Національний технічний університет України

"Київський політехнічний інститут"

Скрипка Наталія Миколаївна

УДК 621.375.826:621.791.92:532.782.002.61

ОДЕРЖАННЯ ШЛЯХОМ ЛАЗЕРНОЇ ДІЇ БОРВМІСНИХ

АМОРФНО-МІКРОКРИСТАЛІЧНИХ ПОКРИТТІВ

З ПІДВИЩЕНИМИ СЛУЖБОВИМИ ХАРАКТЕРИСТИКАМИ

Спеціальність: 05.03.07 – Процеси фізико-технічної обробки

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

Київ - 2002

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана у відділі процесів плавки та рафінування сплавів Фізико-технологічного інституту металів та сплавів НАН України.

Науковий керівник: кандидат технічних наук,

Лихошва Валерій Петрович

Фізико-технологічний інститут

металів та сплавів НАН України,

старший науковий співробітник.

Офіційні опоненти: доктор технічних наук, професор,

Білоцький Олексій Васильович

Національний технічний університет України

"Київський політехнічний інститут",

професор кафедри фізики металів;

доктор фізико-математичних наук,

Куницький Юрій Анатолійович,

Технічний центр НАН України,

зав.відділом фізики наноструктурних матеріалів.

Провідна установа: Інститут електрозварювання ім. Є.О.Патона НАН України, секц. № 23, м.Київ.

Захист відбудеться "18" березня 2002 р. 1500 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 26.002.15 при Національному технічному університеті України "Київський політехнічний інститут" Міністерства освіти і науки України за адресою: 03056, м.Київ, пр. Перемоги, 37, корп.19, ауд.417.

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

Автореферат розісланий 16 лютого 2002 р.

Вчений секретар

спеціалізованої вченої ради Д 26.002.15

д.т.н., професор Головко Л.Ф.

Загальна характеристика роботи

Актуальність теми. Проблема підвищення ресурсу виробів, що працюють в умовах зносу та в агресивних середовищах, зберігає свою актуальність на сучасному етапі розвитку техніки. Одним із способів вирішення даної проблеми є одержання високоякісних покриттів на поверхнях деталей. Для цього усе частіше використовуються локальні методи впливу із застосуванням висококонцентрованих джерел енергії, таких як лазерне випромінювання, плазмова дуга, електронний промінь та ін. Одним із найбільш перспективних методів є лазерне наплавлення, яке полягає в одержанні поверхневих покриттів на деталях із порошкових матеріалів за допомогою лазерного променя. Висока продуктивність цього процесу, можливість регулювання теплових режимів наплавлення, одержання покриттів товщиною від десятків мікрометрів до кількох міліметрів навіть на обмежених ділянках виробів, зумовлює високу універсальність лазерного наплавлення, дозволяє наносити покриття із широким спектром службових властивостей.

В останні роки спостерігається зростаючий інтерес до ультрадисперсних матеріалів, яким притаманний комплекс унікальних фізико-хімічних властивостей. Зокрема, вироби і захисні покриття з аморфною, нано- або мікрокристалічною структурою мають високі корозійну стійкість, зносостійкість, особливі магнітні властивості, підвищену твердість та ін. Тому особливу увагу інтерес привертає лазерна обробка, в результаті якої після розплавлення і наступного швидкого охолодження в тонкому поверхневому шарі матеріалу формується аморфна або гетерогенна мікрокристалічна структура. Практично невикористаним резервом є застосування бінарних і багатокомпонентних покриттів з аморфно-мікрокристалічною структурою для захисту традиційних металевих матеріалів від дії зовнішніх чинників. Дослідження в даній області дозволять з нових позицій підійти до проблеми підвищення терміну експлуатації виробів, що працюють в умовах зносу та в агресивних середовищах.

Зв'язок дисертації з науковими програмами, планами, темами. Дисертаційна робота виконана у відділі процесів плавлення і рафінування металів Фізико-технологічного інституту металів і сплавів НАН України в рамках планів науково-дослідних робіт: держбюджетної теми "Дослідження фізико-хімічних і тепломасообмінних процесів, розробка технологій обробки чорних і кольорових металів газовими струменями, в тому числі високоентальпійними, у комбінації з іншими методами дії на розплав", шифр теми 1.6.5.389, виконувалася відповідно до Постанови бюро ВФТПМ НАН України від 11.06.96, протокол № 9; теми з фундаментальних досліджень "Вивчення фізико-хімічних процесів у мікрометалургійній ванні при високих швидкостях нагрівання й охолодження багатокомпонентних сплавів", шифр теми 4.04.0589, виконувалася відповідно до Наказу Міністерства науки та освіти України № 72 від 17.03.97 за договором № Ф4/219-97.

В ході виконання перерахованих робіт пошукач приймав активну участь у розробці плану і методики досліджень, науковій і технічній підготовці і проведенні експериментів, опрацюванні й узагальненні результатів, упорядкуванні й оформленні звітної документації.

Мета роботи і задачі дослідження. Робота присвячена дослідженню процесу лазерного наплавлення з метою розробки технології нанесення покриттів, що мають аморфно-мікрокрис-талічну структуру з комплексом підвищених фізико-механічних і експлуатаційних властивостей. Об'єктом досліджень є процеси, що відбуваються при лазерному наплавленні багатокомпо-нентних евтектичних систем, які мають схильність до аморфізації. Предметом досліджень є визначення оптимальних технологічних режимів нанесення багатокомпонентних покриттів за допомогою лазерного випромінювання, за яких формується аморфно-мікрокристалічна структура з підвищеною корозійно- та зносостійкістю, високою міцністю зчеплення з основою.

Для досягнення поставленої мети слід було вирішити такі задачі:

- теоретично й експериментально дослідити процес формування аморфно-мікрокристалічних покриттів на основі багатокомпонентних евтектичних систем при різних технологічних параметрах лазерного наплавлення;

- дослідити вплив технологічних режимів лазерного наплавлення на структуру і службові властивості формованих аморфних і мікрокристалічних покриттів;

- розробити технологічні основи лазерного наплавлення аморфно-мікрокристалічних покриттів із комплексом підвищених фізико-механічних властивостей;

- провести дослідно-промислову апробацію розробленої технології.

Для вирішення поставлених задач застосовані такі методи досліджень:

- математичні розрахунки оптимальних умов нагріву та охолодження багатокомпонентних систем, що базуються на теорії теплообміну;

- математичне моделювання процесів формування аморфно-кристалічної структури для оптимізації технологічних режимів лазерного наплавлення;

- експериментальні методи для визначення закономірностей структуроутворення багатокомпонентних покриттів на основі металів групи заліза та їх фізико-хімічних властивостей, відпрацювання режимів нанесення та розробки рекомендацій з практичного застосування.

Наукова новизна отриманих результатів полягає в нижчезазначеному:

- вирішено теплофізичну задачу оптимізації процесів лазерного наплавлення покриттів з евтектичних сплавів, що дозволяє прогнозувати структурний стан швидкоохолодженого матеріалу; виконано математичний опис процесу формування аморфної структури при лазерному наплавленні матеріалів і отримано аналітичні залежності, що характеризують можливість одержання аморфної структури в залежності від швидкості охолодження при нанесенні покриттів за допомогою лазерного наплавлення;

- встановлено закономірності структуроутворення в наплавленних покриттях на основі металів групи заліза в залежності від режимів лазерного наплавлення;

- встановлено закономірності зміни фізико-хімічних властивостей покриттів у залежності від режимів їх формування;

- вперше показано, що завдяки формуванню в аморфній матриці дендритів метастабільних фаз певної морфології, оріентованих вздовж теплового градієнта та рівномірно розподілених в покритті, досягається їх висока зносостійкість;

- встановлено, що аморфно-мікрокристалічні покриття мають більш високу корозійну стійкість, ніж мікрокристалічні та більшу зносостійкість, ніж аморфні покриття. Тобто аморфно-мікрокристалічні покриття можуть класіфікуватися як проміжна структура, що має достатньо високі як корозійні, так і зносостійкі властивості;

- оптимізовано технологічні режими одержання покриттів на основі d-перехідних металів з аморфно-мікрокристалічною структурою за допомогою лазерного випромінювання.

Практичне значення отриманих результатів. Розроблено технологію нанесення аморфно-мікрокристалічних покриттів за допомогою лазерного випромінювання. Визначено раціональні режими лазерного наплавлення з метою одержання структури із заданими властивостями. В результаті проведених досліджень було підтверджено високі експлуатаційні характеристики покриттів на основі FeB. Розроблено технологічний процес і схему лазерного наплавлення для деталей енергетичної трубопроводної арматури. Підвищено експлуатаційну стійкість робочих поверхонь частин, що замикають клапани, у 1,5-2 рази на НВВП "Енергоінжінірінг" (м.Донецьк). Дослідно-промислова перевірка результатів досліджень показала високу ефективність впровадження розроблених технологічних покриттів.

Особистий внесок пошукача: участь у розробці математичної моделі для дослідження теплових процесів лазерного наплавлення; участь у розробці математичного опису процесу утворення аморфної структури при лазерному наплавленні матеріалів, проведення серії обчислювальних експериментів, опрацювання, аналіз і узагальнення отриманих результатів; участь в експериментальних дослідженнях з вивчення властивостей одержаних покриттів; розробка рекомендацій з раціональних режимів технологічного процесу; участь у розробці технологічного процесу і схеми лазерного наплавлення покриттів з FeNiB на робочі поверхні частин, що замикають клапани.

Автор висловлює глибоку вдячність академіку НАН України Найдеку В.Л. та член-кор. НАН України Переломі В.О. за підтримку і допомогу в підготовці дисертаційної роботи.

Апробація результатів роботи. Основні положення і результати дисертації доповідалися та обговорювалися на Науково-технічній конференції "Виробництво і ремонт механізмів і машин в умовах конверсії" (Крим, 1995), 3-й Міжнародній науково-технічній конференції "Нетрадиційні електромеханічні й електричні системи" (Крим, 1997), Міжнародній науково-технічній конференції "Ливарно-металургійні процеси. Нові технології, матеріали й устаткування" (Київ, 1998), Міжнародній науково-технічній конференції "Перспективні матеріали" (Київ, 1999), 1-й Всеукраїнській науково-технічній конференції молодих вчених "Зварювання і суміжні технології" (Ворзель, 2001), 2-й Європейській конференції "Перспективні матеріали і технології" (Бухарест, 2001).

Публікації. За темою дисертаційної роботи опубліковано 3 статті у провідних фахових виданнях України, 1 препринт і 6 публікацій за матеріалами доповідей на науково-технічних конференціях.

Структура й обсяг роботи. Дисертація складається із вступу, п’яти розділів, загальних висновків, списку використаних літературних джерел із 110 найменувань, 2 додатків. Дисертаційна робота містить 109 сторінок машинописного тексту, 57 рисунків, 11 таблиць, 29 формул.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ роботи

У вступі розкривається суть, стан та актуальність наукової проблеми. Обгрунтовано вибір об'єкта дослідження – багатокомпонентних аморфно-мікрокристалічних покриттів на основі евтектичних систем. Сформульовано мету і задачі дослідження, коротко розглянуто методи дослідження. Зазначено наукову новизну і практичне значення отриманих результатів. Наведено дані про особистий внесок пошукача, апробацію результатів роботи, публікації, структуру та обсяг дисертації.

У першому розділі наведено аналіз літературних даних щодо сучасних методів отримання аморфних і мікрокристалічних металевих сплавів, їх фізико-хімічних властивостей, впливу методів отримання на структуру та властивості матеріалів. Одним із перспективних напрямків використання аморфно-мікрокристалічних сплавів є нанесення їх на конструкційні матеріали в якості покриттів. Доведено, що процес лазерного газопорошкового наплавлення є ефективним методом нанесення високотехнологічних покриттів. У першу чергу це обумовлено локальністю процесу і можливістю дозування енергії, що вводиться в матеріал, керованою зміною швидкості нагріву та охолодження.

Значний внесок у розвиток технології формування нерівноважних систем за умов надшвидкого охолодження внесли роботи А.П.Шпака, Ю.С.Борисова, Г.П.Брехаря, В.В.Савіна, В.В.Маслова, Ю.А.Скакова, В.С.Коваленко, Л.Ф.Головко, М.В.Кіндрачука, Н.М.Фіалко, В.М.Похмурського, В.Ф.Башева. Ними запропоновано різні способи нанесення покриттів, математичні моделі теплових і гідродинамічних процесів, встановлено закономірності зміни характеристик наплавлених шарів від технологічних режимів нанесення.

Однак питання, які пов’язані з отриманням покриттів з аморфно-мікрокристалічною структурою, вивчались недостатньо. Роботи, що проводились в цьому напрямку спрямовані, в основному, на аморфізацію поверхні матеріалів за допомогою лазерного випромінювання. Аналіз робіт, виконаних в цій області, показав, що досі немає повного уявлення про процес аморфізації при лазерному нанесенні покриттів; не вивчені можливості застосування цієї технології для одержання покриттів з аморфізованою структурою, які мають високі службові характеристики.

Наприкінці першого розділу поставлено задачі дослідження.

У другому розділі обгрунтовано вибір матеріалів для нанесення покриттів за допомогою лазерного випромінювання. Базовим експериментальним обладнанням був лазерний технологічний комплекс "Комета-2М" з номінальною потужністю 1кВт. Для фокусування випромінювання використовувалась лінза з фокусною відстанню F = 300 мм. Порошок, що наплавлявся, подавався під кутом 45 градусів відносно напрямку руху зразка. Теплове джерело рухалось зі швидкістю 2…10 мм/с, що забезпечувало отримання наплавочних валиків шириною 0,5…1,5 мм і висотою до 1 мм. Обробка виконувалась у середовищі захисного газу (аргону).

Для мікроструктурних досліджень виготовлялися шліфи у перпендикулярному до площини лазерної обробки перерізі.

Дюраметричні дослідження проводили на мікротвердомірі "ПМТ–3" із застосуванням статистичної обробки отриманих даних.

Структурно-фазові дослідження покриттів виконувались на мікроскопі "Karl Zeiss Jena", рентгенівському дифрактометрі "ДРОН–3" в монохроматизованому Fe-K і Мо-K випромінюванні та рентгенівському мікроаналізаторі КХА-733.

Для визначення корозійної стійкості зразків із покриттями, отриманими при лазерному наплавленні, використовувався потенціостатичний метод за допомогою електронного потенціостата Н-5848М. Швидкість корозії визначалась за анодними та катодними вольтамперними кривими. Величину рН середовища змінювали від 4,5 до 9,5.

Зносостійкі властивості визначалися на машині тертя конструкції ІПЛ НАНУ. У якості об'єктів використовувались порожнисті циліндричні зразки, які труться торцями з площею контакту 10-4 м2, коефіцієнтом перекриття 1, швидкістю ковзання 0,12 м/хв та межах навантажень від 5 до 20 МПа. Величину зносу визначали за зміною маси, використовуючи аналітичні терези ВЛА-200М з точністю 10-4 г.

Комп'ютерне моделювання здійснювалось із використанням ПЕОМ ІВМ–ХТ/АТ з процесором Pentium.

У третьому розділі представлено результати математичного моделювання процесів теплопереносу та кристалізації в покриттях, що наплавлялися за допомогою лазера. Дослідження проводили шляхом спільного розв'язання теплової та кінетичної задач. Теплова задача сформульована для нагріву та охолодження двошарових матеріалів з різними теплофізичними характеристиками об'ємним джерелом теплоти при постійному розподілі інтенсивності випромінювання в плямі нагрівання. При постановці теплової задачі припускали, що тепловий потік від розплаву до підкладенки є односпрямованим. З цими припущеннями отримували систему диференційних рівнянь, яку розв'язували за допомогою математичних методів. В ході виконання обчислювальних експериментів встановлено температурні режими і швидкості нагріву й охолодження для різних технологічних режимів обробки. Встановлено, що зі збільшенням швидкості руху лазерного струменя швидкості нагріву та охолодження в поверхневих шарах збільшуються. Наприклад, при густині потужності 3 104 Вт/см2 зі збільшенням швидкості руху лазерного струменя від 6 до 10 мм/с швидкість охолодження збільшується від 1,8 105 до 2,7 106 К/с та від 1,3 105 до 2,5 106 К/с на глибинах 50 та 100 мкм відповідно.

Аналізується сутність процесу аморфізації, яка полягає у подавленні процесу епітаксійного зародкоутворення при охолодженні розплаву. Для прогнозування процесу аморфізації використовували структурний, кінетичний та термодинамічний критерії. Структурний - пов'язаний із геометрією розташування атомів, особливостями їхнього зв'язку і впливу атомних розмірів. Кінетичний критерій враховує вплив швидкості охолодження на кінетику кристалізації і прогнозує на цій основі можливість аморфізації. За допомогою структурного та термодинамічного критеріїв було обрано хімічний склад сплавів для нанесення покриттів. Можливість утворення аморфного шару оцінювали виходячи з кінетики кристалізації. При моделюванні кристалізаційних явищ вважали, що відбувається гомогенна кристалізація розплаву. Згідно з кінетичним критерієм аморфізації розраховано теоретичну швидкість росту кристалічного зародка:

де r(t) – радіус кристалічного зародка; R – максимальний радіус кристалічного зародка; 0 – дебаєвська частота коливань; U – енергія активації переміщення атома; kT – теплова енергія; d – характерний розмір, який відноситься до одного атому; Tk – температура фазового переходу; h0 – теплота фазового перетворення на один атом; vохол. – швидкість охолодження розплаву.

У розплаві формуються і швидко ростуть кристалічні зародки, тобто йде процес кристалізації, якщо радіус кристалічного зародка набагато більше від розміру кристалічної

Рис.1. Кінетика росту кристалічного зародка за різних швидкостей охолодження

Рис.2. Залежність відношення максимального радіуса зародка до атомного радіуса від швидкості охолождення розплаву | гратки. Якщо радіус зародка менший або одного порядку з розмірами кристалічної гратки, то відбувається аморфізація сплаву.

Типові залежності розміру зародка від швидкості охолодження наведено на рис.1. Встановлено, що при швидкості охо-лодження менш 105 К/с відбувається кристалізація розплаву, а при швидкості охолодження більш 105 К/с йде аморфізація розплаву (рис.2).

Четвертий розділ присвячений вивченню фізико-ме-ханічних характеристик лазер-них покриттів, закономірностям їх взаємозв'язку з режимами на-несення. На рис. наведені рентгенограми покриттів, отри-маних із порошку Fe-Ni-B, в інтервалі кутів 2? = 20є…80є (? – кут Вульфа-Брегга). Аналіз рентгенограм показує, що структура приповерхневих ша-рів залежить від режимів на-плавлення. Наплавлені покрит-тя, отримані за швидкостей охолодження порядку 10 К/с, мають, в основному, кристаліч-ну структуру (рис.3, в) і скла-

даються з твердого розчину (+)-(Fe-Ni) і боридів (Fe,Ni)3-В із тетрагональною (4, а = 0,863 нм; c = 0,437 нм) і ромбічною (ДО11-Рbmn, а = 0,441 нм, b = 0,522 нм, с = 0,662 нм) структурами. У покриттях, отриманих при швидкості охолодження 105 К/с, фіксуються метастабільні фази тетрагонального та орторомбічного боридів Мe3B і розчин - та -заліза, й "аморфне гало" відносно малої інтенсивності (рис.3, б).

|

а

б

в

Рис. . Фрагменти рентгенограм покриттів і мікроструктури (800) поверхневих шарів Fe40Ni40B20, нанесених при різних технологічних режимах:

а – Q = 0,15 г/с, v = 6 мм/с; б – Q = 0,25 г/с, v = 6 мм/с; в – Q = 0,25 г/с, v = 4 мм/с

Покриття, отримані за швидкостей охолодження понад 105 К/с, у поверхневому шарі мають аморфну і кристалічну складові структури (рис.3, а). На основі структурного аналізу можна припустити, що при нанесенні однієї смужки наплавочного шару на металеву основу на поверхні виникає аморфний шар, але при наступному нагріванні (яке виникає при нанесенні сусідньої смужки наплавочного шару) відбувається часткова кристалізація наплавки. Це підтверджується тим, що на поверхні наплавочного шару утворюється тетрагональний, а не орторомбічний борид. Тобто кристалізація проходить не з розплаву, а з аморфного стану.

Аналогічні результати отримані і для покриттів системи Fe-Mo-Cr-В.

У наплавленому шарі розрізняють кілька областей з різною мікроструктурою і величиною мікротвердості. Верхній шар – аморфний, він погано травиться і має величину мікротвердості 9…10 ГПа для Fe-Mo-Cr-B і 6…7 ГПа для Fe-Ni-B. Середній шар має величину мікротвердості 7…8 ГПа для Fe-Mo-Cr-B і 5…6 ГПа для Fe-Ni-B. Нижня зона має дрібнозернисту структуру, що пояснюється впливом металевої підкладки, але при цьому величина мікротвердості різко зменшується до 1,5 ГПа, яка характерна для мікротвердості підкладки.

Рис.4. Типові профілі розподілу елементів у

перехідній зоні покриття Fe-Mo-Cr-B – основа.

а) Q = 0,2 г/с, v = 2 мм/с; б) Q = 0,2 г/с, v = 4 мм/сФрактометричні дослідження та локальний рентгенівський мікроаналіз системи покриття-ос-нова показують, що покриття мають металургійний зв'язок з підкладкою за рахунок дифузійних процесів, які відбу-ваються під час лазерного впли-ву (рис.4). Дифузійна зона пере-хідного шару досить широка і становить ~50 мкм, а її структур-ні особливості суттєво залежать від швидкості охолодження.

В табл. наведені основні результати дослідження втрати маси зразків при випробуванні на знос. З них видно, що найбільша зносостійкість у зразків з мікрокристалічною структурою (1-2). Зразки з аморфною структурою поверхні (5-6) мають в 1,5…2 рази більшу втрату маси, ніж зразки з мікрокристалічною структурою.

Тобто, при зменшенні швидкості руху лазерного променя і

збільшенні кількості порошку, що подається в зону обробки, а отже при зменшенні швидкості охолодження, величина зносу покриттів зменшується, оскільки в цьому разі формується мікрокристалічна структура. Механізм підвищення зносостійкості полягає в формуванні в аморфній матриці дендритів метастабільних твердих фаз певної морфології.

Таблиця 1

Зносостійкість покриттів Fe-Ni-B і Fe-Mo-Cr-B, нанесених за різних технологічних умов

Знос, (10)-3 г/см2км

Fe-Ni-B | Fe-Mo-Cr-B

Режим | Навантаження, МПа | Режим | Навантаження, МПа

нанесення | 5,1 | 10,2 | 15,3 | нанесення | 5,1 | 10,2 | 15,3

Q = 0,25 г/с; v = 4 мм/с | 0,45 | 1,38 | 1,48 | Q = 0,2 г/с; v = 2 мм/с | 0,22 | 0,67 | 1,12

Q = 0,25 г/с; v = 5 мм/с | 0,81 | 1,63 | 1,87 | Q = 0,2 г/с; v = 3 мм/с | 0,43 | 0,65 | 1,33

Q = 0,25 г/с; v = 6 мм/с | 0,78 | 1,80 | 2,23 | Q = 0,2 г/с; v = 4 мм/с | 0,68 | 1,12 | 2,07

Q = 0,15 г/с; v = 4 мм/с | 1,35 | 2,24 | 2,42 | Q = 0,1 г/с; v = 2 мм/с | 0,86 | 1,24 | 2,20

Q = 0,15 г/с; v = 5 мм/с | 2,37 | 3,30 | 3,51 | Q = 0,1 г/с; v = 3 мм/с | 2,05 | 2,5 | 2,85

Q = 0,15 г/с; v = 6 мм/с | 2,75 | 3,22 | 3,35 | Q = 0,1 г/с; v = 4 мм/с | 1,85 | 2,57 | 3,05

Високими триботехнічними характеристиками володіють покриття з ультрадисперсною структурою. Результати, наведені в табл. 1 (3-4), отримані для покриттів, нанесених при швидкостях охолодження vохол.=105 К/с. Такі швидкості vохол. забезпечують формування високоміцної і порівняно пластичної аморфної матриці з рівномірно розподіленими дисперсними частками фаз, які її зміцнюють. Наявність мікрокристалічних включень в аморфній матриці підвищує твердість і різко покращує триботехнічні характеристики покриттів. У покриттів, що мають амофно-мікрокристалічну структуру, опір зношуванню тим вищий, чим більша дисперсність часток боридів і рівномірніший їх розподіл у поверхневому шарі покриття.

Досліджувані покриття мають високу корозійну стійкість (табл.2), яка істотно залежить від матеріалу наплавки, режимів їх нанесення та рН середовища. Так, у нейтральному середовищі для покриття Fe-Ni-B з аморфною структурою щільність струму корозії складає 0,56 мкА/см2, з аморфно-мікрокристалічною - 0,79 мкА/см2, мікрокристалічною - 1,77 мкА/см2. У слабколужному корозійна стійкість покриттів зменшується у 10 раз, у кислому середовищі – майже на два порядка. Покриття з Fe-Mo-Cr-В більш стійкі в кислому середовищі, ніж у лужному.

У покриттях корозія розповсюджується, в першу чергу, на ті місця, де є контакт сусідніх смужок. З метою оптимізації технології нанесення покриттів було виконано експеримент з вивчення впливу розміру перекриття смужок на корозійні властивості зразків (рис.5). За результатами цього експерименту можна зробити такий висновок: більшій корозії на стиках між смугами піддаються покриття, для яких коефіцієнт перекриття смуг становить 1…0,8. При збільшенні площі перекриття точкова корозія зменшується.

Таблиця 2

Залежність щільності струму корозії покриттів від технологічних

режимів лазерного наплавлення

Щільність струму корозії, мкА/см2

Fe-Ni-B | Fe-Mo-Cr-B

Режим нанесення | pH 4,5 | pH 7,0 | pH 9,5 | Режим нанесення | pH 4,5 | pH 7,0 | pH 9,5

Q = 0,25 г/с; v = 4 мм/с | 6,3 | 0,56 | 1,3 | Q = 0,2 г/с; v = 2 мм/с | 0,20 | 0,023 | 1,2

Q = 0,25 г/с; v = 5 мм/с | 7,9 | 0,79 | 1,8 | Q = 0,2 г/с; v = 3 мм/с | 0,79 | 0,050 | 1,7

Q = 0,25 г/с; v = 6 мм/с | 11,4 | 1,77 | 3,2 | Q = 0,2 г/с; v = 4 мм/с | 1,1 | 0,079 | 2,7

Рис.5. Вплив коефіцієнта перекриття смужок на корозійну стійкість покриттів:

І – Fe-Ni-B, ІІ – Fe-Mo-Cr-B; (а) – різниця струму між: верхом покриття і стиком між смуж-ками (); стиком між смужками і підкладенкою (); верхом покриття і підкладенкою ();

(б) – щільність струму корозії: в нейтральному середовищі (); в лужному середовищі ();

в кислому середовищі ()

Загальна щільність струму корозії покриття збільшується зі збільшенням перекриття смуг внаслідок кристалізації поверхні покриття. Оптимальним є коефіцієнт перекриття доріжки 0,8…0,7.

П'ятий розділ присвячений розробці технологічних основ нанесення покриттів на робочі поверхні сідел та запорів клапанів високого тиску (Ру ,0 МПа, Т К) за допомогою лазерного випромінювання. Проведено аналіз конструкції й умов експлуатації запірних частин клапанів, визначено оптимальні режими обробки, розроблено технологічний процес і схему лазерного наплавлення робочих поверхонь частин, що замикають клапани.

Покриття з аморфно-мікрокристалічною структурою були нанесені на робочі поверхні деталей дослідних партій, які пройшли випробування в промислових умовах. Порівняльний аналіз експлуатації оброблених деталей і деталей, отриманих за базовим технологічним процесом, показав суттєве (у 1,5 – 2,5 рази) підвищення строку служби оброблених деталей, що дало змогу отримати значний економічний ефект.

Загальні висновки

1. На базі розробленої математичної моделі теплових процесів, що відбуваються при лазерному наплавленні матеріалів на основі металів групи заліза, розраховані температурні поля у зоні обробки, швидкості нагріву та охолодження. За допомогою цих розрахунків можливо прогнозувати утворення мікрокристалічних або аморфних структур в залежності від швидкості охолодження. Це дає змогу визначати параметри лазерного випромінювання для нанесення покриттів з певною для даних умов структурою, і, відповідно, заданими фізико-механічними властивостями.

2. Експериментально встановлено, що при лазерному наплавленні внаслідок спрямованого затвердіння відбувається не повна, а лише часткова аморфізація наплавленого шару. Товщина аморфного шару залежить від теплофізичних параметрів матеріалу, що наплавляється, та швидкості охолодження в зоні обробки.

3. Визначено оптимальні умови лазерного наплавлення багатокомпонентних систем евтектичного складу, що забезпечують отримання покриттів з аморфно-кристалічною структурою з необхідним розміром наночастинок у наплавлених шарах.

4. Показано, що щільність струму корозії зразків із покриттям з аморфною структурою нижча, ніж зразків із покриттям з мікрокристалічною структурою. При цьому щільність струму корозії покриттів з аморфно-мікрокристалічною структурою незначно відрізняється від щільністі струму корозії покриттів з аморфною структурою.

5. Вперше виявлено, що спрямований ріст дендритних включень сприяє підвищенню зносостійкості наплавлених покриттів; зносостійкість мікрокристалічних покриттів більша від зносостійкості аморфних покриттів у 3…5 разів, а аморфно-мікрокристалічних – у 1,5…2 рази.

6. Покриття Fe-Ni-B та Fe-Mo-Cr-B з аморфно-мікрокристалічною структурою володіють високою корозійною стійкістю і зносостійкістю. Встановлено, що оптимальною структурою покриттів для виробів, які працюють в агресивних середовищах при терті, є аморфно-мікрокристалічна структура. Керування хімічним складом, структурою, морфологією наночастинок метастабільних твердих фаз (Fe3B, MoFe2B4) та відповідним їх розподілом в приповерхневих шарах дає можливість змінювати триботехнічні та корозійні властивості в заданому напрямку.

7. Оптимізовано технологічні режими одержання лазерних покриттів із Fe-Ni-B і Fe-Mo-Cr-B. Для отримання покриттів з аморфно-мікрокристалічною структурою швидкість переміщення лазерного випромінювання має становити 5 мм/с при подачі порошку Fe-Ni-B від 0,1 до 0,3 г/с; для Fe-Mo-Cr-B оптимальна швидкість переміщення лазерного випромінювання - 3,5 мм/с при використанні порошку до 0,25 г/с. Коефіцієнт перекриття смуг для максимальної корозійної стійкості покриттів має становити 0,7…0,8.

8. Результати роботи апробовані при вирішенні конкретного промислового завдан-ня – наплавлення робочих частин клапанів. Дослідно-промислове випробування показало підвищення строку служби вдвічі.

Перелік робіт, опублікованих за темою дисертації

1. Перелома В.А., Лихошва В.П., Скрипка Н.Н., Шатрава А.П. Оплавление шликерных покрытий из износостойких материалов лучом лазера // Металл и литье Украины. – 1996. – № 6. – С.22-25.

2. Перелома В.А., Лихошва В.П., Шатрава А.П., Скрипка Н.Н. Некоторые особенности лазерной обработки металлических материалов // Процессы литья. – 1998. – № 3-4. – С.9-16.

3. Найдек В.Л., Лихошва В.П., Скрипка Н.Н.. Свойства аморфно-микро-кристаллических лазерных покрытий // Процессы литья. – 2001. – № 4. – С.45-51.

4. Перелома В.А., Щерба А.А., Подольцев А.Д., Кучерявая И.Н., Лихошва В.П., Шатрава А.П., Скрипка Н.Н. Исследование тепловых процессов и структуры поверхностного слоя при лазерной наплавке порошковых материалов: Препр. /НАН Украины. Институт электродинамики НАН Украины; 823. – К. – 1998. – 46 с.

5. Найдек В.Л., Лихошва В.П., Скрипка Н.Н. Получение износостойких поверхностей при помощи лазерной наплавки аморфных материалов // Тезисы докладов на конф. "Производство и ремонт механизмов и машин в условиях конверсии". – Крым. – 1995. – С.99.

6. Скрипка Н.Н., Найдек В.Л., Перелома В.А., Лихошва В.П., Трощенков Ю.Н., Шатрава А.П. Исследование процессов образования и роста фаз с магнитной анизотропией в РЗМ-содержащих сплавах под действием энергии большой плотности // Матер. 3-й меж-дунар. конф. "Нетрадиционные электромеханические и электрические системы". – Крым. – 1997. – С.1255-1260.

7. Скрипка Н.Н. Исследование свойств покрытий из сплава системы Fe-Ni-B, полученных при помощи лазерного излучения // Матер. конф. "Перспективные материалы". – К. – 1999. – С.98.

8. Скрипка Н.Н. Физико-механические свойства покрытий, полученных при помощи лазерного излучения // Тезисы докладов на 1 Всеукраинской конф. молодых ученых "Сварка и смежные технологии". – К. – 2001. – С.25.

9. Skrypka N.N. The corrosion and friction resistance properties of laser coatings from Fe-Ni-B alloys // Abstracts of 2 European Conference and Exhibition on Advanced Materials and Technologies. – Bucharest. – 2001. – P.65-66.

АНОТАЦІЯ

Скрипка Н.М. Одержання шляхом лазерної дії борвмісних аморфно-мікро-кристалічних покриттів з підвищеними службовими характеристиками. Рукопис.

Дисертація на здобуття вченого ступеня кандидата технічних наук зі спеціальності 05.03.07 – процеси фізико-технічної обробки. Національний технічний університет України "Київский політехнічний інститут", Київ, 2002.

Дисертаційна робота присвячена дослідженню процесу наплавлення металевих сплавів на основі перехідних металів за допомогою лазерного випромінювання з метою розробки технології нанесення покриттів, що мають аморфно-мікрокристалічну структуру. Отримано оптимальні режими обробки, що у сукупності забезпечують формування високоякісних поверхневих шарів із прогнозованими фізико-механічними характеристиками. Наведено результати математичного моделювання теплових процесів та кінетики аморфізації покриттів при дії лазерного випромінювання. Встановлено закономірності між технологічними параметрами нанесення і структурою покриттів. Досліджено зносостійкі та корозійні властивості лазерних покриттів з багатокомпонентних сплавів, які схильні до аморфізації. Розроблено і оптимізовано технологічний процес і схему лазерного наплавлення робочих поверхонь деталей, що замикають клапани. Покриття з аморфно-мікрокристалічною структурою були нанесені на робочі поверхні дослідних партій деталей. Порівняльний аналіз експлуатації оброблених деталей і деталей, отриманих за базовим технологічним процесом, показав суттєве підвищення строку служби перших, що дало змогу отримати значний економічний ефект.

Ключові слова: покриття, аморфно-мікрокристалічна структура, лазерне випро-мінювання, сплави, зносостійкість, корозійна стійкість, експлуатаційні властивості.

АННОТАЦИЯ

Скрипка Н.Н. Получение путем лазерного воздействия борсодержащих аморфно-микрокристаллических покрытий с повышенными служебными характеристиками. 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, 2002.

Диссертационная работа посвящена исследованию процесса наплавки металличес-ких сплавов на основе переходных металлов при помощи лазерного излучения с целью разработки технологии нанесения покрытий, которые имеют аморфно-микрокристаллическую структуру.

Приведены результаты математического моделирования тепловых процессов и кинетики аморфизации покрытий при действии лазерного излучения. С помощью этой модели возможно прогнозировать получение аморфной или микрокристаллической структуры в зависимости от скорости охлаждения.

Выполнены рентгеноструктурный и фрактометрический анализ нанесенных покрытий. Показано, что в зависимости от технологических режимов лазерной обработки возможно получение различных структур. Экспериментально установлено, что при лазерной наплавке происходит только частичная аморфизация поверхности.

Установлено, что вследствие формирования в аморфной матрице дендритов метастабильных фаз, ориентированных вдоль теплового градиента и равномерно распределенных в покрытии, достигается их высокая износостойкость. Показано, что аморфно-микрокристалли-ческие покрытия по своим коррозионным свойствам приближаются к аморфным покрытиям, т.е. аморфно-микрокристаллические покрытия могут классифицироваться как промежуточная структура, которая имеет достаточно высокие как коррозионные, так и износостойкие свойства.

Экспериментально установлены зависимости между технологическими параметрами лазерного нанесения многокомпонентных покрытий эвтектического состава (скоростью движения лазерного луча и массовым расходом порошка) и толщиной наплавочного слоя, которые позволяют оптимизировать технологические параметры обработки для получения наплавочных покрытий необходимых размеров.

Оптимизированы технологические режимы получения лазерных покрытий из Fe-Ni-B и Fe-Mo-Cr-B. Для получения покрытий с аморфно-микрокристаллической структурой скорость перемещения лазерного луча должна составлять 5 мм/с при подаче порошка Fe-Ni-B от 0,1 до 0,3 г/с; для Fe-Mo-Cr-B оптимальная скорость перемещения лазерного луча – 3,5 мм/с при использовании порошка до 0,25 г/с. Коэффициент перекрытия для максимальной корозионной стойкости покрытий должен составлять 0,7…0,8.

Исходя из исследований технологических свойств покрытий, разработаны и оптимизированы технологический процесс и схема лазерной наплавки рабочих поверхностей деталей, которые запирают клапаны. Покрытия с аморфно-микрокристаллической структурой были нанесены на рабочие поверхности опытных партий деталей. Сравнительный анализ эксплуатации обработанных деталей и деталей, полученных по базовому технологическому процессу, показал существенное повышение срока службы первых, что позволило получить значительный экономический эффект.

Ключевые слова: покрытия, аморфно-микрокристаллическая структура, лазерное излучение, сплавы, износостойкость, корозионная стойкость, эксплуатационные свойства.

ABSTRACT

Skrypka N.N. The obtaining of amorphous-microcrystalline coatings contained boron with the heightened auxiliary characteristics by laser effect. The manuscript.

Dissertation for the Candidate of Science Degree in the field of technology, speciality 05.03.07 – the processes of physics-technical machining. National technical university of Ukraine "Kiev politechnical institute", Kiev, 2002.

Dissertation is devoted to research of the process of a surfacing of metal alloys on a base of transition metals by laser radiation with the purpose of development of the technology of plotting of coatings, which have amorphous-microcrystalline structure. The optimum treatment schedules are obtained which provide in aggregate creation of high-quality surface layers with the predicted physical-mechanical characteristics. The outcomes of mathematical simulation of thermal processes and kinetics of amorphization of coatings are reduced at operation of laser radiation. Regularity between technological parameters of plotting and structure of coatings are established. The hard-surface and corrosion properties of laser coatings from multicomponent alloys are researched which are inclined to amorphization. It is designed and the master schedule and scheme of a laser surfacing of working surfaces of parts is optimized which lock gates. The coatings with amorphous-microcrystalline structure were marked on working surfaces of exploratory batches of details. The comparative analysis of maintenance of the trimmed details and details obtained on a base master schedule, has shown essential rise of life expectancy first, that has allowed to receive considerable economic benefit.

Keywords: coatings, amorphous-microcrystalline structure, laser radiation, alloys, endurance, корозионная steadfastness, operation properties.