автореферат диссертации по обработке конструкционных материалов в машиностроении, 05.03.01, диссертация на тему:Разработка и исследование процесса объёмного формообразования из металлических порошков при воздействии импульсно-периодического лазерного излучения

УДК621.9.048.7 На правах рукописи

00345ББТУ

Чжан Цин

РАЗРАБОТКА И ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОЦЕССА ОБЪЁМНОГО ФОРМООБРАЗОВАНИЯ ИЗ МЕТАЛИЧЕСКИХ ПОРОШКОВ ПРИ ВОЗДЕЙСТВИИ ИМУЛЬСНО-ПЕРИОДИЧЕСКОГО ЛАЗЕРНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ

Специальность 05.03.01 - Технологии и оборудование механической и физико-технической обработки

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

0 5 ЛЕК 2008

Москва — 2008

003456677

Работа выполнена в Московском Государственном Техническом Университете им. Н.Э. Баумана

Научный руководитель:

доктор технических наук, профессор Александр Григорьевич Григорьянц

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор Виктор Модестович Ямпольский

кандидат технических наук Андрей Владимирович Трутнев

Ведущая организация:

ОАО «ММП им. В.В.Чернышева»

Защита состоится /7. /2. _ 2008 г. на заседании диссертационного совета Д 212.141.0б при МГТУ им. Н.Э. Баумана по адресу: 105005, г. Москва, 2-я Бауманская ул., д.5.

Ваш отзыв на автореферат в 1 экз., заверенный печатью, просим высылать по указанному адресу.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке МГТУ им. Н.Э. Баумана

Автореферат разослан (4- - // 2008 г. Телефон для справок: 499-267-09-63

Ученый секретарь диссертационного совета д.т.н., доцент

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

В диссертационной работе рассматриваются вопросы, связанные с процессами объемного формообразования из присадочного порошка с использованием импульсио-периодического лазерного излучения.

Актуальность работы.

Лазерное объемное формообразование металлических материалов является постоянно развивающимся методом обработки для изготовления новых деталей или восстановления изношенных поверхностей деталей машин. Процесс объемного формирования предполагает построение объекта послойно по электронной трёхмерной модели. Деталь разбивается на тонкие слои. В процессе изготовления подложка совершает перемещения относительно лазерного излучения по программируемой траектории. Одновременно в зону обработки подается порошок. При переплаве присадочного материала получается формообразующий слой. Далее слой за слоем формируется деталь. Это технологии быстрого прототипирования и производства, известные за рубежом под названиями DMD (направленное металлическое нанесение), ЬЕН8(направленная материальная система выращивания) и др. Использование в качестве источника нагрева лазерного излучения, а также возможность смешивания присадочных порошков позволяет регулировать свойства детали. Известные установки(ОМО, LENS) оснащены мощными технологическими лазерами, генерирующими непрерывное излучение.

Несмотря на высокую концентрацию энергии в пятне нагрева, способы обработки с использованием непрерывного излучения предполагают относительно большой перегрев металла. Поэтому они имеют ряд недостатков, связанных с высоким термомеханическим воздействием на обрабатываемый металл, и, как следствие, большим противлением основы, перемешиванием основного и присадочного металла, относительно сильным перегревом подложки.

Наряду с указанными трудностями в зоне лазерного воздействия возможно образование трещиноподобных дефектов. Литературный анализ говорит о том, что избежать данных трудностей можно при использовании лазерного импульсно-периодического излучения.

В настоящее время отсутствуют систематизированные исследования по обоснованию возможности использования импульсно-периодического излучения для объемного формообразования деталей.

В связи с изложенным, исследование процесса объемного формообразования при использовании импульсно-периодического лазерного излучения является актуальной задачей.

Цель работы.

Оптимизация технологических режимов создания объемных металлических деталей из порошков путем оплавления их импульсно-периодическим лазерным излучением.

Задачи исследования.

1. Исследование особенностей формирования единичного валика.

2. Исследование формирования многопроходных объемных элементов.

3. Определение особенностей формирования структуры.

4. Исследование технологической прочности металла при объемном формообразовании.

5. Установление возможности создания композитных структур.

Методы исследования.

В работе использовались теоретические и экспериментальные методы исследования. Теоретические задачи решались с применением научных основ технологии лазерной обработки материалов. Лазерная обработка проводилась на установке «Квант-15». Планирование и обработка результатов экспериментальных исследований выполнялись с использованием компьютерных программ. Исследование особенностей формирования структуры проводилось с помощью микроскопов МБИ-15 и «Неофот», а также электронного микроскопа. Измерения микротвердости в ЗЛВ образцов проводились на приборе ПМТ-3.

Научная новизна.

1. Установлены закономерности формирования геометрических параметров отдельных слоев в процессе объёмного формообразования при многослойном оплавлении присадочного порошка системы Ы1-Сг-В-81 лазерным импульсно-периодическим излучением. Получены зависимости, связывающие высоту, ширину валика и глубину подплавления подложки с параметрами режимов в диапазоне: энергия импульса (6,25 - 9,8 Дж), частота следования импульсов (2-10 Гц), расфокусировка (0-2 мм), скорость обработки (0,5 - 2,5 мм/с). Наиболее значимыми факторами являются для ширины -расфокусировка, высоты - частота следования импульсов, глубины подплавления - энергия импульса.

2. Склонность к возникновению кристаллизационных трещин при объёмном формообразовании присадочного порошка системы М-Сг-В-81 с использованием импульсно-периодического лазерного излучения зависит от

сочетания параметров режима обработки. Впервые обнаружено неоднозначное влияние энергии импульса (V/, Дж), частоты следования импульсов (£ Гц), расфокусировки (ДР, мм) на изменение склонности к образованию трещин, что связано с изменением схемы кристаллизации. Поэтому расчёт параметров режима лазерной обработки, обеспечивающих отсутствие трещин, необходимо проводить по полученному в работе регрессионному уравнению^).

3. Наиболее значимым фактором для сохранения упрочняющей фазы в композитных покрытиях с интерметаллидным упрочнением при использовании присадочного порошка ВКНА является скорость обработки. В диапазоне скоростей 0,5 - 1,8 мм/с диаметр упрочняющих частиц у'-фазы уменьшается, их количество растет, микротвердость возрастает. При скоростях выше 1,8 мм/с наблюдается обратная тенденция. Для сохранения упрочняющей фазы в композитных слоях необходимо устанавливать скорость обработки в пределах 0,5 -1,8 мм/с.

Практическая ценность.

Для установления геометрических размеров формообразующего слоя рекомендуется использовать полученные уравнения регрессии, связывающие высоту, ширину слоя и глубину подплавления подложки с параметрами процесса формообразования присадочного порошка импульсно-периодическим лазерным излучением при сохранении высокой технологической прочности.

Реализация результатов работы.

Подготовлены рекомендации по выбору импульсно-периодических лазерных режимов для получения объемных деталей, переданные ведущим машиностроительным организациям ФГУППФО "Октябрь", ФГУП "НИЦ "Атом", Машиностроительный завод "ЗиО - Подольск", ВИАМ, НПО им. С.А. Лавочкина, ЦНИИТС, НИАТ, ЦИАМ, ФГУП ЦНИИ КМ "Прометей", ФГУП ММПП "Салют" и др.

Апробация работы.

Основные положения работы доложены на научных семинарах кафедры «Лазерные технологии в машиностроении» МГТУ им. Н.Э. Баумана (февраль, 2007г.; июнь, 2008г.), на международном симпозиуме «Образование через Науку - 2005», на XIX международной конференции «Лазеры в науке, технике, медицине» 2008г, на Всероссийской научно-технической конференции «Машиностроительные технологии» 2008г.

Публикации.

По материалам диссертации опубликованы две печатные работы. Структура и объем работы.

Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, общих выводов, списка литературы и приложения. Содержит 185 страниц текста, включая 95 рисунков, 31 таблицу, список литературы из 73 наименований, а также приложения на 19 страницах.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении отмечается актуальность проблем изучения процессов объемного формообразования с использованием импульсно-периодического лазерного излучения. Представлены основные положения, выносимые на защиту.

В первой главе производится анализ современного состояния оборудования и технологии лазерного объемного формообразования, присадочных материалов, рассмотрены особенности формирования структуры металла, и трудности, возникающие при объемном лазерном формообразовании путем переплава порошкового присадочного материала.

Метод лазерной обработки с подачей присадочного порошка в зону воздействия лазерного луча назван лазерным объемным формообразованием. Этим методом можно получать сложную объёмную форму, как при изготовлении новых деталей, так и формировать на поверхности изделия объемные элементы. Благодаря широкому выбору присадок можно получать детали, имеющие высокие механические и служебные свойства.

Для лазерного объемного формообразования используют те же порошковые материалы, что и для традиционных методов. Номенклатура порошковых материалов включает металлические и композиционные порошки, порошковые смеси, тугоплавкие соединения. Наиболее распространенными самофлюсующимися порошками являются сплавы на основе никеля, легированные бором и кремнием. Они отличаются высокими технологическими свойствами и низкой температурой плавления, что позволяет их расплавлять на воздухе. Переплавленный металл стоек к воздействию агрессивных сред, повышенных температур, износоустойчив при трении по металлу со смазкой и без нее, а также при абразивном изнашивании.

В настоящее время появились лазерные технологические комплексы для объемного формообразования деталей. Фирмой POM Group Inc. (Auburn Hills, Michigan) разработана установка для изготовления и ремонта штампо-вой оснастки. Фирмой Optomec/Sandia National Laboratories разработана ус-

тановка для объёмного формообразования, эта технология названа LENS. Оборудование предполагает использование мощного непрерывного лазерного излучения. Применение мощного непрерывного лазерного излучения во многих случаях не обеспечивает получения заданных свойств в локальных объемах изготавливаемых деталей, и характеризуются низкой технологической прочностью.

Проведенный анализ показывает, что при использовании импульсно-периодического излучения получается высокая скорость охлаждения в процессе лазерной обработки и мелкодисперсная структура, что может приводить к повышению технологической прочности, т.е. к отсутствию трещин в процессе формообразования.

Вторая глава посвящена исследованию особенностей формирования отдельных единичных и многопроходных валиков в условиях импульсно-периодического излучения.

Для исследования влияния технологических факторов на процесс образования при импульсно-периодической лазерной обработке был применен метод математического планирования эксперимента. С этой целью была составлена матрица планирования. Изучалось формирование отдельных единичных и многопроходных валиков в условиях импульсно-периодического излучения. Эксперименты проводили на установке «Квант-15». При исследовании процесса пользовались полным факторным экспериментом (ПФЭ), который устанавливает степень влияния каждого фактора на процесс формирования.

Факторами, влияющими на процесс объемного формообразования при импульсно-периодической лазерной обработке, являются следующие параметры: энергия в импульсе W (Дж), скорость обработки V (мм/с), степень расфокусировки лазерного луча AF (мм), толщина насыпки порошка (расход порошка) h (мм), частота следования импульса f (Гц). Диапазоны варьирования параметров режима были выбраны по предварительно проведенным экспериментам, в результате которых удалось установить области стабильного формирования валиков. Поэтому в матрице планирования предусмотрено изменение энергии в импульсе от 6,25Дж до 9,8Дж, частоты следования импульсов от 2 до 10 Гц, скорости обработки от 0,5 до 2,5мм/с, расфокусировки от 0 до 2мм и расхода порошка, задаваемого толщиной переплавляемого слоя, от 0,2 до 0,5 мм.

Анализу подвергались 96 экспериментальных единичных валиков, полученных при различных сочетаниях параметров импульсно-периодического излучения. Измеряли высоту, ширину и глубину проплавления подложки. Для создания уравнения регрессии воспользовались стандартной программой Matrixer. Получены следующие уравнения:

Высота валика (1):

НИ(}¥, У, АР/, И)--0.173+0.0202* ¡¥+0.0784* У+0.0567*АР+0.0247*/+ +1.88*И-0.001831*1Г*У-0.00549*НГ*АР-0.0246*ПГ*Н+ +0.001625 * У*АР-0.00338* У*/-0.375 * У*Ь-0.00134 *АР*/-'-0.0788*АР*1г+0.00240*/*к (1)

Ширина валика (2):

В(\¥, У,АР,/,И)-0. 174+0.0б80*Ш+0.0627* У-0.0102 *АР+0.0311 */+

+0.345 *к-0.00706*1У*У+0.00178*№*АР-0.00478*17*/ -0.0250*1¥*И+0.00772* У*АР-0.00337*У*/-0.0348*У*И--0.000883*АР*/-0.0210*АР*И+0.00859/>к (2)

Глубина проплавления (3):

УЖ/И) —0,0065 ->0,109* 1У-0,0933*У-0.161 *АР-0,015*/-0,388*/?--0,00361 *И/*У-0,00.628*1¥*/-0,1Ц * 1¥*И+0,0278*У*АР+ +0,00488* У*/+0,121*У*И+0,00627*АР */+ 0,151 *АР*И+ +0,0928*/*к (3)

где Ж— энергия импульса; V— скорость обработки; АР - степень расфокусировки, означающую расстояние от фокуса луча до обрабатываемой поверхности;/— частота следования импульсов; И - расход порошка (высота насыпки порошка).

Регрессионный анализ влияния основных технологических факторов на формирование валиков показал, что ширина, высота и глубина подплавления основы зависят от сочетания параметров режима. С увеличением частоты следования импульсов высота валика увеличивается, а ширина и глубина подплавления подложки уменьшаются. Возрастание энергии в импульсе приводит к увеличению высоты, ширины валика и глубины подплавления подложки. С увеличением скорости высота, ширина валиков, а также глубина подплавления подложки снижаются. Повышение расхода порошка или высоты его слоя вызывают возрастание высоты и ширины валика, и уменьшение глубины проплавления подложки. Влияние расфокусировки зависит от толщины насыпанного слоя. При его большой толщине, равной 0,5мм, высота, ширина валиков и глубина подплавления подложки уменьшаются с увеличением расфокусировки. При толщине менее 0,2мм наблюдается некоторый рост их высоты и ширины.

В зависимости от режима образующиеся валики имели различную форму. Особое влияние на их формирование оказывает частота следования импульсов. Порционное вложение энергии приводит к существенному отличию протекания процесса затвердевания по сравнению с непрерывным. Валик формируется из перекрывающих друг друга точек. Кристаллизация происходит периодически, так как скорость охлаждения жидкого металла значительна (порядка 105-106 град/с ), а время паузы достаточно для затвердевания (т„=0,1с).

Наилучшее сочетание высоты, ширины формообразующего валика и

глубины подплавления подложки получено из уравнений регрессии на режиме: W=9,8 Дж, AF=0 мм, V=0,5 мм/с, f=10 Гц, h=0,5 мм. При этом номинальный размер валика составляет: высота Hh=0,974мм, ширина В=0,747мм, глубина Н=0,013мм.

Исследование особенностей формирования многопроходных объемных элементов проводили на установке «Квант-15», оснащенной разработанным устройством подачи порошка. Порошок подавали в зону обработки одновременно с лазерным лучом. Эксперименты по исследованию формообразующих валиков проводились для боковой и коаксиальной подачи порошка. Поверхность объемных элементов, как и в случае однослойного валика, имеет «чешуйчатое» строение. Расстояние между чешуйками пропорционально частоте импульсно-периодического излучения. По длине валика происходит колебание его высоты в пределах 0,1мм. Внешне это выражается в волнистости поверхности. Установлено, что равномерность формы валика зависит от концентрации порошка в струе. При попадании его в зону обработки в виде распыленной струи получается равномерный валик.

При боковой подаче порошка отмечена неравномерность колебания высоты формообразующего слоя по длине валика. Разброс высоты по длине формообразующего валика при боковой подаче в 1,87раз больше, чем при коаксиальной.

На следующем этапе проводили исследование влияния режимов на энергическую эффективность импульсно-периодической лазерной обработки. Эффективный КПД т]1ф означает отношение поглощённой металлом энергии к энергии лазерного излучения. Термический КПД щ, представляет собой отношение энергии, необходимой для проплавления, к поглощённой металлом энергии. Понятия эффективного и термического КПД процессов лазерной обработки материалов позволяют однозначно характеризовать оптимальные режимы обработки, обеспечивающие максимальную эффективность использования энергии лазерного излучения и высокую производительность расплавления материала, т.е. высокие значения эффективного и термического КПД. Полный КПД(4) процесса будет выражаться следующей зависимостью:

(4)

где К- полный КПД; ??5ф — эффективный КПД; - термический КПД.

Были выполнены экспериментальные исследования полного КПД и получено уравнение регрессии (5), которое выражает связь между КПД и параметрами режимов лазерной импульсно-периодической обработки.

K(W, V, АFJh) =-0,0749+0,00909W+ 0,112V+0,00491AF-0,000365/+ +0,294h-0,00216W-V+0,00029W-&F-0,ООО 185Wf--0,0239W-h-0,00436V-AF-0,00844V-f+0,0203V-h+ +0,00126AF-/-0,0358AFh-0,00409fh (5)

Где K(W, V,AFf,h) - полный КПД(7); W-энергия в импульсе, Дж; V-ско-

рость обработки, мм/с; Ар- степень расфокусировки, мм;/- частота следования импульсов, Гц; А - высота порошка насыпки, мм.

При анализе полученных уравнений регрессии было обнаружено, что на малых расходах порошка и невысоких скоростях обработки с ростом энергии в импульсе КПД возрастает, при высоких скоростях и больших расходах наблюдается обратная тенденция. Такое же неоднозначное влияние на тенденцию изменения КПД наблюдается при изменении расфокусировки. Увеличение скорости обработки и расхода порошка однозначно повышают КПД, а возрастание частоты следования импульсов приводит к его снижению.

Полученные результаты КПД показывают, что рекомендуемые диапазоны режимов представлены в следующем виде: энергия импульса (6,25 -8,4Дж), расфокусировка (0 -2 мм), скорость обработки (1,5 - 2,5мм/с), частота следования импульсов(4 - 6Гц), расход порошка (высота насыпки порошка) (0,2 - 0,5мм). Максимальное значение КПД получается в данном случае равным 0,227 при следующих параметрах режима: энергия импульса: 6,25 Дж, расфокусировка: 0 мм, скорость обработки: 2,5мм/с, частота следования импульсов: 4 Гц, расход порошка (высота насыпки порошка):0,5мм.

Третья глава посвящена исследованию формирования структуры при лазерном объемном формообразовании импульсно-периодическим излучением.

Исследования макроструктуры показывают, что области формообразования имеют три ярко выраженные зоны: зона литого металла; зона металла, подвергшегося тепловому воздействию и зона основного металла, не испытавшая термического воздействия.

Металлографический анализ показал, что в многопроходных валиках с увеличением скорости охлаждения происходит измельчение структуры. Так на скоростях охлаждения40-300°С/с, свойственных дуговому термическому воздействию, характерное расстояние между осями дендритов второго порядка составляет(1б-20)-10"6м. Использование непрерывного лазерного излучения существенно увеличивает скорость охлаждения примерно до 104°С/с, соответственно характерное расстояние снижается на порядок(1,2 -1,0) 10"6м. В случае импульсно-периодического процесса скорость охлаждения по литературным данным может возрасти до 105°С/с, что приводит к большему измельчению структуры. Характерное расстояние между осями

х10"6мм

Э в

1 £

2 § м О

5 «

С 5

е *

скорость охлажедения

Рис. 1. Влияние скорости охлаждения на расстояние между осями дендритов второго порядка

дендритов второго порядка становится (0,7-0,4)-10"6м. Обнаруженное измельчение структуры связано с возникновением высокого термоконцентрационного переохлаждения в процессе с использованием импульсно-периодического лазерного излучения.

Высокая степень термического переохлаждения оказывает ведущую роль в измельчении структуры за счет инициации возникновения большого количества очагов кристаллизации, скорость образования которых выше скорости роста твердой фазы. Зависимость расстояния между осями дендритов второго порядка от скорости охлаждения приведена на рис. 1. По сравнению с непрерывным режимом при использовании импульсно-периодического режима получается более мелкодисперсная структура (рис.2).

ах Ю00 б х Ю00

Рис. 2. Структуры, формирующиеся в процессе наплавки сплавом марки ПГ-СР2 (система №-Сг-В-81) непрерывным (а) и импульсно-периодическим лазерным излучением (б)

При выполнении многопроходных слоев происходит термодеформационное воздействие последующих формообразующих слоев на предыдущие. О степени такого воздействия можно судить по значениям микротвердости в интересующих нас объемах металла. В литом металле имеются локальные очаги с повышенными значениями твердости, что можно связать с наличием карбидных или боридных фаз. Не отмечено влияние нагрева при выполнении последующих валиков на твердость предыдущих, а также на области, прилегающие к линии сплавления. Таким образом, полученные результаты могут свидетельствовать о несущественном изменении структуры при переходе из слоя в слой, т.е. минимальном термическом воздействии на литой металл.

Минимальное термическое воздействие на основной металл при им-пульсно-периодической обработке не вызывает изменения структуры, снижая вероятность появления трещин в ЗТВ. Сравнительный статистический анализ показал, что при использовании импульсно-периодического излучения с вероятностью 90% микротвердость зоны термического влияния не отличается от микротвердости основного металла, тогда как на непрерывных режимах твердость ЗТВ уменьшается.

В четвертой главе рассмотрено трещинообразование в процессе лазерного объемного формообразования присадочного порошка из сплавов системы Ni-Cr-B-Si с использованием импульсно-периодических режимов.

Наличие трещин снижает усталостную прочность деталей более чем в 10-20 раз, и может явиться причиной преждевременного разрушения и выхода из строя изделия.

Зародыши трещин располагаются по зонам срастания дендритов, имеют длину до 150 мкм и не выходят на поверхность. Развитые трещины большой протяженности носят прямолинейный характер. Они проходят как по телу элементов первичной структуры, так и по межкристаллитным прослойкам. Фрактографические исследования поверхности трещин показали, что разрушение литого металла происходило при наличии жидкости в зонах срастания ячеистых дендритов, что доказывает кристаллизационную природу трещин.

По сравнению с дуговой и лазерной обработкой непрерывным излучением импульсно-периодическая обработка имеет наибольшую сопротивляемость образованию трещин. Это связано с измельчением структуры. С этой точки зрения использование импульсно-периодических режимов, позволяющих получить наиболее мелкую структуру, будет более благоприятным.

Исследование влияния режимов лазерной обработки трехмерных объектов деталей машин на технологическую прочность проводилось на пробах с применением методов математического планирования эксперимента. За показатель сопротивляемости образованию трещин принималась величина, равная отношению суммарного числа трещин к длине валика. При этом для усиления эффекта трещинообразования с целью последующего анализа для пробы использовали увлаженный порошок. При значениях коэффициента трещинообразования на пробах N<0,16 в реальном процессе трещин не образуется. Полученное регрессионное уравнение (6) выражает связь между показателем технологической прочности и параметрами режимов лазерной им-пульсно-периодической обработки:

N(W,VJFJ,h)=0.283-0,0465*W+0.166*V+0.156*AF-0,0276*f+0.0395*h+ •0.00357* W* V-0.0164* W*AF+0.00601 * W*f+0.0503 * W*h--0.0112*V*AF-0.00126*V*f-0.178*V*h-0.00371 *AF*f+

+0.0402*АР*Н-0.0261*РН (6)

где У,АР]/,Ь) - суммарное число трещин в единице длины валика, шт/мм; Ж-энергия в импульсе, Дж; V- скорость обработки, мм/с; Ар-степень расфокусировки, мм;/- частота следования импульсов, Гц; И - высота порошка насыпки, мм.

Различные сочетания параметров режима лазерного объемного формообразования оказывают неоднозначное влияние на форму и размеры валиков, тип макро - и микроструктуры, а также на развитие высокотемпературных деформаций и напряжений. Указанное может приводить к различным тенденциям изменения коэффициента трещинообразования при изменении какого - либо одного из параметров режима.

Анализ регрессионной зависимости подтвердил такую возможность. Так, изменение величины расфокусировки при малой энергии в импульсе приводит к возрастанию коэффициента трещинообразования, а при большой энергии импульса к снижению. Указанное поведение наплавленного металла мы связываем с изменением формы валика и, как следствие, схемы кристаллизации. При малой энергии в импульсе увеличение расфокусировки (АР) приводит к снижению глубины проплавления подложки и тем самым к смещению схемы кристаллизации от объемной в сторону линейной. Такое изменение схемы кристаллизации должно увеличить трещинообразование. При большой энергии в импульсе глубина подплавления с ростом расфокусировки также уменьшается. Однако при ДЕ=2мм высота валика становится примерно равной глубине подплавления, что смещает схему кристаллизации от линейной к объемной. Это приводит к повышению сопротивляемости образованию трещин. Установленные тенденции справедливы для различных скоростей, частот и толщин переплавляемых слоев.

Изменение частоты следования импульсов также оказывает неоднозначное влияние на коэффициент трещинообразования. При малой энергии в импульсе с ростом частоты высота и ширина валика возрастают при практически неизменной глубине подплавления. Это должно сместить схему кристаллизации в сторону объемной и снизить коэффициент трещинообразования. При большой энергии в импульсе рост высоты валика, уменьшение его ширины и резкое снижение глубины подплавления (в случае увеличения частоты) сдвигает схему кристаллизации в сторону линейной, способствует тем самым трещинообразованию.

При процессе формообразования с большой частотой следования импульсов увеличение энергии в импульсе, в исследованных пределах, не оказывает существенного влияния на размеры и форму валика. Скорость охлаждения должна уменьшиться, это вызывает огрубление структуры. Темп внутренних деформаций возрастает. По всей видимости указанное сочетание неблагоприятных факторов приводит к повышению коэффициента трещинообразования.

При малой частоте следования импульсов с увеличением энергии в импульсе наблюдается изменение формы валика. Его ширина и глубина под-плавления подложки возрастают при неизменной высоте. Это должно изменить схему кристаллизации. При малой энергии в импульсе она смещается в сторону линейной, а при большой - объемной. Формообразующие валики с объемной схемой кристаллизации должны иметь меньшую склонность к образованию трещин. Коэффициент трещинообразования в этом случае с ростом энергии в импульсе снижается.

С увеличением переплавляемого слоя коэффициент трещинообразования возрастает. Также как и в предыдущих случаях это связано с переходом от объемной к линейной схеме кристаллизации. Наряду с этим увеличивается объем расплавленного металла, что способствует увеличению темпа деформаций в температурном интервале хрупкости (ТИХ), а также повышению напряжений, накопленных к моменту достижения температур провала пластичности.

Повышение скорости обработки однозначно вызывает увеличение коэффициента трещинообразования. Это справедливо для всего диапазона исследованных режимов.

Максимальной сопротивляемостью к трещинообразованию обладают слои, полученные на режиме: '\¥=9,8 Дж, ДР=2 мм, У=0,5 мм/с, £=2 Гц, Ь=0,2 мм.

Пятая глава посвящена исследованию возможности создания композитной структуры за счет сохранения упрочняющих фаз в формообразующих слоях.

Повышение прочностных и эксплуатационных характеристик машин и механизмов можно достигнуть путем создания заданных свойств в локальных объемах материала непосредственно в процессе изготовления конструкции.

Существует ряд практических задач по созданию деталей, состоящих из композиций с различными упрочняющими фазами, например, карбидом хрома, вольфрамом, интерметаллидной у-фазой и др. Высокая склонность их к разложению и растворению при термическом воздействии создает трудности формирования композитной структуры с большим количеством упрочняющей фазы.

Изучение структуры формообразующего металла при объемном лазерном формообразовании импульсно-периодическим излучением показало, что на некоторых режимах наблюдаются участки с частичным оплавлением порошинок присадочного материала. В этом случае закристаллизовавшийся в условиях лазерного переплава металл является матрицей, в которую внедрены нерасплавившиеся частицы порошка. Обнаруженное частичное оплавление порошинок открывает пути получения композитной структуры. Экспериментальные исследования возможности использования импульсно-

периодического лазерного излучения для получения композитной структуры при сохранении упрочняющих фаз в литом металле проводили при процессе формирования порошком ВКНА. Сплав ВКНА является сложнолегированной эвтектикой, состоящей из у-№ и легированного интерметаллида у -№3А1. Данный сплав можно рассматривать как естественный композит, самоорганизующийся при кристаллизации. Повышенная жаропрочность его определяется большой объемной долей и высокой дисперсностью вторичных выделений у'-фазы №зА1, образующихся при старении пересыщенного твердого раствора на основе № и имеющих кубическую форму, период кристаллической решетки которых по сравнению с N1 матрицей отличается на 0,3-0,5%. При высоких температурах происходит разупрочнение этого сплава из-за огрубления частиц у-фазы Ы1зА1, вызванным ускорением диффузионных процессов и уменьшением объемной доли вторичных выделений у-фазы №3А1 вследствие повышения ее растворимости в у-№ матрице.

Нанесение ВКНА на детали из жаропрочных сплавов связано с необходимостью сохранения большого содержания у-фазы при максимальной дисперсности выделившегося интерметаллида. Традиционные методы обработки ввиду сравнительно малых скоростей нагрева и охлаждения приводят к растворению и огрублению вторичных выделений у-фазы №3А]. Последующая термообработка не приводит к желательным результатам вследствие различных температурных интервалов выделения у-фазы в основном и расплавленном металле.

Достижение сверхвысоких скоростей нагрева и охлаждения при им-пульсно-периодическом лазерном воздействии обуславливает возможность получения большого количества мелкодисперсных выделений у-фазы. С этой целью были проведены исследования влияния режимов обработки импульс-но-периодическим излучением на твердость, размеры и количества выделений упрочняющей фазы в металле порошка при его расплавлении и последующей кристаллизации.

Эксперименты проводили на установке «Квант-15» путем переплава порошка, предварительно расположенного на поверхности образца. На изготовленных шлифах была измерена микротвердость и определены размеры и количество упрочняющих частиц у-фазы. Представленные результаты показывают, что у поверхности формирующего слоя наблюдается некоторое повышение микротвердости, уменьшающееся в направлении линии сплавления. Резкое изменение микротвердости у линии сплавления со стороны основного металла на участке порядка 20 мкм свидетельствует о формировании узкой ЗТВ на импульсно-периодических режимах. Такое скачкообразное изменение микротвердости свидетельствует о том, что при импульсно-периодическом режиме излучения коэффициент перемешивания основного и присадочного металла мал и возможно получение формообразующего слоя с высокими экс-

плуатационными свойствами. Увеличение тепловложения приводит к снижению микротвердости в формообразующем слое.

Результаты экспериментов обрабатывали методами математической статистики и получили уравнения регрессии для микротвердости (7), количества (8) и диаметра упрочняющих частиц у-фазы (9).

/(V, А р,}У)=412,88+240,63У-45,02 АР+2Ш-36,84У +

+0,30^+5,07^* АР-161Г*У

п(У, АР, IV) =15,49+19,61 У-3,58 А р-1,561¥-6,07 V2-

-0,055Я^+0,47Ж* А Р+0,5IV* У с!(У, АР, 1У)=0,55-0,21У^0,099АР+0,0691¥Ю,066У2-

-0,00681¥* АР+0,00171¥*У

(7)

(8)

(9)

где /(V, Ар,й^/-микротвердость НУ0,05; п(У, Ар; IV) — количество частиц на удельную площадь, шт/мм2; с!(У, Ар, Ж) - диаметр частиц, мм; У- скорость обработки, мм/с; Ар- степень расфокусировки, мм; \¥- энергия импульса, Дж.

Анализ этих уравнений показал, что наиболее значимым фактором, влияющим на исследуемые параметры, является скорость обработки (рис. 3). С помощью полученных зависимостей удалось установить взаимосвязь между микротврдостью, диаметром и количеством упрочняющих частиц в условиях изменяющихся режимов обработки.

/, НУ0,05, МПа

7000 Г

(1, МКМ

0.8-

п, 10/мм

30

О 0.6 1.2 1.8 2.Умм/с о 0.6 1.2 1.8 2умм/с

0 0 6 1.2 1.1

2 V, мм/с

Рис. 3. Влияния скорости обработки на микротвердость, диаметр, число частиц упрочняющей у'-фазы

С ростом энергии в импульсе и степени фокусировки диаметр упрочняющих частиц увеличивается, их количество уменьшается, это приводит к уменьшению микротвердости в формообразующем слое. Зависимость диа-

метра и количества частиц от скорости обработки носит экстремальный характер. В диапазоне скорости примерно 0,5-1,8мм/с размер частиц уменьшается, их количество растет, при этом происходит рост микротвердости. При скоростях более 1,8мм/с для размера частиц и их диаметра наблюдается обратная тенденция; темп роста микротвердости снижается и наступает ее уменьшение.

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ

1. Процесс объёмного формообразования из порошков системы №-Сг-

с использованием импульсно-периодического излучения обеспечивает

получение валиков с различным сочетанием геометрических размеров. Наилучшее сочетание высоты, ширины формообразующего валика и глубины проплавления подложки достигается на режиме: энергия импульса \У=9,8Дж, степень расфокусировки луча ДБ=0 мм, скорость обработки У=0,5 мм/с, частота следования импульсов /= 10Гц. При этом номинальный размер валика составляет: высота НЪ=0,97мм, ширина В=0,75мм, глубина проплавления подложки Н=0,01мм.

2. При объемном формообразовании с использованием импульсно-периодического излучения в многослойных формообразующих объемах формируется плотный металл, отличающийся высокой дисперсностью структуры. Характерное расстояние между осями дендритов второго порядка составляет величины (0,7-0,4)Т0"6м, что по сравнению с непрерывным излучением почти в 2 раза меньше. Снижается термическое воздействие последующих валиков на предыдущие.

3. Установлено, что возникающие в процессе формообразования из порошков системы №-Сг-В-81 при импульсно-периодическом лазерном воздействии трещины имеют кристаллизационную природу.

4. Обнаружено неоднозначное влияние энергии импульса (V/, Дж), частоты следования импульсов (/, Гц), расфокусировки(ДР, мм) на изменение склонности к образованию трещин, что связано с изменением схемы кристаллизации. Поэтому расчёт параметров режима лазерной обработки, обеспечивающих отсутствие трещин, необходимо проводить по полученному в работе регрессионному уравнению(б).

5. Установлена возможность сохранения упрочняющей фазы в композитных слоях с интерметаллидным упрочнением в случае применения им-пульсно-периодических режимов лазерного излучения. На основе регресси-ониого анализа получено, что в исследованном диапазоне режимов наиболее значимым фактором, влияющим на получение благоприятной композитной структуры в сплаве ВКНА, является скорость обработки. В диапазоне скоро-

стей обработки 0,5 - 1,8 мм/с диаметр упрочняющих частиц у'-фазы уменьшается, их количество растет, микротвердость возрастает. При скоростях выше 1,8 мм/с для размера упрочняющих частиц и их количества наблюдается обратная тенденция. Для сохранения упрочняющей фазы в композитных слоях необходимо устанавливать скорость обработки в пределах 0,5 -1,8мм/с.

Список опубликованных работ:

1. Григорьянц А.Г., Мисюров А.И., Чжан Цин Формирование наплавленных слоев с использованием лазерного импульсно-периодического излучения

II Сварочное производство. -2007. -№ 8. -С. 18-21.

2. Чжан Цин Перспективны развития лазерной техники и технологии в КНР // Образование через науку: Тез. докл. Межд. Конф. - Москва, 2005. - С. 253

Подписано к печати 13.11.08. 3аказх°693 Объем 1,0печ.л. Тираж 100 экз. Типография МГТУ им. Н.Э. Баумана 105005, Москва, 2-я Бауманская ул., д.5 263-62-01