Высокоскоростная лазерная наплавка штоков гидравлических цилиндров
В ходе проведения работ выполнены исследования образцов, полученных с применением технологии высокоскоростной лазерной наплавки поверхности с использованием волоконных лазеров компании ООО «ВПГ Лазеруан». Рассмотренный способ обработки является перспективным методом нанесения защитных покрытий на поверхности металлов. В статье изложены результаты работ по нанесению покрытий на среднеуглеродистую сталь 38Х2МЮА высоколегированными порошковыми материалами на железной основе. В результате получен поверхностный слой с повышенными значениями микротвердости и износостойкости. Высокая скорость процесса позволила минимизировать нагрев образцов, что приводило к сохранению его исходных геометрических размеров, а также минимальному перемешиванию наплавляемого материала с основой при высокой прочности сцепления покрытия с металлом основы.
Е. В. Хриптович 1, В. П. Бирюков 2, А. С. Захаров 1, В. С. Башлаев 1, Д. В. Мясников 1, Я. А. Горюнов 2
ООО «ВПГ Лазеруан», г. Фрязино, Моск. обл., Россия
«ИМАШ РАН», Москва, Россия
В ходе проведения работ выполнены исследования образцов, полученных с применением технологии высокоскоростной лазерной наплавки поверхности с использованием волоконных лазеров компании ООО «ВПГ Лазеруан». Рассмотренный способ обработки является перспективным методом нанесения защитных покрытий на поверхности металлов. В статье изложены результаты работ по нанесению покрытий на среднеуглеродистую сталь 38Х2МЮА высоколегированными порошковыми материалами на железной основе. В результате получен поверхностный слой с повышенными значениями микротвердости и износостойкости. Высокая скорость процесса позволила минимизировать нагрев образцов, что приводило к сохранению его исходных геометрических размеров, а также минимальному перемешиванию наплавляемого материала с основой при высокой прочности сцепления покрытия с металлом основы.
Ключевые слова: лазерная наплавка, защитные покрытия, износостойкость, среднеуглеродистые стали, волоконный лазер, микротвердость, коэффициент трения
Статья поступила: 28.08.2025
Статья принята 16.09.2025
Введение
В различных отраслях промышленности широкое распространение получили тела вращения, являющиеся ключевыми элементами машин и механизмов. В ходе эксплуатации они подвергаются высокому механическому и химическому воздействию. Например, элемент шток, представляющий собой сплошное тело вращения, является важной составной частью многих устройств: амортизаторов, пневмоцилиндров, гидроцилиндров и др. При этом эксплуатация таких деталей осуществляется в различных агрессивных средах под воздействием значительных механических и температурных нагрузок.
С целью увеличения рабочего ресурса и придания телам вращения требуемых коррозионных свойств на их поверхность наносят тонкослойные твердые покрытия методом гальванического хромирования. Технология высокоскоростной лазерной порошковой наплавки позволяет заменить вредный для окружающей среды процесс твердого хромирования поверхностей. Суть процесса заключается в высокочастотном вращении цилиндрической заготовки и подаче расплавленного металла на подогретый лазерным лучом материал основы. При этом большая часть энергии расходуется на плавление порошкового материала, а не на создание ванны расплава в наплавляемом сплаве. Применение технологии позволяет осуществлять нанесение функциональных покрытий толщиной от 50 мкм, вследствие чего возможно уменьшение температурных напряжений, которые приводят к появлению остаточных деформаций. Высокоскоростная наплавка позволяет значительно повысить скорость обработки детали с 0,6–3 м/мин до 6 до 100 м/мин, что дает возможность наносить порошки, содержащие карбиды без их диссоциации.
Жаропрочные сплавы [1] на основе никеля широко используются в производстве лопаток турбин самолетов и парогенераторов. В работе впервые был получен наплавленный лазером сплав при высокоскоростной обработке с высоким содержанием хрома K648. Было исследовано влияние основных параметров технологического процесса на геометрические размеры валиков, а также определены микроструктура и механические свойства.
Установлено, что максимальная высота и ширина наплавленных дорожек были получены при мощности излучения 1 400 Вт, скорости сканирования 25 м/мин и расходе порошка 30 г/мин. Среднее значение микротвердости сплава K648 составляло 298,1 HV. Предел прочности при высокоскоростной наплавке K648 был немного ниже, чем у кованного жаропрочного сплава К648, но выше, чем у K648 полученного обычной лазерной наплавкой.
В работе [2] были использованы порошок на основе железа 1Cr17Ni2 со средним диаметром частиц 30 мкм и заготовка в виде трубы из углеродистой стали 45 диаметром 50 мм. Процесс высокоскоростной лазерной наплавки (ВСЛН) был выполнен при мощности излучения 4,0 кВт, скорости сканирования 50 м/мин и расходе порошка 30 г/мин. Толщина покрытия составляла приблизительно 533 мкм. Мартенситное превращение происходило при температуре 286 °C. Высокая скорость охлаждения покрытия способствовала сохранению небольшого количества остаточного аустенита 0,8 об.% в наплавленном слое. Между покрытием и подложкой был получен тонкий переходный слой толщиной 5 мкм.
Для проведения экспериментов [3] в качестве подложек были использованы образцы в виде дисков из среднеуглеродистой стали 27SiMn толщиной 10 мм и диаметром 100 мм. Лазерная наплавка была проведена порошком AISI 431 с размерами частиц 15–45 мкм с помощью волоконного лазера мощностью 6 кВт производства ООО «ВПГ Лазеруан» и оптической головки с рабочим диаметром пятна 2 мм. Для получения в структуре наплавленных дорожек дендритов разного размера покрытия были нанесены при скоростях сканирования 1,5; 15 и 100 м/мин, мощности лазера 1 600 Вт, 3 300 Вт и 3 800 Вт соответственно, расходе порошка 13 г/мин. Установлено, что с увеличением скорости сканирования размеры дендритов уменьшались. Средний размер дендритов имел размер 1 мкм при скорости обработки 100 м/мин. При этом были сформированы плотные пассивные пленки, благодаря которым повышалась коррозионная стойкость покрытий.
Для исследований [4] при лазерной наплавке стали AISI 1045 был применен порошок из сплава на основе никеля Ni45 с размерами частиц 55–75 мкм, и 15–30 мкм. Лазерная обработка была выполнена при мощности излучения 2 000 Вт, скорости сканирования 0,6 (1), 37,68 (2), 58 (3) и 76,9 (4) м/мин. Шероховатость поверхности у образцов с наплавкой крупнозернистым порошком была 24,9 мкм, а мелкозернистым порошком 13,88 мкм. Испытание покрытия на трение и износ при возвратно поступательном движении были проведены с помощью машины UMT‑2 с использованием схемы: «шар (Si3N4) – плоскость» при нагрузке 25 Н, с длиной хода 10 мм, средней скоростью скольжения 10 мм/с и временем цикла 30 мин. Микротвердость покрытий для образцов (1), (2), (3) и (4) составила 320–340, 420–560, 430–580 и 440–600 HV соответственно. Коэффициенты трения имели средние значения для образцов (1), (2), (3) и (4) 0,78; 0,65; 0,59 и 0,53 соответственно.
С увеличением скорости лазерной наплавки микроструктура улучшалась, и крупные столбчатые кристаллы превращались в мелкие дендриты, а твердость покрытий и износостойкость значительно повышались. Коррозионная стойкость покрытия для высокоскоростной лазерной наплавки была выше, чем у традиционной лазерной наплавки.
В работе [5] покрытия на основе железа с размером частиц 25–60 мкм были нанесены методом высокоскоростной лазерной наплавки на трубу из стали Q235. Обработка была проведена при мощности излучения 2000 Вт, скорости сканирования 1,57 (1); 6,2 (2); 11,0 (3); 15,7 (4) и 20,4 (5) м/мин и расходе порошка 18,4 г/мин. Толщина наплавленного слоя и средняя микротвердость для образцов (1), (2), (3), (4) и (5) составили 1258, 505, 469, 393 и 262 мкм и 605, 585, 580, 570 и 550 HV соответственно. Коррозионная стойкость покрытий сначала повышалась, а затем с увеличением скорости сканирования снижалась. Образец (4) имел наибольшую стойкость к точечной коррозии.
Порошковыми материалами [6] для высокоскоростной лазерной наплавки были композиции (1) 595.074 (Ni/CrC 44/56 об%), (2) 380 (Ni21Cr9Mo4Nb) + 595.074 (Ni/CrC 56/44 об%), (3) 380 + 70F-NS (Ni/CrC 50/50 об. %), (4) 380 + 70F-NS (Ni/CrC 80/20 об. %) с размером частиц 15–45 мкм. Основными материалами, использованными для отработки технологических параметров, были прутки сталей S355 и 42CrMo4 диаметром 100 мм и длиной 500 мм. Лазерная высокоскоростная наплавка композиций (1) и (2) была проведена при мощности излучения 2 000 Вт, а (3) и (4) – 1 900 Вт, скорости сканирования 25 м/мин. Образцы для испытания на износ были наплавлены на пластины из S355 с размерами 20 × 20 × 50 мм. Испытания на абразивный износ были проведены при комнатной температуре с по стандарту ASTM G65. Кварцевый песок (SiO2) с размером частиц от 0,1 до 0,6 мм подавался в зону трения между образующей поверхностью вращающегося резинового колеса и образцом. Средняя микротвердость покрытий образцов (1), (2), (3) и (4) составляла 1 100, 920, 830 и 580 HV соответственно. Самое твердое покрытие (1) имело максимальную абразивную стойкость, соответствующую износостойкости покрытия, полученного при твердом хромировании гальваническим способом.
При высокоскоростной лазерной наплавке [7] были использованы трубы из углеродистой стали C45 и 304SS диаметром 50 мм с толщиной стенки 10 мм. Для нанесения покрытия был применен порошок высокоэнтропийного сплава (ВЭС) FeCoNiCrAl. Обработка была выполнена при мощности 6,0 кВт, скорости сканирования 50 м/мин и расходе порошка 30 г/мин. Продольная скорость перемещения сопла составляла 159 мм/мин, что приводило к смещению дорожек наплавки на 0,5 мм. Поверхность наплавленного покрытия на стали 304SS не имела дефектов, а в покрытии на стали 45 были обнаружены продольные и поперечные трещины. Общая толщина каждого покрытия имела размер 450 мкм, и они состояли из трех слоев толщиной по 150 мкм. Средняя твердость покрытий составляла 600 HV.
В качестве материала подложки [8] была использована нержавеющая сталь 304. Покрытия были наплавлены с использованием системы RC-LCD‑4000-IPG HSLC при мощности излучения 2,5 кВт, скорости сканирования 100 мм/с, расходе порошка 7,2 г/мин, с коэффициентом перекрытия 80%. Испытания на износ были проведены с использованием многофункциональной системы (BRUKER UMT‑5) при возвратно поступательном движении, нагрузке 5 Н, средней скорости скольжения 0,1 м/с, длине хода 5 мм и времени цикла 60 минут. В качестве контртела был использован шарик Al2O3 диаметром 6 мм.
Микроструктуры обоих покрытий включали одни и те же металлические фазы, Fe-Cr-Ni, (Fe, Cr) и Cr. Керамической фазой в покрытии (А) был диборид циркония (ZrB2). В покрытие (В) был добавлен диборид титана (TiB2). Средняя твердость покрытий A и B составила 719 и 1 130 HV0.5 соответственно. Средние коэффициенты трения покрытий А и В составили 0,73 и 0,68. Удельный объемный износ был снижен с 8,89 · 10–6 мм3/Н · м для покрытия А до 5,0 · 10–6 мм3/Н · м для покрытия В. Механизмом износа покрытия А был абразивный износ, а для покрытия В был незначительный абразивный и окислительный износ.
При лазерной наплавке [9] порошка Stellite 6 в качестве подложек была использована сталь 45 с размерами образцов 100 × 50 × 10 мм. Обработка была выполнена на волоконном лазере при мощности излучения 1 600, 2 000 и 2 400 Вт, скорости сканирования 4,0, 5,0 и 6,0 м/мин, расходе порошка 0,45 г/с. Испытания на коррозионно-эрозионный износ были выполнены в суспензии содержащей смесь 3,5% раствора NaCl и кварцевого песка в соотношении объемов 4 : 1. Толщина наплавленных покрытий при мощности излучения 1 600, 2 000 и 2 400 Вт и скорости 6,0 и 4,0 м/мин составляла 430–620, 480–670 и 500–870 мкм соответственно. Потеря массы образцов при эрозионном износе покрытия Stellite 6 в 2–5 раз ниже, чем у стали 45, и она ниже у образцов с более высокой микротвердостью.
Оборудование
и методы исследований
Обработка образцов выполнена с применением волоконного лазера YLR‑6000-U-R мощностью 6 кВт производства ООО «ВПГ Лазеруан». Даная серия лазеров оснащена защитой от обратного отражения и системой самодиагностики. Основные характеристики источника приведены в табл. 1. Диаметр пятна лазерного излучения составил от 1 до 3 мм. Линейная скорость цилиндрических образцов 6–60 м/мин. Мощность лазерного излучения варьировалась от 3 до 5,5 кВт. Продольное перемещение оптической головки составляло 0,4–4 мм/с. Расход защитного и обжимающего газа составлял 16 и 4 л/мин, соответственно. Расход транспортирующего порошок газа не превышал 10 л/мин.
В ходе проведения исследовательских работ использовались цилиндрические образцы диаметром 24 и 38 мм, длинной 25 и 100 мм соответственно из среднеуглеродистой стали 38Х2МЮА. Данный материал широко применяется для изготовления различных деталей таких как валы, оси, втулки, работающих в условиях повышенных температур и нагрузок. Для наплавки применялся металлический порошок с размером частиц 20–100 мкм (табл. 2). Измерения микротвердости проводились при помощи микротвердомера DuraScan‑70 в двух направлениях – горизонтальном и вертикальном при нагрузке HV0.1 с шагом измерения 100 мкм (по глубине зоны наплавки) и 200 мкм (по ширине зоны наплавки).
Для подачи порошка в зону расплава разработано и изготовлено специальное коаксиальное сопло, позволяющее осуществлять равномерную подачу порошкового материала с производительностью до 3,5 кг/час при осуществлении процессов классической и высокоскоростной лазерной наплавки. Внешний вид коаксиальной насадки и траектория подачи порошка показаны на рис. 1. Разработанная насадка комплектуется съемными конусами с различным рабочим расстоянием фокуса порошка от 10 до 20 мм. Данная особенность позволяет выполнять нанесения покрытий на различные виды поверхностей с высоким коэффициентом использования порошкового материала до 93%. В ходе проведения работ были наплавлены две партии образцов: первая для определения прочности сцепления покрытий с основой, вторая партия для определения трибологических свойств покрытий. Методика определения прочности сцепления наплавленного слоя с основным металлом состояла в том, что цилиндрический образец из исследуемого материала с наплавленным на него кольцевым пояском протачивался с двух сторон, затем устанавливался в матрицу и продавливался через нее на разрывной машине. При этом под действием касательных напряжений происходил сдвиг наплавленного слоя, а напряжение сдвига определяло прочность сцепления наплавленного слоя с основой. Машина для испытаний на сдвиг обеспечивала нагружение с заданной постоянной скоростью перемещения активного захвата, измерение нагрузки с погрешностью не более 1%. Для сравнения прочности сцепления на сдвиг покрытия и основного металла были изготовлены образцы эталоны в виде цилиндра диаметром 24 мм и длиной 25 мм с цилиндрическим пояском диаметром 25 мм (рис. 2). Предел прочности сцепления покрытия с основным металлом при сдвиге наплавленного покрытия определялся по формуле:
τ =, (1)
где P – максимальная нагрузка, предшествующая сдвигу пояска покрытия; h – ширина пояска, мм; D – диаметр образца, мм.
Определение интенсивности изнашивания и коэффициентов трения осуществлялось при испытании материалов на машине трения по схеме: «колодка – ролик» (рис. 3), в которой образец, ролик 2 (сталь 38Х2МЮА, покрытие Fe-Cr-Ni-Mo), совершал вращательное движение относительно неподвижной колодки 1 контробразца, выполненной из стали 45 с нанесенным на нее баббитовым слоем толщиной 1,5 мм. К образцу прикладывалась испытательная нагрузка N. Для смазки в зону трения подавали масло турбинное ТП22С капельным способом.
Коэффициент трения в паре определялся по формуле (2):
f = , (2)
где: N – нормальная нагрузка на пару, r – номинальный радиус сочленения, T – усилие пружинного динамометра, l – плечо приложения этого усилия относительно оси вращения образца валика.
Интенсивность изнашивания определяли по формуле [9]:
J = , (3)
где: h – величина линейного износа, L – путь трения.
Результаты экспериментальных исследований
Внешний вид образца и микрошлифы после лезерной наплавки представлены на рис. 4.
С помощью металлографических исследований (рис. 4b) установлено, что при высокоростной наплавке высота слоя составила 670–718 мкм. По результатам визуального контроля, анализа полученных микрошлифов и цветной дефектоскопии в наплавленном слое не обнаружены дефекты типа трещин и пор. Зона перемешивания основного и наплавленного слоя при применении процесса высокоскоростной лазерной наплавки минимальна, что также является преимуществом исследуемого процесса. Для определения влияния способа нанесения покрытий на микротвердость наплавленного слоя было выполнено исследование образцов, полученных двумя видами технологий с применением высокоскоростного процесса (рис. 5а) и классического процесса (рис. 5b). При анализе полученных зависимостей установлено, что микротвердость наплавленного слоя с применением высокоскоростной наплавки составила 630–680 HV0,3, а с применением классического процесса 540–650 HV0,3. Полученные результаты позволяют сделать вывод о том, что за счет изменения термического цикла этот метод обработки оказывает значительное влияние не только на распределение микротвердости, но и на минимальное и максимальное ее значение.
Анализ результатов испытаний на прочность сцепления покрытий при высокоскоростной наплавке и основного материала стали 38Х2МЮА показал, что напряжения сдвига составляли 600–690 и 432–440 МПа соответственно. Повышение прочности сцепления на сдвиг в 1,5 раза покрытий, полученных при высокоскоростной наплавке, по сравнению с основным материалом связано как с высокими механическими свойствами покрытия, так и с измененными свойствами поверхностного слоя стали. Что получилось в результате нагрева слоя лучом лазера выше критической точки фазового перехода в аустенит и при высокой скорости охлаждения перехода в мартенситную структуру с небольшим количеством остаточного аустенита.
В табл. 3 приведены результаты трибологических испытаний образцов, полученных с применением процесса высокоскоростной лазерной наплавки, а также эталонных образцов из материала основы без наплавленного слоя.
Проведенный анализ результатов испытаний показал, что интенсивность изнашивания покрытий, наплавленных по режиму 1 (с большей скоростью сканирования луча) и по режиму 2 была в 3, 2 и 2,25 раза ниже по сравнению с материалом основы соответственно. Коэффициенты трения для покрытий по режимам 1 и 2 были значительно ниже по сравнению с парой трения сталь 38ХН2МЮА – Баббит Б83.
Заключение
В данной работе представлены экспериментальные результаты высокоскоростной лазерной обработки с целью нанесения поверхностного слоя и повышения износостойкости контактных зон металлических изделий. Обработка лучом с диаметром от 1 мм до 3 мм позволила расплавлять металлический порошок и тонкий поверхностный слой на глубину 40–60 мкм за один проход. При использовании лазера мощностью до 6 кВт получена возможность высокоскоростной наплавки металлических изделий с толщиной слоя 50–700 мкм. Полученные результаты демонстрируют технологическую возможность нанесения покрытий на тела вращения без образования дефектов в виде пор и трещин. Преимуществами такого метода нанесения покрытий по сравнению с высокоскоростным напылением и гальваническим осаждением является высокая прочность сцепления наплавленного слоя с подложкой до 690 МПа и износостойкость покрытий, которая была в 3, 2 и 2,25 раза выше по сравнению с основным материалом. Значения коэффициента трения покрытий оказались значительно ниже тех, что были полученыдля пары трения «сталь-баббит».
Технология высокоскоростной лазерной наплавки может применяться при оснащении оборудованием ООО «ВПГ Лазеруан» серийных токарных станков. В этом случае появляется возможность не только механической обработки, но и нанесения покрытий для целей восстановления исходной геометрической формы изношенных деталей, а также улучшения качества поверхности новых деталей.
REFERENCES
Wang K., Du D., Liu G., Pu Z., Chang B., Ju J. A study on the additive manufacturing of a high chromium Nickel-based superalloy by extreme high-speed laser metal deposition. Optics & Laser Technology. 2021;133:106504. https://doi.org/10.1016/j.optlastec.2020.106504.
Ding Y., Du C., Wang X., Zhang B. Microstructure and interfacial metallurgical bonding of 1Cr17Ni2/carbon steel extreme high-speed laser cladding coating. Advanced Composites and Hybrid Materials. 2021; 4; 205–211. https://doi.org/10.1007/s42114-020-00194‑w.
Shen F., W. Tao, Li L., Zhou Y., Wang W., Wang S. Effect of microstructure on the corrosion resistance of coatings by extreme high speed laser cladding. Applied Surface Science. 2020; 517; 146085. https://doi.org/10.1016/j.apsusc.2020.146085.
Yuan W., Li R., Chen Z., Gu J., Tian Y. A comparative study on microstructure and properties of traditional laser cladding and high-speed laser cladding of Ni45 alloy coatings. Surface and Coatings Technology. 2020; https://doi.org/10.1016/j.surfcoat.2020.126582.
Jian Y., Liu Y., Qi H., He P., Huang G., Huang Z. Effects of scanning speed on the microstructure, hardness and corrosion properties of high-speed laser cladding Fe-based stainless coatings. Journal of Materials Research and Technology. 2024; 29; 3380–3392. https://doi.org/10.1016/j.jmrt.2024.02.087.
Tuominen J., Kiviö J., Balusson C., Raami L., Vihinen J. Peura P. High-speed laser cladding of chromium carbide reinforced Ni-based coatings. Welding in the World. 2023; 67; 2175–2186. https://doi.org/10.1007/s40194-023-01557-9.
Du C., Hu L., Ren X., Li c Y., Zhang F., Liu P., Li Y. Cracking mechanism of brittle FeCoNiCrAl HEA coating using extreme high-speed laser cladding. Surface & Coatings Technology. 2021; 424; 127617. https://doi.org/10.1016/j.surfcoat.2021.127617.
Liu J., Li Y., Tan N., Hu Z., Zhou Y., Deng Q., Zhang G., Lu Z. Microstructure and properties of the solid solution ceramic coating by highspeed laser cladding. Optics & Laser Technology. 2023; 158;108792. https://doi.org/10.1016/j.optlastec.2022.108792.
Yang Z., Jian Y., Chen Z., Qi H., Huang Z., Huang G., Xing J. Microstructure, hardness and slurry erosion-wear behaviors of high-speed laser cladding Stellite 6 coatings prepared by the inside-beam powder feeding method. Journal of materials research and technology. 2022; 19; 2596–2610. https://doi.org/10.1016/j.jmrt.2022.06.025.
Kuksenova L. I., Lapteva V. G., Kolmakov A. G., Rybakova L. M. Metody ispytanij na trenie i iznos. – M.: Izd-vo Intermet Inzhiniring, 2001. 152 s.
Куксенова, Л.И., Лаптева В. Г., Колмаков А. Г., Рыбакова Л. М. Методы испытаний на трение и износ. – М.: Изд-во Интермет Инжиниринг, 2001. 152 с.
АВТОРЫ
Хриптович Евгений Владимирович, руководитель группы лазерной наплавки и термообработки, ООО «ВПГ Лазеруан»; e-mail: eHriptovich@VPGlaserone.ru; г. Фрязино, Моск.обл., Россия
ORCID 0000-0001-9935-1414
Бирюков Владимир Павлович, ведущий научный сотрудник, к. т. н., Институт машиноведения им. А. А. Благонравова РАН; e-mail: laser‑52@yandex.ru; Москва, Россия
ORCID 0000-0001-9278-6925
Захаров Александр Сергеевич, инженер-технолог ООО «ВПГ Лазеруан», г. Фрязино, Моск.обл., Россия
ORCID 0009-0004-1581-8830
Башлаев Владимир Сергеевич, инженер-технолог ООО «ВПГ Лазеруан»
ORCID 0009-0001-2517-6753
Мясников Даниил Владимирович, Заместитель генерального директора по перспективным исследованиям и разработкам, ООО «ВПГ Лазеруан», e-mail: dMyasnikov@vpglaserone.ru; г. Фрязино, Моск.обл., Россия
ORCID 0009-0008-2669-5484
Горюнов Ярослав Алексеевич, младший научный сотрудник, Институт машиноведения им. А. А. Благонравова РАН, Москва, Россия
ORCID 0009-0002-1614-0174
eng



