Комбинированное лазерно-микроплазменное нанесение керамических покрытий на стали
A possibility for the ceramic coating deposition using the laser-microplasma technique without the preliminary abrasive jet machining of the part surface is demonstrated. The coverings obtained have high cohesive resistance and are the chemical compounds of a deposited material with iron. These cove...
Saved in:
| Date: | 2007 |
|---|---|
| Main Author: | |
| Format: | Article |
| Language: | Russian |
| Published: |
Видавничий дім "Академперіодика" НАН України
2007
|
| Subjects: | |
| Online Access: | https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/2440 |
| 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: | Комбинированное лазерно-микроплазменное нанесение керамических покрытий на стали / В.Ю. Хаскин // Доп. НАН України. — 2007. — N 8. — С. 99-102. — Бібліогр.: 8 назв. — рос. |
Institution
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine| _version_ | 1860038044027977728 |
|---|---|
| author | Хаскин, В.Ю. |
| author_facet | Хаскин, В.Ю. |
| citation_txt | Комбинированное лазерно-микроплазменное нанесение керамических покрытий на стали / В.Ю. Хаскин // Доп. НАН України. — 2007. — N 8. — С. 99-102. — Бібліогр.: 8 назв. — рос. |
| collection | DSpace DC |
| description | A possibility for the ceramic coating deposition using the laser-microplasma technique without the preliminary abrasive jet machining of the part surface is demonstrated. The coverings obtained have high cohesive resistance and are the chemical compounds of a deposited material with iron. These coverings have high resistance to dynamic loads and sufficient thermostability.
|
| first_indexed | 2025-12-07T16:54:48Z |
| format | Article |
| fulltext |
3. Судзуки К., Фудзимори Х., Хасимото К. Аморфные металлы / Под ред. Масумото Ц. Пер. с япон. –
Москва: Металлургия, 1987. – 328 с.
4. Герцрикен Д.С., Мазанко В.Ф., Тышкевич В.М., Фальченко В.М. Массоперенос в металлах при
низких температурах в условиях внешних воздействий. – Киев: РИО ИМФ, 1999. – 435 с.
Поступило в редакцию 30.01.2007Институт металлофизики им. Г. В. Курдюмова
НАН Украины, Киев
НТУ Украины “Киевский политехнический институт”
УДК 621.375.826:621.793
© 2007
В.Ю. Хаскин
Комбинированное лазерно-микроплазменное нанесение
керамических покрытий на стали
(Представлено членом-корреспондентом НАН Украины И.В. Кривцуном)
A possibility for the ceramic coating deposition using the laser-microplasma technique without
the preliminary abrasive jet machining of the part surface is demonstrated. The coverings obtai-
ned have high cohesive resistance and are the chemical compounds of a deposited material with
iron. These coverings have high resistance to dynamic loads and sufficient thermostability.
Керамические покрытия обладают рядом полезных эксплуатационных свойств, которые
обуславливают их применение в промышленности. В первую очередь, это изоляционные
свойства, износо- и коррозионная стойкость, а также термостойкость и жаропрочность [1].
Обычно их применяют в медицине для создания защитных покрытий на металлических
протезах, для получения изоляционных покрытий на различного рода инструментах, на
поверхностях сопел и трубок, контактирующих с горячим газом или плазмой и т. д. Однако
при газотермическом нанесении керамических покрытий возникает ряд трудностей, свя-
занных с геометрией напыляемой поверхности, качеством ее подготовки, использованием
дорогостоящих подслоев, подбором режима напыления, возможностями оборудования [2, 3].
Полученное в результате газотермического (обычно плазменного) напыления керамиче-
ское покрытие наряду с описанными преимуществами имеет и недостатки. Это хрупкость
покрытия, опасность его разрушения даже при сравнительно невысоких динамических на-
грузках, а также сравнительно невысокая прочность сцепления с подложкой. С ростом
толщины покрытия эти недостатки проявляются в большей мере. Для устранения необхо-
димости в применении дорогостоящих подслоев (например, Ni-Al), повышения прочности
сцепления с основным металлом и снижения хрупкости за счет диффузии небольшого ко-
личества железа основы в покрытие, предлагается использовать лазерно-микроплазменный
способ нанесения покрытий, подробно описанный в [4]. При этом технология комбиниро-
ванного нанесения керамических покрытий будет отличаться от технологии, предложенной
в статье [4], из-за различий в поглощении и рассеянии лазерного излучения металличе-
скими и керамическими частицами присадочных материалов [5]. В первом случае частицы
ISSN 1025-6415 Доповiдi Нацiональної академiї наук України, 2007, №8 99
нагревались поверхностно, а во втором — вероятнее всего будет иметь место объемный на-
грев из-за достаточной прозрачности керамических материалов для излучения с длиной
волны 10,6 мкм [6]. Последнее обстоятельство может вызвать взрывообразное разрушение
частиц, сопровождаемое отскоком осколков от поверхностного расплава на подложке. Та-
кой эффект будет препятствовать получению равномерных покрытий, пригодных к даль-
нейшей обработке и эксплуатации.
Прикладной задачей, которая решалась в ходе разработки технологии лазерно-микро-
плазменного нанесения керамических покрытий, было нанесение защитных покрытий на
термоэлементы теплонагревателей. Эти элементы представляли собой трубы диаметром
(150 . . . 200) при длине 6000 мм из стали типа 08кп, внутреннее покрытие которых должно
выдерживать газовое пламя температурой порядка 1000 ◦С, а внешнее — излучать тепло
с максимальным коэффициентом излучения (ε → 1). Исходя из данных критериев нами
проведен поиск соответствующих порошковых материалов фракции 0 . . . 60 мкм. Для вну-
треннего покрытия был выбран оксид алюминия Al2O3, а для внешнего — никеля (NiO2),
приобретающий после газотермического напыления черный цвет.
При разработке технологии схему лазерно-микроплазменного нанесения покрытий, при-
веденную в статье [4], использовали не только для внешних поверхностей вращения, но
также для внутренних и на плоскостях. Пределы варьирования параметров режима были
те же, что и в [4]. Наилучшие результаты получены при расфокусировке излучения СО2-ла-
зера мощностью около 2 кВт в пятно диаметром 4 . . . 5 мм. При этом на поверхности
стальной трубы образовывалась ванна расплава глубиной около 0,1 мм, в хвостовую часть
которой ламинарной струей аргоновой плазмы подавался керамический порошок с массо-
выми расходами 0,4 . . . 0,8 г/с. Такой прием позволил не только устранить необходимость
в предварительной абразивной подготовке поверхности и применении подслоев, но также
и повысить прочность сцепления наносимых слоев с основным металлом до величин, харак-
терных для лазерной наплавки [7]. Процесс проводили при токах 70 . . . 90 А, что позволило
на скоростях 20 . . . 40 мм/с получать слои высотой 0,2 . . . 0,5 мм.
Структура полученного описанным способом покрытия показана на рис. 1, а, б. При на-
несении Al2O3 на поверхностный слой расплавленного металла (стали 08кп) образовалась
область в виде столбчатых зерен, отделенная от сердцевины металла неявно выраженной
линией раздела — переходной зоной (ПЗ). Эта область представляет собой алитированный
слой, состоящий из α-твердого раствора и Fe2Al5 [8]. Последний располагается вдоль гра-
ниц столбчатых кристаллитов и в виде отдельных выделений в матрице. На поверхности
алитированного слоя находится твердая и хрупкая составляющая, склонная к откалыванию
при ударах и деформациях (на рис. 1 не показана). Эта составляющая по своей структу-
ре аналогична структуре керамических покрытий, получаемых методом микроплазменного
напыления.
Структура зоны металла, прилегающего к алитированному слою (ЗТВ), слегка обага-
щена углеродом и представляет собой ферритную матрицу с выделениями разрыхленно-
го перлита (HV0,05 — 187 . . . 192) (рис. 2). По мере удаления от линии раздела выделе-
ния перлитной составляющей измельчаются. Структура основного металла (ОМ) — феррит
(HV0,05 — 137) и третичный цементит в виде обособленных частиц на границах феррит-
ных зерен (см. рис. 2). Находящийся на поверхности керамический слой имеет твердость
1–2 ГПа и на рис. 2 не показан).
После проведения металлографических исследований образцы керамических покрытий
в течение 3 ч при 830 . . . 850 ◦С подвергали испытанию на термостойкость. После это-
100 ISSN 1025-6415 Reports of the National Academy of Sciences of Ukraine, 2007, №8
Рис. 1. Микроструктуры керамического покрытия Al2O3, нанесенного на сталь 08кп, перед испытанием на
термостойкость (увел. 100 (а), увел. 1000 (б )) и после испытания на термостойкость (увел. 100 (в), увел.
1000 (г))
го исследования повторили. Микроструктуры термообработанных покрытий приведены на
рис. 1 (в, г). Выяснилось, что произошло небольшое, лежащее в пределах допустимого,
понижение твердости алитированного слоя (до HV0,05 — 169 . . . 183) (см. рис. 2). Вну-
три столбчатых зерен проявились границы, разделяющие их на равноосные крупные зерна
(балл № 3–4 по ГОСТ 5639–82). Выделения Fe2Al5 сохранились в виде мелких вкраплений
в матрице и иногда вдоль границ столбчатых зерен. По линии сплавления (в ПЗ) наблю-
дается область измельченных (балл № 8, 9) ферритных зерен с пониженной твердостью
HV0,05 — 144. Твердость керамического поверхностного слоя осталась без изменений.
В ЗТВ, прилегающей к линии сплавления, зерно выросло до 2–3 балла, структура пред-
ставляет собой ферритную матрицу и выделения третичного цементита по границам зерен
в виде мелких обособленных частиц. Здесь также присутствуют зерна более мелкого разме-
ра (балл № 7, 8). Они располагаются в центральной части образца. Ближе к противополож-
ному краю зерно снова укрупняется до балла № 2, 3. Твердость ЗТВ после термообработки
незначительно (HV0,05 — 168 . . . 190) повысилась (см. рис. 2).
В ходе проведения экспериментов по лазерно-микроплазменному нанесению керамиче-
ских покрытий использовали различные присадочные порошки. Помимо Al2O3, это были
оксиды никеля, хрома, циркония и ванадия. Однако в двух последних случаях покрытия не
были получены из-за выгорания присадочных материалов. Возможно, это связано с разли-
ISSN 1025-6415 Доповiдi Нацiональної академiї наук України, 2007, №8 101
Рис. 2. Распределение микротвердости HV0,05 по глубине Z покрытия и основного металла под ним:
1 — до испытаний на термостойкость; 2 — после испытаний на термостойкость
чием в коэффициентах поглощения излучения СО2-лазера использованными веществами,
а также с взрывообразным разрушением и разлетом частиц этих веществ [5, 6].
Данные покрытия, кроме термостойкости, испытывали на стойкость к динамическим
нагрузкам. Одновременно аналогичные испытания проводили и для покрытий, напылен-
ных микроплазменным способом. Сравнение показало, что в условиях появления сколов
в последних, на нанесенных лазерно-микроплазменным способом покрытиях механических
повреждений не наблюдалось.
Таким образом, проведенные исследования не только показали принципиальную возмо-
жность нанесения керамических покрытий лазерно-микроплазменным способом без струй-
но-абразивной подготовки поверхности, но и позволяют утверждать, что эти покрытия яв-
ляются химическими соединеними с содержащимся в основном металле железом. Нали-
чие переходной зоны между покрытием и основным металлом свидетельствует о высокой
прочности их сцепления. Наличие примесей, образовавшихся при взаимодействии приса-
дочного материала с основой, делает покрытие более стойким к динамическим нагрузкам,
а количество этих примесей снижает термостойкость незначительно.
1. Гладковский В.А., Зинштейн М.Л., Размахнин Г.П. Физико-механические свойства высокопрочных
оксидных покрытий, полученных методом плазменного напыления // Повышение прочности и экс-
плуатационной надежности деталей. – Пермь: Перм. политехн. ин-т, 1968. – С. 78–84.
2. Рыкалин Н.Н., Кулагин И.Д., Кудинов В. В., Синолицын Э.К. Некоторые пути повышения качест-
ва металлизационных керамических покрытий // Температуроустойчивые защитные покрытия. –
Ленинград: Наука, 1968. – С. 227–231.
3. Борисов Ю.С., Харламов Ю.А., Сидоренко С.Л., Ардатовская Е.Н. Газотермические покрытия из
порошковых материалов: Справочник. – Киев: Наук. думка, 1987. – 544 с.
4. Шелягин В.Д., Хаскин В.Ю., Переверзев Ю.Н. Лазерно-микроплазменное легирование и нанесение
покрытий на стали // Автомат. сварка. – 2006. – № 2. – С. 3–6.
5. Бушма А.И., Кривцун И.В. Особенности нагрева мелкодисперсных керамических частиц лазерным
излучением // Физика и химия обработки материалов. – 1992. – № 2. – С. 40–48.
6. Белов Н.Н. Оптические поля внутри корундовых частиц в спектральном диапазоне излучения
СО2-лазера // Журн. прикл. спектроскопии. – 1986. – 44, № 6. – С. 948–952.
7. Хаскин В.Ю., Величко О.А. Прочность сцепления слоя, наплавленного лазерным излучением, с
металлом основы // Автомат. сварка. – 1994. – № 7./8 (496. /497). – С. 51–52.
8. Минкевич А.Н. Химико-термическая обработка стали. – Москва: Машиностроение, 1950. – 432 с.
Поступило в редакцию 14.02.2007Институт электросварки им. Е.О. Патона
НАН Украины, Киев
102 ISSN 1025-6415 Reports of the National Academy of Sciences of Ukraine, 2007, №8
|
| id | nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-2440 |
| institution | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| issn | 1025-6415 |
| language | Russian |
| last_indexed | 2025-12-07T16:54:48Z |
| publishDate | 2007 |
| publisher | Видавничий дім "Академперіодика" НАН України |
| record_format | dspace |
| spelling | Хаскин, В.Ю. 2008-10-10T11:46:39Z 2008-10-10T11:46:39Z 2007 Комбинированное лазерно-микроплазменное нанесение керамических покрытий на стали / В.Ю. Хаскин // Доп. НАН України. — 2007. — N 8. — С. 99-102. — Бібліогр.: 8 назв. — рос. 1025-6415 https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/2440 621.375.826:621.793 A possibility for the ceramic coating deposition using the laser-microplasma technique without the preliminary abrasive jet machining of the part surface is demonstrated. The coverings obtained have high cohesive resistance and are the chemical compounds of a deposited material with iron. These coverings have high resistance to dynamic loads and sufficient thermostability. ru Видавничий дім "Академперіодика" НАН України Матеріалознавство Комбинированное лазерно-микроплазменное нанесение керамических покрытий на стали Article published earlier |
| spellingShingle | Комбинированное лазерно-микроплазменное нанесение керамических покрытий на стали Хаскин, В.Ю. Матеріалознавство |
| title | Комбинированное лазерно-микроплазменное нанесение керамических покрытий на стали |
| title_full | Комбинированное лазерно-микроплазменное нанесение керамических покрытий на стали |
| title_fullStr | Комбинированное лазерно-микроплазменное нанесение керамических покрытий на стали |
| title_full_unstemmed | Комбинированное лазерно-микроплазменное нанесение керамических покрытий на стали |
| title_short | Комбинированное лазерно-микроплазменное нанесение керамических покрытий на стали |
| title_sort | комбинированное лазерно-микроплазменное нанесение керамических покрытий на стали |
| topic | Матеріалознавство |
| topic_facet | Матеріалознавство |
| url | https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/2440 |
| work_keys_str_mv | AT haskinvû kombinirovannoelazernomikroplazmennoenaneseniekeramičeskihpokrytiinastali |