Методология проведения и результаты исследований наплавленных покрытий

Создание новых материа­лов, обладающих более высокими физико-механическими и эксплуатацион­ными свойст­вами, связано с полу­чением оптимального сочетания структур, наличия равно­мерного распределения по объему легирующих элементов, обеспечивающих высокие технологические свойства. В основе соз­дания материалов с заданными свойствами лежат два основных под­хода: изме­нение химиче­ского состава и формирование не­обходимой струк­туры материала. На этих же принципах основаны методы упрочнения по­верхностей за счет модифицирования слоя материала (без изме­нения геометрических разме­ров детали) и за счет нанесения покры­тия на по­верхность детали, когда размеры детали изменяются на величину на­несенного слоя покрытия. В первом случае изменяются или структура мате­риала в по­верхностном слое, или химический состав и распределение элемен­тов по глу­бине слоя, или, одновременно, и то, и другое. Во втором слу­чае глав­ным факто­ром, определяющим упрочнение, является выбранный материал по­кры­тия, от­личающийся от основного материала де­тали и обеспе­чивающий тре­буемые свойства поверхности.

В настоящее время используется широкий спектр упрочняющих технологий. Это по­зволяет выбирать ту техно­логию, ко­то­рая в наибольшей степени подходит для определен­ной детали и ус­ловий ее эксплуатации. Для правильного выбора метода упрочнения необ­ходимо четко представлять, как реализуется выбранная технология, и прово­дить сравни­тельный ана­лиз технологий. При разработке технологии упрочнения дета­лей прихо­дится решать ком­плексную задачу по выбору материалов, параметров техпроцесса и так далее. Реше­ние за­дачи разработки нового технологического процесса упрочнения поверх­ности и нанесения покрытия включает ряд последовательных этапов: 1) сформулировать техниче­ское задание, включающее в себя харак­теристику детали, условия ее работы, требования к ее поверхности, 2) определить уровень требуемых физико-механических свойств, обеспе­чивающих заданные характери­стики по­верхности детали, хими­ческий состав и структуру поверхност­ного слоя или мате­риал покрытия, 3) выбрать оптимальных технологический процесс, 4) определить оптимальные технологические параметры процесса. Одними из наиболее эффективных приемов повышения стойкости рабо­чих по­верхностей из­делий к изнашиванию различ­ного рода являются ме­тоды наплавки и напыления покрытий.

Проведенный нами анализ современных наплавочных и напыляемых материа­лов, а также способов воздействия на процессы формирования и кристаллиза­ции, структуру и фи­зико-механические характеристики покрытий из металлов и сплавов, позволил оценить воз­можности применения новых порошковых ма­те­риалов. Для достиже­ния указанной выше цели перспективно применение следующих материалов: 1) металлов, сплавов и ке­рамиче­ских материалов, имеющих нано - и субмик­рок­ристаллическую структуру; 2) ком­позицион­ных материалов, с включениями наночастиц, имеющих высокую темпе­ра­туру плавления; Для поверхностной обработки перспективно применение следующих процес­сов: 1) наплавка (лазерная, электронно-луче­вая, плазменная, элек­трошлаковая, электроду­говая), 2) газо­термическое напыление покрытий, 3) вакуумное нанесение покрытий, 4) комбинированные способы упрочнения по­верх­ности и нанесения покрытий. Упрочне­ние достигается путем на­правленного высокоэнергетического и модифицирующего влия­ния дисперсных тугоплавких со­единений на структуру, физико-механические и служеб­ные свойства покрытий из метал­лов и сплавов, наносимых указанными методами.

В качестве модифицирующих смесей применены порош­ковые материалы на основе субмикро- а нанокристаллических час­тиц оксидов, карбидов и боридов тугоплавких ме­тал­лов, а так же на основе нитрида кремния. В про­цессе на­несения покрытий вкрапления таких фаз в металличе­ской матрице приведет к формированию дисперсно-упрочненных слоев и повышению физико-механи­ческих и эксплуатационных свойств полу­чаемых ма­териалов. Изучение и опти­мизация про­цес­сов кристаллизации, регулирования темпера­туры расплава за счет ввода в со­став напла­вочных материалов дисперсных тугоплавких соедине­ний, модифи­цирующих мате­риал покрытий, включая измельчение их струк­туры и повыше­ние свойств, позволит проводить оптимизацию техно­логий на­плавки и напыле­ния покрытий. В качестве модифицирующих со­единений будут использованы субмикро - и нанок­ристаллические по­рошковые материалы. Та­кие порошко­вые материалы могут пред­ставлять собой как однофаз­ные сис­темы, так и много­фаз­ные композиции. Их применение позволит фор­мировать покры­тия в виде высо­кодисперсной композиции, с включе­ниями субмикро - и нанок­ристалличе­ские упрочняющих фаз. В про­цессе на­несения покрытий вкра­пления таких фаз в ме­талличе­ской матрице приведет к формированию дис­персно-уп­рочненных слоев и повышению фи­зико-механи­ческих и эксплуатаци­онных свойств полу­чаемых материалов.

Для наплавки и напыления, как правило, применяют наиболее целесообраз­ный для каж­дого конкретного случая способ нанесения покрытия, которое обладает высокой изно­со­стойкостью, коррозион­ной стойкостью или жаропрочностью. Для нанесения покрытий из порошковых материалов применялось детонационное напыление. Для реализации поверхностного упрочнения разработаны различные схемы введения порошковых композиций с субмикро- и наноразмерными упроч­няющими час­тицами при на­несении по­крытий. Технологическая схема лазерно-порошковой наплавки включает сле­дующее. Луч с плоской поляризацией диаметром 30 мм фокусируется ZnSe - линзой с фокус­ным рас­стоянием 254 мм. Угол падения луча на свариваемый металл составляет 80°. При на­плавке образец помещается на техноло­гическую плиту, служащую для фиксации де­тали. По­дача приса­дочного материала и защитного газа осуществляется через боковое со­пло. Разра­ботана схема формирования покрытий с наноразмерными уп­роч­няющими час­тицами при электродуго­вой наплавке. Упрочнение достигается путем направленного высокоэнергетического и модифици­рую­щего влияния дисперсных тугоплавких со­единений на структуру, физико-механиче­ские и служебные свойства покрытий из металлов и сплавов, наносимых методами на­плавки и на­пыления. В качестве модифицирующих смесей использовались порош­ковые модификаторов на основе сильно дисперсных час­тиц оксидов, карбидов и боридов туго­плавких металлов, а так же на основе нитрида кремния, по­лученные методом саморас­про­страняющегося высоко­тем­пературного синтеза. Проведена оценка влияния модифи­ци­рующего воздействия вводи­мых в рас­плав добавок дисперсных тугоплавких соединений, полученных различ­ными мето­дами, на процесс кристаллизации, структуру и физико-ме­ханические свой­ства покрытий, сформированных мето­дами электродуговой, электрошла­ковой, плазменно-порошковой и ла­зерно-по­рошковой наплавок, а так же методами де­то­национного напыления. Улучшение эксплуатационных свойств металлических материа­лов при различных видах лазерной по­верхностной обработки связано с целенаправленным изменением структурного фазового со­стояния и химического состава поверхностных слоев, в результате чего металлы и сплавы приобретают в локальных объемах свойства, недостижимые при традиционных методах об­работки. Для лазерной наплавки применяется непрерывный электроразрядный СО₂ лазер с рабочей мощностью излучения до 5кВт. Метод лазерной наплавки позволяет обеспечить в широком интервале точное регулирование тем­пературно-временных параметров, отвечающих условиям формирования структуры с вы­сокой твердостью. Благодаря высокой концентра­ции энергии лазерный нагрев позволяет создавать управляемый градиент температуры по сече­ниям изделия. Эти особенности лазер­ной обработки представляют интерес в связи с возмож­ностью совместить в одном техноло­гическом процессе получение композицион­ного биме­таллического материала и его термиче­скую обработку. Проведено технологиче­ское опробо­вание разработанной установки при на­плавке порошковых материалов типа Р6М5, в резуль­тате которого было установлено, что наплавленный металл, вследствие вы­сокой скорости кристаллизации, связанной с быстрым охлаждением сварочной ванны, имеет, характери­стики быстрорежущей стали Р6М5 и обла­дает высокой твердостью.

При импульсно-дуговой наплавке в ре­зультате действия по­вторяющегося переменного давления дуги при формировании на­плавляемого покрытия ме­талл сварочной ванны осуществляет постоянные возвратно-по­ступательные движения, бла­годаря периодическому силовому воздействию дуги с часто­той модуляции сварочного тока. Такое протекание технологического процесса наплавки позволяет обеспечить периодически повторяющуюся цикличность физических процессов на этапах формирования сварочной ванны и кристаллизации металла шва из расплава и способствует активному ее перемешива­нию. Рассмотренный характер физических про­цессов на этапе отдельного микроцикла со­храняется на всём протяжении процесса на­плавки. При этом активное перемешивание сва­рочной ванны содействует выравниванию её теплосодержания и обеспечивает установление требуемого количества расплавленного металла под дугой к началу действия импульса тока, способствуя уменьшению глубины проплавления. Движением металла в ванне можно эф­фективно управлять варьированием силой тока наплавки на интервале длительности им­пульса и угла наклона электрода. С увеличением силы тока импульса увеличива­ется давление дуги.

а) б)

Рис. 40. Структура компози­ции из стали с напыленным покрытием, ×100: а) на основе Ni, б) на основе Fe.

Рис. 41. Строе­ние поверхно­сти компози­ции из стали с покрытием основе никеля, напыленным способом и оплавленным до­рожкой электронным лучом.

В результате этого расплавленный металл более активно вытес­няется из под дуги в хвостовую часть сварочной ванны, увеличивая размер кратера. На интервале паузы, при уменьшении давления дуги пропорцио­нально величине силы тока паузы, сварочная ванна заполняет кратер под дугой. Это способствует активному периодическому движению металла в ванне, выравнива­нию ее теплосодержа­ния и более равномерному распределению легирующих элементов по всему объему на­плавляемого металла. Таким образом, изменяя па­раметры процесса наплавки непосредственно в её ходе, можно влиять на геомет­рические размеры формируемого покрытия: кривизну поверхности, высоту и ширину ва­лика.

При изготовлении композиционных порошковых материалов, используемых для на­несе­ния покрытий, одной из наиболее прогрессивных технологией их получения является технология самораспространяющегося высокотемпературного синтеза (СВС), которая позволяет получать частицы необходимых химического состава и раз­меров структурных элементов. Структура компози­ции из стали с покрытием, напыленным и оплавленным лазерным, электроннолучевым и электродуговым способами представлена на рисунках 40 - 41.

Заключение

Изучение и оптимизация процес­сов кристаллизации, регулирования температуры расплава за счет ввода в со­став напла­вочных материалов дисперсных тугоплавких соединений, модифи­цирующих мате­риал покрытий, включая измельчение их структуры и повыше­ние свойств, позволяет проводить оптимизацию техно­логий наплавки и напыле­ния покрытий. В качестве модифицирующих со­единений использовуются субмикро - и нанок­ристаллические порошковые материалы, которые представляют собой как однофазные, так и много­фазные композиции. Их применение позволяет фор­мировать покрытия в виде композиции, с включе­ниями субмикро - и нанок­ристалличе­ские упрочняющих фаз. В про­цессе на­несения покрытий вкрапления таких фаз в металличе­ской матрице приводит к формированию дисперсно-упрочненных слоев и повышению физико-механи­ческих и эксплуатационных свойств полу­чаемых материалов.

Установлены основные закономерности процессов формирования покрытий, модифицируемых тугоплавкими соединениями с субмикро- и нанокристаллической структурами и высокоэнергетическими методами импульсного воздейст­вия, для повышения прочностных и эксплуатационных свойств изделий, подвер­гающихся различным видам изнашивания (абразивному, ударно-абразивному, кор­розионному), в том числе работающих в условиях низкочастотного термоциклирования и климатически низких температур. а также использования в новых технологиях. Такие покрытия можно формировать по принципу постепен­ного перехода от од­ного материала к другому путем многослойного сочетания используемых компонентов.

Исследования структуры и физико-механических свойств покрытий после напыления и оплавления различными способами показали, что использование современных устройств не позволяет избежать формирования материала покрытия, не содержащего существенных дефектов, снижающих характеристики. Решить указанную проблему позволит применение технологий, совмещающих в одном цикле несколько методов формирования и обработки покрытий, а также использование новых синтезированных материалов.

Эксплуатационные показатели технических систем ответственного назначения зависят от свойств зон неразъемных соединений, одним из основополагающих показателей которых, является их структура. Указанные зоны, как правило, чаще всего склонны к появлению в них различных микродефектов, способствующих снижению живучести технических систем ответственного назначения. Проведенные исследования позволили установить связь структуры металла шва и ЗТВ сварных соединений сталей с большим числом энергетических и технологических параметров режимов сварки.

Поиск по сайту: