eng
TS_pub
technospheramag
technospheramag
ТЕХНОСФЕРА_РИЦ
Выпуск #6/2023
В. П. Бирюков
Оптимизация технологии лазерной наплавки и ее влияние на свойства покрытий
Оптимизация технологии лазерной наплавки и ее влияние на свойства покрытий
Просмотры: 966
DOI: 10.22184/1993-7296.FRos.2023.17.6.442.452
Оптимизация технологии лазерной наплавки
и ее влияние
на свойства покрытий
В. П. Бирюков
Институт машиноведения им. А. А. Благонравова РАН, Москва, Россия
В работе рассмотрены результаты металлографических и триботехнических испытаний зон лазерной наплавки подслоя порошком, содержащим Fe-Co-Cr-Mo, и композиционной шихты Ni-Cr-B-Si+WC на образцы стали 40Х. Показано, что обработка с применением поперечных колебаний луча по нормали к вектору скорости сканирования повышает производительность процесса наплавки. Нанесение подслоя не склонного к трещинообразованию способствует повышению качества наплавленных покрытий с добавлением карбидной фазы, исключает образование трещин в наплавленной шихте с карбидами. Повышение плотности энергии выше оптимальных значений приводит к частичному растворению карбидов, испарению углерода, уменьшению толщины подслоя и перемешиванию с шихтой с карбидной фазой и снижению микротвердости покрытий. Лазерная наплавка на оптимальных режимах позволила повысить абразивную износостойкость при испытании незекрепленными зернами в 11 раз по сравнению с основной сталью.
Ключевые слова: лазерная наплавка, микротвердость, абразивная износостойкость
Статья поступила: 30.08.2023
Статья принята: 18.09.2023
Введение
Стремление улучшить эксплуатационные параметры деталей машин и инструментов и повысить их долговечность привело к разработке методов обработки поверхностей и нанесения покрытий. Одним из передовых современных методов нанесения покрытий является лазерная наплавка, которая обладает рядом преимуществ по сравнению с другими традиционными методами наплавки и нанесения покрытий [1–3]. Технология лазерной наплавки может быть применена для изготовления износостойких или коррозионностойких металлических покрытий и композиционных материалов с металлической матрицей. Обычно в качестве металлической матрицы для композитного покрытия используются сплавы на основе Ni или Co, поскольку они обладают высокой стойкостью к окислению, в том числе при высокой температуре. Установлено, что если к сплавам Ni-Cr добавить 6,0% Re, то стойкость к коррозии и образованию оксидов покрытий, эксплуатируемых при повышенной температуре, может быть значительно повышена [4]. Среднеуглеродистые стали широко используется для изготовления шатунов, зубчатых колес, подшипников и других важных конструктивных компонентов [5, 6]. Однако износостойкость этих сталей ограничена, и при эксплуатации в тяжелых условиях эти детали часто выходят из строя из-за сильного износа поверхности, что значительно удорожает эксплуатационные расходы в промышленном использовании машин и агрегатов [7–9]. Лазерная наплавка широко используется для повышения износостойкости промышленных деталей [10, 11]. При лазерной наплавке используют два метода с предварительным нанесением шликерных обмазок и синхронной подачи порошка [12, 13].
Покрытия порошками NiCrBSi с размером частиц 13–63 мкм с добавками карбидов вольфрама WC–Co были нанесены на подложку, состоящую из низкоуглеродистой мягкой стали [14]. Для лазерной наплавка использовали оптическую головку WC 50 с коаксиальной подачей порошка. На стальные образцы наносили одиночные и частично перекрывающихся дорожи. В качестве переменного параметра использовалась различная скорость перемещения луча. Эксперименты проводились с использованием диодного лазера Coherent F1000 (Coherent, Санта-Клара, Калифорния, США), оснащенного семи осевым роботом CLOOS 7. Для транспортировки порошка использовали питатель AT‑1200HPHV Termach, а в качестве защитного газа и газа-носителя аргон. Лазерную наплавку проводили при мощности излучения 720 Вт, скорости перемещения 0,45–0,85 м / мин и расходе порошка 4 г / мин. Для оценки износостойкости нанесенных покрытий использовался трибометр TR‑20 (Ducom Instruments, Бангалор, Индия). Перед испытанием образцы шлифовали и полировали до получения зеркальной поверхности. В качестве контробразца был использован шарик WC диаметром 6 мм при приложенной нагрузке 15 Н. Диаметр дорожки износа составлял 12 мм, время испытания – 132 мин, а путь трения – 2000 м. Коэффициенты трения изменялись в пределах 0,463–0,695, а скорость изнашивания 0,125–0,735 мм3 / Н ∙ км. Покрытия без трещин с желаемым распределением карбидов могут быть получены путем оптимизации скорости лазерного наплавления. Кроме того, повышение твердости было достигнуто за счет уменьшения зоны расплава между покрытием и подложкой.
Для экспериментов [15] использовали порошок, состоящий из 60% WC, смешанных с 40% частиц NiCrBSi с размерами частиц 45–106 мкм. Лазерная наплавка была выполнена с использованием дискового лазера Trumpf TruDisk 8002, оснащенного головкой Precitec YC52 с коаксиальной подачей порошка. Были проведены две серии экспериментов. В первой серии экспериментов изменялась скорость перемещения луча (S), в то время как мощность (P) и расход порошка (F) оставались постоянными. Во второй серии расход порошка оставался постоянным, и скорость перемещения луча тоже, а переменной была мощность излучения. Коэффициент перекрытия дорожек наплавки составлял 50%. Покрытия наносились на пластины из углеродистой стали (EN10083 2: C45) размерами 100 × 100 × 20 мм для обеспечения достаточного отвода тепла. Подложки предварительно нагревались до 350 °C перед нанесением, чтобы избежать растрескивание покрытия из-за высокого температурного градиента. После лазерной наплавки образцы оставляли остывать при комнатной температуре. Испытание на абразивный износ незакрепленным зерном проводили по схеме «плоский образец-образующая поверхность резинового диска» в соответствии с ASTM G‑65. Параметры испытания были следующими: нагрузка 22 Н; абразивная среда кварцевый песок Al2O3 с размером зерен 200–300 мкм; общий путь трения 718 м. Самое твердое покрытие достигло значения твердости выше 800 HV1. Твердость покрытий снижалась с уменьшением параметра P / F · S до 600–700 HV1. В зонах с более высоким содержанием частиц WC измеренная твердость превышала 1 000 HV1, а в местах перекрытия дорожек твердость варьировалась от 500 до 700 HV1. Значения коэффициента износа изменялись от 2,2 · 10−4 до 1,1 · 10−3 мм3 / Нм, в зависимости от параметров лазерной обработки. Наплавленные покрытия с более высокой концентрацией сферических карбидов лучше сопротивлялись абразивному износу, чем те образцы в покрытии которых произошло растворение карбидов. Материал предыдущей лазерной дорожки наплавки повторно расплавлялся, частицы карбида растворялись и снова осаждались повторно. Расплавление поверхности образца на основе железа и растворение карбидов приводили к ухудшению твердости покрытий и износостойкости.
Система лазерной наплавки [16] состояла из промышленного Nd-YAG-лазера мощностью 2 кВт (Rofin-Sinar DY 22), оптической головки, питателя порошка (Sulzer-Metco Twin 10 c). Лазерный луч был расфокусирован до диаметра 3,5 мм на рабочей поверхности. Наплавка производилась на образцы толщиной 5 мм из низкоуглеродистой стали C25, предварительно разогретой до 400 °C. Наплавленные участки размером 30 × 30 мм были получены при коэффициентах перекрытия дорожек 35–40%. Для экспериментов по лазерной наплавке использовались порошки карбида вольфрама на никель-хромовой основе фирмы Technolase T60 (700 HV), T40 (400 HV) и T30 (300 HV). Триботехнические испытания были проведены на поверхностях с нанесенными покрытиями при сухом скольжении с использованием трибометра MT4002 по схеме трения «шар (Al2O3 диаметром 4 мм, 1 500 HV) – диск (наплавленный образец)» в соответствии со стандартом ASTM G99-05. Испытания выполняли при скорости скольжения 100 мм / с, нормальной нагрузке 20 Н, на пути трения 500 м. После испытаний оценивались потеря массы образцов с покрытиями и контробразцов. Растрескивания покрытий не удалось избежать ни в одном из обработанных образцов T60. Среднее количество трещин составляло 10 на длине 40 мм, перпендикулярно траектории лазерных дорожек. Трещинообразование заметно снизилось на покрытиях Т40 и его удалось избежать на образцах наплавленных сплавом Т30. Скорости износа для T30 и T40 составили 0,0176 и 0,0242 10–9 Кг / Н ∙ м и были ниже, чем полученные для T60, 0,0375 10–9 Кг / Н ∙ м.
Порошок NiCrBSi наплавляли на стальную подложку [17] на CO2‑лазере при мощности 1,4–1,6 кВт, скорости сканирования 160–180 мм / мин, пятном 6,0 × 1,5 мм, при расходе порошка 2,9–4,9 г / мин. Наплавленные образцы подвергались последующей обработке путем нагревания в диапазоне 200–1 050 °C с последующим охлаждением на воздухе и в вакуумной печи. Образцы из сплава Cu-Cr-Zr S18150 ASTM с размерами 100 × 100 × 40 мм наплавляли покрытием NiBSi-WC на диодном лазере HighLight 10000D (Coherent, США), при мощности 5 кВт, пятном 6 × 2 мм, с шагом 6 мм и расходом порошка 36 г / мин. Покрытия толщиной 0,6 и 1,6 мм наносили со скоростью сканирования 10 и 2,5 мм / с соответственно. Образцы с покрытием NiCrBSi подвергли абразивному изнашиванию на закрепленном абразивном зерне корунда Al2O3 с удельной нагрузкой 1 МПа и средней скоростью скольжения 0,175 м / с. по схеме «штифт – диск (сталь Х12M, 61,5 HRC)» при давлении 2 МПа, скорости скольжения 3,1, 4,7, 6,1 и 9,3 м / с, времени испытаний 9,5–30 мин. Триботехнические испытания покрытия NiBSi-WC проводились по схеме «штифт (образец с наплавкой) – пластина (сталь Х12M)» при возвратно-поступательном движении с давлением 6 МПа, со скоростью скольжения 0,08 м / с, и длиной двойного хода 60 мм. Высокотемпературный (1 025 °C) отжиг образцов с лазерной наплавкой NiCrBSi приводил к образованию крупных фаз карбидов и боридов, позволяющих сохранять износостойкость при высоких температурах. Покрытия NiBSi-WC на подложке из сплава Cu-Cr-Zr имели в структуре крупные карбобориды, что повышало износостойкость наплавленных слоев в более толстых покрытиях на 20% по сравнению с тонкими покрытиями.
Лазерную наплавку [18] проводили на образцы стали 42CrMo с размерами 70 × 15 × 10 мм порошками высокоэнтропийных сплавов (ВЭС) в соответствии с молярным соотношением FeCoNiCrNb0,5Mox (x = 0,00; 0,25; 0,50; 0,75; 1.00). Обработку проводили на волоконном лазере FL020 в атмосфере аргона при мощности излучения 1 400 Вт, скорости сканирования 3 мм / с, диаметре пятна 4 мм. Покрытия Mo0.00 и Mo0.25 имели доэвтектическую структуру, в то время как покрытия Mo0.50, Mo0.75 и Mo1.00 полностью эвтектическую структуру. Покрытие ВЭС Mo0.75 при испытаниях на коррозию имело самую низкую плотностью тока и обладало наилучшей коррозионной стойкостью.
Оборудование
и методы исследований
Для оптимизации технологии лазерной наплавки использовали образцы стали 40Х с размерами 15 × 20 × 70 мм. Обработку образцов выполняли на автоматизированной системе ИМАШ РАН. В качестве подслоя применяли порошок на основе железа Fe-Co-Cr-Mo (50–150 мкм), а для наплавки основного покрытия – порошок на основе никеля с добавкой карбида вольфрама 40 вес. % (WC-W2C) (40–100 мкм) + 60 вес. % (Ni-Cr-B-Si) c размерами частиц 40–125 мкм. Для получения различных параметров наплавленных зон изменяли плотность мощности лазерного излучения в пределах 28–45 Дж / мм2 (Fe-Co-Cr-Mo) и 32–86 Дж / мм2 (Ni-Cr-B-Si+WC). Скорость нанесения лазерных дорожек варьировали в пределах 5–10 мм / с и 5–7 мм / с, а диаметр пятна 2,5–3,5 мм соответственно. Наплавку выполняли расфокусированным и колеблющимся лучом для выравнивания плотности энергии по поперечному сечению дорожек с частотой 218 Гц по нормали к вектору скорости обработки. Толщина шликерных покрытий, со связующим на водной основе составляла 0,6 и 0,85 мм. После наенесения обмазки на образцы их высушивали при температуре 80 °С в течении 2 часов. Наплавку лазерных дорожек выполняли с перекрытием 35%. После нанесения подслоя образцы шлифовали в размер 12,3–0,1 мм. При поведении металлографических исследований использовали цифровой микроскоп, металлографическую систему ОМОС М1000 и микротвердомер ПМТ‑3. Определение элементного состава покрытий проводили на сканирующем электронном комплексе SEC SNE 4500M Plus, Корея, оснащенном энегодисперсионным анализатором фирмы Bruker, Германия, в отраженных электронах.
Триботехнические испытания на абразивное изнашивание незакрепленным абразивным зерном проводили по схеме «широкая сторона образца с наплавленным покрытием, основа – кольцевая поверхность плоского резинового диска». В качестве абразива использовали кварцевый песок с размерами частиц 0,2–0,6 мм.
Результаты экспериментальных исследований
На рис. 1 представлены микрошлифы наплавленных покрытий порошком для подслоя Fe-Co-Cr-Mo (рис. 1 а) и основным порошком (Ni-Cr-B-Si+WC) (рис. 1 b). Высота и ширина зон наплавки при обработке расфокусированным и колеблющимся лучом по нормали к вектору скорости сканирования луча составляли 0,48–0,86, 0,45–0,79 мм и 1,9–2,9 мм и 3,2–5,8 мм соответственно. Глубина и ширина зон закалки основы, стали 40Х, составляла 0,49–0,86, 0,35–0,89 мм и 1,8–2,85 и 3,1–5,7 мм соответственно. Применение поперечных колебаний лазерного луча приводило к повышению производительности наплавки в 1,6–2,2 раза по сравнению с обработкой расфокусированным лучом. На рис. 2 представлены микроструктуры лазерных дорожек на границе с материалом основы. При более высокой скорости лазерной наплавке и меньшей мощности толщина подслоя составляла 200–300 мкм, а при повышении мощности излучения до 1 000 Вт и уменьшении скорости сканирования до 5 мм / с толщина подслоя снижалась и была в пределах 25–50 мкм. Фактически элементы подслоя Fe-Co-Cr-Mo разбавляли ванну расплава основного покрытия Ni-Cr-B-Si+WC. Кроме того, количество частиц карбида вольфрама при повышенной плотности энергии лазерного луча резко снижалось, происходило насыщение никелевой матрицы углеродом и вольфрамом при растворении карбидов и частичное выгорание углерода.
На рис. 3 представлены графики изменения микротвердости, полученные в результате ее измерения, от поверхности наплавленной дорожки в глубь материала основы с шагом 100 мкм. Кривая (рис. 3а) получена при измерении образца, обработанного на скорости 7 мм / с и мощности излучения 1000 Вт. Наплавленный слой порошком Ni-Cr-B-Si+WC обладал высокой микротвердостью 9 000–11 000 МПа. Зона подслоя имела меньшую микротвердость 6 500–7 000 МПа глубиной до 300 мкм. В результате нагрева выше 1 250 °C жидкой ванны расплава, и подслоя выше 1 000 °C происходила полная закалка основного материала стали 40Х до микротвердостьи 6 500–7 000 МПа на 300 мкм, и ниже наблюдали участок неполной закалки с микротвердостью 2 900–6 000 МПа глубиной 250 мкм. Кривая на рис. 3b получена при мощности излучения 1000 Вт, скорости перемещения 5 мм / с при толщине обмазки 0,6 мм. В зоне наплавки основной шихты Ni-Cr-B-Si+WC наблюдали понижение микротвердости до 7 000–8 000 МПа, что связано с большим растворением карбидной фазы и частичным перемешиванием с подслоем.
На рис. 4 представлены зона исследования элементного состава основного покрытия Ni-Cr-B-Si+WC и распределение элементов W, Ni, Fe, Cr, C. Количественный состав элементов в покрытии показан в табл. 1.
Анализ результатов абразивного изнашивания (рис. 5) незакрепленным зерном показал, что износостойкость покрытий Ni-Cr-B-Si+WC повышается в 11 раз при плотности энергии излучения 48 Дж / мм2 по сравнению с материалом основы.
Обсуждение результатов
Полученные результаты исследований показали, что нанесение покрытий с повышенным содержанием карбидной фазы сопровождается появлением дефектов в виде трещин и пор в случае неправильно подобранных режимов обработки. Для уменьшения напряжений на границе основного материала и покрытий с карбидами предложено наносить подслой, не склонный к трещинообразованию и обладающий демпфирующей способностью в связи с высоким содержанием ванадия в исходной шихте. Уменьшение микротвердости покрытий с упрочняющей фазой при повышенной плотности энергии лазерного излучения свидетельствует о диссоциации карбидов и частичном выгорании углерода. Применение оптимальных режимов лазерной наплавки позволило получить покрытия с максимально высокой микротвердостью и износостойкостью при изнашивании незакрепленным абразивным зерном.
Заключение
Разработана технология лазерной наплавки с промежуточным подслоем Fe-Co-Cr-Mo и основным покрытием Fe-Co-Cr-Mo на образцы стали 40Х с применение поперечных колебаний лазерного луча к вектору скорости обработки. Повышение плотности энергии излучения значительно выше оптимальных значений приводило к растворению карбидов и снижению микротвердости. Износостойкость покрытий с карбидной фазой, полученных при плотности энергии 48 Дж / мм2, в 11 раз выше, чем материал основы.
Литература
Kusinski, J., Kac S., Kopia A., Radziszewska A., Rozmus-Górnikowska M., Major B. Major L., Marczak J, Lisiecki A. Laser modification of the materials surface layer – A review paper. Bull. Pol. Acad. Sci.-Tech. 2012; 60: 711–728.
Lisiecki A. Tribology and surface engineering. Coatings. 2019; 9: 663–669. DOI:10.3390/coatings9100663.
Lisiecki A. Development of laser welding and surface treatment of metals. Materials 2022, 15: 1765–1773. DOI:10.3390/ma15051765.
Kołodziejczak P., Golanski D., Chmielewski T., Chmielewski M. Microstructure of rhenium doped Ni-Cr deposits produced by laser cladding. Materials. 2021; 14: 2745–2769. DOI:10.3390/ma14112745.
Liu Q. S., Liu X. B., Wang G., Liu Y. F., Meng Y., Zhang S. H. Effect of cu content on microstructure evolution and tribological behaviors of Ni60 composite coatings on 45# steel by laser cladding. Opt. Laser Technol. 2022; 156: 108549. DOI: 10.1016/j.optlastec.2022.108549
Huang G., Qu L., Lu Y., Wang Y., Li H., Qin Z., Lu X. Corrosion resistance improvement of 45 steel by Fe-based amorphous coating. Vacuum. 2018; 153:39–42. DOI: 10.1016/j.vacuum.2018.03.042.
Zhu L., Wang S., Pan H., Yuan C., Chen X. Research on remanufacturing strategy for 45 steel gear using H13 steel powder based on laser cladding technology. J. Manuf. Process. 2020; 49: 344–354. DOI: 10.1016/j.jmapro.2019.12.009.
Li Y., Li Y., Wang W., Lei M., Li X. Synthesis fe-ni protective coating on 45 steel by laser remelting nickel pre-coating dopped with Fe-based amorphous powders.Mater. Charact. 2021; 176: 111129. DOI: 10.1016/j.matchar.2021.111129
Shah R., Pai N., Rosenkranz A., Shirvani K., Marian M. Tribological behavior of additively manufactured metal components. J. Manuf. Mater. Process. 2022; 6:138. DOI:10.3390/jmmp6060138.
Yu J., Chen J., Ho H. Effect of laser cladding Ti/B4C/dr40‑based composite coatings for the surface strengthening of shaft part. Opt. Laser Technol. 2023; 157: 108721. DOI: 10.1016/j.optlastec.2022.108721.
Zhu Y., Yang Y., Mu X., Wang W., Yao Z., Yang H. Study on wear and RCF performance of repaired damage railway wheels: assessing laser cladding to repair local defects on wheels. Wear. 2019: 430–431; 126–136. DOI: 10.1016/j.wear.2019.04.028.
Zhu L., Xue P., Lan Q., Meng G., Ren Y., Yang Z., Xu P., Liu Z. Recent research and development status of laser cladding: a review. Opt. Laser Technol. 2021; 138: 106915. DOI: 10.1016/j.optlastec.2021.106915.
Liu J., Yu H., Chen C., Weng F., Dai J. Research and development status of laser cladding on magnesium alloys: a review. Opt. Lasers Eng. 2017; 93: 195–210. DOI: 10.1016/j.optlaseng.2017.02.007
Hulka I., Utu I. D., Avram D., Dan M. L., Pascu А., Stanciu E. M., Roat I. C. Influence of the laser cladding parameters on the morphology, wear and corrosion resistance of WC–Co/NiCrBSi composite coatings. Materials. 2021; 14: 5583–5596. DOI:10.3390/ma14195583.
Vostrák M., Houdková S., Bystrianský M. Cesánek Z. The influence of process parameters on structure and abrasive wear resistance of laser clad WC-NiCrBSi coatings. Mater. Res. Express. 2018; 5: 096522.
Amado J., Tobar M., Yáñez A., Amigó V., Candel J. Crack Free Tungsten Carbide Reinforced Ni(Cr) layers obtained by laser cladding. Phys. Procedia. 2011; 12: 338–344. DOI: 10.1016/j.phpro.2011.03.043.
Makarov A., Korobov Y., Soboleva N., Khudorozhkova Y., Vopneruk A., Balu P., Barbosa M. M., Malygina I., Burov S., Stepchenkov A. Wear-resistant nickel-based laser clad coatings for high-temperature applications. Lett. Mater. 2019; 9: 470–474. DOI: 10.22226/2410‑3535‑2019‑4‑470‑474.
Zhou Z., Jiang F., Yang F., Yang Y. Peng Liang Novel laser cladding FeCoNiCrNb0.5Mox high-entropy alloy coatings with excellent corrosion resistance. Materials Letters. 2023; 335: 133714. DOI:10.1016/j.matlet.2022.133714.
АВТОР
Бирюков В. П. – к. т. н., Институт машиноведения им. А. А. Благонравова РАН, Москва, Россия.
ORCID: 0000-0001-9278-6925
и ее влияние
на свойства покрытий
В. П. Бирюков
Институт машиноведения им. А. А. Благонравова РАН, Москва, Россия
В работе рассмотрены результаты металлографических и триботехнических испытаний зон лазерной наплавки подслоя порошком, содержащим Fe-Co-Cr-Mo, и композиционной шихты Ni-Cr-B-Si+WC на образцы стали 40Х. Показано, что обработка с применением поперечных колебаний луча по нормали к вектору скорости сканирования повышает производительность процесса наплавки. Нанесение подслоя не склонного к трещинообразованию способствует повышению качества наплавленных покрытий с добавлением карбидной фазы, исключает образование трещин в наплавленной шихте с карбидами. Повышение плотности энергии выше оптимальных значений приводит к частичному растворению карбидов, испарению углерода, уменьшению толщины подслоя и перемешиванию с шихтой с карбидной фазой и снижению микротвердости покрытий. Лазерная наплавка на оптимальных режимах позволила повысить абразивную износостойкость при испытании незекрепленными зернами в 11 раз по сравнению с основной сталью.
Ключевые слова: лазерная наплавка, микротвердость, абразивная износостойкость
Статья поступила: 30.08.2023
Статья принята: 18.09.2023
Введение
Стремление улучшить эксплуатационные параметры деталей машин и инструментов и повысить их долговечность привело к разработке методов обработки поверхностей и нанесения покрытий. Одним из передовых современных методов нанесения покрытий является лазерная наплавка, которая обладает рядом преимуществ по сравнению с другими традиционными методами наплавки и нанесения покрытий [1–3]. Технология лазерной наплавки может быть применена для изготовления износостойких или коррозионностойких металлических покрытий и композиционных материалов с металлической матрицей. Обычно в качестве металлической матрицы для композитного покрытия используются сплавы на основе Ni или Co, поскольку они обладают высокой стойкостью к окислению, в том числе при высокой температуре. Установлено, что если к сплавам Ni-Cr добавить 6,0% Re, то стойкость к коррозии и образованию оксидов покрытий, эксплуатируемых при повышенной температуре, может быть значительно повышена [4]. Среднеуглеродистые стали широко используется для изготовления шатунов, зубчатых колес, подшипников и других важных конструктивных компонентов [5, 6]. Однако износостойкость этих сталей ограничена, и при эксплуатации в тяжелых условиях эти детали часто выходят из строя из-за сильного износа поверхности, что значительно удорожает эксплуатационные расходы в промышленном использовании машин и агрегатов [7–9]. Лазерная наплавка широко используется для повышения износостойкости промышленных деталей [10, 11]. При лазерной наплавке используют два метода с предварительным нанесением шликерных обмазок и синхронной подачи порошка [12, 13].
Покрытия порошками NiCrBSi с размером частиц 13–63 мкм с добавками карбидов вольфрама WC–Co были нанесены на подложку, состоящую из низкоуглеродистой мягкой стали [14]. Для лазерной наплавка использовали оптическую головку WC 50 с коаксиальной подачей порошка. На стальные образцы наносили одиночные и частично перекрывающихся дорожи. В качестве переменного параметра использовалась различная скорость перемещения луча. Эксперименты проводились с использованием диодного лазера Coherent F1000 (Coherent, Санта-Клара, Калифорния, США), оснащенного семи осевым роботом CLOOS 7. Для транспортировки порошка использовали питатель AT‑1200HPHV Termach, а в качестве защитного газа и газа-носителя аргон. Лазерную наплавку проводили при мощности излучения 720 Вт, скорости перемещения 0,45–0,85 м / мин и расходе порошка 4 г / мин. Для оценки износостойкости нанесенных покрытий использовался трибометр TR‑20 (Ducom Instruments, Бангалор, Индия). Перед испытанием образцы шлифовали и полировали до получения зеркальной поверхности. В качестве контробразца был использован шарик WC диаметром 6 мм при приложенной нагрузке 15 Н. Диаметр дорожки износа составлял 12 мм, время испытания – 132 мин, а путь трения – 2000 м. Коэффициенты трения изменялись в пределах 0,463–0,695, а скорость изнашивания 0,125–0,735 мм3 / Н ∙ км. Покрытия без трещин с желаемым распределением карбидов могут быть получены путем оптимизации скорости лазерного наплавления. Кроме того, повышение твердости было достигнуто за счет уменьшения зоны расплава между покрытием и подложкой.
Для экспериментов [15] использовали порошок, состоящий из 60% WC, смешанных с 40% частиц NiCrBSi с размерами частиц 45–106 мкм. Лазерная наплавка была выполнена с использованием дискового лазера Trumpf TruDisk 8002, оснащенного головкой Precitec YC52 с коаксиальной подачей порошка. Были проведены две серии экспериментов. В первой серии экспериментов изменялась скорость перемещения луча (S), в то время как мощность (P) и расход порошка (F) оставались постоянными. Во второй серии расход порошка оставался постоянным, и скорость перемещения луча тоже, а переменной была мощность излучения. Коэффициент перекрытия дорожек наплавки составлял 50%. Покрытия наносились на пластины из углеродистой стали (EN10083 2: C45) размерами 100 × 100 × 20 мм для обеспечения достаточного отвода тепла. Подложки предварительно нагревались до 350 °C перед нанесением, чтобы избежать растрескивание покрытия из-за высокого температурного градиента. После лазерной наплавки образцы оставляли остывать при комнатной температуре. Испытание на абразивный износ незакрепленным зерном проводили по схеме «плоский образец-образующая поверхность резинового диска» в соответствии с ASTM G‑65. Параметры испытания были следующими: нагрузка 22 Н; абразивная среда кварцевый песок Al2O3 с размером зерен 200–300 мкм; общий путь трения 718 м. Самое твердое покрытие достигло значения твердости выше 800 HV1. Твердость покрытий снижалась с уменьшением параметра P / F · S до 600–700 HV1. В зонах с более высоким содержанием частиц WC измеренная твердость превышала 1 000 HV1, а в местах перекрытия дорожек твердость варьировалась от 500 до 700 HV1. Значения коэффициента износа изменялись от 2,2 · 10−4 до 1,1 · 10−3 мм3 / Нм, в зависимости от параметров лазерной обработки. Наплавленные покрытия с более высокой концентрацией сферических карбидов лучше сопротивлялись абразивному износу, чем те образцы в покрытии которых произошло растворение карбидов. Материал предыдущей лазерной дорожки наплавки повторно расплавлялся, частицы карбида растворялись и снова осаждались повторно. Расплавление поверхности образца на основе железа и растворение карбидов приводили к ухудшению твердости покрытий и износостойкости.
Система лазерной наплавки [16] состояла из промышленного Nd-YAG-лазера мощностью 2 кВт (Rofin-Sinar DY 22), оптической головки, питателя порошка (Sulzer-Metco Twin 10 c). Лазерный луч был расфокусирован до диаметра 3,5 мм на рабочей поверхности. Наплавка производилась на образцы толщиной 5 мм из низкоуглеродистой стали C25, предварительно разогретой до 400 °C. Наплавленные участки размером 30 × 30 мм были получены при коэффициентах перекрытия дорожек 35–40%. Для экспериментов по лазерной наплавке использовались порошки карбида вольфрама на никель-хромовой основе фирмы Technolase T60 (700 HV), T40 (400 HV) и T30 (300 HV). Триботехнические испытания были проведены на поверхностях с нанесенными покрытиями при сухом скольжении с использованием трибометра MT4002 по схеме трения «шар (Al2O3 диаметром 4 мм, 1 500 HV) – диск (наплавленный образец)» в соответствии со стандартом ASTM G99-05. Испытания выполняли при скорости скольжения 100 мм / с, нормальной нагрузке 20 Н, на пути трения 500 м. После испытаний оценивались потеря массы образцов с покрытиями и контробразцов. Растрескивания покрытий не удалось избежать ни в одном из обработанных образцов T60. Среднее количество трещин составляло 10 на длине 40 мм, перпендикулярно траектории лазерных дорожек. Трещинообразование заметно снизилось на покрытиях Т40 и его удалось избежать на образцах наплавленных сплавом Т30. Скорости износа для T30 и T40 составили 0,0176 и 0,0242 10–9 Кг / Н ∙ м и были ниже, чем полученные для T60, 0,0375 10–9 Кг / Н ∙ м.
Порошок NiCrBSi наплавляли на стальную подложку [17] на CO2‑лазере при мощности 1,4–1,6 кВт, скорости сканирования 160–180 мм / мин, пятном 6,0 × 1,5 мм, при расходе порошка 2,9–4,9 г / мин. Наплавленные образцы подвергались последующей обработке путем нагревания в диапазоне 200–1 050 °C с последующим охлаждением на воздухе и в вакуумной печи. Образцы из сплава Cu-Cr-Zr S18150 ASTM с размерами 100 × 100 × 40 мм наплавляли покрытием NiBSi-WC на диодном лазере HighLight 10000D (Coherent, США), при мощности 5 кВт, пятном 6 × 2 мм, с шагом 6 мм и расходом порошка 36 г / мин. Покрытия толщиной 0,6 и 1,6 мм наносили со скоростью сканирования 10 и 2,5 мм / с соответственно. Образцы с покрытием NiCrBSi подвергли абразивному изнашиванию на закрепленном абразивном зерне корунда Al2O3 с удельной нагрузкой 1 МПа и средней скоростью скольжения 0,175 м / с. по схеме «штифт – диск (сталь Х12M, 61,5 HRC)» при давлении 2 МПа, скорости скольжения 3,1, 4,7, 6,1 и 9,3 м / с, времени испытаний 9,5–30 мин. Триботехнические испытания покрытия NiBSi-WC проводились по схеме «штифт (образец с наплавкой) – пластина (сталь Х12M)» при возвратно-поступательном движении с давлением 6 МПа, со скоростью скольжения 0,08 м / с, и длиной двойного хода 60 мм. Высокотемпературный (1 025 °C) отжиг образцов с лазерной наплавкой NiCrBSi приводил к образованию крупных фаз карбидов и боридов, позволяющих сохранять износостойкость при высоких температурах. Покрытия NiBSi-WC на подложке из сплава Cu-Cr-Zr имели в структуре крупные карбобориды, что повышало износостойкость наплавленных слоев в более толстых покрытиях на 20% по сравнению с тонкими покрытиями.
Лазерную наплавку [18] проводили на образцы стали 42CrMo с размерами 70 × 15 × 10 мм порошками высокоэнтропийных сплавов (ВЭС) в соответствии с молярным соотношением FeCoNiCrNb0,5Mox (x = 0,00; 0,25; 0,50; 0,75; 1.00). Обработку проводили на волоконном лазере FL020 в атмосфере аргона при мощности излучения 1 400 Вт, скорости сканирования 3 мм / с, диаметре пятна 4 мм. Покрытия Mo0.00 и Mo0.25 имели доэвтектическую структуру, в то время как покрытия Mo0.50, Mo0.75 и Mo1.00 полностью эвтектическую структуру. Покрытие ВЭС Mo0.75 при испытаниях на коррозию имело самую низкую плотностью тока и обладало наилучшей коррозионной стойкостью.
Оборудование
и методы исследований
Для оптимизации технологии лазерной наплавки использовали образцы стали 40Х с размерами 15 × 20 × 70 мм. Обработку образцов выполняли на автоматизированной системе ИМАШ РАН. В качестве подслоя применяли порошок на основе железа Fe-Co-Cr-Mo (50–150 мкм), а для наплавки основного покрытия – порошок на основе никеля с добавкой карбида вольфрама 40 вес. % (WC-W2C) (40–100 мкм) + 60 вес. % (Ni-Cr-B-Si) c размерами частиц 40–125 мкм. Для получения различных параметров наплавленных зон изменяли плотность мощности лазерного излучения в пределах 28–45 Дж / мм2 (Fe-Co-Cr-Mo) и 32–86 Дж / мм2 (Ni-Cr-B-Si+WC). Скорость нанесения лазерных дорожек варьировали в пределах 5–10 мм / с и 5–7 мм / с, а диаметр пятна 2,5–3,5 мм соответственно. Наплавку выполняли расфокусированным и колеблющимся лучом для выравнивания плотности энергии по поперечному сечению дорожек с частотой 218 Гц по нормали к вектору скорости обработки. Толщина шликерных покрытий, со связующим на водной основе составляла 0,6 и 0,85 мм. После наенесения обмазки на образцы их высушивали при температуре 80 °С в течении 2 часов. Наплавку лазерных дорожек выполняли с перекрытием 35%. После нанесения подслоя образцы шлифовали в размер 12,3–0,1 мм. При поведении металлографических исследований использовали цифровой микроскоп, металлографическую систему ОМОС М1000 и микротвердомер ПМТ‑3. Определение элементного состава покрытий проводили на сканирующем электронном комплексе SEC SNE 4500M Plus, Корея, оснащенном энегодисперсионным анализатором фирмы Bruker, Германия, в отраженных электронах.
Триботехнические испытания на абразивное изнашивание незакрепленным абразивным зерном проводили по схеме «широкая сторона образца с наплавленным покрытием, основа – кольцевая поверхность плоского резинового диска». В качестве абразива использовали кварцевый песок с размерами частиц 0,2–0,6 мм.
Результаты экспериментальных исследований
На рис. 1 представлены микрошлифы наплавленных покрытий порошком для подслоя Fe-Co-Cr-Mo (рис. 1 а) и основным порошком (Ni-Cr-B-Si+WC) (рис. 1 b). Высота и ширина зон наплавки при обработке расфокусированным и колеблющимся лучом по нормали к вектору скорости сканирования луча составляли 0,48–0,86, 0,45–0,79 мм и 1,9–2,9 мм и 3,2–5,8 мм соответственно. Глубина и ширина зон закалки основы, стали 40Х, составляла 0,49–0,86, 0,35–0,89 мм и 1,8–2,85 и 3,1–5,7 мм соответственно. Применение поперечных колебаний лазерного луча приводило к повышению производительности наплавки в 1,6–2,2 раза по сравнению с обработкой расфокусированным лучом. На рис. 2 представлены микроструктуры лазерных дорожек на границе с материалом основы. При более высокой скорости лазерной наплавке и меньшей мощности толщина подслоя составляла 200–300 мкм, а при повышении мощности излучения до 1 000 Вт и уменьшении скорости сканирования до 5 мм / с толщина подслоя снижалась и была в пределах 25–50 мкм. Фактически элементы подслоя Fe-Co-Cr-Mo разбавляли ванну расплава основного покрытия Ni-Cr-B-Si+WC. Кроме того, количество частиц карбида вольфрама при повышенной плотности энергии лазерного луча резко снижалось, происходило насыщение никелевой матрицы углеродом и вольфрамом при растворении карбидов и частичное выгорание углерода.
На рис. 3 представлены графики изменения микротвердости, полученные в результате ее измерения, от поверхности наплавленной дорожки в глубь материала основы с шагом 100 мкм. Кривая (рис. 3а) получена при измерении образца, обработанного на скорости 7 мм / с и мощности излучения 1000 Вт. Наплавленный слой порошком Ni-Cr-B-Si+WC обладал высокой микротвердостью 9 000–11 000 МПа. Зона подслоя имела меньшую микротвердость 6 500–7 000 МПа глубиной до 300 мкм. В результате нагрева выше 1 250 °C жидкой ванны расплава, и подслоя выше 1 000 °C происходила полная закалка основного материала стали 40Х до микротвердостьи 6 500–7 000 МПа на 300 мкм, и ниже наблюдали участок неполной закалки с микротвердостью 2 900–6 000 МПа глубиной 250 мкм. Кривая на рис. 3b получена при мощности излучения 1000 Вт, скорости перемещения 5 мм / с при толщине обмазки 0,6 мм. В зоне наплавки основной шихты Ni-Cr-B-Si+WC наблюдали понижение микротвердости до 7 000–8 000 МПа, что связано с большим растворением карбидной фазы и частичным перемешиванием с подслоем.
На рис. 4 представлены зона исследования элементного состава основного покрытия Ni-Cr-B-Si+WC и распределение элементов W, Ni, Fe, Cr, C. Количественный состав элементов в покрытии показан в табл. 1.
Анализ результатов абразивного изнашивания (рис. 5) незакрепленным зерном показал, что износостойкость покрытий Ni-Cr-B-Si+WC повышается в 11 раз при плотности энергии излучения 48 Дж / мм2 по сравнению с материалом основы.
Обсуждение результатов
Полученные результаты исследований показали, что нанесение покрытий с повышенным содержанием карбидной фазы сопровождается появлением дефектов в виде трещин и пор в случае неправильно подобранных режимов обработки. Для уменьшения напряжений на границе основного материала и покрытий с карбидами предложено наносить подслой, не склонный к трещинообразованию и обладающий демпфирующей способностью в связи с высоким содержанием ванадия в исходной шихте. Уменьшение микротвердости покрытий с упрочняющей фазой при повышенной плотности энергии лазерного излучения свидетельствует о диссоциации карбидов и частичном выгорании углерода. Применение оптимальных режимов лазерной наплавки позволило получить покрытия с максимально высокой микротвердостью и износостойкостью при изнашивании незакрепленным абразивным зерном.
Заключение
Разработана технология лазерной наплавки с промежуточным подслоем Fe-Co-Cr-Mo и основным покрытием Fe-Co-Cr-Mo на образцы стали 40Х с применение поперечных колебаний лазерного луча к вектору скорости обработки. Повышение плотности энергии излучения значительно выше оптимальных значений приводило к растворению карбидов и снижению микротвердости. Износостойкость покрытий с карбидной фазой, полученных при плотности энергии 48 Дж / мм2, в 11 раз выше, чем материал основы.
Литература
Kusinski, J., Kac S., Kopia A., Radziszewska A., Rozmus-Górnikowska M., Major B. Major L., Marczak J, Lisiecki A. Laser modification of the materials surface layer – A review paper. Bull. Pol. Acad. Sci.-Tech. 2012; 60: 711–728.
Lisiecki A. Tribology and surface engineering. Coatings. 2019; 9: 663–669. DOI:10.3390/coatings9100663.
Lisiecki A. Development of laser welding and surface treatment of metals. Materials 2022, 15: 1765–1773. DOI:10.3390/ma15051765.
Kołodziejczak P., Golanski D., Chmielewski T., Chmielewski M. Microstructure of rhenium doped Ni-Cr deposits produced by laser cladding. Materials. 2021; 14: 2745–2769. DOI:10.3390/ma14112745.
Liu Q. S., Liu X. B., Wang G., Liu Y. F., Meng Y., Zhang S. H. Effect of cu content on microstructure evolution and tribological behaviors of Ni60 composite coatings on 45# steel by laser cladding. Opt. Laser Technol. 2022; 156: 108549. DOI: 10.1016/j.optlastec.2022.108549
Huang G., Qu L., Lu Y., Wang Y., Li H., Qin Z., Lu X. Corrosion resistance improvement of 45 steel by Fe-based amorphous coating. Vacuum. 2018; 153:39–42. DOI: 10.1016/j.vacuum.2018.03.042.
Zhu L., Wang S., Pan H., Yuan C., Chen X. Research on remanufacturing strategy for 45 steel gear using H13 steel powder based on laser cladding technology. J. Manuf. Process. 2020; 49: 344–354. DOI: 10.1016/j.jmapro.2019.12.009.
Li Y., Li Y., Wang W., Lei M., Li X. Synthesis fe-ni protective coating on 45 steel by laser remelting nickel pre-coating dopped with Fe-based amorphous powders.Mater. Charact. 2021; 176: 111129. DOI: 10.1016/j.matchar.2021.111129
Shah R., Pai N., Rosenkranz A., Shirvani K., Marian M. Tribological behavior of additively manufactured metal components. J. Manuf. Mater. Process. 2022; 6:138. DOI:10.3390/jmmp6060138.
Yu J., Chen J., Ho H. Effect of laser cladding Ti/B4C/dr40‑based composite coatings for the surface strengthening of shaft part. Opt. Laser Technol. 2023; 157: 108721. DOI: 10.1016/j.optlastec.2022.108721.
Zhu Y., Yang Y., Mu X., Wang W., Yao Z., Yang H. Study on wear and RCF performance of repaired damage railway wheels: assessing laser cladding to repair local defects on wheels. Wear. 2019: 430–431; 126–136. DOI: 10.1016/j.wear.2019.04.028.
Zhu L., Xue P., Lan Q., Meng G., Ren Y., Yang Z., Xu P., Liu Z. Recent research and development status of laser cladding: a review. Opt. Laser Technol. 2021; 138: 106915. DOI: 10.1016/j.optlastec.2021.106915.
Liu J., Yu H., Chen C., Weng F., Dai J. Research and development status of laser cladding on magnesium alloys: a review. Opt. Lasers Eng. 2017; 93: 195–210. DOI: 10.1016/j.optlaseng.2017.02.007
Hulka I., Utu I. D., Avram D., Dan M. L., Pascu А., Stanciu E. M., Roat I. C. Influence of the laser cladding parameters on the morphology, wear and corrosion resistance of WC–Co/NiCrBSi composite coatings. Materials. 2021; 14: 5583–5596. DOI:10.3390/ma14195583.
Vostrák M., Houdková S., Bystrianský M. Cesánek Z. The influence of process parameters on structure and abrasive wear resistance of laser clad WC-NiCrBSi coatings. Mater. Res. Express. 2018; 5: 096522.
Amado J., Tobar M., Yáñez A., Amigó V., Candel J. Crack Free Tungsten Carbide Reinforced Ni(Cr) layers obtained by laser cladding. Phys. Procedia. 2011; 12: 338–344. DOI: 10.1016/j.phpro.2011.03.043.
Makarov A., Korobov Y., Soboleva N., Khudorozhkova Y., Vopneruk A., Balu P., Barbosa M. M., Malygina I., Burov S., Stepchenkov A. Wear-resistant nickel-based laser clad coatings for high-temperature applications. Lett. Mater. 2019; 9: 470–474. DOI: 10.22226/2410‑3535‑2019‑4‑470‑474.
Zhou Z., Jiang F., Yang F., Yang Y. Peng Liang Novel laser cladding FeCoNiCrNb0.5Mox high-entropy alloy coatings with excellent corrosion resistance. Materials Letters. 2023; 335: 133714. DOI:10.1016/j.matlet.2022.133714.
АВТОР
Бирюков В. П. – к. т. н., Институт машиноведения им. А. А. Благонравова РАН, Москва, Россия.
ORCID: 0000-0001-9278-6925
Отзывы читателей
