Лазерный мир

В. П. Бирюков // Фотоника, 2022, 6

В работе представлены результаты металлографических и триботехнических исследований образцов стали 20Х13 легированной с помощью лазерного луча порошком Fe-­Cr-­V-W-Mo и с добавлением в шихту 5 об. % нано-порошка карбида тантала. Элементный анализ показал, что легирующие элементы, находящиеся в шихте распределены равномерно по глубине слоя. Поперечные колебания лазерного луча привели к повышению производительности процесса лазерного легирования. В результате анализа результатов триботехнических испытаний, установлено, что легированные слои имели более низкие коэффициенты трения при добавке в шихту нано карбидов тантала, и более высокую износостойкость по сравнению с основной шихтой и исходной сталью.

Контролируемое формирование определенного микроструктурного состояния в поверхностных слоях за счет введения различных добавок в шихту карбидов, оксидов и нитридов металлов, полученных лазерным легированием и наплавкой, могут значительно увеличить срок службы деталей машин и конструктивных элементов энергетического оборудования [1]. Лазерное поверхностное легирование направлено на изменение микроструктуры и состава приповерхностной области подложки путем ее плавления лучом высокой мощности и порошковой смеси для формирования зоны с новыми улучшенными характеристиками [2, 3]. Добавление керамических частиц в железую (Fe) матрицу позволяет сочетать в себе преимущества высокой твердости и износостойкости керамических частиц и превосходной ударной вязкости матрицы Fe, что является эффективным способом повышения ресурса работы конструкционных сталей [4–6].
На образец из нержавеющей стали AISI 304 [7] размером 50 × 30 × 5 мм было нанесено шликерное покрытие порошком TiC с размером частиц 10–14 мкм с органическим связующим толщиной 150 мкм. Обработку выполняли на импульсном YAG лазере (ALPHALASER, Германия) с максимальной мощностью 200 Вт, с частотой импульсов в диапазоне 0,5–20 Гц, диаметром луча 1,5 мм. Пиковая мощность составляла 1–3,5 кВт. Среднее значение микротвердости составило 800–1 200, 500–800, 400–600, 380–680, 550–600 HV0.05 для образцов, обработанных с пиковой мощностью излучения 1–1,5, 2,0, 2,5, 3,0, 3,5 кВт соответственно. Средняя твердость поверхности из нержавеющей стали 304 (220 HV0.05) повышается до 400–1 200 HV0.05 в зависимости от параметров лазерной обработки.

Материалом подложки была нержавеющая сталь [8] марки 304 с размерами 50 × 50 × 6 мм. Порошки для лазерного легирования Al, Si, Ti, Ni и WC(10, 20, 30%) с размером частиц 20–50 мкм смешивали в вакуумной шаровой мельнице в течение 2 ч. Шликерное покрытие наносили толщиной 0,7 мм со связующим веществом, содержащим ацетат целлюлозы, и сушили в печи при 80 °C в течение 1 часа. Лазерное легирование образцов выполняли при мощности излучения волоконного лазера (YLS‑5000, IPG Photonics) 1 800 Вт, диаметре луча 3 мм, скорости его перемещения 0,01 м / с. Триботехнические испытания легированных образцов выполняли на машине трения Brooks, без смазочного материала по схеме «шар (WC диаметром 9,5 мм, твердостью 1 700 HV)-диск (исследуемый образец)», при комнатной температуре, с нагрузкой 100 Н, линейной скоростью скольжения 0,031 м / с, с радиусом скольжения 3 мм и пути трения 56,5 м. Средняя микротвердость покрытия с 20% WC составляет 960,5 HV0.2, что в 4,4 раза больше, чем у подложки, и намного выше, чем у покрытия без WC. С увеличением содержания WC увеличивается максимальный коэффициент трения покрытий. Покрытие с 20% WC обладает самой низкой степенью износа, которая в основном связана с абразивным износом.

В качестве материала подложки [9] использовалась стальная пластина толщиной 8 мм из нержавеющей стали марки 304. Для лазерной наплавки были использованы порошки карбида вольфрама (WC) и из нержавеющей стали 316 Л с размерами частиц 15–100 мкм. Для обработки применяли волоконный лазер IPG мощностью 10 кВт, оптическую головку с коаксиальным соплом для подачи порошка, устройство подачи порошка GTV с двумя бункерами и робот KUKA для управления положением головки. Диаметр лазерного луча составлял 2,2 мм. Длина прохода составляла 60 мм. После нанесения первого слоя головка перемещалась вертикально вверх на 0,6 мм. Микротрещины можно было обнаружить в композитах после нанесения пяти слоев при мощности излучения лазера 800 Вт, скорости перемещения головки 0,3 м / мин, и содержании 16,7% WC.

Для экспериментов использовали пластины из мягкой стали [10] A36 с размерами 75 × 60 × 10 мм. Порошки стали AISI 420 + VC (10, 20, 30, 40 мас. %) перемешивали в течение 12 ч для достижения равномерного распределения. Для процесса наплавки был использован диодный лазер мощностью 8 кВт с длиной волны 975 нм и 6‑осевой робот KUKA. Обработку выполняли при мощности лазера 3 200 Вт, скорости сканирования 5 мм / с и расходе порошка 0,618 г / с. Для предварительного нагрева подложки была выбрана температура 250 °C. Коэффициент перекрытия лазерных треков составлял 25%. Увеличение содержания VC приводило к увеличению микротвердости матрицы. Эрозионная стойкость AISI 420 SS увеличивалось с увеличением доли VC. Однако улучшения не наблюдалось, когда доля VC была выше 30 мас. %.

Для выполнения лазерной наплавки [11] были использованы порошки из стали AISI 431, изготавленных с помощью распыления водой, с размерами частиц 69–101 мкм, и из стали AISI 316L, изготовленных распылением газом, с размерами частиц 45–106 мкм. В качестве подложки использовали углеродистую сталь ASTM A‑36 в виде пластины толщиной 6,35 мм. Для лазерной наплавки был взят дисковый лазер (TruDisk 6002, Thumpf Inc) с максимальной мощностью 6000 Вт и диаметром волокна 200 мкм. Система перемещения состояла из высокоточного робота (модель KR 60 HA, KUKA) и дисковой системы подачи порошка (модель PF21-GTV). Лазерная головка изготовлена в институте лазерных технологий Фраунгофера (ILT) со встроенным автофокусом, для поддержания постоянным расстояния 25 мм от поверхности образца. Обработку выполняли на мощности 800, 1 000, 1 400 и 1 600 Вт и 1 900, 2 100, 2 400 и 2 600 Вт для сталей AISI 431 и AISI 316L соответственно и скорости сканирования 9, 14 и 16 мм / с при диаметре луча 3,2 мм. Для присадочного металла AISI 316L были получены более высокие значения коэффициента перемешивания от 15 до 41%. Для наплавочного порошка из нержавеющей стали AISI 431 использование значений мощности 1 400 и 1 600 Вт при скоростях сканирования 9, 14 и 16 мм / с позволило получить от 10 до 20% коэффициента перемешивания основного материала с присадочным. Микротвердость составила 522  ±  4 HV0,5 и 356  ±  12 HV0,5 для покрытий порошками AISI 431 и AISI 316L соответственно.

Материалом подложки в исследовании [12] была стальная пластина 35CrMo с диаметром 150 мм толщиной 15 мм. В качестве сырья для лазерной наплавки были использованы три типа новых порошковых систем из нержавеющей стали, полученных методом вакуумного распыления. Полученные частицы порошка из нержавеющей стали имели сферическую форму с размером в диапазоне 60–150 мкм. Порошковые смеси изготавливали с добавлением 9, 12 и 15 мас. % VС. Обработку проводили при мощности лазерного луча 2,2 кВт, диаметре пятна 4 мм, скорости сканирования 8 мм / с, с шагом 2 мм, при расходе порошка 18 г / мин. Испытания образцов на износ проводились в условиях сухого трения с использованием машины возвратно-­поступательного движения (MFT 4000) по схеме «шар (сталь GCr15 диаметром 5 мм) – ​плоскость (испытуемый образец)» с длиной хода 7 мм, нормальной нагрузкой 15 Н, скоростью скольжения 150 мм / мин, продолжительностью 1 час. Микротвердость покрытий увеличивалась с повышением содержания VС и составила 521, 565, 603 НV при его содержании 9, 12, 15% соответственно. Образцы с содержанием в шихте 12% VС показали самую высокую износостойкость и низкий коэффициент трения 0,7 по сравнению с покрытиями, имеющими 9 и 15% VС.

Полное содержание на https://www.photonics.su/files/article_pdf/9/article_9536_253.pdf