Способ получения композиционных покрытий методом коаксиальной лазерной оплавки
Владельцы патента RU 2503740:
Российская Федерация, от имени которой выступает Министерство промышленности и торговли Российской Федерации (Минпромторг России) (RU)
Изобретение относится к области получения на деталях наплавкой износостойких покрытий из порошковых материалов и может найти применение для изделий судостроения, авиационной промышленности, теплоэнергетического машиностроения, нефтегазодобывающей, металлургической и химической промышленности. Подвергаемые наплавке поверхности детали очищают, промывают и подвергают струйно-абразивной обработке для придания обеспечивающей адгезию с покрытием шероховатости с последующей обдувкой сжатым воздухом. Очистке и промывке дополнительно подвергают поверхности детали, прилегающие к зоне наплавки. Подготавливают порошковый материал, который затем из двух дозаторов подают на поверхность детали в зону наплавки потоком аргона и выполняют наплавку импульсным лазерным лучом в среде аргона. Из одного дозатора в поток аргона подают армирующий неметаллический дисперсный порошок агломерированного карбида вольфрама WC фракцией 80,0-150,0 мкм, а из другого дозатора - металлический порошок сплава кобальта В3К фракцией 53-106 мкм. Наплавку осуществляют по крайней мере в два слоя лазерным лучом мощностью 2 кВт при скорости его перемещения в процессе наплавки 2 м/мин. При наплавке первого слоя порошок карбида вольфрама и порошок сплава кобальта подают в соотношении 1:4, а при наплавке второго слоя устанавливают соотношение 1:5. Способ позволяет получать функционально-градиентные износостойкие покрытия с регулируемой твердостью по толщине. 4 з.п. ф-лы, 2 табл., 1 пр.
Изобретение относится к области получения износостойких покрытий с функционально-градиентными свойствами из порошковых материалов и может найти применение для изделий судостроения, авиационной промышленности, теплоэнергетического машиностроения, нефтегазодобывающей, металлургической и химической промышленности.
Существует целый ряд способов получения износостойких покрытий из порошковых материалов (газотермическое напыление, плазменное напыление, лазерное напыление и т.д.).Наиболее долговечными являются металлические и металлокерамические покрытия, которые позволяют обеспечить особо высокие механические и специальные защитные свойства изделий.
Известен способ газотермического напыления порошковых материалов на подложку (А. Хасуй «Технология напыления», М., Машиностроение, 1975, с. 288), в котором для получения высокой адгезии используют мелкие порошки с размерами частиц 5-200 мкм. Распыляемые порошки подвергают воздействию высокотемпературного газового потока (плазменного),нагревая их до температуры плавления, ускоряют до 100-300 м/с и формируют покрытие из расплавленных или частично расплавленных частиц на поверхности подложки.
Однако известный способ не может с успехом применяться для напыления порошков более мелких частиц, поскольку происходит их испарение и выгорание в высокотемпературных потоках, а также известный способ не позволяет наносить покрытие из композиционных порошковых материалов, распадающихся и испаряющихся при нагреве.
Известен способ нанесения наноструктурированных износостойких покрытий, включающий подачу порошковой композиции с армирующими частицами из четырех дозаторов в сверхзвуковой поток подогретого газа с образованием гетерофазного потока и нанесение порошковой композиции (RU 2362839 С1, С23С 24/04, 27.07.2009). Однако этот способ имеет ряд ограничений возможности его применения таких как образование оксидов, нитридов структурные изменения, возникновение высоких термомеханических напряжений вследствие разности коэффициентов термического расширения подложки и материала покрытия.
Наиболее близким к заявленному изобретению является известный способ получения функционально-градиентных покрытий из порошковых материалов, включающий очистку, промывку и струйно-абразивную обработку наплавляемой поверхности детали и обдувку подготовленной поверхности сжатым воздухом, подготовку порошкового материала, подачу порошкового материала из, по крайней мере, одного дозатора и транспортировку его в зону наплавки с помощью газового потока из инертного газа аргона на поверхность детали и наплавку порошка импульсным лазерным лучом в среде аргона (А.Г. Григорьянц, И.Н. Шиганов, А.И. Мисюров «Технологические процессы лазерной обработки», изд. МГТУ им. Н.Э. Баумана, М., 2006, с. 333-361).
Однако известный способ не позволяет получать покрытия с регулируемой твердостью по толщине покрытия, что снижает срок службы изделий в процессе их эксплуатации.
Задачей настоящего изобретения является создание эффективного способа получения функционально-градиентного износостойкого покрытия с регулируемой твердостью по толщине высокой износостойкостью и адгезией.
Для этого в способе получения функционально-градиентного покрытия из порошковых материалов, включающем очистку, промывку и струйно-абразивную обработку наплавляемой поверхности детали и обдувку подготовленной поверхности сжатым воздухом, подготовку порошкового материала, подачу порошкового материала из, по крайней мере, одного дозатора и транспортировку его в зону наплавки с помощью газового потока из инертного газа аргона на поверхность детали и наплавку порошка импульсным лазерным лучом в среде аргона, дополнительно осуществляют очистку и промывку поверхностей детали, прилегающих к наплавляемой зоне, в процессе струйно-абразивной обработки поверхности придают шероховатость, подачу порошковых материалов осуществляют из двух дозаторов, а наплавку осуществляют в несколько слоев, при этом из одного из дозаторов в поток транспортирующего газа вводят армирующие неметаллические дисперсные частицы агломерированного карбида вольфрама с фракцией 80,0-150,0 мкм, а и из другого дозатора металлические частицы кобальта В3К фракцией 53-Юбмкм, используют лазерный луч мощностью 2кВт и перемещают его в процессе наплавки со скоростью 2 м/мин, первый слой напыляют с подачей армирующих неметаллических дисперсных частиц агломерированного карбида вольфрама и металлических частиц кобальта в соотношении 1:4, после нанесения первого слоя изменяют соотношение подачи порошков из дозаторов до 1:5 и наносят следующий слой.
Покрытие получают на детали из углеродистой или нержавеющей стали или сплавов, выбранных из группы : титановых, магниевых и алюминиевых, или бронз или латуней.
Кроме того, очистку и промывку поверхностей детали, прилегающих к наплавляемой зоне, осуществляют на расстояние не менее 50 мм, а в процессе струйно-абразивной обработки придают шероховатость поверхности по параметру RZ не менее 20 мкм. Указанные меры позволяют обеспечить хорошее сцепление наплавленного слоя с покрываемой поверхностью и предотвратить образование трещин в покрытии.
При необходимости после наплавки второго слоя осуществляют наплавку третьего слоя с соотношением подачи порошков из дозаторов 1:5, и затем наплавляют четвертый слой с соотношением подачи порошков из дозаторов 1:6.
Экспериментально было установлено, что при соотношении подачи армирующих неметаллических дисперсных частиц агломерированного карбида вольфрама и металлических частиц кобальта в соотношении 1:4 для первого слоя, 1:5 - для второго слоя получают покрытие с переменной по толщине твердостью и соответственно высокой износостойкостью, что в свою очередь повышает срок службы полученных деталей с покрытием.
Пример реализации способа
Технологический процесс лазерной наплавки функционально-градиентного покрытия на изделие из низкоуглеродистой стали включает в себя следующие операции: подготовку порошков и их смесей; подготовку поверхности, нанесение покрытия; промежуточный контроль качества и размеров покрытия, контроль качества и размеров покрытия. Для покрытия используют порошковый материал в виде армирующих неметаллических дисперсных частиц агломерированного карбида вольфрама с фракцией 80,0-150,0 мкм и металлических частиц кобальта В3К фракцией 53-106 мкм. Перед использованием порошки просушивают и прокаливают. Сушку порошков проводят в сушильном шкафу при температуре от 130°С до 150°С в течение от 2 до 3 часов на противнях из нержавеющей стали, периодически перемешивая порошок, толщина засыпки которого должна быть не более 40 мм. Прокаливание порошка упрочняющей компоненты проводят в электропечи в течение от 2 до 3 часов при температуре от 320°С до 450°С на противнях из нержавеющей стали. Толщина засыпки слоя порошка не более 20 мм. Затем осуществляют подготовку поверхности детали, подлежащей наплавке. Для этого поверхности очищают и промывают от масла, грязи и ржавчины с помощью волосяных или металлических щеток. Очистке и промывке подлежат также поверхности, прилегающие к наплавляемым зонам на расстоянии не менее 50 мм. Кроме того, поверхности детали, подлежащей наплавке, придают шероховатость струйно-абразивной обработкой. Шероховатость по параметру Rz должна быть не менее 20 мкм по параметру Rz по ГОСТ 2789. Данная операция позволяет повысить адгезийную прочность покрытия. После обработки поверхность детали обдувают сжатым воздухом.
В дозаторы засыпают порошковые материалы, закрепляют деталь в патроне манипулятора, устанавливают соответствующие напыляемому порошковому материалу расход порошка, мощность излучения, скорость обработки. В поток транспортирующего аргона вводят армирующие неметаллические дисперсные частицы WC, фракцией от 80,0 до 150,0 мкм из первого дозатора и металлические частицы ВЗК, фракцией от 53 до 106,0 мкм из второго дозатора в процентном соотношении 1:4 для получения первого слоя. Далее поток частиц подается в ванну плавления, созданную при перемещении со скоростью 2 м/мин лазерного луча мощностью 2 кВт (таблица 1). При нанесении следующего слоя покрытия изменяют соотношение подачи из дозатора порошков до 1:5. За счет наложения нескольких слоев получается регулирование твердости по толщине покрытия с приведенными в таблице 2 свойствами.
| Таблица 1. Режимы напыления | |
| Режимы напыления | Состав получаемого покрытия |
| WC+B3K | |
| Расход порошка, г/мин | 25 |
| Скорость наплавки м/мин | 1,9-2 |
| Мощность излучения, Вт | 2000 |
| Расход газа, л/мин | 25-30 |
| Таблица 2. | |
| Свойства полученных покрытий | |
| Свойства | Покрытие |
| WC+B3K | |
| Твердость, HRC | 65 |
| Адгезия, МПа | 180 |
| Рабочая температура, °С не более | 500 |
| Толщина покрытия, мкм | 500-2000 |
Данный способ позволяет получить на изделии функционально-градиентное покрытие из порошковых материалов с регулируемой твердостью по толщине высокой износостойкости, а так же высокой когезией и адгезией покрытия с поверхностью детали, без трещин и дефектов.
1. Способ получения функционально-градиентного износостойкого покрытия из порошковых материалов на детали наплавкой, включающий очистку, промывку и струйно-абразивную обработку подвергаемой наплавке поверхности детали с последующей обдувкой подготовленной поверхности сжатым воздухом, подготовку порошкового материала, его подачу на поверхность детали в зону наплавки потоком аргона и наплавку импульсным лазерным лучом в среде аргона, отличающийся тем, что очистке и промывке дополнительно подвергают поверхности детали, прилегающие к зоне наплавки, в процессе струйно-абразивной обработки подвергаемой наплавке поверхности детали придают обеспечивающую адгезию с покрытием шероховатость, порошковый материал на поверхность детали в зону наплавки подают из двух дозаторов, а наплавку осуществляют, по крайней мере, в два слоя лазерным лучом мощностью 2 кВт при скорости его перемещения в процессе наплавки 2 м/мин, при этом из одного дозатора в поток аргона подают армирующий неметаллический дисперсный порошок агломерированного карбида вольфрама WC фракцией 80,0-150,0 мкм, а из другого дозатора - металлический порошок сплава кобальта В3К фракцией 53-106 мкм, причем при наплавке первого слоя порошок карбида вольфрама и порошок сплава кобальта подают в соотношении 1:4, а при наплавке второго слоя устанавливают соотношение 1:5.
2. Способ по п.1, отличающийся тем, что покрытие наносят на детали из углеродистой или нержавеющей стали, или титановых сплавов, или магниевых сплавов, или алюминиевых сплавов, или бронз, или латуней.
3. Способ по п.1 или 2, отличающийся тем, что прилегающие к зоне наплавки поверхности детали очищают и промывают на расстоянии не менее 50 мм.
4. Способ по п.1, отличающийся тем, что в процессе струйно-абразивной обработки подвергаемой наплавке поверхности детали придают шероховатость RZ не менее 20 мкм.
5. Способ по п.1, отличающийся тем, что после наплавки второго слоя наплавляют третий слой при соотношении подачи порошка карбида вольфрама и порошка сплава кобальта 1:5, после чего наплавляют четвертый слой при соотношении 1:6.
