Лазерный мир

В. П. Бирюков // Журнал Фотоника, 2021, №2

В работе представлены результаты металлографических и трибологических исследований покрытий с добавлением в состав шихты нано карбида тантала. С помощью полного факторного эксперимента определены геометрические параметры наплавленных покрытий в зависимости от мощности, скорости обработки и диаметра лазерного луча. Получены закономерности изменения коэффициентов трения от давления и скорости скольжения. Задиростойкость и износостойкость покрытий выше закаленных сталей.

Покрытия Ni-­Cr-­B-Si [2] были нанесены волоконным лазерным источником с коаксиальным порошковым соплом на подложку из низкоуглеродистой стали AISI 1020. Проведены испытания на абразивный износ по стандарту ASTM G65. Лучшие трибологические характеристики были получены для покрытий с меньшим количеством холодных трещин и более высокой объемной долей карбидов.

Определено влияние мощности лазера 1 500–1 900 Вт, диаметра пятна 3–5 мм и скорости сканирования луча 2–4 мм / с на геометрические параметры, микротвердость и износостойкость, наплавленного покрытия Ni-­Cr-­B-Si на образцах стали 42CrMo [3].

Микротвердость наплавленных слоев изменялась в пределах 520–690HV. Ширина, высота дорожек наплавки и глубина проплавления составляли 1,47–1,8, 3,57–4,23 и 0,52–1,44 мм соответственно. Полученные результаты показали, что мощность лазера являлась основным фактором, влияющим на высоту покрытия. Наибольший эффект на ширину единичного валика оказывал диаметр пятна. Скорость сканирования имела значительное влияние на глубину расплавленной ванны. Мощность лазера показала наибольшее влияние на микротвердость и износостойкость покрытия. Механизм износа покрытия абразивный и адгезионный.

Лазерная наплавка порошков Ni-­Cr и Ni-­Cr-­TiC на сталь AISI 420 проводилась импульсным Nd : YAG-лазером с одновременной подачей порошка [4]. Исследовано влияние скорости подачи порошка, мощности излучения и скорости сканирования луча, влияние каждого параметра на процесс лазерной наплавки и выбраны оптимальные параметры лазерной наплавки. Было установлено, что потеря массы композитного покрытия Ni-­Cr–TiC меньше, чем у Ni-­Cr и подложки из стали.

Покрытия Fe-­WC на малоуглеродистую сталь получены лазерной наплавкой с использованием дискового лазера [5]. Обработку выполняли при мощности луча лазера 600, 700 и 800 Вт. Скорость сканирования луча была одинаковой для всех покрытий и составляла 600 мм / мин. Диаметр пятна составлял 1,64 мм. Применялись два режима подачи порошка 6,25 г / мин и 12,5 г / мин. Наибольшая микротвердость и коррозионная стойкость наблюдались для покрытий, полученных при расходе порошка 12,5 г / мин.
Для получения покрытий из порошка Стеллит‑6 / WC использовался дисковый лазер на Yb : YAG с номинальной мощностью 1 кВт [6]. Покрытия наносили на борсодержащую сталь В27.

Обработку выполняли при мощности лазерного луча 550 Вт, скорости подачи 400 мм / мин и расходе порошка 10 г / мин. Установлено, что покрытия Стеллит‑6 / WC способствовали увеличению долговечности сельскохозяйственных орудий, используемых для обработки почвы.

Порошки сплавов на основе никеля (Ni) с различным содержанием кобальта (Co) были нанесены на поверхность стальной подложки из 42CrMo с помощью волоконного лазера [7]. С увеличением содержания Co количество карбидов и боридов M7(C, B)3, M23 (C, B)6 и M2B постепенно уменьшаются. Микротвердость снижается, но износостойкость наплавленного слоя постепенно повышается с увеличением содержания Со. Износостойкость слоя NiCo30 в 3,6 раза выше, чем у слоя NiCo00. С увеличением содержания Co механизм износа покрытия меняется с абразивного на адгезионный.

Лазерную наплавку порошков на основе железа Fe-­Cr-­Ni-­Mo-­Mn-­C-Si выполняли на сталь AISI 4130 [8]. Покрытия имели высокую износостойкость и коррозионную стойкость. Микроструктура в основном состояла из дендритов и эвтектических фаз, таких как (γ + α)-Fe и твердый раствор Fe-Cr(Ni). Наплавленные покрытия на основе Fe имели более низкие коэффициенты трения, чем подложка, и основным механизмом износа являлся умеренный абразивный износ.

Покрытие на основе никеля было нанесено на поверхность стали 42CrMo с помощью волоконного лазера мощностью 6 кВт [9]. При добавлении порошка Мо было получено композитное покрытие без трещин. Основными фазами слоя лазерной наплавки Ni45 + 10% Mo являются (Fe, Ni), Cr23C6, Cr3C2, Mo2FeB2 и Cr2B3. Композитное покрытие Ni45 + 10% Mo имело износостойкость в 1,7 раза выше, чем покрытие Ni45 и в 2,4 раза выше, чем у стали 42CrMo.

Исследовано влияние параметров обработки на микротвердость и износостойкость сплава на основе Ni и карбида титана (TiC) [10]. Результаты показывают, что микротвердость коррелирует с мощностью лазера и добавками порошка TiC. Объем износа уменьшался с увеличением доли порошка TiC. Оптимальным параметром обработки была твердость покрытия 62 HRC для получения минимального объемного износа.

Целями работы являются определение параметров зон лазерной наплавки и трибологических характеристик покрытий при введении в шихту нано порошка карбида тантала.

Результаты экспериментальных исследований
Лазерная наплавка образцов выполнялась на оптимальных режимах расфокусированным лучом и с поперечными колебаниями луча по нормали к вектору скорости лазерной обработки. Микротвердость наплавленных покрытий составила (Fe-­Cr-­Ni-­Si, Ni-­Cr-­B-Si), (Fe-­Cr-­Ni-­Si, Ni-­Cr-­B-Si + 5об% ТаС), (Fe-­Cr-­Ni-­Si, Ni-­Cr-­B-Si + 10об% ТаС) – 670–750, 870–980, 960–1 280 HV. На рис. 1(а, б) представлены микрошлифы наплавленных дорожек с содержанием нано карбида тантала 10 об.% c размерами 0,77 × 2,04 мм, и 0,79 × 4,26 мм, полученных расфокусированным лучом и сканирующим с частотой 217 Гц лучом соответственно.

Наибольшее влияние на геометрические параметры наплавленных валиков имеет мощность излучения. С увеличением мощности растут ширина и высота наплавленных дорожек. С ростом скорости перемещения глубина и ширина валиков уменьшается. С увеличением диаметра лазерного излучения высота и ширина валиков растет.

Обсуждение результатов
Полученные в работе результаты показывают, что повышение надёжности деталей основных агрегатов и рабочих органов сельскохозяйственной техники возможно при применении новых современных технологий нанесения покрытий с высокими эксплуатационными характеристиками, оказывающими существенное влияние на долговечность продукции сельхозмашиностроения.

Лазерная наплавка многокомпонентных покрытий, с добавлением нано порошка карбида тантала, может быть использована при восстановлении изношенных кулачковых и коленчатых валов, поршневых пальцев, посадочных мест валов под подшипники качения и других деталей сельхозмашин. Кроме того, эта технология может применяться для повышения износостойкости почвообрабатывающих орудий, лемехов, дисковых борон, лап культиваторов, которые изготавливаются из сталей 45 и 65Г. Потери на простой сельскохозяйственных машин в период выполнения сезонных полевых работ, связанных с уборкой и возделыванием сельхозкультур приводят к значительным экономическим затратам.

Большое значение для эффективной работы лап культиваторов и дисковых борон имеет эффект самозатачивания режущей кромки. Применение технологии лазерной наплавки многокомпонентными материалами с добавлением нано порошка карбида тантала с толщиной слоя 0,5–0,8 мм практически не изменяет геометрию режущих кромок и в то же время обеспечивает самозатачивание орудий. Введение в состав шихты порошка на основе никеля значительно повысит коррозионную стойкость покрытий.

Заключение
Разработана технология лазерной наплавки многокомпонентных покрытий с добавками нано карбида тантала 5 и 10 об.%. Износостойкость этих покрытий значительно выше закаленной стали 45. При скорости скольжения 2,5 м / с давление заедания наплавленных покрытий с нано карбидами было в 1,8–2,5 раза выше по сравнению с закаленной сталью 45. Покрытия с нано карбидами тантала имели низкие коэффициенты трения 0,02–0,034.

Полное содержание статьи: https://www.photonics.su/files/article_pdf/8/article_8767_247.pdf