Комбинированная лазерно-микроплазменная наплавка порошками сплавов системы Ni–Cr–B–Si
Проведено исследование структурных особенностей наплавленных слоев порошками сплавов системы Ni–Cr–B–Si,
 полученных комбинированным лазерно-микроплазменным способом. Определены технологические преимущества
 и недостатки объединения процессов лазерной наплавки и микроплазменного напы...
Saved in:
| Published in: | Автоматическая сварка |
|---|---|
| Date: | 2012 |
| Main Authors: | , , , , , , , , |
| Format: | Article |
| Language: | Russian |
| Published: |
Інститут електрозварювання ім. Є.О. Патона НАН України
2012
|
| Subjects: | |
| Online Access: | https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/101893 |
| Tags: |
Add Tag
No Tags, Be the first to tag this record!
|
| Journal Title: | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| Cite this: | Комбинированная лазерно-микроплазменная наплавка
 порошками сплавов системы Ni–Cr–B–Si / Ю.С. Борисов, В.Ю. Хаскин, С.Г. Войнарович, А.Н. Кислица, А.Ю. Туник, Л.И. Адеева, Е.К. Кузьмич-Янчук, А.В. Бернацкий, А.В. Сиора // Автоматическая сварка. — 2012. — № 11 (715). — С. 18-24. — Бібліогр.: 10 назв. — рос. |
Institution
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine| _version_ | 1860133957900697600 |
|---|---|
| author | Борисов, Ю.С. Хаскин, В.Ю. Войнарович, С.Г. Кислица, А.Н. Туник, А.Ю. Адеева, Л.И. Кузьмич-Янчук, Е.К. Бернацкий, А.В. Сиора, А.В. |
| author_facet | Борисов, Ю.С. Хаскин, В.Ю. Войнарович, С.Г. Кислица, А.Н. Туник, А.Ю. Адеева, Л.И. Кузьмич-Янчук, Е.К. Бернацкий, А.В. Сиора, А.В. |
| citation_txt | Комбинированная лазерно-микроплазменная наплавка
 порошками сплавов системы Ni–Cr–B–Si / Ю.С. Борисов, В.Ю. Хаскин, С.Г. Войнарович, А.Н. Кислица, А.Ю. Туник, Л.И. Адеева, Е.К. Кузьмич-Янчук, А.В. Бернацкий, А.В. Сиора // Автоматическая сварка. — 2012. — № 11 (715). — С. 18-24. — Бібліогр.: 10 назв. — рос. |
| collection | DSpace DC |
| container_title | Автоматическая сварка |
| description | Проведено исследование структурных особенностей наплавленных слоев порошками сплавов системы Ni–Cr–B–Si,
полученных комбинированным лазерно-микроплазменным способом. Определены технологические преимущества
и недостатки объединения процессов лазерной наплавки и микроплазменного напыления. Показано, что разрабо-
танный способ комбинированной лазерно-микроплазменной наплавки позволяет повысить качество наносимых
слоев при сохранении основных преимуществ, характерных для лазерной порошковой наплавки.
Structural features of the Ni–Cr–B–Si alloy deposited layers produced by the combined laser-microplasma method were
investigated. Technological advantages and drawbacks of a combination of the laser cladding and microplasma spraying
processes were determined. It was shown that the developed combined laser-microplasma method allows improving the
quality of the deposited layers and preserving the key advantages characteristic of the laser powder cladding process.
|
| first_indexed | 2025-12-07T17:46:56Z |
| format | Article |
| fulltext |
УДК 621.375.826:621.793
КОМБИНИРОВАННАЯ ЛАЗЕРНО-МИКРОПЛАЗМЕННАЯ
НАПЛАВКА ПОРОШКАМИ СПЛАВОВ СИСТЕМЫ Ni–Cr–B–Si
Ю. С. БОРИСОВ, В. Ю. ХАСКИН, доктора техн. наук,
С. Г. ВОЙНАРОВИЧ, А. Н. КИСЛИЦА, А. Ю. ТУНИК, Л. И. АДЕЕВА, кандидаты техн. наук,
Е. К. КУЗЬМИЧ-ЯНЧУК, А. В. БЕРНАЦКИЙ, А. В. СИОРА, инженеры
(Ин-т электросварки им. Е. О. Патона НАН Украины)
Проведено исследование структурных особенностей наплавленных слоев порошками сплавов системы Ni–Cr–B–Si,
полученных комбинированным лазерно-микроплазменным способом. Определены технологические преимущества
и недостатки объединения процессов лазерной наплавки и микроплазменного напыления. Показано, что разрабо-
танный способ комбинированной лазерно-микроплазменной наплавки позволяет повысить качество наносимых
слоев при сохранении основных преимуществ, характерных для лазерной порошковой наплавки.
К л ю ч е в ы е с л о в а : комбинированная лазерно-микроплаз-
менная наплавка, никелевый самофлюсующийся сплав, стру-
ктура, фазовый состав, твердость, износостойкость
Для нанесения покрытий из сплавов системы Ni–
Cr–B–Si используют различные методы газотер-
мического напыления — газопламенный, плаз-
менный, детонационный. Напыление с оплавле-
нием проводят в одну (газопорошковая наплавка)
или в две последовательных стадии — напыление
с последующим оплавлением напыленного слоя.
Напыленные NiCrBSi-покрытия сохраняют основ-
ные свойства NiCrBSi-сплава (износостойкость и
коррозионную стойкость), но не имеют высокой
прочности сцепления (обычно менее 35…40 МПа).
После оплавления прочность связи слоя NiCrBSi-
покрытия с основой возрастает до 70…75 МПа [1].
Для ряда промышленных задач желательно по-
лучение прочности сцепления, максимально приб-
лиженной к прочности основного металла. Поэ-
тому в последнее время все больший интерес вы-
зывает процесс лазерного оплавления покрытий.
К преимуществам данного процесса относятся вы-
сокая термическая локальность и минимальное
влияние на основной материал, малый (5…
20 мкм) размер переходной зоны, что миними-
зирует попадание основного металла в наплав-
ленный, а также способствует измельчению
структуры материала, приводящему к повышению
механических свойств. Однако при лазерном оп-
лавлении вследствие резко неоднородного нагре-
ва, особенно покрытий толщиной более 0,5 мм,
и последующего охлаждения образуются усадоч-
ные трещины [2, 3].
В публикациях [4–6] отмечается, что харак-
терные для лазерного оплавления недостатки
могут быть устранены при комбинации плазмен-
ного и лазерного нагрева. Одним из таких про-
цессов, который объединяет преимущества лазер-
ной наплавки и микроплазменного напыления, яв-
ляется комбинированная лазерно-микроплазмен-
ная наплавка (КЛМПН) [7]. Она позволяет уст-
ранять характерные для лазерной наплавки не-
достатки (образование внутренних пор и микрот-
рещин), осуществлять подготовку обрабатывае-
мой поверхности непосредственно в процессе на-
несения материала, а также обеспечивает сплав-
ление нанесенных слоев с основным металлом.
Целью данной работы являлось исследование
структурных особенностей наплавленных слоев
порошками сплава системы Ni–Cr–B–Si (ПГ-12Н-
01 и ПГ-12Н-02), полученных КЛМПН, и опре-
деление технологических преимуществ объедине-
ния процессов лазерной наплавки и микроплаз-
менного напыления.
Методики исследования. На подложку из ста-
ли Ст3 и стали 38ХН3МФА методом КЛМПН
наносили слои порошками самофлюсующихся
сплавов (ПГ12Н-01 и ПГ12Н-02) толщиной
0,3…1,2 мм, исследовали их структуру, фазовый
состав и свойства. Для исследования полученных
наплавленных слоев применили комплексную ме-
тодику, включающую металлографию (с исполь-
зованием микроскопа «Неофот-32», оснащенного
приставкой для цифрового фотографирования),
дюрометрический анализ (твердомер М-400 фир-
мы «LECO» с нагрузками 0,25, 0,50 и 1,0 Н), рен-
тгеноструктурный фазовый анализ (РСФА), ко-
торый проводили в монохроматическом CuKα-из-
лучении на дифрактометре «ДРОН-УМ1». В ка-
честве монохроматора использовали монокрис-
талл графита, установленный на пути дифраги-
рованного пучка. Дифрактограммы снимали ме-
тодом шагового сканирования в интервале углов
20° < 2θ < 90°. Шаг сканирования составлял 0,05°,
© Ю. С. Борисов, В. Ю. Хаскин, С. Г. Войнарович, А. Н. Кислица, А. Ю. Туник, Л. И. Адеева, Е. К. Кузьмич-Янчук, А. В. Бернацкий,
А. В. Сиора, 2012
18 11/2012
время экспозиции в точке 3…7 с. Обработку дан-
ных дифрактометрического эксперимента осу-
ществляли с использованием программы для пол-
нопрофильного анализа рентгеновских спектров
от смеси поликристаллических фазовых состав-
ляющих PowderCell 2.4.
Для сравнения количества трещин в наплав-
ленных образцах ввели показатель трещинообра-
зования α, значение которого определяли в про-
центах. За нуль приняли отсутствие трещин в нап-
лавленном слое, а за 100 % — сетку трещин с
шагом 1 мм. Исследования показали, что этот по-
казатель может быть оценен по формуле α = 3/L,
где L — расстояние между трещинами, мм.
Исследование износостойкости наплавленных
слоев проводили на машине трения 2070 СМТ-1
по схеме «диск–штырь» без смазки. Образцы
диаметром 40 мм перед исследованием шлифовали
(чистота поверхности Ra 1,6 мкм). Материал кон-
тртела — сталь 45, термообработанная до твер-
дости HRC 55. Перед испытаниями проводили
приработку поверхностей, наличие которой фик-
сировали по стабилизации момента трения в паре.
Относительную износостойкость определяли по
потере массы при скоростях скольжения 1,3 м/с
в режиме ступенчатого нагружения, время испы-
таний на каждой ступени 15 c, нагрузка 0,2 кН.
Износостойкость наплавленных образцов относи-
тельно основного металла определяли на само-
дельной машине трения по системе «цилиндр–
штырь» методом сухого трения. Поскольку эта
машина представляет собой нестандартную раз-
работку, получаемые с ее помощью результаты рас-
сматривали как относительные. В качестве базового
выбрали образец из стали 38ХН3МФА после объем-
ной (печной) закалки и термообработки, имевший
твердость HRC 43…44. Измеряемый по изменению
массы (в граммах) износ образцов сопоставляли с
износом базового образца. Для повышения точнос-
ти получаемых результатов изменений увеличивали
время трения. Контртело изготавливали из твердого
сплава Т15 или стали 45, закаленной до твердости
HRC 50…55. Удельное давление устанавливали в
пределах 11… 12 МПа, количество оборотов ис-
пытуемого образца 50… 1600 мин–1, линейные ско-
рости трения 0,4…15,0 м/с. Во всех случаях взве-
шивание образцов до и после испытаний на тре-
ние проводили на аналитических весах ВПР-200
с точностью 0,0005 г.
Материалы, оборудование и принцип рабо-
ты установок. В качестве наплавляемых мате-
риалов использовали порошки никелевых самоф-
люсующихся сплавов ПГ-12Н-01 и ПГ-12Н-02 с
размером частиц 40…100 мкм (ТУ 48-19-383–84),
химический состав которых приведен в табл. 1.
Порошки, полученные распылением инертным га-
зом, имеют правильную округлую форму частиц,
приближающуюся к сферической. Фракционный
состав –40... + 100 мкм. Твердость порошка ПГ-
12Н-01 составляет HRC 36…45, Tпл = 1080 °С;
ПГ-12Н-02: HRC 46…55; Tпл = 1050 °С.
В качестве источника лазерного излучения при-
меняли СО2-лазер TR-100 (производства фирмы
«Rofin Sinar», Германия) мощностью до 10 кВт. В
экспериментах использовали излучение этого ла-
зера мощностью 2, 3 и 4 кВт совместно с мик-
роплазменной струей мощностью до 1,5 кВт.
Для формирования микроплазменной струи
использовали установку МПН-004 с микроплаз-
мотроном МП-04, разработанную в ИЭС им. Е. О.
Патона НАН Украины (на конструкцию микроп-
лазмотрона получен патент Украины «Плазмот-
рон для напилення покриттів» UA B23K10/00
№ 2002076032).
Конструкция и параметры работы микроплаз-
мотрона обеспечивают формирование ламинар-
ной плазменной струи (критерий Рейнольдса сос-
тавляет 0,10…0,55). По этому критерию процесс
микроплазменного напыления характеризуется
[8]:
низкой тепловой мощностью, что позволяет
уменьшить нагрев основы и обеспечить нанесение
покрытий на изделия малых размеров и с тонкими
стенками без существенного локального перегре-
ва и коробления;
небольшим уровнем шума при напылении ла-
минарной плазменной струей, который составляет
всего 30…50 дБ, что не требует использования
громоздких защитных камер;
небольшим размером пятна напыления
(1…5 мм) при малом диаметре сопла 1…2 мм.
Последний параметр является ключевым при
реализации процесса лазерно-микроплазменной
наплавки, поскольку обеспечивает адекватность
геометрических размеров пятна напыления и фо-
кального пятна лазера. Таким образом, при раз-
мере пятна напыления порядка 5 мм можно обес-
печить его полное перекрытие фокальным пятном
лазера, при этом плотность тепловой мощности
в пятне оказывается достаточной для переплава
напыленного слоя и сплавления с основой.
Схема процесса наплавки представлена на
рис. 1. Образец (пластину) устанавливали на ра-
бочую станину под примерно равными углами к
осям лазерного излучения и плазменной струи.
Пучок лазерного излучения подавали вертикально
сверху. Перпендикулярно ему в пятно фокуси-
Т а б л и ц а 1. Химический состав порошков никелевых
сплавов (Ni — основа), мас. %
Марка
порошка Cr B Si Fe C
ПГ-12Н-01 8...14 1,7…2,8 1,2…3,2 2...5 0,3...0,6
ПГ-12Н-02 10...16 2,0…4,0 3,0…5,0 3...6 0,4...0,8
11/2012 19
ровки направляли плазменную струю, транспор-
тирующую наплавляемый порошок. Зоны дейст-
вия лазерного излучения и микроплазменной
струи были совмещены друг с другом и образо-
вывали общую зону, относительно которой пе-
ремещалась станина с образцом. Для выравнива-
ния поверхности наносимого слоя вводили допол-
нительное сканирование с помощью сканатора
(рис. 2).
Принцип работы данного приспособления сле-
дующий: двигатель постоянного тока 3 (рис. 2,
б), частота вращения которого регулируется в пре-
делах 10…200 мин–1, передает вращающий мо-
мент на эксцентрик 2, ось которого смещена от-
носительно оси двигателя. Эксцентрик контакти-
рует с обоймой 1, заставляя ее колебаться отно-
сительно полуосей. Вместе с обоймой совершает
колебания и закрепленная в ней линза. Это при-
водит к периодическим отклонениям оси фоку-
сирования излучения от вертикального положе-
ния, что в свою очередь смещает положение фо-
кального пятна. Как следствие, пятно фокусиро-
вания лазерного излучения на изделии начинает
колебаться с определенной частотой, зависящей
от частоты вращения двигателя 3. Амплитуда та-
ких колебаний зависит от величины эксцентри-
ситета, которая устанавливается с помощью эк-
сцентрика 2. Возврат обоймы в начальное поло-
Та б л и ц а 2. Влияние мощности и скорости передвижения образца при КЛМПН на высоту и качество наплавляе-
мого порошками ПГ-12Н-02 валика
Номер
образца Pлаз, кВт v, м/ч E, Дж/мм Макроструктура, ×20 h, мм Примечание
1 4 30 635 0,4 Наличие микротрещин
2 3 6,5 2380 1,2 Валик, неравномерный
по высоте
3 3 10 1545 0,8 Равномерный валик
4 3 20 770 0,6 » »
5 3 30 520 1,0 » »
6 2 10 1185 0,3 Валик, неравномерный
по профилю
7 2 20 590 — Валик не сформирован
20 11/2012
жение совершается пружиной 5, постоянно на-
ходящейся в сжатом состоянии. Вся конструкция
размещена на поворотном кронштейне 4, что поз-
воляет произвольно выбирать направление коле-
баний по отношению к направлению лазерной об-
работки. Это дает возможность совершать как по-
перечные, так и продольные колебания излучения.
Эксперимент. С целью установления зависи-
мости высоты наплавляемого слоя h (мм) от па-
раметров режима процесса наплавку сначала вели
одиночными валиками на пластину из стали Ст3
(δ = 8 мм). В качестве варьируемых параметров
выбрали следующие: мощность лазерного излу-
чения Pлаз (кВт), погонную энергию E (Дж/мм),
скорость перемещения образца v (м/ч). Массовый
расход порошка Gп в ходе экспериментов изме-
няли в пределах 0,1…0,2 г/с. Прочие параметры
режима оставались неизменными: диаметр пятна
сфокусированного на поверхность образца излу-
чения dп = 5…6 мм, сила тока плазмотрона I =
= 43 А, напряжение U = 30 В, расход рабочего
газа (аргона) Qплазм = 80 л/ч, расход защитного
газа (аргона) Qзащ = 240 л/ч. Для оптимизации
величины перекрытия валиков (по критерию ше-
роховатости получаемого покрытия на аналогич-
ную пластину) проводили наплавку нескольких
валиков с перекрытием 10…50 % их ширины.
Снижение высоты наплавляемого валика с по-
вышением мощности лазерного излучения (табл. 2,
образец № 1) связано с угаром части наплавляемого
материала, а также с перегревом основного металла
и растворением в нем части материала наплавля-
емого валика. Увеличение высоты валика (табл. 2,
образец № 5) объясняется имевшей место неста-
бильностью в подаче порошка.
Обсуждение результатов. По результатам
проведенных экспериментов для реализации про-
цесса лазерно-микроплазменной нап-
лавки сталей порошками сплавов сис-
темы Ni–Cr–B–Si выбрали режим, со-
ответствующий образцу № 4, который
позволил получать бездефектные слои
в сочетании со сравнительно невысокой
погонной энергией процесса. Уменьше-
ние последнего параметра привело к
образованию такого дефекта, как мик-
ротрещины (табл. 2, образец № 1, 5).
Дальнейшие исследования показали,
что при повышении массового расхода
порошка до Gп = 0,5…0,8 г/с скорость
перемещения может быть увеличена до
60 м/ч при сохранении прочих пара-
метров режима неизменными. Это поз-
волит обеспечивать геометрию наплав-
ляемых валиков, аналогичную описан-
ной в табл. 2, в сочетании со снижением
погонной энергии процесса и уменьше-
нием зоны термического влияния
(ЗТВ). Кроме того, установлено, что приемлемая
шероховатость наплавляемых слоев (порядка Ra
200…300 мкм) имеет место при коэффициенте пе-
рекрытия валиков Kп = 25…30 %. Это означает,
что при ширине валиков 6 мм поперечное пере-
мещение образца для наплавки каждого последу-
ющего валика составит не менее 4 мм. Также было
установлено, что оптимальные режимы лазерно-
микроплазменной наплавки обеспечиваются в ди-
апазоне погонных энергий 500…800 Дж/мм. Для
сравнения отметим, что при лазерной порошко-
вой наплавке погонная энергия составляет
120…250 Дж/мм [9]. Такое сравнение свидетель-
ствует о том, что в случае комбинированной нап-
лавки должен иметь место перегрев наносимых
слоев и увеличение размера ЗТВ по сравнению
с лазерной наплавкой.
Перегрев наплавленных лазерно-микроплазмен-
ным способом слоев приводит к некоторому сни-
жению их твердости. Это снижение тем больше,
чем выше погонная энергия процесса, и, следова-
тельно, температура в рабочей зоне. Объясняется
Рис. 1. Схема процесса комбинированной лазерно-микроп-
лазменной наплавки: 1 — станина; 2 — образец; 3 — лазер-
ный пучок; 4 — плазменная струя; 5 — микроплазмотрон
Рис. 2. Внешний вид (а) и схема конструкции (б) сканатора лазерного
излучения: 1 — обойма с линзой; 2 — эксцентрик; 3 — двигатель постоян-
ного тока; 4 — кронштейн; 5 — пружина
11/2012 21
это тем, что при плазменном напылении самоф-
люсующихся сплавов при температуре, близкой
к температуре их плавления, происходит угар
(окисление) бора с образованием B2O3. Согласно
данным работы [10] при температуре 2000 °С в зоне
процесса содержание B2O3 в оксидной пленке дос-
тигает 81 ат. %. В условиях комбинированного ла-
зерно-микроплазменного процесса температура ра-
бочей зоны выше, чем при плазменном напылении,
что интенсифицирует угар бора.
Эксперименты показали, что при нанесении
слоев высотой не ниже 0,6 мм с погонными энер-
гиями 300…400 Дж/мм снижение твердости ми-
нимально. Слои, наплавленные с такими энерги-
ями, имеют твердость, соответствующую паспор-
тной твердости использованных наплавочных
сплавов. Исследования слоев, полученных
КЛМПН, показали, что во всех образцах наплав-
ленные слои имеют достаточно мелкодисперсную
литую структуру. При этом в нижней части нап-
лавленных слоев наблюдается образование стол-
бчатых дендритов металла, рост которых проис-
ходил в направлении теплоотвода от зоны сплав-
ления с основным металлом. В верхней части нап-
лавленных слоев столбчатые дендриты, как пра-
вило, переходят в зону более мелких равноосных
кристаллов, что сопровождается некоторым по-
вышением микротвердости. Микротвердость сло-
ев, нанесенных на скоростях перемещения образ-
цов до 30 м/ч, в большинстве случаев составляет
порядка 3000 МПа.
Исследования структур наплавленных образ-
цов показали следующее. Образец № 1 (см.
табл. 2, рис. 3, а) отличается от прочих наличием
дефектов структуры — поперечными трещинами
в литой структуре, которые проходят по границам
дендритов в наплавленном металле. ЗТВ в основ-
ном металле весьма велика — имеет ширину в
2,5 раза больше толщины наплавки. Образцы
№ 2–4 (см. рис. 3, б–г) не имеют трещин и от-
слоений от основы. В образце № 5 обнаружены
микротрещины, аналогичные наблюдаемым в об-
разце № 1, что объясняется близкими погонными
энергиями наплавки этих образцов. Образцы № 6,
7, напыленные при меньшей мощности лазера,
отличались формированием валика более низкого
качества. Во всех образцах структура наплавлен-
ного металла литая дендритная, переходящая в
верхней части в мелкокристаллическую. По гра-
ницам светлых дендритов наплавленных слоев,
представляющих собой твердый раствор на ос-
нове γ-никеля, расположены прослойки, состоя-
щие из боридов Ni3B и силицидов Ni2Si никеля
и, возможно, их эвтектики с γ-Ni, а также карбидов
хрома Cr23C6, Cr7C3.
Общая закономерность в структуре образцов
заключается в том, что дендритная структура нап-
лавки возле зоны сплавления с основным метал-
лом не содержит включений. Структура участка
сплавления (белой полосы) состоит из γ-твердого
раствора никеля и имеет пониженную твердость,
в среднем на 25 % по сравнению с твердостью нап-
лавки. Область, находящуюся ниже зоны сплавле-
ния (ЗТВ), по глубине можно разделить на две час-
ти: участок, граничащий с зоной сплавления, ко-
торый имеет твердость 2590…3260 МПа, и учас-
ток, расположенный ниже, граничащий с основ-
ным металлом, который имеет меньшую твер-
дость 1580…1940 МПа. Микротвердость основ-
ного металла в среднем 2100…2310 МПа. Пред-
полагаем, что наличие участков металла ЗТВ с
различной твердостью объясняется диффузион-
ным перераспределением элементов. Возможно,
такие легирующие элементы, как углерод, бор и
кремний, из наплавленного слоя перешли в ту
часть ЗТВ, которая граничит с переходной. Кроме
того, углерод из нижней части ЗТВ по всей ве-
роятности перераспределился в верхнюю часть.
Размер, твердость участков наплавки и металла
зависят от сочетания режимов лазерного и мик-
роплазменного процессов, массового расхода при-
садочного порошка, а также скорости продвиже-
ния образца при КЛМПН.
Эксперименты показали, что увеличение пятна
фокусирования лазерного излучения до значений
dп = 5…6 мм приводит к необходимости исполь-
зования значительной мощности излучения лазера
(порядка 3 кВт). Для уменьшения последнего па-
раметра и снижения шероховатости поверхности
слоя дополнительно ввели сканирование лазерно-
го излучения поперек нанесению наплавки с ам-
плитудой 2 мм и частотой около 20 Гц. Излуче-
ние сканировали с помощью сканатора, показан-
ного на рис. 2.
Введение сканирования лазерного излучения
поперечно направлению КЛМПН позволило
уменьшить диаметр пятна, сфокусированного на
обрабатываемой поверхности, до 4 мм и снизить
мощность лазерного излучения до 2 кВт. При
этом прочие параметры режима обработки оста-
лись без изменения. Введение сканирования из-
лучения лазера уменьшило склонность к трещино-
образованию в наплавляемых слоях. Общие тен-
денции структурообразования в этих слоях оста-
лись неизменными (рис. 4, а, б).
Качество получаемых слоев также зависит от
массового расхода присадочного порошка. Так,
процесс КЛМПН без сканирования излучения при
массовом расходе порошка ПГ-12Н-02 в пределах
Gп = 1,0…1,2 г/с позволил наносить качественные
слои высотой 0,5…0,6 мм со скоростью 50 м/ч
при мощности излучения P = 3 кВт. При этом
размер ЗТВ был примерно равен высоте наплав-
ляемого покрытия (рис. 4, в). Таким образом, рас-
ход порошковых присадочных материалов для
22 11/2012
КЛМПН целесообразно выбирать в пределах
0,8…1,2 г/с.
Полученные в описанных выше экспериментах
результаты сравнивали с результатами наплавки
тех же материалов, проводимой по разработан-
ному в ИЭС им. Е. О. Патона способу лазерной
порошковой наплавки [9]. Оказалось, что по ве-
личине неровностей (шероховатости) и внешнему
виду наплавленных поверхностей они достаточно
близки. Основное отличие заключалось в нали-
пании незначительного количества порошкового
материала на поверхности при КЛМПН.
Было установлено, что наплавленные лазер-
ным способом слои из сплавов системы Ni–Cr–
B–Si имеют показатель трещинообразования по-
рядка 40…60 % (α = 0,4…0,6), в то время, как
комбинированная наплавка позволяет снизить
этот показатель от 10…20 % (α = 0,1…0,2) до
полного устранения микротрещин.
Для определения износостойкости наплавляе-
мых слоев использовали как стандартную машину
трения 2070 СМТ-1, так и машину трения соб-
ственной разработки. Стойкость к износу при су-
хом трении скольжения определяли в процентах,
приняв за 100 % износостойкость стали
38ХН3МФА, имевшую твердость HRC 42…43. В
результате установлено (рис. 5), что показатели
износостойкости при КЛМПН могут превосхо-
дить показатели, характерные для лазерной нап-
лавки. Однако в случае несоблюдения теплового
режима, т. е. перегрева образцов при низких ско-
ростях наплавки, за счет разупрочнения твердых
фаз износостойкость может значительно снижать-
ся. Пример такого снижения износостойкости
металла, наплавленного порошком ПГ-12Н-01,
приведен на рис. 5 — этот показатель уменьшился
почти до 60 % относительно аналогичного пока-
зателя для стали 38ХН3МФА.
Выводы
1. Эффективность применения КЛМПН опреде-
ляется снижением количества микротрещин в
наплавленных слоях. Так, наплавленные лазер-
ным способом слои сплавов системы Ni–Cr–B–Si
(ПГ-12Н-01, ПГ-12Н-02) имеют показатель тре-
щинообразования порядка 40…60 %, в то время
комбинированная наплавка этих же сплавов поз-
Рис. 3. Микроструктуры (×100) наплавленных слоев из порошка ПГ-12Н-02, полученных методом КЛМПН: а–е — соответ-
ственно образцы № 1–6 из табл. 2
Рис. 4. Микроструктуры наплавленных слоев из порошка ПГ-12Н-02, полученных методом КЛМПН, при скорости процесса
20 (а, б), 50 м/ч (в); а, б — c поперечным сканированием лазерного излучения; в — без сканирования (а — ×25; б — ×100;
в — ×32)
11/2012 23
воляет снизить этот показатель от 10…20 % до
полного устранения микротрещин.
2. Сравнительные испытания на сухое трение
образцов из основного металла (стали
38ХН3МФА, износостойкость которой была при-
нята за 100 %) и образцов, наплавленных одними
и теми же сплавами системы Ni–Cr–B–Si, пока-
зали возможность обеспечения износостойкости
порядка 120…130 % при лазерной порошковой
наплавке и свыше 140 % при КЛМПН.
3. Несмотря на наличие указанных преиму-
ществ, КЛМПН имеет некоторые недостатки по
сравнению с лазерной наплавкой. К основным из
них относятся увеличение размеров ЗТВ в основ-
ном металле; снижение твердости в наплавленных
слоях в результате разупрочнения металла (угара
(окисления) бора и, следовательно, снижения со-
держания боридных фаз, а также коагуляции час-
тиц карбидных и силицидных упрочняющих фаз).
Причиной этого является повышение температу-
ры в рабочей зоне вследствие значительного по-
вышения погонной энергии процесса (до
500…800 Дж/мм) по сравнению с лазерной нап-
лавкой (обычно 120…250 Дж/мм), необходимого
для достижения оптимальных режимов.
4. Дальнейшие работы по устранению указанных
недостатков позволят сделать целесообразным при-
менение лазерно-микроплазменной наплавки для
получения износостойких покрытий как на этапе
изготовления, так и при восстановлении деталей
типа вал, работающих в парах трения (например,
деталей цилиндропоршневой группы двигателей
внутреннего сгорания, ходовой части автомобиль-
ного и железнодорожного транспорта).
1. Газотермические покрытия из порошковых материалов:
Справочник / Ю. С. Борисов, Ю. А. Харламов, С. Л. Си-
доренко, Е. Н. Ардатовская. — Киев: Наук. думка, 1987.
— 544 с.
2. Григорьянц А. Г., Сафонов А. Н., Шибаев В. В. Получе-
ние износостойких хромоникелевых и хромборникеле-
вых покрытий при помощи лазерного излучения // Изв.
вузов. Машиностроение. — 1982. — № 3. — С. 87–92.
3. Исследование трещинообразования при лазерной нап-
лавке хромборникелевых порошковых сплавов / А. Н.
Сафонов, А. Г. Григорьянц, В. В. Шибаев, А. Я. Овчаров
// Там же. — 1984. — № 12. — С. 64–68.
4. Dilthey U., Wieschemann A. Prospects by combining and co-
upling laser beam and arc welding processes // Rivista Italia-
na della Saldatura. — 2000. — 52, № 6. — S. 749–759.
5. Surface preparation and thermal spray in a single step: the
PROTAL process / C. Coddet, G. Montaron, T. Marchio-
ne, O. Freneaux // Proc. of 15th ITSC, Nice, France. —
1998. — Vol. 2. — P. 1321–1325.
6. Кривцун И. В. Комбинированные лазерно-дуговые про-
цессы обработки материалов и устройства для их реали-
зации: Дис. … д-ра техн. наук. — Киев: ИЭС им. Е. О.
Патона НАН Украины, 2002. — 393 с.
7. Лазерно-дуговые и лазерно-плазменные технологии
сварки и нанесения покрытий / В. Д. Шелягин, И. В.
Кривцун, Ю. С. Борисов и др. // Сварка в Сибири. —
2006. — № 1. — С. 32–36.
8. Микроплазменное напыление биокерамических покры-
тий / Ю. С. Борисов, С. Г. Войнарович, В. Г. Бобрик и
др. // Автомат. сварка. — 2000. — № 12. — С. 63–67.
9. Лазерная наплавка цилиндрических деталей порошко-
выми материалами / О. А. Величко, П. Ф. Аврамченко,
И. В. Молчан, В. Д. Паламарчук // Там же. — 1990. —
№ 1. — С. 59–65.
10. Взаимодействие никелевых самофлюсующихся сплавов
с кислородом / С. М. Гершензон, Ю. С. Борисов, М. И.
Разиков, В. Н. Бороненков // Свароч. пр-во. — 1978. —
№ 1. — С. 9–11.
Structural features of the Ni–Cr–B–Si alloy deposited layers produced by the combined laser-microplasma method were
investigated. Technological advantages and drawbacks of a combination of the laser cladding and microplasma spraying
processes were determined. It was shown that the developed combined laser-microplasma method allows improving the
quality of the deposited layers and preserving the key advantages characteristic of the laser powder cladding process.
Поступила в редакцию 13.07.2012
Рис. 5. Сравнение износостойкости и твердости HRC
наплавленных различными способами сплавов системы Ni–
Cr–B–Si со стойкостью стали 38ХН3МФА к сухому трению:
1 — сталь 38ХН3МФА; 2 — плазменное напыление
порошком ПГ-12Н-02; 3, 4 — соответственно лазерная нап-
лавка (ПГ-12Н-01 и ПГ-12Н-02); 5, 6 — комбинированное
нанесение слоя соответственно порошками ПГ-12Н-01 и ПГ-
12Н-02
24 11/2012
|
| id | nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-101893 |
| institution | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| issn | 0005-111X |
| language | Russian |
| last_indexed | 2025-12-07T17:46:56Z |
| publishDate | 2012 |
| publisher | Інститут електрозварювання ім. Є.О. Патона НАН України |
| record_format | dspace |
| spelling | Борисов, Ю.С. Хаскин, В.Ю. Войнарович, С.Г. Кислица, А.Н. Туник, А.Ю. Адеева, Л.И. Кузьмич-Янчук, Е.К. Бернацкий, А.В. Сиора, А.В. 2016-06-09T07:35:00Z 2016-06-09T07:35:00Z 2012 Комбинированная лазерно-микроплазменная наплавка
 порошками сплавов системы Ni–Cr–B–Si / Ю.С. Борисов, В.Ю. Хаскин, С.Г. Войнарович, А.Н. Кислица, А.Ю. Туник, Л.И. Адеева, Е.К. Кузьмич-Янчук, А.В. Бернацкий, А.В. Сиора // Автоматическая сварка. — 2012. — № 11 (715). — С. 18-24. — Бібліогр.: 10 назв. — рос. 0005-111X https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/101893 621.375.826:621.793 Проведено исследование структурных особенностей наплавленных слоев порошками сплавов системы Ni–Cr–B–Si,
 полученных комбинированным лазерно-микроплазменным способом. Определены технологические преимущества
 и недостатки объединения процессов лазерной наплавки и микроплазменного напыления. Показано, что разрабо-
 танный способ комбинированной лазерно-микроплазменной наплавки позволяет повысить качество наносимых
 слоев при сохранении основных преимуществ, характерных для лазерной порошковой наплавки. Structural features of the Ni–Cr–B–Si alloy deposited layers produced by the combined laser-microplasma method were
 investigated. Technological advantages and drawbacks of a combination of the laser cladding and microplasma spraying
 processes were determined. It was shown that the developed combined laser-microplasma method allows improving the
 quality of the deposited layers and preserving the key advantages characteristic of the laser powder cladding process. ru Інститут електрозварювання ім. Є.О. Патона НАН України Автоматическая сварка Научно-технический раздел Комбинированная лазерно-микроплазменная наплавка порошками сплавов системы Ni–Cr–B–Si Combined laser-microplasma surfacing using powders of the Ni–Cr–B–Si system Article published earlier |
| spellingShingle | Комбинированная лазерно-микроплазменная наплавка порошками сплавов системы Ni–Cr–B–Si Борисов, Ю.С. Хаскин, В.Ю. Войнарович, С.Г. Кислица, А.Н. Туник, А.Ю. Адеева, Л.И. Кузьмич-Янчук, Е.К. Бернацкий, А.В. Сиора, А.В. Научно-технический раздел |
| title | Комбинированная лазерно-микроплазменная наплавка порошками сплавов системы Ni–Cr–B–Si |
| title_alt | Combined laser-microplasma surfacing using powders of the Ni–Cr–B–Si system |
| title_full | Комбинированная лазерно-микроплазменная наплавка порошками сплавов системы Ni–Cr–B–Si |
| title_fullStr | Комбинированная лазерно-микроплазменная наплавка порошками сплавов системы Ni–Cr–B–Si |
| title_full_unstemmed | Комбинированная лазерно-микроплазменная наплавка порошками сплавов системы Ni–Cr–B–Si |
| title_short | Комбинированная лазерно-микроплазменная наплавка порошками сплавов системы Ni–Cr–B–Si |
| title_sort | комбинированная лазерно-микроплазменная наплавка порошками сплавов системы ni–cr–b–si |
| topic | Научно-технический раздел |
| topic_facet | Научно-технический раздел |
| url | https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/101893 |
| work_keys_str_mv | AT borisovûs kombinirovannaâlazernomikroplazmennaânaplavkaporoškamisplavovsistemynicrbsi AT haskinvû kombinirovannaâlazernomikroplazmennaânaplavkaporoškamisplavovsistemynicrbsi AT voinarovičsg kombinirovannaâlazernomikroplazmennaânaplavkaporoškamisplavovsistemynicrbsi AT kislicaan kombinirovannaâlazernomikroplazmennaânaplavkaporoškamisplavovsistemynicrbsi AT tunikaû kombinirovannaâlazernomikroplazmennaânaplavkaporoškamisplavovsistemynicrbsi AT adeevali kombinirovannaâlazernomikroplazmennaânaplavkaporoškamisplavovsistemynicrbsi AT kuzʹmičânčukek kombinirovannaâlazernomikroplazmennaânaplavkaporoškamisplavovsistemynicrbsi AT bernackiiav kombinirovannaâlazernomikroplazmennaânaplavkaporoškamisplavovsistemynicrbsi AT sioraav kombinirovannaâlazernomikroplazmennaânaplavkaporoškamisplavovsistemynicrbsi AT borisovûs combinedlasermicroplasmasurfacingusingpowdersofthenicrbsisystem AT haskinvû combinedlasermicroplasmasurfacingusingpowdersofthenicrbsisystem AT voinarovičsg combinedlasermicroplasmasurfacingusingpowdersofthenicrbsisystem AT kislicaan combinedlasermicroplasmasurfacingusingpowdersofthenicrbsisystem AT tunikaû combinedlasermicroplasmasurfacingusingpowdersofthenicrbsisystem AT adeevali combinedlasermicroplasmasurfacingusingpowdersofthenicrbsisystem AT kuzʹmičânčukek combinedlasermicroplasmasurfacingusingpowdersofthenicrbsisystem AT bernackiiav combinedlasermicroplasmasurfacingusingpowdersofthenicrbsisystem AT sioraav combinedlasermicroplasmasurfacingusingpowdersofthenicrbsisystem |