Проведено исследование технологии лазерной наплавки на титановую подложку и анализ свойств градиентных покрытий систем Ti-Si и Тi-NiCr.

Дата публикации: 02/09/2011
Категория: Новости лазерных технологий
Версия для печати

Наплавка осуществлялась на лазерной установке Trumpf DMD 505 мощностью 5 кВт.
Градиентное изменение свойств покрытий определяли с помощью сканирующего электронного микроскопа, оптического светового микроскопа и ренттенофазовой дифракции. Анализ изменения твердости по толщине слоев проведен по НV методу.
Установлена возможность получения качественных градиентных покрытий с целью улучшения свойств титановой основы. Разработка и внедрение лазерных технологий на сегодня является перспективным направлением развития науки и техники.
Одна из передовых лазерных технологий — лазерная наплавка позволяет наносить износо- и жаростойкие, жаропрочные, коррозионностойкие градиентные и композиционные покрытия на геометрически сложные поверхности изделий, ее можно использовать также для восстановления изношенных деталей, нанесения защитных покрытий, изготовления объемных объектов.
При лазерной наплавке транспортировка порошка в зону лазерного воздействия осуществляется защитным газом-носителем.
Материал, попадая в ванну расплава, которая образуется в приповерхностном слое лазерным лучом, расплавляется, частично смешивается с ним и обеспечивает высокую прочность сцепления наплавленного слоя с подложкой. Высокие скорости охлаждения при лазерной наплавке приводят к формированию в наплавляемом материале уникальной структуры и свойств.
Благодаря тому, что при лазерной наплавке можно смешивать различные материалы в заданных пропорциях, создаются градиентные покрытия различного состава.
Цель данной работы д.т.н. Нарва В.К. и инж.Маранц А.В. (НИТУ МИСиС, г.Москва) состояла в получении новых экспериментальных данных о влиянии параметров режима процесса лазерной наплавки на структуру и свойства покрытий градиентных материалов на основе титана.
Были получены градиентные покрытия на титановой подложке из материалов систем Ti-Si и Тi-NiCr, которые отличаются повышенными жаростойкостью и жаропрочностью.
Для достижения этого выбраны составы поверхностных слоев покрытия систем Ti-Si (70/30 мас. %), Тi-NiCr (70/30 мас. %).
Для уменьшения внутренних напряжений между титановой подложкой и покрытием выполнены три промежуточных слоя, что позволило уменьшить разницу между значениями коэффициента термического расширения (КТР) покрытия и подложки, а также получить градиентное покрытие и высоколегированный поверхностный слой.
Составы покрытий как системы Ti-Si и Тi-NiCr варьировали введением кремния от 12 до 30 мас. % с шагом в 6 %. Толщина каждого слоя изменялась от 0,6 до 2,0 мм в зависимости от параметров режима лазерной наплавки. При нанесении слоев использовали распыленные порошки нихрома (49,7 мас. % Ni) с размером частиц d = 60... 160 мкм, титана (d = 50... 150 мкм), кремния (d = 50... 150 мкм).
Основными параметрами процесса лазерной наплавки, в значительной степени влияющими на структуру и свойства наплавляемого материала, являются скорость подачи (расход) порошка, скорость передвижения сопла и мощность лазера. Для определения их влияния на свойства наплавки значения этих параметров варьировали в следующих диапазонах: скорость подачи порошка в зону лазерного воздействия (скорость вращения диска, подающего порошок) 3000...5000 об/мин, скорость передвижения сопла 500... 1000 мм/мин. Мощность лазера составляла 5 кВт.
С целью визуального определения характера структуры (размера зерна, приблизительной оценки содержания фаз и их распределение) градиентных покрытий систем Ti-Si и Тi-NiCr использовали световой оптический микроскоп. Изменение структуры металла покрытия исследовали по его высоте, а также при варьируемых параметрах режима процесса лазерной наплавки. При послойном рассмотрении структуры металла покрытия системы Тi-NiCr видно, что размер зерна уменьшается от нижнего к приповерхностному слою, что обусловлено термическим влиянием лежащих выше слоев, которое способствует увеличению размера зерна нижних слоев. На основании результатов исследований изменения фазового состава материалов системы Тi-Si в зависимости от варьируемых параметров можно сделать вывод, что содержание выпадающего силицида титана Тi5Si3 возрастает с повышением скорости подачи порошка и уменьшается с повышением скорости передвижения сопла.
Это связано с тем, что повышение скорости подачи порошка приводит к увеличению толщины покрытия, а значит, к более медленному его охлаждению. Чем дольше остывает покрытие, тем ближе его фазовый состав будет к равновесному и тем больше силицида титана успеет выделиться. Возрастание скорости передвижения сопла приводит к обратному результату. Исследовали изменение твердости покрытий по высоте наплавленных слоев, а также влияние на нее параметров режима лазерной наплавки. От подложки к поверхностному слою покрытия твердость постоянно возрастает у материалов как системы Тi-iСr, так и Тi-Si, что обусловлено формированием твердых растворов и наличием интерметаллидных и силицидных фаз в покрытии.
В зависимости от варьируемых параметров режима лазерной наплавки в покрытии системы Тi-NiСг твердость поверхностных слоев изменяется незначительно и в пределах приборной ошибки.
Таким образом, можно сделать вывод, что изменение указанных параметров в широком диапазоне на твердость наносимого покрытия не влияет.
Для материалов системы Тi-Si характерна зависимость твердости от параметров режима лазерной наплавки. Твердость поверхностных слоев уменьшается с увеличением скорости передвижения сопла Vc и возрастает с увеличением скорости подачи порошка, поскольку повышение Vc ведет к уменьшению толщины покрытия, возрастанию скорости охлаждения и уменьшению массовой доли фазы Тi5Si3 титана, которая не успевает выпасть, что подтверждается рентгенофазовым анализом.
Аналогичное влияние оказывает и скорость подачи порошка. Таким образом - изучено влияние параметров режима лазерной наплавки (скорости подачи порошка и передвижения сопла) на структуру и свойства покрытий градиентного составу материалов систем Тi-NiCr и Тi-Si.
Установлено уменьшение размера зерна от нижнего слоя покрытия (Тi-12 мас. % NiCr) к поверхностному слою (Тi-30 мас. % NiCг) с уменьшением скорости подачи порошка и увеличением скорости передвижения сопла до 500... 1000 мм/мин, а также увеличение содержание интерметаллидов от нижнего слоя покрытия (Тi-12 мас. %NiCr или Si) к поверхностному (Тi-30 мас. % NiCr или Si) с увеличением скорости подачи порошка и уменьшением скорости передвижения сопла.
Установлено повышение твердости слоев покрытия по направлению к поверхностному слою, при этом изменение параметров режима процесса лазерной наплавки на твердость слоев материала Тi-NiCr влияет несущественно. В материалах системы Тi-Si твердость поверхностных слоев уменьшается с повышением скорости передвижения сопла и возрастает с увеличением скорости подачи порошка. Нанесение слоев материалов систем Тi-NiCr и Тi-Si способом лазерной наплавки можно рекомендовать для повышения твердости и износостойкости титановой основы

Источник: «Автоматическая сварка», 2011, №4, с.27-30

Статьи по теме: