НАЦІОНАЛЬНИЙ ТЕХНІЧНИЙ УНІВЕРСИТЕТ УКРАЇНИ

“КИЇВСЬКИЙ ПОЛІТЕХНІЧНИЙ ІНСТИТУТ”

УДК 621.375.826

ВАЛІД ІБРАГІМ ЮСЕФ НУСІРАТ

( Королівство Иорданія )

ФОРМУВАННЯ ЗНОСОСТІЙКИХ ПОВЕРХОНЬ В УМОВАХ ЛАЗЕРНОГО НАПЛАВЛЕННЯ

С п е ц і а л ь н і с т ь: 05.03.07 - Процеси фізико-технічної обробки.

АВТОРЕФЕРАТ

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

Київ 2001

Дисертацією є рукопис.

Роботу виконано на кафедрі лазерної технології , конструювання машин та матеріалознавства Національного технічного університету

України “ Київський політехнічний інститут ”

Науковий керівник: доктор технічних наук, професор

ГОЛОВКО Леонід Федорович

Національний технічний університет України

“Київський політехнічний інститут”, професор

кафедри лазерної технології, конструювання

машин та матеріалознавства.

Офіційні опоненти: доктор технічних наук, професор

БІЛОУС Михайло В’ячеславович

Національний технічний університет України

“Київський політехнічний інститут”, завідувач

кафедрою загальної фізики та фізики твердого

тіла;

кандидат технічних наук, доцент

ОСИПЕНКО Василь Іванович ,

Черкаський інженерно-технологічний інститут,

доцент кафедри обробки матеріалів за

спецтехнологіями, м. Черкаси.

Провідна установа: Фізико-технологічний інститут металів і сплавів

НАН України, відділ процесів плавки та

рафінування сплавів, м.Київ.

Захист дисертації відбудеться 21 травня 2001 р. о 15.00 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д.26.002.15 при Національному технічному університеті України “Київський політехнічний інститут” за адресою: 03056, м. Київ, пр. Перемоги, 37, корпус 19, ауд.417.

З дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці Національного технічного університету України “Київський політехнічний інститут” за адресою: 03056, м. Київ, пр. Перемоги, 37.

Автореферат розіслано 20 квітня 2001 р.

В. о. вченого секретаря спеціалізованої ради,

доктор технічних наук, професор ФОМІЧОВ С.К.

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ.

Актуальність теми. Цілеспрямована зміна фізико-механічних властивостей поверхневих шарів деталей машин, відновлення їхніх розмірів і форми, вирощування деталей складної просторової конфігурації, так звана технологія “Rapid Prototyping”, є областю ефективного застосування лазерного газопорошкового наплавлення. Потенційними споживачами цієї технології є різні галузі промисловості, пов’язані з випуском або ремонтом устаткування, яке працює в екстремальних умовах і тому виготовляється із спеціальних, як правило, дорогих матеріалів (нафто-газопромислове, геологорозвідувальне, вугледобувне устаткування, сільськогосподарські і шляхобудівні машини, газотурбінні двигуни, автотракторна техніка і т.і.). Основними перевагами даного процесу є універсальність, можливість ощадливого і раціонального використання дорогих і дефіцитних матеріалів, ресурсо- і енергозбереження, екологічна чистота, можливість повної автоматизації. Навіть перераховані ознаки ставлять дану технологію в ряд тих, що відповідають найсучаснішим вимогам розвитку промислового виробництва.

Разом з тим, широке поширення даної технології в промисловості стримується відсутністю достатньої як технологічної, так і технічної бази процесу. Залишається недостатньою відтворюваність результатів наплавлення, не відповідає пропонованим вимогам якість наплавлених шарів Це обумовлено відсутністю ефективних методик визначення й оптимізації режимів наплавлення, науково обгрунтованих підходів до вибору наплавочних матеріалів, даних, що дозволяють прогнозувати поводження наплавлених шарів у процесі експлуатації. Не вирішені питання, що стосуються техніко - економічної доцільності застосування для наплавлення лазерного технологічного устаткування з точки зору потужності вихідного випромінювання, діапазону її регулювання і просторової структури пучка.

У зв'язку з цим наукові дослідження, спрямовані на створення технологічної бази процесу лазерного газопорошкового наплавлення, є актуальними.

Мета роботи. Підвищення надійності та ресурсу роботи деталей машин за рахунок формування з допомогою лазерного наплавлення високоякісних поверхневих шарів, які мають прогнозовані фізико-механічні властивості.

Для досягнення поставленої мети необхідно було вирішити наступні задачі:

1.Виконати аналіз фізико-хімічних процесів, що протікають при лазерному наплавленні, виявити основні фактори і параметри процесу, їхні причинно-наслідкові зв'язки.

2.Проаналізувати і визначити шляхи підвищення якості зносостійких поверхневих шарів, одержаних лазерним наплавленням.

3.Теоретично дослідити процес лазерного наплавлення, встановити його основні закономірності.

4.Проаналізувати існуючі і розробити новий науково-обгрунтований підхід до вибору порошкових матеріалів для лазерного наплавлення, розробити методологію вибору їх оптимального складу.

5.Розробити експериментальний стенд для наплавлення лазерним випромінюванням з різним розподілом потужності у плямі фокусування, методики експериментального дослідження процесу формування зносостійких поверхонь.

6.Дослідити вплив технологічних параметрів процесу на якісні характеристики поверхневих шарів, отриманих лазерним наплавленням .

7.Розробити рекомендації з застосування отриманих результатів у промисловості, удосконалення лазерного технологічного устаткування.

Наукова новизна.Процес лазерного газопорошкового наплавлення представлений як технологічна система, виявлені і визначені всі її фактори і параметри, встановлені формалізовані зв'язки між основними з них.

Розроблено спосіб газопорошкового наплавлення з застосуванням лазерного пучка, максимум інтенсивності якого зміщений у напрямку руху променя до краю плями фокусування, що забезпечує підвищення якості зносостійких поверхневих шарів.

Математичним моделюванням теплових процесів, що протікають у поверхневому шарі матеріалу при лазерному наплавленні, встановлено, що нерівномірний розподіл потужності лазерного випромінювання, у порівнянні з тими, що традиційно застосовуються (рівномірним, багатомодовим, Гаусовим), дозволяє істотно збільшити час існування рідинної фази, змінювати форму ванни розплаву в напрямку руху теплового джерела, знизити швидкості охолодження і таким чином впливати на напружений стан наплавленого шару.

Вперше запропоновано оригінальний спосіб одержання нерівномірного розподілу потужності лазерного випромінювання на поверхні обробки шляхом керування сполученням двох пучків з однаковим розподілом (поперечний перетин-коло) чи з різним (поперечні перетини – коло і кільце) в один.

Розроблено новий підхід до вибору наплавочного матеріалу, що базується на зіставленні хімічного складу обраного порошкового матеріалу з основним і допоміжним рядом легуючих елементів, встановлених для матеріалу основи за критеріями їхньої розчинності в його твердій і рідкій фазах, і прогнозуванні на цій основі, з урахуванням бази даних про вплив кожного з елементів на ту чи іншу властивість, можливого фазового складу зони сплавлення.

Встановлено, що як параметри оптимізації процесу лазерного наплавлення доцільно застосовувати товщину зони сплавлення, яка повинна бути мінімальною (0,05-0,1мм), але достатньою для утворення металургійного зв'язку і забезпечення необхідної міцності зчеплення, і мінімум питомої кількості тріщин при максимальній висоті і ширині наплавленого шару.

Показано, що застосування лазерних пучків з нерівномірним розподілом потужності в площині обробки дозволяє знизити величину залишкових напружень, виключити або звести до мінімуму процес тріщиноутворення, підвищити зносостійкість.

Практична цінність.Визначено керуючі технологічні параметри лазерного газопорошкового наплавлення та діапазони зміни їхніх значень. Розроблено рекомендації з раціонального застосування технологічної схеми подачі порошкових матеріалів. Отримано статистичні моделі процесу лазерного наплавлення, що зв'язують розмірні характеристики наплавлених шарів з технологічними параметрами, які можуть бути покладені в основу САПР ТП. Запропоновано оригінальний лазерний технологічний комплекс для наплавлення на базі двох потужніх СО2 лазерів, а також системи фокусування для одержання нерівномірного розподілу потужності в плямі фокусування. Розроблено рекомендації з використання отриманих результатів для збільшення ресурсу роботи лопаток газотурбінного двигуна, бурового інструменту, підп'ятників турбіни системи турбонаддуву дизеля.

Апробація роботи. Про основні положення роботи доповідалося на науково-технічних конференціях НТУУ “КПІ”, семінарах НДІ лазерної технології з 1999 по2001 р.р.,наукуово-технічних конференціях молодіх вчених НТУУ КПІ, ММІ “Машинобудування-2001”, 2001 р., Міжнародній науково-технічній конференції “Современные методы сборки в машиностроении и приборостроении”, м. Свалява, 2001р.

Публікації. По темі дисертаційної роботи опубліковано 5 наукових праць.

Структура і обсяг роботи. Дисертаційна робота складається із вступу, п’яти роздiлiв, загальних висновків, списку літератури зі 130 найменувань та додатку. Викладена на 148 сторінках машинописного тексту, вміщує 58 малюнків, 16 таблиць.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі обгрунтовується актуальність роботи, сформульовані основні засади, що виносяться на захист, доведено наукову новизну та практичну цінність роботи.

Перший розділ містить аналіз процесу лазерного наплавлення, пошук шляхів його удосконалення. Значна частина відмовлень машин, що працюють в умовах дії абразивних і агресивних середовищ, високих температур і тисків, безпосередньо пов'язана зі зносом контактуючих поверхонь деталей. До таких деталей, наприклад, можна віднести лопатки газових турбін; підп'ятники турбокомпресорів, цапфи бурових доліт, колінчаті і розподільні вали двигунів і таке інше.

Технологія наплавлення з використанням енергії лазерного випромінювання є ефективним способом відновлення розмірів зношених деталей чи додання їхнім поверхням визначених фізико-механічних характеристик. У першу чергу це обумовлено локальністю процесу і можливістю дозування енергії, що вводиться в матеріал.

Значний внесок у розвиток цієї технології внесли пріоритетні роботи вчених КПІ проф. Коваленка В. С. і проф. Білоцького О. В., роботи вчених ІЄЗ ім. Патона і МВТУ ім. Баумана, проф. Вільяма Стіна (Англія), доктора Конрада Висенбаха , Кройца (Німеччина) та ін.

Ними запропоновані різні способи лазерного наплавлення, математичні моделі теплових і гідродинамічних процесів, встановлені деякі закономірності зміни характеристик наплавлених шарів під впливом умов опромінення.

Однак ряд питань, що мають важливе значення як для теорії процесу, так і для практики, вирішений не цілком. У першу чергу це стосується відтворюваності розмірних і якісних характеристик наплавлених шарів, тріщиноутворення.

Аналіз робіт, виконаних у цій області, показав, що досі немає повного уявлення про процес лазерного наплавлення як технологічну систему з усіма факторами і параметрами, їхніми причинно-наслідковими зв'язками. Не досить вивчені можливості зниження тріщиноутворення шляхом керування тепловим станом поверхневого шару в умовах лазерного наплавлення. Відсутні науково обгрунтовані підходи до вибору раціональних порошкових матеріалів, методологія визначення режимів лазерного наплавлення, що забезпечують у сукупності підвищення ефективності і якості процесу.

Другий розділ.Процес лазерного наплавлення, здійснюваний шляхом інжекції газопорошкової суміші в зону дії лазерного випромінювання (рис.1), можна представити як технологічну систему. Основу цієї системи складає фізичний процес плавлення, що характеризується трьома основними параметрами: температурою і часом нагрівання, швидкістю охолодження. Керувати цими параметрами можна за допомогою ряду факторів, пов'язаних з лазерним променем, умовами реалізації наплавлення, оброблюваною деталлю та матеріалом, який наплавляється. У свою чергу, змінюючи параметри процесу наплавлення, можна керувати розмірними, якісними й експлуатаційними характеристиками поверхонь деталей. Аналіз взаємозв'язків цієї технологічної системи показав, що керуючими параметрами процесу лазерного наплавлення є: потужність і розподіл потужності в плямі фокусування, швидкість відносного руху, розмір плями фокусування, витрата і напрямок подачі порошку. Встановлено, що схема подачі порошкового матеріалу в слід лазерного променя в порівнянні з альтернативною – назустріч променю, на 25-30% економічніше з точки зору витрат енергії випромінювання і на (10-15%) – з точки зору використання порошкового матеріалу. При цій схемі практично завжди присутній шар сплавлення покриття з основою, тобто забезпечується металургійний зв'язок. При подачі порошку назустріч променю можна одержувати покриття великої товщини, до 2 мм, але при цьому важко забезпечити достатню міцність зчеплення покриття з основою. Для цього потрібні збільшені потужності лазерного випромінювання – 3-5 квт. Тому в даній роботі в якості основної прийнята перша схема наплавлення.

Аналіз лазерного наплавлення показав, що процес тріщиноутворення істотно залежить від умов опромінення. При цьому основними причинами утворення тріщин є:

термічні напруги, обумовлені високими швидкостями охолодження з рідкої фази і виникаючими при цьому великими градієнтами температур по глибині; усадочні явища; розходження у коефіцієнтах термічного розширення матеріалу основи і того, що наплавляється; не оптимально обрані режими опромінювання і склад порошкового матеріалу.

У зв'язку з цим, вивчалася можливість зміни характеру кристалізації і швидкостей охолодження в зоні наплавлення за рахунок зміни розподілу потужності випромінювання в плямі фокусування і його форми (рис.1).

Для цього проводилось чисельне моделювання двохмірного температурного поля у призматичному металевому зразку з покриттям при дії на його поверхню теплового джерела, що рухається. Теплова задача розглядалася в нелінійній постановці. Нелінійність задачі визначається залежністю теплофізичних властивостей від температури та координат, наявністю фазових переходів. Теплофізичні властивості задавалися у вигляді гіперболічних рівнянь. Аналогічно інтерполювались залежності розподілу густини потужності в плямі фокусування Wp. При розрахунку коефіцієнтів поліному враховували рівність густини потужності в плямі фокусування при різноманітному розподілі Wp.

Розподіл температури T(x,y,z,t) у зразку, який рухається зі швидкістю V вздовж осі ОХ, описується нелінійним рівнянням теплопровідності з граничними і початковими умовами:

|

де -залежності теплоємності, густини і теплопровідності матеріалів покриття та деталі від температури T; Wp(x,t) – розподіл густини потужності лазерного випромінювання у плямі фокусування; x,z,t – просторові і часові координати; -об’ємна теплоємність, що дорівнює ; - функція Дірака; Q – скрита теплота фазового перетворення; Tн – початкова температура деталі; lx,ly,lz – габарити деталі; A(T)-залежність поглинаючої здібності поверхні від температури Т; x1, z1, x2, z2 – розміри шарів матеріалу

Система рівнянь вирішувалася методом кінцевих різниць з нерівномірними кроками по просторових та часових координатах. Відповідна розрахункова схема та результати вивчення розподілу температур і швидкостей термічних циклів для різних розподілів потужності приведені на рис.2,3.

Нерівномірний розподіл потужності випромінювання в плямі фокусування, коли максимум інтенсивності зміщений у напрямку руху променя до краю плями фокусування, у порівнянні з традиційно застосовуваними (рівномірним, багатомодовим, Гаусовим), обумовлює істотне ( на 40-80%) збільшення часу існування рідинної фази (для умов розрахунку, з 0,5с до 0,9с), формування нерівномірної по глибині, витягнутої в напрямку руху теплового джерела ванни розплаву, сприяє зниженню (в 2–3 рази) швидкості охолодження (у прикладі - з 2,6х104 0С\с до 0,7х104 0С/с). Ефект впливу нерівномірного розподілу потужності підсилюється зі збільшенням швидкості наплавлення.

Такий тепловий стан поверхневого шару створює додаткові умови для релаксації термічних напружень в наплавленому шарі за рахунок пластичної деформації нижче розташованих, але ще пластичних шарів на глибині.

У роботі розроблено підхід до вибору раціонального наплавочного матеріалу, який базується на принципах, викладених у роботі Б.Б.Гуляєва “Синтез сплавів”. Алгоритм такого підходу виглядає так. Після постановки реальної задачі і формулювання вимог до властивостей покриття для матеріалу основи визначається основний і допоміжний ряд легуючих елементів за критеріями їхньої розчинності у твердій () і в рідкій фазі (), а також критерію розподілу , що представляє їх відношення. Так, для сталі умови вибору основного ряду: > 1; > 0,5 (при <0,5– елемент стає шкідливою домішкою); допоміжного: =0,01 - 1; > кр. Всі елементи, для яких при кожній , < кр, відносяться до шкідливих домішок, а у яких < 0,01 ( - не має значення)- до тих, які не змінюють механічних властивостей.

Знаючи хімічний склад матеріалу, який наплавляється, порівнюючи його з встановленим основним і допоміжним рядом легуючих елементів і спираючись на базу даних про вплив кожного з цих елементів на ту чи іншу властивість сплаву, прогнозується фазовий склад зони сплавлення і, при необхідності, корегується склад матеріалу, що наплавляється, або вибирається новий.

Третій розділ. Експериментальні дослідження проводились на спеціальному технологічному комплексі на базі потужних газових СО2 лазерів. Для завдання нерівномірного розподілу потужності в плямі фокусування і розширення діапазону зміни потужності випромінювання розроблений ЛТК має спеціальні фокусуючи системи, що дозволяють сполучати пучки як з однаковим, так і з різним розподілом інтенсивності (рис.4). Особливий інтерес являє схема, при якій у пучок з кільцевим розподілом 1 вводиться інший пучок суцільного перетину 2. Для підстроювання розміру пучка, що вводиться, застосована спеціальна телескопічна система 3. Змінюючи взаємне положення осей пучків за допомогою поворотного дзеркала 4 і фокусуючи їх однією лінзою 5, можна ефективно керувати розподілом потужності випромінювання у площині обробки 7. Паралельно в експериментах використовувалась спеціальна фокусуюча система зі сферичним дзеркалом. Особливістю цієї системи є можливість одержання різних розподілів інтенсивності при зміні кута падіння пучка на сферу і посиленні абераційних ефектів. |

При проведенні експеримен-тальних досліджень використову-валися як стандартні методики, так і оригінальні. Для виміру розподілу потужності випроміню-вання в пучку, що падає на фокусуючу лінзу, розроблений оригінальний аналізатор пучка типу рухомої системи діафрагм. Для оцінки розподілу потужності випромінювання у площині фокусування розроблена спеці-альна методика сканування поперечного перетину променя діафрагмою.Триботехнічні харак-теристики наплавлених шарів встановлювалися в процесі випро-бувань на зношування за схемою “колодка–ролик”.Залишкові на-пруги оцінювалися методом поша-рового підбурення і рентгенівсь-ким. Міцність зчеплення наплавле-них шарів з основою визначалася методом штифтів.

Четвертий розділ. З метою визначення закономірностей зміни основних характеристик наплавлених шарів (висоти, ширини, товщини зони сплавлення, мікротвердості і структури, характеру та кількості тріщин) у залежності від режимів лазерної обробки і застосовуваних порошкових матеріалів, а також встановлення діапазону варіювання факторів проводились експериментальні дослідження.

На зразки із сталі 45 і сплаву ЖС6К наплавлялися різні порошкові матеріали: сплави, які самофлюсуються, типу ПГ-СР4, ПС-12НВК, ХТН, В4С, плакований нікелем, ТіС. При цьому потужність випромінювання варіювалася в межах 0,9-3,0 кВт, швидкість обробки – 0,1 - 0,6 м/хв; розмір плями фокусування в напрямку обробки – 1 - 5 мм, витрата порошку - 0,1-0,5 г/с.

Розміри наплавлених шарів залежать від режимів опромінювання, витрати порошку і його складу. При цьому деякі залежності носять однозначний характер, інші – більш складний. Наплавлені шари з TiС практично в усьому діапазоні зміни режимів мають малі розміри, є пористими, нерівномірними по висоті, при цьому мають велику кількість тріщин. Покриття із сплавів ПГ-СР4 і ПС-12НВК,які самофлюсуються, відрізняються плавною зміною ширини наплавлених валиків зі зміною швидкості обробки і щільності потужності випромінювання. При цьому їхня твердість змінюється незначно (7000-9000 МПа), а от кількість тріщин – досить помітно. Чим більше щільність потужності і швидкість обробки, тим тріщин більше. За характером розташування тріщин можна зробити висновок, що при малих швидкостях наплавлення тріщини зароджуються в поверхневому шарі, при підвищених - у зоні сплавлення. Отримані результати дозволили визначити межі факторного простору, де завжди буде наплавлений шар і шар сплавлення ( Р 0.9 кВт, d0 4,5 мм; V 0,8 м / хв; G = 0,1 – 0,6 г/с), підтвердили доцільність застосування нерівномірного розподілу потужності у плямі фокусування і доцільність розробки науково обгрунтованої методики вибору наплавочного матеріалу, що забезпечує прогнозування структури і фазового складу зони сплавлення.

Остання була реалізована при виборі наплавочного матеріалу для розв’язання конкретної технічної задачі – одержання зносостійкого шару на поверхні жароміцного сплаву, що працює в умовах високих температур (10000С), дії агресивного середовища, високочастотних навантажень. Основою такого сплаву є Ni. Аналіз, виконаний по наведеному вище алгоритму, показав, що для одержання шару наплавлення з заданими характеристиками, без тріщин, з градієнтом механічних властивостей, який повільно знижується від поверхні в глибину, доцільно застосувати відомий порошковий матеріал ХТН, основою якого є нержавіюча сталь, а зміцнюючими фазами TiВ2 і CrВ2. На рис.5 наведені мікроструктура і розподіл мікротвердості по глибині шару наплавлення на жароміцний сплав ЖС6К. Структура ХТН являє собою голчасті евтектичні кристали зміцнюючих фаз. Про це свідчать результати оцінки розподілу легуючих елементів, дані рентгеноструктурного аналізу. Звертає на себе увагу зона сплавлення, яка має характерну структуру.Для вибору режимів лазерного наплавлення і їхньої оптимізації ставився повно- факторний експеримент. У результаті обробки даних експерименту були отримані статистичні моделі, що зв'язують основні характеристики наплавленого шару (рис.1) ширину b,(Y1), висоту hсл, (Y2) і товщину шару сплавлення hсп, (Y3) з потужністю випромінювання P,(X1), розміром плями фокусування d0, (X2), швидкістю обробки V, (X3) і витратою порошку G, (X4).

Аналіз отриманих залежностей показав, що для керування шириною наплавленого шару доцільно змінювати потужність випромінювання і діаметр плями фокусування. На висоту наплавленого шару найбільший вплив робить витрата порошку, інші фактори - приблизно рівною мірою. Товщина шару сплавлення в основному визначається потужністю лазерного випромінювання і витратою порошку. Аналіз поверхонь відгуку показав, що вони мають екстремуми, іноді – декілька. Як перший параметр оптимізації використовувалася товщина шару сплавлення, прийнята 0,05 – 0,1 мм. Таке значення товщини зони сплавлення обрано з метою забезпечення металургійного зв'язку покриття з основою, що визначає його міцність зчеплення, і виключення помітного перемішування матеріалів покриття й основи. Другим параметром оптимізації був мінімум кількості тріщин. Оптимальними режимами наплавлення є: Р=1,7 квт; dо=3,0 мм; V =0,35 м/хв; G=0,3 г/с.

Однією з характеристик якості наплавленого шару є величина і характер розподілу залишкових напружень. Як видно із залежностей, наведених на рис.6, у наплавленому шарі із сплавів, які самофлюсуються, формуються розтягуючі напруги 70 - 200 МПа, що поширюються приблизно до 2/3 його товщини. У шарі ХТН формуються стискуючі напруги (-150-160 МПа). Максимум напружень, що розтягують, припадає практично на зону сплавлення. Застосування профільованого пучка з нерівномірним розподілом інтенсивності приводить до зниження рівня напружень як розтягуючих ( у 2,2 рази), так і стискаючих (30%).

Такий же ефект спостерігається і з тріщиноутворенням. На зразках можна було бачити наплавлені шари як з тріщинами, так і без них (рис.7). Останнє забезпечується застосуванням профільованого пучка. Максимальний ефект (зниження кількості тріщин у 2-3 рази) має місце при рівнях густині потужності 2-3х104 Вт/см2 і швидкостях наплавлення 0,5-1м/хв (рис.8).

Вивчалися тріботехнічні характеристики наплавлених шарів (величина і характер зносу, коефіцієнт тертя) у залежності від складу

матеріалу покриття, навантаження, температури. Випробування проводились в умовах сухого тертя. Як видно з наведених даних (рис.9), зносостійкість наплавлених шарів не завжди корелює із твердістю. Найбільшу порівнювальну зносостійкість знайшло покриття ХТН, яке мало найменшу твердість. До того ж, воно краще працює при досить великих питомих навантаженнях ( до 9 МПа). Профілограми поверхонь тертя після випробувань показують, що при роботі наплавлень ПГ-СР4 наявні схоплювання, задери. Покриття ХТН зношується більш рівномірно. Такий ефект можна пояснити впливом на процес тертя окисних процесів, утворенням вторинних структур, здатних до самоорганізації. Порівняльні випробування покриттів, отриманих плазмовим напилюванням і лазерним наплавленням, виявили значне підвищення ( у 2 –3 рази) зносостійкості останніх.

Оцінка міцності зчеплення наплавлених шарів з основою показала, що при наявності металургійного зв'язку покриття з основою міцність зчеплення у залежності від матеріалу наплавлення складає 250-350 МПа, що більше ніж на порядок міцності плазмових покриттів. Очевидно, що в цьому випадку міцність зчеплення визначається практично міцністю самого матеріалу.

Лазерне наплавлення було апробовано при виготовленні підп'ятника турбіни системи турбонаддуву дизельних двигунів великовантажних автомобілів. Підп'ятники закордонного виробництва (фірма ”Камацу”)-спеціальний біметал; країн СНГ – цільна деталь із бронзи. Нова технологія передбачає нанесення на робочі поверхні підп'ятника , виготовленого зі сталі 45, лазерним наплавленням шару бронзи товщиною 0,5-0,6 мм. При цьому сталь 45 обрана навмисно, щоб при лазерному загартуванні, яке відбувається одночасно з наплавленням, під шаром бронзи утворився несучий шар з твердістю 60-62 HRC.

Великою проблемою у геологорозвідці, де застосовується глибоке буравлення, є ресурс роботи бурового долота, чи проходка на одне долото. В даний час у залежності від виду порід вона складає 8 - 10 м, після чого потрібна його заміна на нове. Основна причина – знос цапф, що утворять з породоруйнівним інструментом підшипник ковзання, який не змащується. Лазерне наплавлення спеціального порошкового матеріалу ПС–12НВК із добавкою В4С дозволила підвищити величину проходки на 22,5 – 58,7 %.

Наведені дані свідчать про досить високу ефективність використання отриманих у роботі результатів.

ОСНОВНІ ВИСНОВКИ

1.Процес лазерного газопорошкового наплавлення представлено як технологічну систему, виявлені всі її фактори і параметри, їх причинно-наслідкові зв'язки. Встановлено, що основними параметрами керування процесом наплавлення є: потужність лазерного випромінювання (0,9- 3 кВт), розмір плями фокусування (1- 5 мм); швидкість наплавлення ( 0,1-0,6 м/хв); витрата порошку (0,1- 0,5 г/с); напрямок подачі порошкового матеріалу. Подача порошку в слід променя відносно подачі назустріч на 25-30% економичніша по витратах енергії випромінювання і на 10-15% - по використанню порошкового матеріалу при потужностях випромінювання до 2 кВт; при потужностях випромінювання 3-5 кВт доцільно застосовувати подачу порошку назустріч променю.

2.Показано, що основними шляхами підвищення ефективності і якості лазерного наплавлення є: збільшення часу існування рідкої фази у ванні розплаву і зниження швидкості її охолодження керуванням просторовим розподілом інтенсивності теплового джерела на поверхні обробки, розробка методології визначення оптимальних режимів лазерного наплавлення і вибору раціонального порошкового матеріалу, що забезпечують у сукупності зниження тріщиноутворення і відтворюваність результатів обробки.

3.Запропоновано спосіб лазерного наплавлення з застосуванням лазерного пучка зі зміщеним максимумом інтенсивності до краю плями фокусування в напрямку руху променя. Встановлено, що нерівномірний розподіл потужності випромінювання в плямі фокусування у порівнянні з традиційно застосовуваними (рівномірним, багатомодовим, Гаусовим) дозволяє істотно збільшити (на 30-80%) час існування рідинної фази, змінювати форму ванни розплаву в напрямку руху теплового джерела, знизити в 2-4 рази, у залежності від режимів опромінювання, швидкості охолодження і таким чином впливати на напружений стан наплавленого шару.

4.Для керування характером розподілу потужності випромінювання на поверхні обробки і розширення діапазону її регулювання ( 0,2 – 3,0 кВт) запропоновано новий спосіб та відповідний комплекс, організований на базі двох СО2лазерів з різними розподілами інтенсивності випромінювання у вихідних пучках (кругове і кільцеве), і оригінальні системи фокусування, що забезпечують сполучення двох пучків, як з однаковим, так і з різним розподілом, в один.

5.Для виміру потужності і розподілу інтенсивності лазерного випромінювання у сполученому пучку розроблена оригінальна методика, спосіб і пристрій, що базуються на скануванні поперечного перерізу променя рухомою системою діафрагм.

6.Розроблено новий підхід до вибору наплавочного матеріалу, що базується на зіставленні хімічного складу обраного порошкового матеріалу з основним і допоміжним рядом легуючих елементів, встановлених для матеріалу основи за критеріями їхньої розчинності в його твердій і рідкій фазах і прогнозуванні на цій основі, з урахуванням бази даних про вплив кожного з елементів на ту чи іншу властивість, можливого фазового складу зони сплавлення.

7.Показано, що застосування лазерних пучків з нерівномірним розподілом потужності дозволяє знизити величину залишкових напружень. У наплавленому шарі сплавів, які самофлюсуються, формуються розтягуючі залишкові напруги (70 – 200 МПа), що поширюються до 2/3 його товщини. У шарі ХТН формуються напруги стиску (-150-160 МПа). Максимум розтягуючих напруг припадає на зону сплавлення. Застосування профільованого пучка приводить до зниження рівня розтягуючих напруг у 2,2 рази, стискаючих - на 30%.

8.Процес тріщиноутворення залежить від режимів опромінення, чим більше щільність потужності і швидкість обробки, тим більше тріщин. При малих швидкостях наплавлення тріщини зароджуються у поверхневому шарі, при підвищених - у зоні сплавлення. Застосування лазерного пучка з нерівномірним розподілом потужності значно знижує тріщиноутворення. Максимальний ефект при наплавленні ПС-12НВК на сталь45 (зниження кількості тріщин у 2-3 рази) наявний при рівнях густини потужності 2-3х104 Вт/см2 і швидкостях наплавлення 0,5-1м/хв.

9.Вивчення тріботехничних характеристик наплавлених шарів показало, що їхня зносостійкість не завжди корелює із твердістю. Найбільшу зносостійкість знайшло покриття ХТН, що має меншу твердість у порівнянні з ПГ-СР4 і ПС-12НВК. Покриття ХТН, яке містить пластичні фази, має у 2-3 рази вищу зносостійкість при підвищених питомих навантаженнях (до 9 МПа), працює плавно, без задирів і схоплень, що пов'язано з впливом окисних процесів, утворенням вторинних структур, здатних до самоорганізації.

10.Результати роботи апробовані при вирішенні конкретних задач промисловості – наплавленні бандажних полиць лопаток газотурбінного двигуна ( підвищення зносостійкості у 3 рази в порівнянні з плазмовим покриттям); лазерному наплавленні антифрикційного покриття на підп'ятник системи турбонаддуву дизеля, наплавленні зносостійкого шару на цапфи бурових доліт ( підвищення проходки на одне долото 30-60%).

Основні положення дисертації викладено у наступних роботах:

1.Головко Л.Ф., Роман В.В., Валид Нусират. Підвищення ефективності лазерної обробки керуванням розподілу потужності випромінювання на поверхні фокусування. Експрес-Новини. Наука, техніка, виробництво. N5-6, 1999, с.15-17.

2.Головко Л.Ф.,Коваленко В.С., Валид Нусират, Роман В.В..Фомирование износостойких поверхностей в условиях лазерной наплавки. Технологические системы.-К., 7, 1, 2001, с.24-29.

3.Головко Л.Ф.,Коваленко В.С., Валид Нусират. Возможности применения лазерного излучения для повышения износостойкости жаропрочных сплавов. Технологические системы.-К., 7, 1, 2001, с.96-103.

4.Головко Л.Ф.,Валід Нусірат, Кансо Зияд, Роман В.В. Безконтактне лазерне нагрівання локальних ділянок середовищ органічного походження. Експрес - Новини, Наука, техніка, виробництво. N15, 1999, с.23-26.

5.Нусират Валид, Дувейк Джавад Возможности применения лазерной технологии для повышения надежности тяжелонагруженных разъемных соединений. Тезисы международной конференции “Современные методы сборки в машиностроении и приборостроении”, г. Свалява, 2001, с.46-48.

АНОТАЦІЯ

Валід Нусірат.Формування зносостійких поверхонь в умовах лазерного наплавлення. Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.03.07 -”Процеси фізико-технічної обробки”. Національний технічний університет України “ Київський політехнічний інститут ”. Київ , 2001р.

Захищається спосіб газопорошкового наплавлення з застосуванням лазерного пучка з нерівномірним розподілом потужності у плямі фокусування, науково обгрунтований підхід до вибору наплавочних матеріалів і методика визначення оптимальних режимів обробки, що забезпечують у сукупності формування високоякісних поверхневих шарів із прогнозованими фізико-механічними характеристиками. Наведено результати математичного моделювання теплових процесів, що доводять доцільність застосування пучків зі зміщеним максимумом інтенсивності до краю плями фокусування у напрямку руху променя. Запропоновано спосіб одержання нерівномірного розподілу потужності у плямі фокусування. Розроблено новий підхід до вибору наплавочного матеріалу. Визначені параметри оптимізації режимів наплавлення. Показано, що застосування нерівномірного розподілу потужності та оптимальних режимів дозволяє знизити величину залишкових напружень, кількість тріщин, підвищити зносостійкість. Дано рекомендації з застосування отриманих результатів для підвищення ресурсу роботи лопаток турбін, бурових доліт, підп'ятників системи турбонаддуву дизеля.

АННОТАЦИЯ

Валид Нусират.Формирование износостойких поверхностей в условиях лазерной наплавки. Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.03.07 - “Процессы физико-технической обработки”. Национальный технический университет Украины “Киевский политехнический институт”. Киев, 2001 г.

Защищается способ лазерной газопорошковой наплавки с применением лазерного пучка с неравномерным распределением мощности в пятне фокусирования, научно обоснованный подход к выбору наплавочных материалов и методика определения оптимальных режимов обработки, обеспечивающих в совокупности формирование высококачественных поверхностных слоев с прогнозируемыми физико-механическими характеристиками.

Приведены результаты математического моделирования тепловых процессов,протекающих в поверхностном слое материала при наплавке с примененением лазерных пучков с разным распределением интенсивности в пятне фокусирования: Гауссовым, равномерным, треугольным и сравнительный их анализ, доказывающий целесообразность применения пучков со смещенным максимумом интенсивности к краю пятна фокусирования в направлении движения луча.

Предложен способ получения неравномерного распределения мощности в пятне фокусирования,базирующийся на совмещении двух пучков с различными распределениями интенсивности излучения. Предложены соответствующие оригинальные фокусирующие системы.

Разработан новый подход к выбору наплавочных материалов, базирующийся на сопоставлении химического состава наплавляемого материала с основным и вспомогательным рядом легирующих элементов,определяемых для материала основы по критериям их растворимости в его твердой и жидкой фазах.

Получены статистические модели процесса лазерной газопорошковой наплавки, связывающие размерные характеристики наплавленных слоев с основными технологическими параметрами. Определены параметры оптимизации режимов наплавки. В качестве первого параметра оптимизации предлагается использовать толщину слоя сплавления материалов покрытия и основы, в качестве второго – удельное количество трещин.

Показано, что применение неравномерного распределения мощности и оптимальных режимов позволяют снизить величину остаточных напряжений и количество трещин, повысить триботехнические характеристики наплавленных слоев, в том числе и в условиях действия повышенных удельных давлений и температур. Отмечается, что при оптимально выбранных режимах наплавки и состава наплавляемого материала прочность сцепления покрытия с основой практически определяется прочностью материала.

Приведены рекомендации по применению полученных результатов для повышения ресурса работы лопаток турбин, долот, подпятников системы турбонаддува дизеля, некоторые результаты аппробации разработанных технологий в условиях произвдства.

SAMMARY

Valid Nusirat. Wear resistant surface forming rat laser cladding. The manuscript.

The results of study of laser cladding efficiency and quality increase are presented in the paper.

It is shown that main parameters of the process are: laser power, its distribution at the machining surface, focusing spot size, treatment speed, powder slowrite and direction of its feed. At nonuniform laser power distribution with intensity maximum shift to the border of focusing spot in the direction of processing it is possible to decrease significantly the level of residual stresses at cladded layer and even to avoid the crack formation. The method of such nonuniform intensity distribution is proposed as well as the version of its technical realization. Laser industrial system based on two high power CO2-lasers is presented, which has the special unit to summerize the output of two sources radiation with different intensity distribution in one beam.

This unit allows to vary in wide range laser radiation intensity distribution in the plane of treatment and to widen the technology opportunities of laser equipment.