частиц 200–600 мкм, время испытаний составляло 10 минут при нагрузке 15 Н.

Результаты экспериментальных исследований
Лазерная наплавка образцов выполнялась расфокусированным лучом и с поперечными колебаниями луча по нормали к вектору скорости лазерной обработки. Металлографическими исследованиями установлено, что наплавка на минимальной скорости 5 мм / с приводит к существенному снижению микротвердости как дорожек КВЭС, так и дорожек с добавлением нанокарбида тантала. Поэтому обработку образцов для испытаний на изнашивание производили при максимально возможной скорости перемещения луча 8 мм / с. При этом формировался равномерный наплавленый валик и минимальная зона оплавления материала основы образца 5–15 мкм. На рис. 1 (а и б) представлены микрошлифы наплавленных дорожек с содержанием нанокарбида тантала 6% размерами 0,85 × 2,3 мм, твердостью 10 200–10 500 МПа, и 0,88 × 3,38 мм, твердостью 10 400–10 900 МПа, полученных расфокусированным лучом и лучом, сканирующим с частотой 215 Гц. Зона проплавления основы при обработке расфокусированным лучом и сканирующим лучом составила 280 и 110 мкм соответственно. Площадь поперечного сечения единичного наплавленного слоя при сканировании луча в 1,53 раза больше, чем при наплавке расфокусированным лучом. Зависимость микротвердости наплавленных покрытий с поперечными колебаниями луча по высоте представлена на рис. 2.

С повышением содержания нанокарбида тантала в шихте микротвердость возрастает.
На рис. 3. представлена зависимость износа образцов от содержания нанокарбида тантала. Потеря массы образцов при испытании на абразивное изнашивание уменьшается при повышении процентного содержания порошка ТаС в наплавленных слоях.

Износостойкость – ​величина, обратная потере массы образца. В данном эксперименте она увеличилась в 7,2 раза при введении в состав шихты 6% ТаС по сравнению с материалом основы сталью 40Х и возросла в 2,8 раза по сравнению с наплавкой КВЭС.

Наплавленные покрытия шихтой КВЭС и КВЭС + ТаС не склонны к трещинообразованию. В них нет дефектов типа пор и раковин. Необходимо проведение дальнейших исследований на коррозионную стойкость покрытий. Однако уже сейчас можно предположить значительное увеличение коррозионной стойкости в сравнении с серийно выпускаемыми порошками, созданными на основе железа, никеля.

Технология лазерной наплавки КВЭС может быть использована для восстановления различных деталей машин, в том числе работающих при повышенных нагрузках и температурах. Наибольшему износу подвержены шейки валов электрических машин и газоперекачивающих агрегатов, матрицы и пунсоны штамповой оснастки как для холодной, так и для горячей штамповки. Применительно к ним разработана данная технология лазерной наплавки.

Выводы
Предложено покрытие КВЭС. Покрытие имеет микротвердость 4 000–4 500 МПа и может быть использовано при наплавке различных деталей, работающих при повышенных температурах и давлениях.

Введение в состав шихты КВЭС 6% нанокарбида тантала повышает износостойкость в 2,8 раза по сравнению с наплавкой без использования карбида и увеличивает износостойкость в 7,2 раза по сравнению с характеристикой материала основы из стали 40Х.

Полное содержание статьи: https://www.photonics.su/files/article_pdf/8/article_8113_209.pdf