автореферат диссертации по обработке конструкционных материалов в машиностроении, 05.03.07, диссертация на тему:Интенсификация процесса лазерной порошковой наплавки электромагнитным перемешиванием расплава.

Г Г-'А

ИЛЦЮНАЛЫИШ ТЕХ1Т1ЧШШ УШВЕРСИТЕТ УКРАШИ "КШВСЬКНЙ ИОЛ1ТЕХШЧШШ ШСТ1ГПТ"

На правах руконису УДК 621.375.826

ЗРАИД1 МУШР

( Коро.гнвстпо Марокко )

1НТЕНСНФ1КАЦ1Я ПРОЦЕСУ ЛАЗЕРНОГО ПОРОШКОВОГО 11АПЛАВЛЮВАННЯ КЛККТРОМА1 Н1ТННМ ПЕРЕМ1ШУВАННЯМ

РОЗИЛАВУ.

С и е ц I а л I. 1Г \ с г ь: 05.03.07 - Пронеси фпнко-техшчно'! оброСжи.

АВТОРЕФЕРАТ

дисер!аци на лцобуил паукового счунсия кандидата техшчних наук

Кшв 1998

Роботу виконано на кафедр1 лазерно? технологи, коиструювання машин та матер1аш>знавства Нацюнального техтчного утверситету Украши " Кишський полггехшчний шституг "

Науковий кер1вник: доктор техшчних наук, професор В.С.КОВЛЛЕНКО Офщшш опоненти: доктор ф1зика-математичних наук, професор М.В. Б1Л0УС

Захист дисертацп вщбудеться 21 грудня 1998 р. о 15.00 гадиш,,на засщаы: спец1ал13овано1 вчсно! ради Д.26.002.15 при Национальному техшчному ушверсите] Украши "Кшвсышй пол1техн1Чний шституг" за адресою: 252056, м. Кшв-56, пр. Перемоги 37, корпус 19, аудитор1я 417.

Вщгук на автореферат у двох пртнрниках, заверений печаткою, просимо надсилати за вказаною адресою на ¡м'я вченого секретаря спещал13овано1 ради

3 дисертацгао можна ознайомитись у б1бл1отещ Национального техничного утверситету "Кишський полггехшчний ¡нсгитуг".

Автореферат розшланий 20 листопада 1998 р.

Вчений секретар спещал130ван01 ради,

доктор техшчних наук, професор ГОЛОВКО Л.Ф.

кандидат техшчних наук

В.]. ОР1ШНИК

Провщна оргатзацш: 1нститут надтвердих матср^шив НАН Украши, м.КиГв.

ЗЛГЛЛЫГА ХЛРЛКТКРИСТНКЛ РОКОТИ.

Актуальнкть теми. Сушений р1вень розвитку гехшки ставить шдвищеш ;имоги до ягсосп. иадншоси га лошомчносН деталей мятттн та тструмент.-Одюш... и засоош ршгения ни-'/ проблеми ( розробка та заечосування високо-ефективннх ехнолонй глдповленпя розмтр1в та надання иоверхневим шарам вироб1в ипималыют комплексу експлуиашйпих власгивосчей, яи базуюгься на ¡икористанш коицентрованих джерел еиергм, в юму чне.н I лазерного пшромнповання.

До гспершшьою часу ¡ехнолоия ла зерно!о наплавлення. як у нас в крашь 1ак 1 та .орлином, визначила себе, як ефективний зааб виршення техшчних задач фомислошеп. Одна к широке заенхлвшшя цк.т технологи сфимуеться з юлькох »бставин. В першу черту педосташьою якктю наплавлених шартв ( цаяшистю ршщн ). низькою вщчворювашетю результат!!! обробки. Цс обумовлепо вщеутшетго ;истематизовапих даних про зв'язки параметр)в фг;ико-х1м1чпих нроцеа'в при ¡аплавлюванш з характеристиками лазерного промсня. умов та властивостей об'екту >бробки. а також з юнцевим результатом наплавлення - яюстю одержаних шартв.

Аналтз сучаспого стану лазерного наплавлювання показуе, що основним тапрямком полттення його якосчч е шдвищення одноришос п структури за рахунок шенсифнсаци пдродинам1чних пронеав у розплавк застосування присадочних ииер1а:п1) оптимальною складу, якч поедиано з режимами обробки забезнечували б Ьормунонпя в поверхневому ¡нар! сшекуючих залишкових макронапру,кеиь.

Вирппешш них чиопь дозволить науково обгрушовапо визначаш опчимальш )сжими лазерного I азопорошкокото наплавлювання. одержат ви\1дш дат для ю?робки промислового гехполопчпого обладиаппя.

у 1 о 1 а робот. Шдвищення икгсших характеристик поверхпевих шар1В, одержаних тзерною порошковою наплавкою за рахунок ошимальнот використания 1одачково1 епер! п елсктромагшшого поля та режтпв обробки.

Для досягнення поставлено!' мети необхщно було виршшш нас туши задачг

I. Иикопаш аналп процсеу лазерного газопорошкового наплавлювання та ;изначип] шляхи шдвищення иою ефекгивноеп ¡а харакк'рисгик якост! таплавлених шар1в.

2. Розробити спостб щ тенсифгканп пдродиналнчних процеств у зош лазерного тлавлення присадочного порошку, який грунтусться на впливт сил, створених (ода1Ковим елекфомаппигим по..¡см.

3. Визначити ос ноши фактори га параметр» пронесу лазерною наплавлювання з :лекфомагшпшм перемштуванням, ¡х взасмозв'язки.

4. Удоскона.шш матемашчш .моде;» чеиловою стану 1а Iидродинамппптх троцес1в при лазерному иаплавлюваши урахувашгям дн елекчромагштпого ноля; за х допомогою дослщити комбшований пронес та визначити ор1снтовн1 значения характеристик електричнот дуги та електромагштного поля.

5. Розробити експериментальний стенд на баз! газового С02 та твердо-ильногс УАС:Ш лазер1в з фокусуючою системою та джерелом живлення електрично! дуги пристроем для утворення електромагштного поля.

6. Дослщши те.кнолопчш характеристики процесу лазерного порошковоп наплавлюванпя, структуру, фазовий склад та наиружений стан одержани? поверхневих шар1в.

7. Виконати дослщження гриболопчних та мехашчних властивостег наплавлених шар1в; розробити рекомендацп по дощльному використаннк розроблено! технологи! та вщповщного обладнання.

Наукова новизна. Вперше розроблено способ лазерного газопорошковогс наплавлювання з застосуванням додатково? енсргн електрично! дуги тг електромагштного поля, який у поеднанш з присадочними матер1аламг оптимального складу дозволяе одержувати практично бездсфектш шари : одночасним тдвишенням продуктивное^ процесу. Лазерне порошков* наплавлювання з електромагнитпим переминуванням (ЕМГ1) подано, яг технолопчна система, що дозволяе на ос нош встановлених взаемозв'язюв м'гл технолопчними факторами I параметрами фiзикo-xiмiчниx процеав прогнозувати тг керувати якюними характеристиками поверхневого шару г експлуатащйнимг показниками оироб1В. Запропоновано удосконалеш математичш мод ел I тепловогс стану та лдродинам1чних процес^в при лазерному наплавлювант з ЕМП розплаву яга дозволяють дослщжувати таю процеси, визначати )'х основш параметри те взагмо.зв'язки. Встановлсш законом1рност1 формування наплавлених шар1в, Ь мжрострукгури. розпод1лу легуючих елеменив при використанш р1зни> присадочиих матерк'шв як стандартних, так 1 орипнальних композиций типу Ре-В-С. та технологичних параметрш 1 умов обробки. Визначеш закопом1рност1 впливу ток} електрично! дуги, шдукцп електромагштного поля, х1м1чного складу присадочни> порошюв 1 режимов лазерного oпpoмiнювaння на напружений стан наплавленю шар1в, на знососпйисть, зокрема при високих температурах, мщшеть зчеплення: основою; показана можлишетъ керування дими важливими експлуатацшним1-характеристиками.

Практична цшшеть: Одержан! в роботт результата, а саме. запропоноваш технолопчна схема введения додатково! енергп при лазерному газопорошковом) наплавлювант, визначеш д^апазони змшювання режи\пв лазерного опромшюваншг струму електрично! дата, вдукцп електромагштного поля, виготовлен: експериментальш зразки спещально')' фокусуючо!" системи та джерела живлення ( основою створення промислового технолопчного обладнання, проектування нови> технолопчних процес!в виготовлення реальних вироб1в.

Також вони можуть бути використаними при створенш автоматизовано! ситемг керуванпя процесом лазерного наплавлювання; при удосконаленш процеси лазерноГ поверхнево! обробки за рахунок засгосування шших додаткових джере/

;iieprii (плазми. ультразвуку); при орташзаци спешалтзовапих па лазернпт обробпд

¡иробництв; в - иавчалытому____upoucci студеипв мехаирпшх спсщальностсй. в

фактичнш дтялыюст! асшранпв. на>ковичcuiepoGiihhkih

Аиробащя роГттп. Про оеиовш положения робот доповпалоея на науково-ехгйчних копферепшях. семшарах. симпозиумах. найнажлившп з яких: мпкнародш гонфсренцп "ICALEO-97" м. Сан-Диего, CIUA,1997p.;"Hoöi розробки та досвш ;прот!адження лазерно'1" техтки1' м. Алушш, 1995, 1996,1997 p.p.

Iho. iikaiiii По ic.vii дисертацшпо; робот опублжовано 7 наукович прань.

Структура i обсяг робот. Дисеркиййна робот складасться h вст>пу. п'яш юздшв. загальних висновгав, списку лггератури si 124 найменувань га додатку. Зикладена на 177 етсршках машинописного юисту.вшщус 81 малюпок. 13 аблиць.

ЧМ1СТ РОБОТИ

Лазерне газоиорошкове наплавлювання г ефективиим способом щднищення нососпйкосп та вщновлешы деталей машин, яю працюють в pi зних умовах. навтть кстремальних ( дй абразивних та агресивних середовищ, надвисоких тискш i емпсратур, циюпчних навантажень i таке inuie).

Роботами piniHix досл1дпшав. яга працтовали в щй галузй проф. Григорьянца V.F.. Сафонова A.Ii. (Росия). Спиридонова II.B. (Беларусь), доктора Конрада 5иссибаха (Нимсччина). проф. Вильяма Стина (Аш.пя) ¡a ix \ чнш. показано, то азерне газоиорошкове наплав, новация практично по всим показннкам персвищут льтернативш способя. I в першу черту, по мкооп наплавлено!о шар\. \niiuocii нот чеплеппя з основою, величини за.нппкових дефор.чашй виробнв i такс ¡нше. lloi'o cxnoiiori4Hi можливоси яв.шють собою основу безви.чодноУ технологи майбушьото ннрошувапия готових виробт. так ;ваного способу "Rapid Prototyping".

Одна к. ця гехнолопя мае ряд проблем. Одна из якнх г пцшшнеаня рщшостшкосп наплавлених mapiß.

Деталышй аиал'п результатов дослгтжеш. показав.що процес гршнноу творения рп ЛГПП р бататофакторпим i ною ipeoa розтлядати системно, базуючись на трмаурних ia техно.ю! ¡чних причинах зароджеиия rpimiiH.

Вц(М1чап|,ся. що структурними причинами можуть буш: межа у - твердого азчину з евтектжою, особливо у 30Hi сплавлювання з основою, де диоть ¡аксималмп ростягнуючи залишков! макропапружепня; концентраторы шпружень у uraai оксидних и.йвок. порожним. крие1алмашй!шх ipiniHii. не розчнпепих частин орошк}, великих карбЬ'нв або oopiuiß: велика розбглсшаь у коефнипмач емнературнот розширення фазових складових матерталш покриття i оспови. ехполопчиими: nepißHOMipnuii розподьт температур у зож разп.шву; режими бробки не забезпечують повтюю розплавлювашш всих фазових складових. юрмування пластичних фаз: неоптимальш швидкосп охолодження розплаву при риспь^зувапш.

Для виключення або знижешш впливу наведених причин е рпш способи: попередне ni/urpiriaiiim Ritpo6ÍR; створення буферних Jiiapiß; попередне модифпсування поверховос-л, яга наплавляються; сканування лазерного променя; використаши для niflirpißaniM вщбитого лазерного випромшюванпя та in. Bei вони цшав1, але не виршгують проблем и в цшому. Тому що можуть виключити утворення Tpimin , але при цьому пеприпустимо зиизити зносостшгасть, гвдвищити залп ш ко в i деформацн.

При електро дуговому зварюванш, металургп, для тдвищення якосп зварювання або винлавленого металу, заетосовуеться ЕМП розилаву, яке показало надвисоку ефектившеть.

Поеднання лазерного газопорошкового наплавлювання i ЕМП спроможне супг,во розширити можливосп керування пдродшамшою разплаву, структуроутворенням наплавленого шару,його якюпими характеристиками.

На ochobí виконаного анал1зу булло сформульовано мету та завдання дослщжень.

Екснериментальш дослщження проводились на специально обладнаних стендах, створепих на 6a3Í потужних СО; лазеров "Ко.мета-2", PRS 3000 та 4-х координатного маншулятору Ml25, В дослщженнях додатково використовувались лазери JITH-103, ЛТИ 502. Для контролю погужносп та просторово-часово« структури лазерного випромшюванпя застосовувались вим1рювач1 типу РСИ-602, ТИ-4. ИМО-2 та спец1ально розроблеш. Металлограф1чш та металофгзичт дослщження проведено на оптичних MÍKpocKonax "Нсофот 21". ММР-2Р", ПМТ-3. ренттешвському дифрактометр! "Дрон-ЗМ", електроному MinpocKoni "Super Probbe 733" ф!рми JEOL Залишков1 напруження вивчались рентгсшвським sin2 vy методом. MexanÍ4HÍ властивосп наплавлених niapiü вивчались на машинах тертя IIBK-2, СМЦ-2, спещ'альних машинах торцевого тертя в умовах високих температур. Дослщження виконувались на вуглецевих сталях-сталь 45, легованих- 65Г; crniasi на ochobí жкелю ЖС6К.

Схема штенсифжацй лазерного газопорошкового наплавлювапня електромагштним полем наведена на рис.1. Г1ром1ж двох слсктрод!в, один з яких с сопло фокусуючо! головки, а друшй - деталь, за допомогою специального джерела створюеться електричиа дуга. Одночасно, за допомогою кату шки, розташованш на фокусуючий cncTeMi утворюеться електромагштне поле. Магнгший попк замикасться через ванну розплавленого лазерним випромшюванням металу та, шаг мод ¡я з електричним струмом дуги, створюе електромехашчну силу, яка Д1е на розплавлений метал. Змшюя величину магштшм шдукцп та силу струму д>ти можна змшювати швидюсть течи! розплаву, розташування його границг

Основними параметрами процесу наплавлювання, вщ яких залежать hkíchí та експлуатацшш характеристики наплавлених шар1в, с: температура i час нагревания, швидкшть руху розплаву, шнидм'сть охолодження. Керувати цими параметрами

можна за допомогою ряду факторт, пов'язапих i лазерним променеч, деталью, яка эброблясть«я~ "та'""умовами— опромпповання.. .i __ в иершу черту: потужнипю винромшювапия та його розподьтом. диаметром илями фокусування. "шввдюсткг обробки. витраченням ia напрямком подачи порошку. е]р\мом душ ia магнпною ¡ндукшпо.

Для назначения закошлпрносгей вплину инк фактор!» ia ;iianasony i.\ тчиноваштя ?.д¡йсин^вплось математичне моделювангня. Моделюваиня проводилось >.' ipn сиши. Спочаису було розглянуто лазерпс нафшапая мегалу. поим -композицн "покриття-основа"', ношм - шродшшпку пронесу, у юм> числ1 з урахуваипям вплшзу електрично? дуги i електромагштного поля. В якос-ri модел1 викориаокупалось нелшшне неоационарне багатом!рне ршняння юплонровцпост! з граничними умовами другого роду, початковими умовами та неявною схемою видшиння границь фазового переходу.

ат 0 дТ д дТ д ЭТ

Cf('l')p/(T) — = — (Я/(Т) —) + — (Х/СГ) - ) +' — (Xf (Т) -V, at Эх дх ду ду дг дг

дТ дТ ОТ дТ

I 7=0 =0 — t х=0 = О ~Xf (Т) — = [ 1-R/(T) JYVp (x,z,t)4- qd< -- j = 0;

th \г~i.h дх I x=\li Dy ду \ yli

To = 25 "С : СЯ'П = i'f(T) + rt*Q5(T) (T-Tf *):

C'tCI ),/. :('Г).р; ( Г).К (T) - залежносл теплочкгкости геплопровцшосп .mi.fbiiocTi та

коефшкшу вьтдзеркалюнання обробляемот матеркиу ni;i темпера iypn:

J' - температура-, i - час : X.Y.Z - apociopoBi координат: 6 - ф\ нкцш Дфака;

Г*г.Ц*1 - юмнерапра та скрига теплота (разового переходу: hvlK.h,- розм1ри вироб\;

]д=1/ст1*; I- струм дуги; а - ииюма електрична проводим^гь.

Чиста сталь ■>■ лазер: 1=0: f=l: Сталь з покриттям + лазер: I=0;f=l;2;

Зкыьз покрипям ; лазер ) дма:1 0.1-1,2.

Дослщжувалось вплив пилыюсн ногужносп лазерного промепя на розм^ри юни терм1Чного впливу. ржень температур, швидюсть теркйчних цикл!в. швидкють эуху гранищ фазових переход1в.

Система ртлятмш. иирчпуналась методом кшцевих видмшносгей з неявною ;хсм(.чо anpOKCHManii похшних i неришом(рними кроками ко проеюровим i часович «»ординатам. Залежшсть теплоф1зичних власшвостей та косфшкша вид!еркалю-зання шд ie.\mepai\ри пмернолюва.шсь куГмчничи еллайна'чи. Для комгтозшнйного латертлу, який складасться з а компонент, ш залежност! визначались по формулах! щитивностк Розрахункова. схема процесу наведена на рис. 2.

Чля визначення швидкостей течиГ розплаву та його граничь викорисювувалось мвняння безперервносп, Навье-Стокса i eneprii для рщинного шару у дскартовш

систем! координат ( при умов! сталостс щшьносп та динам1чно! в'язкосп рщинного металу). Ц1 р1вняння утворюють сисюму вущосно невдомих У,Р,Т. Граничш умови на нижшй поверхш (рщина-тверде пло) вщповадають прилипанию, У(хД1)Ю; на поверхш - визначаються р1вшстю сил в'язкости (ньютоновського тертя) 1 поверхневих сил (наируження ссування дор^внюс. градиенту поверхневого натяжшпя).

эи дУ — + — = 0 ; дх д\

еи аи эи 1 ар б-Ч!

—+ и —+V —=■ -- — + V ( — +

а дх ду Р ах дх1 зу

ЗУ ЗУ дХ 5 ар

—+ и —+ V —=• -- ------- +

31 дх дх Р дх дх2 ду

■г

сП' а ОТ д дТ

рСт — =—( Яж (Т) —) + —(Ък(Т)—) + Ф ; д1 д1 дх ду ду

и.У - проекщя вектору швидкост на координатж вюц Р - гиск; Ф - диеипативна функщя; V =ц / р - кшематична в'язгасть; Р = .ТхВ; Р -сила,яка на розплав; I- нильнють струму у розплав!; В- магштна шлукфя.

Дана система ртняпь вирплувалась методом пнцевих вщмшностей. При ньому для оцшки меж ванни розплаву, температур використовувались одержан! ршпш решения рашяния теплопроводность

Вплив електричноГ дуги (тепловий) I д1я елекгромагштного поля на розплав ураховувались введеннням додагкових компонентов.

На рис.3 наведен! результата розрахунку розподшу швидкостей течш розплаву та його меж з урахуванням впливу електромагштного перемниувашгя.

Додаткове тдведення у зону обробки електрично* дуги с ЕМП призводить до пздвищення як швидкоси тсчп розплаву до 800 см/с, так I poзмipíв ванни розплаву. При харакгерних роз\прах ванни розплаву , за час його ¡снування вш нети гаг зробити 0.5-2 обергання. При цьому диапазон змшення парамегрш лазерного наплавлепня с таким: потужшеп. лазерного випроминованпя - 0,15 - 1,5 кВт; швидкють наплавлювання - 0.1 -1,2 м/мин; диаметр плями фокусування - 0,4-4 мм; струм дути - 10 - 50 А; магштна шдукшя - 5 - 40 тТ.

Експернменталып дослщження проводились на спецшльних лазерных технолопчних комплексах на баз! газових СО; 1 твердоильних УАСг:Ш лазеров. Д.чя тдведення електричноТ дуги и створення ефекту електромагштного перемшгуваппя було розроблено спещальний пристрш та вщповщний блок живлення.

Дослижувався вплив умов оиромшюванни га складу порошкового магер1алу на р0зл»^1~характср!1стики:-м»кр0тверд>сть_!а_м1кр0сгру,к1>'ру наплавлених inapte. Всгаиовлено. що на говшину наплавлено! о шару ¡а ширину зоГГи взагмного -легування суттсьо впливакль гехнолопчна схема обробкн. к> г подачк склад i виграчення порошкового матерталу, дтаметр плями фокусування та швидк1С1ь втдноснот руху. Оптимального г технолопчна схема паплавлюваштя. коли порошковий матер!ал подагться у слщ лазерного променя. При цьому досягаються мепнп ювщинп наплавлених mapia. алс таранпеться мсгалурпйний зв'язок з основою, висока однорщшсть С1рукт\ри. Опшмальний kyi подач! сгпвпадас з куюм нахилу дотсчио!' до трапсгорн pvxy розплаву i становить 45- 50°. Диаметр плями фокус} вання сгаповить при нтужносп випромшговання 500 -700 Вт - 2,0 - 2,5 мм. при 1200-1500 Вт- 3 -4 мм.

Швидюсть наплавлювашш гакож мае бути оптимальною. Низью швидкосп знижують товщину наплавленого шару, тому що ненка частица порошку вигоряс. bhcokî - тому що температура нагревания порошку недостатня для повного його розплавлювання. Порошков! Ma repiajm, я ici дуже в1др1зняються по теплоф13ичшш та xîmîhhhm властивостям рлд материалу основи, наприклад ТЮ.утворюють hepibhomiphi i малт по товщиш шари з порожнинами, трпцинами. Таю матертали у чистому виглядк без домшгак. ям тдвищукмь його текучкть у рОиншому c-rani та змачувас.чпси». а гакож пласгичшеть для релаксацн напружень, '.астосовувати нсможна. хоча при ньому i досягае ться надзвичайно внеока твер;пеп>- до 14000 Mua 1шш наплавочш Maicpia.ui. як на ochobî шкелю, так i па основ! залпа забезпечуюгь меншу 1вердюп> 8000 - 10000 Мпа. яка практично не заложить шд швидкосп паплавлтовапня i набагато вишу ямс1ь наплав.lenux niapiB. Дослиж> вались кткож снещалый наплавочш порошки,

якг макиь внеоку тиердюп. i len.iociiuKiciь. В4С. Х'ГП .BTII. У ociaunix основою с корозюнноспйка сталь, а змщшоючими фа'кпш - TiB:. CrB>VC. Наплеж шари i ". ХТН на жаромшний сплав ЖС6К мають менш однорщиу структуру шж тз В4С, але вишу гвердтсть 7000-7500 МПа. проз и 6000-6500 МПа.

Наплавлена иоверхия янляс собою сукушпсть валшв. ям розтанюват з невним взаемоперекритгям. Вивчення розподшу твердости, наявност! залишковою aycicniij та концентраци нугли пя у мартенсип показало ïx високу piBHOMipHicTb. Це евщчить про ie. що при лазерному наплавлюванш з ЕМП зони перскриття не являготь собою мста.тург)Й1П концепт par ори напружень. тюршняно ; звичайною лазекрпою поверхневою змщнюючою обробкою. '¡'ому так] покрипя повчнш' мати крапи механнчш характеристики,

Продес ipiinniioN творения бсзпоссредньо пов'язаний ; нанруженнм станом наплавлених mapÎB. Останнш вивчався ' рентгешвським методом. Дослпжувлвся розподш залишков1гх напружень у наплавленИх шарах h сплаву ПГ-СРЗ та спещального Fe-B-C сплаву. Як видно из рис.4 для сплаву ПГ-СРЗ характерш

Рис. 1. Схема шгенсифжацц лазерного Рис.2. Розрахункова схема процесу ла-газопорошкового нашивлювання зерного наплавлювання з електромаг-

електромагштним полем . штним переминунанням.

в

Рис.3.Розиодм швидкостей течи! розплаву (а,б) та розм1р1в ванни розплаву (в) при р^зних способах обробки : а,2 - чисто лазерна; б, 1 - лазерна з ЕМП - сталь 65Г, Р-180 Вт.с10 = 03 мм, = 2,5.105 Вт/см2, У= 5 мм/с. 1- \'~1,8 мм /с; 2- У=1,2 мм/с; 3- У=1,0 мм с; 4 -\'=0,8 мм, с; 5- У=0,4 мм с; б- \'=-0,1 мм/с.

переважпо ростягуючи напруження. "1рпцини. якт при ньому спостерпаються, мають певну opii-HTaniro. що в1дхиля€_ кристал1зацшну природу ix утворення. На етага утворення мартсисит1Ю1 фази вони також не можуть -Гяв;тйсь"тому що млртеттентнт перстворонил викликають формувапня сгискуючих залинпсових напруженъ. В покрипях Fe-B-C формуют ься стискуючи залишков! напруження - трпдини вщеутш. ]{е пов'язано з великою пласгпчтстю покриття, мартенсишими перетворюваннямн. Пластичтстъ обумовлена зменшенням борино? фази при xiii же галькосп бору, Гнльш pinnoMipiiHM ff розно,илом по тлибнш шару. Включения електричпо? дуги суттево змшюе характер напруженного стану в наплавках Fe-B-C - на иоверхш фпрмугться напружений стан, близький до однородного стискуючого. В наплавках 11Г-СРЗ росшуючи напруження з тлвищеннмм сфум> дуги суттево ( уЗ рази) зменшуються но величиш.

Включения магштного поля сприяе збшьшенню вщ'емних залишкових напружень з зростанням магттноГ шдуыш ( з -450 МПа при 10 мТл до -700 - при 40 мТл ) для сплаву Fe-B-C i винекнинню етискуючих наиружень для ПГ-СРЗ.

Таким чином, струм дуги i маги¡тну нтдукцао можна використовуватн для ефективного керування напруженним станом наплавлених mapiß.

Вивчався вплнв режим1В лазерного наплавлювання на юлыдсть трнцин, якт уишрююгься >' зош наплавки. Кллыасть филин заложить вщ щоыюсп потужносп .'¡азерною випромшювання. швидкосп наплавки. Чим Сялыаа щнльшоь поi>>tnuicii. а не озиачас збьтьшення градкнту температур, тим (Ялмш напруження. шм бьтьша ктльюсп» ipiiiuni. Залежпосп кьтькосп ipinuiii ш'д швидкосп наплавки биьш складш. вони матшь максимумп. Причому. з шдвищенням щилыюсм пшужносп лазерного випромшювання максимум кьткосл тршши змппуаься в напрямку зросгания швидкосп наплавки. При низьких твид

косгях зростас перемпиування мaтepiaлiв покриття t основи. зниж>"Ю1Ься швидкосп охолодження i , як результат - зменшення ктлькосп iрицин. При тдвшцених швидкостях обробки , в структур! зСлльшуеться KijibKicTb пластично!" у - фази, ргзко шижупься iincncnBiiicTb перемпнуванпя MaTepia.Tiß.

Електрична дуга при си.й сфуму до 1 НА практично не вилива на k'i.ibKicn, фпнин. Але при бтльших значениях струму, ix кшыасть суттево зменитться (рис.5а). фею магштного иерсм1П1упат1ия починае впливати накшыасть тр1щин при магпиттйй шдукцн бшытте критично?, 30 тТ (рис.56).

Лазерная наплавка з КМ11 норшняно з чисто лазерною. плазмовою або ТВЧ значно шдвнтцуе зноеоспиюсп, наплавлених покршь (рисб) При лазерному паплавлюканш ;а рахупок надвиеоких швидкостей криетплпаш?. утворення дуже пересичених розчишв зменшуються кыы<лсп> збижових криега.лв. ix роз.\при. Покриття по структур! змицуеться в напрямку евгектичного. Поверхпев1 шари шеля лазерно? наплавки на вдаину В1Д ТВЧ не мають крихкого зношування, маютъ бшьшу

Рис.4. Розподш залишкових макронапружень по глибит наплавленого шару

при р1зних значениях струму електричноТ дуги(а) та Магнитки пцукцп(б): 1.3- ох, 2,4- ъ у- Р~ 1.5 кВт; V - 4 мм/с; -*- Ре-В-С, -х- Г1Г-СРЗ.

п.

0.6

0.45

10 20

за

40

1 1-, [ ------------- --------------

>

Ц-

15 30 45 В(шТ)

Рис.5. К).1ЬК1Сгь тршшн на одииицю довжипн ванни розплаву у чалежиосп вщ всличини струму дуги (л) та млпитиен шдукци. при 1д г42Д (б): 1 - ПГ-СРЗ: 2- Ге-В-С.

Рис.6. В1дносиа зное<клнше!ь нанлавлених шар]'в ¡з ПГ-СРЗ при рпних умовах обробки: 1 - лазерна наплавка; 2 - лазерна наплавка з ЕМП. 1дг=42Л;В;Ч) тТ: 3-1д=42А;В-15 шТ; 4 - 1д-42А; В-ЗОшТ : 5- 1д=42А;В=60тТ; 6- вутлецева сталь (45%С).

високотемпературну зносостшюсть. Результат випробувань свщчать, що :юр<пHKoui магср1али па ocnoBi залпа nic.m лазерного наплавлювання мають кращи rpiooiexHinni характеристики, нпк самофлгосуючи сплави на ocnoßi шкелю, як в умовах сухого, так i граничного тертя.

Шдвищения жароспйкосп лазерних наплавок пов'язано з зменшснням гстерогенносп ix структури, в наслщок утворення пересичених розчишв. По зносостшкосп наплавлеш шари залежать в ¡л типу порошкового матсршлу i розташовуються у гакш послщовносп: ХТН - ТН - ВТ.

Дослщження мщносп зчеплення покритть i наплавлених шар!в з основою . шпфтовим методом., виявили значш переваги розробленого методу наплавлювання. Таким чипом, одержат результате свщчать про те, що запропонований метод являе собою високоефективний способ шдвищения яюсних характеристик поверхиевих mapiB, одержаних лазерною наплавкою.

OCHOBHI висновки

1.Розроблено cnocio ттенсифжацп лазерного порошкового наплавлювання викорисганням додатковоТ енергий електричноУ дуги та елсктромаппгного поля, який забезпечуе, пор1вняно з традицшним процесом, шдвищения на 30-40°о геометричних po3Mipiß наплавлених mapiß, одержання mapiß з високою одноршшетю структури, яю мають шдвищену на 50-95 % зносостшюсть та на 100-1 50% трщшостшгасть. високу мщшеть зчеплення з основою, 390-400 МПа.

2.Встановлено. що осиовними параметрами керуваппя процессом лазерного порошкового наплавлювання з ЕМП с: потужшеть лазерного випромшювання

( 0,18- 1,5 кВт), Д1амегр плями фокусування ( 0,5 -3,0 мм), швидюсть наплавки (0,21.2 м/мин). струм електрично! дуги (18-42А), величина магнитно! ¡нлукцп (20-60 тТ), витрачення порошку ( 0.1- 0.6 г/с), кут подачи порошку- (45-50°). З.Запропонована удосконалена з урахуванням енергп електричио1 дути та електромагштного поля. нел1нейна математична модель процесу лазерного порошкового наплавлення з ЕМП, яка дозволяс проводити ощнку paiNiipiß наплавлених iuapiB, швидкостей течи розплавлепого метал}'.

4.Показано, що подведения eneprii' електрично! дуги поеднано з дкто електромапитного поля призводить до пщвищення як глибини, так i ширини розпо всюдження границ! розплаву, суттевому збшьшенню швидкосп течи розплавленого металу.

5. Доведено, що дос.щджеш експериментальш норошкош Maiepia.m на основ i за л ¡за системи Fe-B-C i XTII не тшьки не поступаються. а навпь перевищують по зносостшкостт та трищпоспйкосп самофлюсуюч! сплави на шкелевш ocnoßi типу ПГСР. При цъому показано, що найкрашими для лазерного наплавлювання з ЕМП мають буди такт порошков! матер1али, котрт мютять оптимальиу ылыасть борцпв i

млишковий аустешт, я кий забезпечуг пласгичшсть матриц). >.Вик0рйстатом~снсрпг-електрично1--дуги. -■за- рахунок змшювання сили струму,

к>зволяе керуваш величиною, знаком га характером розподьту залтш1к7>7*их ^акронапружень у наплавлених шарах. При сфу.\п душ ш'д I2A до 42 А в юверхневому îuapi наплавок Ес-В-С формуються стискугочи залишков! напружения ^личиною 300 - 450 Ml la. У иокрьп ¡ях -типу IU'-СРЗ елекгрична дута зпижуе pißeHb эос1ягуючих напруже!гь з +400-450 до +] 50-200 МПа.

7.Елекчpo\taraiiне ноле \ сукупносм з елекгричиою д\тою школе сугтеио змииос шпрулсений стан наплавленого шару - тдвищуе ршень стискуючих нанружень у чаплавках Ге-В-С з -'ISO при В=10 rnï до -700 Мпа при В~40тТ, в наплавках Г1Г-:РЗ с -150 Мпа при В=0 до -150 при В=30 тТ.

^Трйцшостшюсть наплавлених uiapiB визначасгься вцщосною коннешрацкло 5орщ1в i залишкового avcieini'v, ржнем напружень га пласт ичшеио матрично! фази а може бути тпдвишеиа у 1,5-2 рази застосуванням струму електричноУ дуги з ;илою бЬтьше 20А i магштного поля с шдуктппо в межах 35-45 тТ. ).IIoBcpxiieBi шари, одержан! лазерним наплавлюванням з ЕМП, мають максимальну шосостшюсть при оптимальних значениях струму дуги i магштпоУ шдукщТ d^42A,B=30mT; при зношуванш вщеутне крихке руйнування та зчiплювaння з таюр^алом кошрпла. знижуггься коефщкш тертя з 0.6-0.7 до 0.3-0.4; мають пдвшцепу Miimicib зчеплення ;основою - 390-400М11а.

0. Для реал1заци пронесу лазерного порошкового паплаплюваппя з ЕМП ючроолено ючнолопчне обладнанпя. и г ому числи <|юкус> ючу chcicmv для ндведення в зону дп лазерного випромжнлвання елекфичноУ д\гн та :лск1ромап»тного поля, а також «¡дпоглдпе д'/керело живленпя.

OcnoBiii положения дисергацп викладсно у иаступних роботах: .Gas-powder laser cladding v\iih electromagnetic agitation. V. S. Kovalenko. A. N. Lutay.N.I.Anjakin. Zraidi Munir. ICALEO"97, San Diego, USA volume 83.part2,

p.21-26.

1.Лазерне наплавлешш з електромщ hî гним неремииуванняя.'В.С. Коваленко. А.Н. 1утай,Н.1.Анякш,Зрайди Mvnip. Ексирес-Повини, Наука, техшка, виробнинтво.ЫН-2,1998. с.37-38.

¡.Коваленко B.C.. Зрайди Мушр. Джерело живлення електричноУ дуги для лазерного [аплавленпя s елеюpo\tarniтиим перемннуваннмм. Експрес-Повини. Наука, техника, иробництво.Ш 1-12,с. 38-40.

.Коваленко В.С..Зрайди M\nip. ВЬтновлсння зношених деталей за допомогою lajcpnoï наплавки- один ¡з uujaxii» до виринення еколомчних ia екогкппчних [роблсм.Експрес41овини.11аука,тех]пкя.виро6иицтвол^13-14Л998.с.21 -25.

5.Коваленко В.С.,Лутай А.Н.,Зрайди Мунир. Влияние технологии лазерной наплавки на структуру и износостойкость покрытий. Тезисы международный конференции, 26-28 сентября , г.Алушта, 1995 г.

6.Трещиностойкость лазерных порошковых наплавок./ B.C. Коваленко, А.Н. Лутай,3райди Мунир,А.Т.Сердитов, Ю.В.Ключников. Тезисы международный конференции ,17-19 сентября, г,Алушта. 1996 г.

7.Лазерная порошковая наплавка с слсктромагнитным перемешиванием./ В.С.Коваленко, А.Н.Лутай, Н.И.Анякин, Зрайди Мунир. Тезисы международный конференции ,27-29 мая, г.Алушта, 1997 г.

АНОГАЦШ

3paMfli МушрЛнтенсифжащя процесу лазерного порошкового наплавлювання електромагштним перемпиуванням розплаву. Рукопис.

Дисертащя на здоб)тгя наукового ступеня кандидата техшчних наук за снещалыистю 05.03.07 -"Процеси ф13ико-техгично1 обробки". I [ацюпальпик техшчний ушверсигет Украши " Кшвський полпехшчний ¡неi туг ". Кшв , 1998 р.

У дисертацй захшцасться способ лазерного газопорошкового наплавлювашы з застосуванням додагковот enepni електричнот дуги та електромагнпного поля, який у поеднанш з присадочними материалами оптимального складу дозволяс одержувати практично бездефектш шари з одночасним шдвищенням продуктивное^ процссу. 3anp0n0H0Bani удосконалеш математичш модели теплового стану та пдродиналичних процешв при лазерному наплавлюванш з електромагштним перемшуванням розплаву. Встановлеш закономтрност1 формування наплавлених шарив при використанш ргзних присадочних матсрииив. napaMcrpie i умов обробки. Визначеш законом1рност1 впливу тока дуги, шдукцп електромагштного поля, складу порошюв i режим1В обробки на напружений стан наплавлених шартв, знососпшасть. мщшеть зчеплення з основою. Розроблепо i виготовлено експеримснталый зразки вщповцшого TexHOJiori4Horo обладнання.

Клгочевт слова: лазерна наплавка, порошков! матер1али,електрична дуга, електромагштне поле, ¡piii|iuocri й kict ь, твердшть,зносостшгасть.

АННОТАЦИЯ

Зрайди Мунир. Интенсификация процесса лазерной порошковой наплавки электромагнитным перемешиванием расплава. Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.03.07 - "Процессы физико-гехнической обработки". Национальный технический университет Украины "Киевский политехнический институт". Киев, 1998 г.

В диссертации защищается способ лазерной газопорошковой наплавки с применением дополнительной енерпш елсктричсской дуги и електромагнитного поля, который при использовании присадочных материалов оптимального состава позволяет получать практически бездефектные наплавленные слои при

одновременном повышении производительности процесса. Предложены

усовершенствованные—математические______модели теплового состояния и

гидродинамических процессов при лазерной наплавке с электромеханическим перемешиванием расплава. Приведены закономерности формирования наплавленных слоев при использовании различных присадочных материалов, технологических параметров и условий обработки. Определены закономерности влияния тока д\ги. индукции электромагнитного поля, состава порошков и режимов обработки на напряженное состояние наплавленных слоев, износостойкость, прочность сцепления с основой. Разработаны и изготовлены экспериментальные образцы соответствующего технологического оборудования.

Ключевые слова: лазерная наплавка, порошковые материалы, электрическая д} та, электромагнитное поле, трещиностойкость, твердость, износостойкость.

SAM MARY

Zraidi mounir. Intensification of laser powder deposition process by electromagnetic agitation of melt. The manuscript.

The dissertation for defence of a scientific degree of the candidate of engineering science on a speciality 05.03.07 - " Processes of physic-technical processing ". National technical university of Ukraine " Kiev polytechnic institute". Kiev, 1998. in the dissertation the approach of gas and powder deposition together with of electrical arc and electromagnetic field energy is defended which is by use of additive materials of optimum structure allows to receive practically fused layers without defects at simultaneous increase of productivity of process. The advanced mathematical models of a thermal condition and hydrodynamic processes arc offered at laser deposition with electromechanical agitation of melt. The laws of formation of fused layers are given at use of various additive materials, technological parameters and conditions of processing. The laws of influence of an arc current, induction of an electromagnetic field, structure of powders and modes of processing on the intense condition of fused layers, wear resistance, strength of coupling with a basis are determined. Experimental samples of the appropriate process equipment are developed and made.

Key words: laser deposition, powder materials, electrical arc. electromagnetic field, cracking resistance, hardness, wear resistance.

Здобувач

Зрайдн Муиир