автореферат диссертации по металлургии, 05.16.06, диссертация на тему:Разработка и исследование процессов лазерной обработки композиционных материалов сталь СПН14А7М5-TiC

на правах рукописи

МАРАНЦ АЛЕКСАНДР ВАДИМОВИЧ

РАЗРАБОТКА И ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОЦЕССОВ ЛАЗЕРНОЙ ОБРАБОТКИ.КОМПОЗИЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ СТАЛЬ СПН14А7М5-Т1С

Специальность 05.16.06 - Порошковая металлургия и композиционные

материалы

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени

кандидата технических наук

11 НОЯ 2013

Москва-2013

005539017

Работа выполнена на кафедре Порошковой Металлургии и Функциональных Покрытий (МПиФП) Федерального государственного автономного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Национальный исследовательский технологический университет «МИСиС» и в лаборатории «Диагностики и инженерии промышленных процессов» (01Р1) Национальной Инженерной Школы Сент-Этьенна (ЕМБЕ), Сент-Этьенн, Франция

Научный руководитель Нарва Валентина Константиновна

кандидат технических наук, профессор

Официальные оппоненты

Латыпов Рашит Абдулхакович доктор технических наук, профессор,

заведующий кафедрой технологии и оборудования металлургических процессов Московский государственный машиностроительный университет (МАМИ)

Гусаров Андрей Владимирович доктор физико-математических наук,

ведущий научный сотрудник кафедры высокоэффективных технологий обработки МГТУ «СТАНКИН»

Ведущая организация Федеральное государственное

бюджетное учреждение науки Институт проблем лазерных и информационных технологий Российской академии наук (ИПЛИТ РАН)

Защита диссертации состоится «18» декабря 2013 года, в 16-00 в аудитории К-212 на заседании диссертационного совета Д 212.132.05 при НИТУ «МИСиС» по адресу: 119049, г. Москва, ул. Крымский вал, д.З.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке НИТУ «МИСиС».

Отзывы на автореферат отправлять по адресу: 119049, г. Москва, Ленинский проспект, 4, НИТУ «МИСиС», ученому секретарю диссертационного совета Лобовой Т.А.

Автореферат разослан «_» ноября 2013 г.

Ученый секретарь диссертационного совета

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы

В настоящее время для изготовления высоконагруженных деталей и конструкций все более возрастают требования к композиционным материалам (КМ). В связи с этим ведутся работы по совершенствованию составов материалов и технологических процессов их производства. Среди КМ находят широкое применение карбидостали (содержание карбидов от 20 до 70%), которые обладают высокими показателями твердости и износостойкости, имея в основе стальную матрицу. Введение большого количества карбидной фазы приводит к потере пластичности материала, что не позволяет использовать его в условиях динамических нагрузок, а при малых количествах ТСС образующейся жидкой фазы при спекании не достаточно для ликвидации остаточной пористости.

Получение беспористых КМ на основе стали и карбида титана представляется возможным при помощи аддитивных методов лазерной обработки и поверхностного лазерного оплавления.

Устранение остаточной пористости в спеченных материалах возможно путем лазерной оплавления рабочей поверхности изделия. Формирующийся беспористый упрочненный слой обладает повышенными значениями твердости и износостойкости.

Поверхностную обработку изделий возможно также проводить путем нанесение защитных покрытий из КМ методом лазерной наплавкой. Покрытия характеризуются 100-ой плотностью и повышенными трибологическими характеристиками.

Метод селективного лазерного плавления (СЛП) позволяет изготавливать изделия конечной формы и заданных размеров из композиционных материалов, и представляет собой процесс постепенного наращивания (добавления) материала путем расплавления основы и присадочного порошкового материала лазерным лучом.

Высокие скорости охлаждения при лазерной обработке сопровождаются закалкой, что приводит к охрупчиванию карбидостали и осложняет их использование в качестве конструкционного материала. Только мартенситостареющие стали после закалки сочетают высокую твердость с достаточной пластичностью. Поэтому в работе в качестве материала матрицы была выбрана мартенситостареющая сталь СПН14А7М5, а в качестве упрочняющей фазы - карбид титана.

Таким образом, работа по повышению трибологических и физико-механических характеристик композиционных материалов сталь

CnH14A7M5-TiC с использованием технологий лазерной обработки является актуальной.

Цель диссертационной работы

Разработка процесса лазерной наплавки композиционного материала сталь CFIH14A7M5-TiC при создании упрочняющих покрытий, исследование процесса селективного лазерного плавления композиционного материала сталь CnH14A7M5-TiC, а также изучение процесса поверхностного лазерного оплавления спеченных КМ для повышения трибологических свойств поверхности. Для достижения указанной цели решались следующие задачи:

-Исследовать влияние параметров лазерной наплавки (лазерной мощности, скорости сканирования, расхода порошка и содержания карбидной фазы) на геометрию единичных слоев в форме валика и на глубину зоны смешивания наплавляемого материала с материалом основы, определить оптимальные значения параметров;

- Исследовать процесс структурообразования и дисперсного упрочнения КМ сталь CFIH14A7M5-TiC при лазерной наплавке и последующей термической обработке;

- Провести сравнительный анализ микроструктуры и свойств материалов, полученных лазерной наплавкой, селективным лазерным плавлением и поверхностным лазерным оплавлением.

- Установить закономерности влияния пористости материала на распространение теплового фронта при поверхностной лазерной обработке;

- Исследовать влияние поверхностной лазерной обработки на структуру и трибологические свойства спеченных образцов СПН14А7М5-Т1С. Методы исследования

Эксперименты проводились в лаборатории «Диагностики и инженерии промышленных процессов» (DIPI, Сент-Этьенн, Франция, директор проф. И.Ю. Смуров). Лазерная наплавка и поверхностная лазерная обработка осуществлялась на установке Trumpf LASMA 1054, оснащенной непрерывным твердотельным Nd:YAG лазером HAAS 2006D с длиной волны 1064 нм и максимальной мощностью 4 КВт. Для селективного лазерного плавления порошка использовали установку РМ100 Phenix Systems, оснащенную непрерывным иттербиевым волоконным лазером (IPG Photonics Corp.) с максимальной мощностью 200 Вт и длиной волны 1075 нм. Прессование проводилось на гидравлическом прессе в пресс-форме с двусторонним обжатием. Спекание осуществлялось в вакуумной электропечи «ВАКЭТО». Шлифы полученных образцов анализировались на оптическом

микроскопе ZEISS Axioscope Al и электронном растровом микроскопе TESCAN Vega 3 SB с EDS. Микротвердость определялась на твердомере BUEHLER Omnimet МНТ 5104. Для определения фазового состава образцов съёмка рентгеновских спектров проводилась на автоматизированном дифрактометре марки ДРОН-4 с использованием монохроматического Cu-Ka. Комплексные трибологические исследования проводились на автоматизированной установке Tribometer («CSM Instruments»). Научная новизна

1. Выявлен экстремальный характер зависимости размера зерна TiC от его содержания в материале сталь СПН14А7М5-"ПС при селективном лазерном плавлении. Размер выделяющихся в процессе перекристаллизации из расплава частиц TiC достигает минимального значения 200 нм при содержании TiC 30%, что объясняется преобладанием фактора увеличения скорости охлаждения с добавлением TiC над агломерацией выделяющихся частиц карбида титана.

2. Установлены закономерности влияния содержания карбида титана в стальной матрице на геометрические характеристики единичного слоя в процессе лазерной наплавки, заключающиеся в том, что при увеличении содержания TiC от 0 до 20% высота единичного слоя уменьшается в 1,5-2 раза в результате преобладания скорости кристаллизации ванны расплава над увеличением количества образующейся легкоплавкой эвтектики Fe-TiC. Практическая значимость

1. Разработан процесс получения покрытий CriH14A7M5-TiC методом лазерной наплавки с последующим старением. Установлено влияние параметров лазерной наплавки и содержания TiC на геометрические характеристики наплавленных единичных слоев. Полученные материалы характеризуется 100%-ой плотностью и повышенными трибологическими характеристиками.

2. Выполнена модернизация модели нагрева тела непрерывно действующим лазерным источником применительно к пористой спеченной стали СПН14А7М5. Расчетно-экспериментальным путем определены коэффициенты теплопроводности, теплоемкости и поглощения лазерного излучения. Предложенная модель позволяет рассчитывать и регулировать величину формирующегося беспористого слоя при поверхностной лазерной обработке.

3. Разработанный процесс получения покрытий сталь СПН14А7М5 с добавлением 10% TiC методом лазерной наплавки апробирован в условиях серийного производства ЗАО «Опытный завод НЕФТЕГАЗМАШ», применительно к деталям ролика вкладыша направляющего буровой штанги.

Показано, что нанесение данного покрытия позволило повысить ресурс ролика в 1,8-2,2 раза по сравнению с роликами без покрытия.

На защиту выносятся

- Результаты исследований влияния параметров лазерной наплавки и состава композиционного материала (количества TiC) на геометрические характеристики валика;

- Разработанный технологический процесс нанесения покрытий CIIH14A7M5-TiC методом лазерной наплавки с последующим старением;

- Результаты сравнительного анализа микроструктуры и свойств композиционных материалов сталь СПН14А7М5-Т1С, полученных аддитивными лазерными технологиями (лазерной наплавкой и селективным лазерным плавлением) и поверхностным лазерным оплавлением;

- Модернизированная модель нагрева тела непрерывно действующим лазерным источником, позволяющая рассчитывать и регулировать величину формирующегося беспористого слоя в стали СПН14А7М5 при поверхностной лазерной обработке;

- Результаты исследования влияния поверхностной лазерной обработки на физико-механические и трибологические свойства спеченных образцов CTlH14A7M5-TiC.

Апробация работы

Основные результаты работы докладывались и обсуждались на международных научных форумах и конференциях: 6-я Международная конференция «Материалы и покрытия в экстремальных условиях: исследования применение, экологически чистые технологии производства и утилизации изделий», (Украина, Большая Ялта, 2010); Международный симпозиум «Инженерия поверхности. Новые порошковые композиционные материалы. Сварка», (Белоруссия, Минск, 2011); SMT-26: Proceedings of 26th conference on surface modification technology (Франция, Лион, 2012); 7-ая Международная конференция «Материалы и покрытия в экстремальных условиях», (Украина, Кацивели, 2012); 10-ая Международная научно-техническая конференция «Новые материалы и технологии: порошковая металлургия, композиционные материалы, защитные покрытия, сварка» (Белоруссия, Минск, 2012); Международная конференция «Порошковая металлургия: ее сегодня и завтра» (Украина, Киев, 2012). Публикации по теме диссертации

По материалам диссертации имеется 11 публикаций, в том числе 5 статей в рецензируемых журналах, рекомендованных ВАК, 5 тезисов и докладов в сборниках трудов конференций, 1 ноу-хау.

Структура и объем диссертации

Диссертационная работа состоит из введения, 5 глав, общих выводов и списка использованных источников. Диссертация имеет объем 120 страниц, включая 21 таблиц, 68 рисунков, список использованных источников из 101 наименований.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении приведена общая характеристика работы, обоснована актуальность темы диссертации, поставлены цели и задачи исследований и сформулированы основные положения, выносимые на защиту.

В главе 1 представлен аналитический обзор существующих технологий наплавки и лазерной обработки поверхности.

Рассмотрены применяющиеся в промышленной практике для упрочнения (модификации) поверхности следующие наплавочные технологии: плазменная наплавка, электродуговая наплавка, которые отличаются источником энергии, обеспечивающим формирование наплавочного слоя. Показано, что по сравнению с используемыми в производстве способами лазерные технологии обработки материалов обладают рядом преимуществ. Высокая концентрация энергии в пятне нагрева создает возможность проведения процесса при повышенных скоростях обработки. Это, в свою очередь, обуславливает:

- формирование слоя с малым коэффициентом перемешивания (0.050.15) в результате незначительного подплавления основы;

- минимальное термическое воздействие на основной металл, что особенно важно для материалов, претерпевающих структурные и фазовые превращения;

- малые остаточные деформации обрабатываемой поверхности;

- возможность нанесения материала на малые поверхности, соизмеримые с диаметром пятна нагрева в случае применения импульсных и импульсно-периодических лазеров;

- повышенные физико-механические свойства поверхности после лазерной обработки;

- автоматизация и высокая производительность процесса.

Отмечено, что при получении композиционных материалов методом

лазерного плавления рост прочностных характеристик материалов осуществляется за счет механизмов дисперсного упрочнения и дисперсионного твердения, поэтому в качестве матричного материала была выбрана мартенситностареющая сталь СПН14А7М5. Она рекомендована для изготовления высоконапряженных конструкций, для экструзионных прессов и штампов, специальных ответственных механизмов и валов, для держателей

штампов, высокопрочных шасси вертолетов и др. Легирование стали карбидом титана (от 0 до 30%) приводит к повышению твердости и износостойкости за счет дисперсного упрочнения материала.

В главе 2 представлены химический и гранулометрический анализ исходных порошковых материалов, методики эксперимента, исследования и обработки экспериментальных данных.

Для приготовления стали использовались порошки исходных компонентов, представленные в таблице 1.

Таблица 1

Исходные порошковые материалы

Компонент ГОСТ Средний размер частиц, мкм

Fe ГОСТ 9849-86 100

С ГОСТ 7885-86 5

Mo ГОСТ 27266-87 10

NiAI ГОСТ 28377-89 25

TiC ГОСТ 7885-77 10

Соотношение исходных компонентов в стали порошковой (СП) СПН14А7М5 было следующее: Fe 73,97%иас., NiAI 21%мас. (Ni(H) 14%мас, AI (А) 5%мас ,) Mo (M) 5%мас, С 0,03%мас,

Смешивание-измельчение компонентов стали и TiC осуществлялось в планетарной мельнице PULVERISETTE 5 classic line фирмы Fritsch (Германия). Данная технология приготовления материала позволила интегрировать в ванну расплава частицы TiC размером до 10 мкм. Порошок железа использовался довольно крупный, 100 мкм, с целью создания композитного порошка, путем механического сцепления более мелких и твердых частиц карбида титана (10 мкм) с крупными и пластичными частицами железа (рис. 1). Определение гранулометрического состава порошков проводили на лазерном дифрактометре Analysette 22 MicroTec Plus фирмы Fritsch (Германия).

Лазерная наплавка материалов производилось на установке LASMA 1054 (Германия) с твердотельным HL 4006D непрерывным Nd-YAG лазером фирмы TRUMPF (Германия), максимальной мощностью 4 КВт, и коаксиальной системой подачи порошка. Селективное лазерное плавление материалов осуществлялось на лазерной установке Phénix РМ 100. Источником излучения является YLR-200 CW иттербиевый волоконный лазер производства IPG Photonics с максимальной мощности Р = 200 Вт, длиной волны X = 1075 нм и диаметром лазерного пятна D = 70 мкм.

б) в)

Рис. 1

Порошковая смесь CnH14A7M5-TiC: а - общий вид порошковой смеси; б -частица композиционного порошка; в - распределение химических элементов

Для лазерной наплавки и селективного лазерного плавления использовались плоские подложки из стали Ст 3. Образцы для поверхностной лазерной обработки готовились методом прессования-спекания. Прессование проводилось на гидравлическом прессе в пресс-форме с двухсторонним обжатием, спекание осуществлялось в вакуумной электропечи «ВАКЭТО». Поперечные и продольные сечения образцов были проанализированы на оптическом микроскопе ZEISS Axioscope Al и электронном растровом микроскопе TESCAN Vega 3 SB с EDS. Микротвердость определялась на твердомере BUEHLER Omnimet МНТ 5104 по методу Виккерса. Определение фазового состава осуществлялось на автоматизированном дифрактометре марки ДРОН-4 с использованием монохроматического Cu-Ka излучения. Испытания трибологических свойств материалов проводились на машине трения TRIBOMETER фирмы CSM (Швейцария) по стандартной схеме возвратно-поступательного движения. Измерение вертикального сечения бороздок износа проводилось на профилометре, типа WYKONT 1100, (Veeco США).

В 3 главе приведены результаты исследования процесса лазерной наплавки с последующей термической обработкой покрытий из композиционных материалов сталь CnH14A7M5-TiC.

Формирование наплавочных покрытий осуществляется путем постепенного нанесения единичных слоев в форме валика (рис. 2) с частичным перекрытием на обрабатываемую поверхность, что позволяет создавать покрытия заданных размеров. Валик представляет собой модель, свойства которой отражают конечные свойства получаемого покрытия. Для оптимизации процесса лазерной наплавки и установления функциональной зависимости между факторами и выходными параметрами проводился

полный факторный эксперимент. Лазерная мощность Р (1000 - 1500 Вт), скорость сканирования V (100 - 150 мм/мин), расход порошка F (5 - 15 г/мин), содержание карбидной фазы Q (0 - 20%об.) являлись факторами процесса; геометрические характеристики валика, такие как его высота Я, ширина W, глубина проплавления основы h - выходными параметрами (рис. 2). Использование составов с большим содержанием TiC было невозможно по причине ухудшения текучести и затруднения транспортировки порошковой смеси.

Рис. 2

Геометрические характеристики валика

Описание процесса представлялось в форме математической модели и выражалось в виде ряда Тейлора:

У=/(хьх2, ...хк)=Ь0+'Е? Ь;*г Ьц к Ьцкх^хк ... (1)

Найденные коэффициенты уравнений регрессии для геометрических характеристик валика показывают степень влияния каждого из входных параметров, а знак при коэффициенте - направление влияния (увеличение или уменьшение):

Я = 0,717 - 0,354 /12 - 0,173-АУ+ 0,439-АР-0,283-АвАР- 0,136-АУАР (2)

IV = 3,995 +0,177-Лб+0,522-АР- 0,308 /1 V- 0,2-Лв-ЛР- 0,2-АдАУ-0,\ЫАРАУ (3) И =0,542+ОМ1А£>+0,191-АР-0,272-АР-0,060-АР АУ- 0,№-АР АР+0.\30 (АК)2 (4)

При увеличении расхода порошка Р высота валика Н возрастает (рис. 3, а). Увеличение содержания карбида титана в смеси <2 уменьшает высоту валика Я (рис. 3, б), что объясняется преобладанием скорости кристаллизации ванны расплава над увеличением количества образующейся легкоплавкой эвтектики Ре-НС, N¡-710 Увеличение скорости сканирования

V приводит к снижению высоты валика Я (рис. 3, в). В зависимости от параметров наплавки высота валика меняется от 0,2 до 2,3 мм. Для ширины валика Ш определяющим параметром является лазерная мощность Р. Ширина ^достигает 5,3 мм при максимальной лазерной мощности 1,5 кВт (рис. 3, г).

-3,0 -2.5 -2.0 -1,5 .1.0 -0.5 0.0 0,5 1,0 1,5 2,0 2.6 3,6 Х.мм

а)

Ш Ш-

V щ

« V

« V »150 тмМкя

16-

-Р=1500Вт -Р=1250Вт -Р=1000Вт

Щ 7Р> -0:5 О.»

Х^я

1.« ■>*:■ 3,9 V»

В)

Г)

Рис. 3

Зависимость формы валика от параметров нанесения. Параметры: а - Р = 1500 кВт, V = 100 мм/мин, Р = вар., £ = 0% НС; б - Р = 1500 кВт, V =100 мм/мин, 15 г/мин., 0 = вар.; в - Р = 1500 Вт, К= вар.,^= 15 г/мин,

2 = 0% НС; г - Р = вар. К= 100 мм/мин, 15 г/мин, £> = 0% ПС;

После установления функциональной зависимости между параметрами лазерной наплавки и геометрическими характеристиками валиков, проводилось определение оптимальных режимов для каждого из составов. Основными критериями являлись: соотношение между высотой и шириной валика Ь/1У 0,2-Ю,25, минимальная глубина проплавления подложки Ьиш, а также максимальный коэффициент использования порошка Ер= 2/3 р-Н- IV-У/Р—нпах, где р - аддитивная плотность нанесенного материала.

Таким образом, исходя из заданных критериев, для каждого из составов были установлены оптимальные параметры лазерной наплавки, позволившие определить условия нанесения покрытий с минимальной пористостью и минимальным термическим воздействием на материал основы, (табл. 2).

Таблица 2

Оптимальные параметры нанесения покрытий

Состав Мощность, Р, Вт Скорость сканирования, V, мм/мин Расход порошка, F, г/мин

СПН14А7М5 - 0%o6 TiC 1250 125 10

СПН14А7М5 - 10%o6.TiC 1250 125 15

СПН14А7М5 - 20%o6TiC 1000 100 15

После лазерной наплавки материалов проводилось старение с целью снятия термических напряжений и дисперсного упрочнения для повышения твердости материалов без потери пластичности. Температура варьировалась в характерном для мартенситностареющей стали промежутке от 500 до 700 °С, а временной интервал температурной выдержки от 1 до 9 часов, чтобы проследить влияние выделяющихся интерметаллидных фаз, а также снятие термических напряжений в материалах после лазерной наплавки. Изменение свойств материалов контролировалось по изменению твердости и фазового состава (табл. 3, рис. 4).

Таблица 3

Фазовый состав материала сталь СПН14А7М5-Т1С после лазерной наплавки и старения

_После старения

После ЛН 500 °С

а s 1 ч. 3 ч. 7 ч. 9 ч.

и фаза массовая доля, % Я 8 -е- s* фаза массовая доля,% «3 8 -е- §* cd 8 •e- массовая

О те о а о я я 8 s 4 § Щ y ^ a S S 4 §

^ С Г— чО a-Fe 98 a-Fe 97,8 a-Fe 98,3 a-Fe 97 a-Fe 99,5

и y-Fe 2 y-Fe 2,2 y-Fe 1,7 (Fe,Ni)Al 3 (Fe,Ni)Al 0,5

2 У a-Fe 93.2 a-Fe 93.2 a-Fe 93,3 a-Fe 87,2 a-Fe 92,1

Я О С м TiC 6.8 TiC 6.8 TiC 6,7 TiC 6,5 TiC 6,7

о _ _ _ _ (Fe.Ni)Al 6,3 (Fe,Ni)Al 1,2

700 °С

В

о

о

1ч. Зч. 7 ч. 9 ч.

8 s £ 8 g 1 8 g

о Б 4=*- о 5 -А- о 5

~ S я о -е- а о

S =( S 4 S 4

1Г) о a-Fe 98,2 a-Fe 98,5 a-Fe 96,5 a-Fe 99,9

< н

Tt 1С)

5с с о о y-Fe 1,8 y-Fe 1,5 (Fe,Ni)Al 3,5 (Fe,Ni)Al следы

»А a-Fe 94,7 a-Fe 94,8 a-Fe 89,1 a-Fe 94,3

2 и

н

< vci о TiC 5,3 TiC 5,2 TiC 5 TiC 5,2

X хО о4 О

С и CN - - - - (Fe,Ni)Al 5,9 (Fe,Ni)Al 0,4

При минимальной температуре и времени старения (Т=500 °С, т=1 час) изменения в материалах произойти не успевают. Твердость остается на том же уровне, порядка 400±20 HV0.i для всех составов (рис. 4). Увеличение времени выдержки до 3 часов при неизменной температуре 500 С приводит к падению твердости, связанному со снятием термических напряжений после лазерной наплавки и разупрочнением материала. Но, начиная с 5 часов, твердость начинает возрастать, что обусловлено выделением интерметаллидной фазы (Fe.Ni)Al (табл. 3). Увеличение продолжительности температурной выдержки свыше 7 часов приводит к снижению твердости как из-за укрупнения частиц TiC (рис. 4), так, вероятно, и из-за обратного растворения выделившейся фазы (Fe,Ni)Al. Увеличение температуры старения инициирует процесс разупрочнения, поэтому уже после одного часа выдержки твердость значительно снижается. Но с увеличением временного интервала термической обработки процессы упрочнения за счет фазовых преобразований начинают преобладать над разупрочняющими, постепенно повышая твердость.

а)

б)

I

в) Рис. 4

Зависимость твердости материала сталь СПН14А7М5-Т1С в от температурных и временных режимов старения: а - 0%, б - 10%, в - 20% ТлС

По результатам исследований установлены оптимальные режимы старения наплавленных материалов. С достижением времени выдержки 7 часов снимаются термические напряжения и происходит выделение максимального количества интерметаллидной фазы (Ре,№)А1, приводящее к увеличению твердости. Температура 500 °С способствует дисперсионному упрочнению материала, не приводящему к обратному растворению фазы (Ре,№)А1.

При лазерной наплавке процесс структурообразования происходит следующим образом: карбид титана растворяется в жидкой фазе, что приводит к его перекристаллизации и образованию карбидных зерен, являющихся центрами кристаллизации расплава (рис. 5). Затем происходит формирование зерен, по границам которых выделяются колонии неравновесной эвтектики ТСС - Ре, ТСС - №.

а) б)

Рис. 5

Микроструктура материала СПН14А7М5-ТСС(%об.), полученного лазерной наплавкой: а - 10%о6, б - 20%об. ТСС

При увеличении содержания карбида титана возрастает количество выделяющегося ТСС и происходит измельчение структуры сплава. Поскольку начальный размер частиц ТСС был мал (около 5^7 мкм), в микроструктуре они не агломерируют, а выделяются в виде мелкодисперсной фазы.

После старения в структуре наблюдается нормализация неравновесной эвтектики. Диффузионные процессы, которые не успевают пройти при наплавке, интенсифицируются термической обработкой, и эвтектика равномерно распределяется в теле зерна (рис. 6).

а) б)

Рис. 6

Микроструктура сталь СПН14А7М5-20%Т1С после старения: а-увеличение х2000; б - увеличение хЮООО; режимы: Т=700 °С , т=7 часов

В 4 главе приведены результаты исследования процесса селективного лазерного плавления многокомпонентных систем на примере композиционного материала сталь СПН14А7М5-Т1С.

Методом селективного лазерного плавления были получены композиционные материалы сталь СПН14А7М5-'ПС с содержанием карбидной фазы до 30%о6. Величина твердости материалов превышает результаты после лазерной наплавки как до, так и после термической обработки, а также твердость материалов после поверхностной лазерной обработки (рис. 7). Это объясняется особенностями микроструктуры материала: формированием субзеренной и ультрадисперсной структуры материала за счет образования множества центров кристаллизации при высоких скоростях охлаждения (рис. 8).

[

700 -

600 -

¡ 500 -

в 400 -о

§■300 -£

200 -100 -

0 -

0 10 20 30

Количество TiC, %об.

Рис. 7

Значение твердости материала СПН14А7М5-Т1С, полученного методом СЛП, JIH до и после ТО и поверхностной лазерной обработки (ПЛО)

В процессе СЛП карбид титана, выделяющийся при охлаждении из расплава, является центром кристаллизации. В результате термических напряжений, накапливаемых в материале при быстром охлаждении, происходит скопление дислокаций в зернах. При дальнейшем нанесении слоев, происходит термическая обработка, инициирующая процесс полигонизации в зернах ниже лежащего слоя материала (рис. 8 а). Увеличение карбидной фазы до 30%о6 сопровождается равномерным мелкодисперстным выделением TiC из расплава. Несмотря на значительную объемную долю карбида титана, он не агломерирует, благодаря высоким скоростям охлаждения. Зародыши карбида титана настолько мелкие (до 200 нм), а их количество столь велико, что зеренная структура в материале не прослеживается, а введение 30%о6 TiC приводит к формированию ультрадисперсной структуры материала (рис. 8 б).

□ ЛН ИЛН+ТО "СЛП ■ ПЛО

гл

"V

т fip ЯП

1Й"

te

а) б)

Рис. 8

Микроструктура материала сталь СПН14А7М5-'ПС(%0б.) после СЛП: а -10%"ПС, увеличение х4000; б - 30%ТЮ, увеличение х20000

Таким образом, особенность структурообразования материала СПН14А7М5-Т!С состоит в том, что при содержании карбида титана до 20% в процессе его перекристаллизации из расплава происходит выделение частиц со средним размером 1-2 мкм. Увеличение вводимой тугоплавкой составляющей сопровождается уменьшением времени существования ванны расплава и увеличением скорости ее охлаждения, что приводит к измельчению образующегося Т1С со средним размером частиц 0,1-0,2 мкм. При дальнейшем увеличении содержания карбида титана велика вероятность образования контактов между частицами и их агломерации в процессе селективного лазерного плавления.

В 5 главе приведены результаты поверхностной лазерной обработки спеченных образцов сталь СПН14А7М5-Т1С.

Установлены закономерности влияния пористости материала на распространение теплового фронта в нем. При этом в качестве исходного материала использовалась спеченная сталь СПН14А7М5 без карбида титана, так как она формирует основную долю ванны расплава. Экспериментально определены теплофизические свойства стали при высоких температурах, которые позволили провести модернизацию модели нагрева полубесконечного тела непрерывно действующим тепловым источником, используя уравнение Рыкалина применительно к пористой спеченной стали.

На данный момент работы по влиянию лазерного воздействия на несплошные материалы ведутся в частности в процессах селективного лазерного спекания/плавления, где лазером обрабатывается слой порошка. В данных системах учитываются многие факторы, такие как размер частиц порошка, их укладка в слое, коэффициенты поглощения и отражения лазерного излучения и др. При лазерной обработке спеченного материала мы рассматривали его как сплошным, обращаясь к модели Рыкалина. А учет изменения теплофизических свойств проводили при помощи модели Максвелла-Гарнетта для эффективной среды.

Оценка влияния пористости спеченной стали СПН14А7М5 на распространения тепла проводилась при различных значениях пористости в (10 - 28%) и варьировании основных параметров лазерной обработки: мощности лазера Р (200 - 500 Вт) и скорости сканирования V (3,3 - 8,5 мм/сек). Образцы с заданной величиной пористости в были получены методом порошковой металлургии при следующих параметрах прессования и спекания (табл. 4).

Таблица 4

Режимы прессования и спекания СПН14А7М5 с различной пористости

Пористость Давление Температура Время выдержки

в,% прессования Д т/см3 спекания Г, °С т, час

10 9 1350 3

16 7 1350 3

22 5 1300 1

28 5 1250 1

Анализ геометрических характеристик трека проводился по оценке глубины И и ширины Ь ванны расплава (рис. 9). Экспериментальные значения были получены по результатам измерений с металлографических шлифов, а расчетные - по уравнению (5) с учетом зависимости эффективной теплопроводности от пористости (7) при помощи программы, написанной в среде пакета МаНаЬ, и разработанной в лаборатории 01Р1, ЕЫ18Е (Г.Г. Гладуш, И. Ядройцева).

Рис. 9

Анализ геометрических характеристик ванны расплава: 19

а - металлографический; б - расчетный (пунктирная линия указывает границы ванны расплава)

Для описания процесса распространения тепла при нагреве лазерным источником использовалось уравнение Рыкалина для непрерывно-действующего нормально-кругового (гауссова) источника.

I (дь-иУ+Ло'

т(х V - Г)=Г _—-е 4а°-') 4а(,°+'-''> (5)

где Т, р, Ср, а, V, Р, I - соответственно температура в точке с координатами (хо, уо, ¿о), плотность материала, его удельная теплоемкость, температуропроводность, скорость сканирования лазерного луча, его эффективная мощность и время воздействия.

Это уравнение описывает распространение теплового фронта в сплошных телах. Для описания теплофизических свойств пористой среды была применена интегральная теория эффективной среды Максвелла-Гарнетта.

К,-К =вА^ (6)

Кл + 2А„ Л + 2Я„,

где Х^ - эффективная теплопроводность среды - имеет смысл коэффициента теплопроводности некоторого однородного тела, через которое при одинаковых форме, размерах и температурах на границах проходит то же количество теплоты, что и через данное пористое тело; Лт - теплопроводность матрицы; 0,- - объемная доля включений (объемная пористость). Поры спеченного материала заполнены воздухом, и считая теплопроводность газа в порах Л, достаточно малой по сравнению с теплопроводностью металла, получим

(7)

Выражая температуропроводность через эффективную теплопроводность материала (8), подставляем значение в уравнение (5).

К,

а = ——

СрР (8)

Процесс поверхностной лазерной обработки проходит при температурах плавления стали, и теплофизические свойства материала отличаются от стандартных. Установление теплопроводности и теплоемкости стали, а также коэффициента поглощения лазерного излучения ее расплавом определялось экспериментально. Таким образом, значения теплопроводности и теплоемкости были приняты Лт= 35 Вт/м-К и Ср=400

Дж/кг-К соответственно, а коэффициент поглощения лазерного излучения в зависимости от пористости материала был выбран равным 0,43 при 10% пористости , 0,45 при 16% пористости, 0,47 при 22% и 0,49 при 28%. Расчеты проводились по модели Рыкалина, а результаты сопоставлялись с экспериментальными значениями (рис. 10).

} У

-»■•Т. рлеч.

У

1 ............

Пористость,6

а)

и............1

1(К> 200

Мощное! Ь. Вт

в)

>• I. расч ► Ьэксп

г-

т............(

в Ьэксп

к........

Мощность, Вг

г)

А

ш ■'«■•К расч

я • Ь:»ксп. л

1

а ш

1-

б)

ЗАО Я •■<■■■ Ь расч. в Ь :жси.

" 2!»

}

Г........

Д) е)

Рис. 10

Зависимость ширины и глубины ванны расплава от параметров лазерной обработки спеченной стали СПН14А7М5: а, б - 6= вар., Р = 200 Вт, ¥= 3,3 мм/сек; в, г-/5 = вар., в = 16%, К= 5 мм/сек; д, е - У= вар., 6= 16%, Р = 300

Вт

Наиболее значительное влияние на ширину и глубину ванны расплава оказывает пористость материала (рис. 10 а, б). С её увеличением параметры ванны растут. Ширина и глубина проплавления также увеличивалась с увеличением лазерной мощности (рис. 10 в, г). Скорость сканирования обратно пропорциональна размерам ванны расплава, с ее увеличением ванна сужаются (рис. 10 д, е).

Таким образом, благодаря экспериментально подобранным теплофизическим параметрам пористой спеченной стали СПН14А7М5 удалось провести моделирование тепловых полей на основе уравнений (5) -(8) и оценить влияние пористости на глубину проплавления материала основы. Рассчитанные теоретические размеры ванны расплава попадают в область доверительных интервалов экспериментальных результатов, что говорит об адекватности используемого метода (рис. 10).

Поверхностная лазерная обработка способствует как залечиванию остаточной пористости, так и приводит к структурным преобразованиям, сопровождающимся повышением твердости и износостойкости материала.

Изучение микроструктуры и трибологических свойств материалов после поверхностной лазерной обработки проводилось на спеченных образцах СПН14А7М5-Т1С (0 - 30%о6 ).

СПН14А7М5 характеризуется выраженной зёренной структурой. Размер зерен достигает 100 мкм, что не характерно для лазерной обработки поверхности (рис. 11). Большой размер зерен связан со сниженным теплоотводом в пористом материале.

_.-v ■ -I';■;■*■/":.:• V

SS^S'v ЯЙР

SEM MAG: <00 х OM:SE 100 pm gg

VltwMd: W5.S|*i» вмцтч/у): 05/2Wli Putoimenciinnwiojp««®!

a)

Рис. 11

Микроструктура образца после поверхностной лазерной обработки: а -увеличение х400; б - увеличение х800; в 16%, Р 400 Вт, К6,7 мм/сек

Иг

Г

SMS

й. ................

; • jjjjj I " - поры

К " ' ■ . ;/' •

Ш|:<:.; ........НЕ : ЩмШ:'^ -ШШй

С добавлением ТЮ происходит резкое измельчение зерна. Карбид титана выделяется при охлаждении расплава, являясь центром его кристаллизации (рис. 12 а). Увеличение содержания карбидной фазы приводит к увеличению количества центров кристаллизации, а также к росту дендритов карбида титана (рис. 12 б-в). Это сопровождается ростом твердости материала, но может вызвать его охрупчивание.

БЕМ МАО: 2.00 Кх 0»1: ВЭЕ 20 рт 1

\Л*м1М4:101.1 |Л1 ОЯ»(тЧ/у): 05/2412 РвгГогпчп« т п»по»р»с»!

в

Рис. 12

Микроструктура спеченных материалов СПН14А7М5-НС после поверхностной лазерной обработки: а - 10%о6 Т1С; б - 20%Об.Т1С; в - 30%Об.Т1С

После лазерной обработки поверхности значения твердости материалов значительно повышаются (рис. 13). Термическая обработка лазером представляет собой закалку, что способствует увеличению твердости стали.

С добавлением карбида титана происходит его растворение в стали и выделение в виде равномерной сетки дендритов НС. Совмещение этих двух эффектов приводит к значительному росту твердости в материалах.

800 700

> й 600

400 300

0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 Глубина термического воздействия, мм

Рис. 13

Распределение твердости спеченных материалов СПН14А7М5-ТЮ с содержанием карбида титана от 0 до 30%Об. после поверхностной лазерной

обработки

Трибологические испытания проводились на нескольких образцах, с различным содержанием карбида титана, с целью определения влияния добавки 'ПС на износостойкость композиционного материала на основе стали.

В таблице 5 приведены значения установившегося коэффициента трения на линейном участке кривой зависимости коэффициента трения от пробега, а также приведенные скорости износа образца и контртела. Износ образцов из чистой стали максимальный, далее с увеличением содержания карбида титана в стали износ значительно уменьшается.

В случае с образцом состава СПИ 14 А7М5-30%о6Т1С, износ материала и контртела значительно меньше, чем для чистой стали. Это связано с различными механизмами изнашивания. Сталь СПН14А7М5 и материал контртела ШХ15 достаточно близки по механическим свойствам, имеют примерно одинаковую твердость, пластичны. В связи с этим происходит интенсивный износ и контртела, и исследуемого образца. Возможно адгезионное взаимодействие и схватывание.

Таблица 5

Данные трибологических испытаний и расчетов

Ик-Т> И0бр,

Образец Ь, м ц мм3/Нм мм3/Нм

х10"5 хЮ"5

СПН14А7М5 100 0,37 1,95 1,34

СПН14 А7М5-1 0%*.ТЮ 100 0,38 1,85 0,27

СПН14А7М5-30%Об.'ПС 100 0,36 0,92 0,01

Легирование стали карбидом титана до 30%о6 вызывает увеличение твердости с 480 НУ0л до 650 НУ0л- Поэтому в этом случае имеет место преимущественно абразивное изнашивание контртела, практически без истирания исследуемого материала (рис. 14)

в

Рис. 14

Трехмерные фотографии бороздок износа (а - 0%ОбТ<С; б — 10%Об.Т1С; в -

30%обТЮ)

Таким образом, в процессе исследования было установлено, что износостойкость композиционного материала СПН14А7М5-Т1С после

поверхностной лазерной обработки растет с увеличением твердости материала и содержания в нем карбида титана.

На предприятии ЗАО «Опытный завод НЕФТЕГАЗМАШ» были проведены испытания по упрочнению рабочей поверхности детали «Ролик вкладыша направляющей буровой штанги 0240», материал - Сталь 38ХГН, наплавленным покрытием из композиционного материала сталь СПН14А7М5 с добавлением 10% ТЮ. Результаты эксперимента приведены в таблице 6.

Таблица 6

Результаты испытаний

Материал ролика Материал покрытия Технология обработки Толщина, мм Твердость, ГОС Время работы, час

Сталь закалка 2 50 336

38ХГН

Сталь Сталь СПН14А7М5- лазерная 1,2 55 682±2

38ХГН 10%"ПС наплавка

Лазерная наплавка покрытия Сталь СПН14А7М5-10%Т1С приводит к повышению твердости на 5 НЯС и увеличению ресурса изделия в 2,0-2,2 раза по сравнению со стандартным изделием, прошедшим закалку, что обусловлено дисперсным упрочнением стальной матрицы частицами ТЮ.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ РАБОТЫ

1. Установлены закономерности влияния содержания карбида титана в стальной матрице на геометрические характеристики единичного слоя в процессе лазерной наплавки, заключающиеся в том, что при увеличении содержания ТГС от 0 до 20% высота валика уменьшается в 1,5-2 раза в результате преобладания скорости кристаллизации ванны расплава над увеличением количества образующейся легкоплавкой эвтектики РеЛЧС.

2. Разработан процесс получения покрытий из композиционного материала СПН14А7М5-(0, 10, 20%об.уПС методом лазерной наплавки с последующим старением. Полученные материалы характеризуется малой пористостью (<0,5%) и повышенными трибологическими характеристиками.

3. Выявлен экстремальный характер зависимости размера зерна Т1С от его содержания в материале СПН14А7М5-Т1С при селективном лазерном плавлении. Размер выделяющихся в процессе перекристаллизации из расплава частиц Т1С достигает минимального значения 200 нм при содержании Т1С 30%, что объясняется преобладанием фактора увеличения скорости охлаждения с добавлением Т1С над агломерацией выделяющихся частиц карбида титана.

4. Установлено, что поверхностная лазерная обработка спеченных образцов CriH14A7M5-TiC обеспечивает залечивание пор и повышение твердости. Результаты трибологических испытаний показали, что износостойкость композиционных материалов растет с увеличением в составе карбидной фазы.

5. Выполнена модернизация модели нагрева тела непрерывно действующим лазерным источником применительно к пористой спеченной стали СПН14А7М5. Расчетно-экспериментальным путем определены коэффициенты теплопроводности, теплоемкости и поглощения лазерного излучения. Предложенная модель позволяет рассчитывать и регулировать величину формирующегося беспористого слоя при поверхностной лазерной обработке.

РАБОТЫ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

1. Нарва В.К., Маранц A.B. Получение функционально-градиентных покрытий на основе титана методом лазерной наплавки. Тезисы докладов 6-й Международной конференции «Материалы и покрытия в экстремальных условиях: исследования применение, экологически чистые технологии производства и утилизации изделий», Большая Ялта, Крым, Украина, 20-24 сентября 2010 г., с. 114.

2. Нарва В.К. Маранц A.B., Сентюрина Ж.А. Лазерная наплавка материалов карбид титана - сталь на стальную подложку // Материалы докладов 7-й Международной конференции «Материалы и покрытия в экстремальных условиях», Кацивели, Крым, Украина, 24 - 28 сентября 2012 г., с. 107.

3. В.К. Нарва, A.B. Маранц, Ж.А. Сентюрина. Изучение процесса лазерной наплавки порошковых смесей «сталь - карбид титана» на стальную подложку// Известия ВУЗов: Порошковая металлургия и функциональные покрытия. 2012. № 4. С. 25-32.

4. Маранц A.B., Сова A.A., Нарва В.К., Смуров И.Ю. Получение покрытий методом холодного напыления с последующей лазерной обработкой// Упрочняющие технологии и покрытия. 2013. №8. С. 21-28.

5. Маранц A.B., Сентюрина Ж.А., Ядройцев И.А.., Ядройцева И.А., Нарва В.К., Смуров И.Ю. Сравнение свойств материалов сталь-TiC, полученных методами лазерных технологий и порошковой металлургии// Известия ВУЗов: Порошковая металлургия и функциональные покрытия. 2013. № 1.С. 22-26.

6. Маранц A.B., Сентюрина Ж.А., Ядройцева И.А., Нарва В.К., Смуров И.Ю. Лазерная обработка спеченной порошковой стали СПН14А7М5//

Известия ВУЗов: Порошковая металлургия и функциональные покрытия. 2013. №2. С. 19-25.

7. В.К. Нарва, A.B. Маранц, Ж.А. Сентюрина. Термическая обработка композиционных материалов сталь-TiC, полученных методом лазерной наплавки// Известия ВУЗов: Порошковая металлургия и функциональные покрытия. 2013. № 3. (в печати).

8. Маранц A.B., Сова A.A., Нарва В.К. Получение покрытий методом холодного напыления с последующей лазерной обработкой// Материалы докладов 10-й Международной научно-технической конференции «Новые материалы и технологии: порошковая металлургия, композиционные материалы, защитные покрытия, сварка», Минск, Белоруссия, 12-14 сентября 2012 г., с. 276-278.

9. Маранц A.B., Сентюрина Ж.А., Ядройцева И.А., Нарва В.К., Смуров И.Ю. Лазерная обработка поверхности спеченных образцов стали СПН14А7М5// Тезисы докладов Международной конференции «Порошковая металлургия: ее сегодня и завтра», Киев, Украина, 27-30 ноября 2012 г., с. 49.

10. Laser post-treatment effect on intermetallic compound formation in cold spray multicomponent coatings / A. Marants, I. Kovaleva A. Sova, I. Smurov // Proceedings of 26th conference on surface modification technology, June 20th-22th, 2012, Lyon, France; P. 26-27.

11. В.К. Нарва, A.B. Маранц, ноу-хау № 6-2013 от 19.03.2013 г «Условие формирования наплавленных слоев из материала TiC-сталь методом лазерной обработки и последующего старения»

Подписано в печать: 14.11.13 Тираж: 150 экз. Заказ № 137 Объем усл. п.л. 1,0 Отпечатано в типографии «Реглет» г. Москва, ул. Ленинский проспект, д.2 8(495)978-66-63, www.reglet.ru

Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Национальный исследовательский технологический университет «МИСиС» Национальная Инженерная Школа Сент-Этьенна (ЕМБЕ)

на правах рукописи

04201450203

МАРАНЦ АЛЕКСАНДР ВАДИМОВИЧ

РАЗРАБОТКА И ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОЦЕССОВ ЛАЗЕРНОЙ ОБРАБОТКИКОМПОЗИЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ

СТАЛЬ СПН14А7М5-ТЮ

Специальность 05.16.06 - Порошковая металлургия и композиционные

материалы

Диссертация на соискание учёной степени кандидата технических наук

Научный руководитель: кандидат технических наук, профессор Нарва Валентина Константиновна Москва-2013

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ..............................................................................................................5

ГЛАВА 1 Литературный обзор..............................................................................8

1.1. Технологии поверхностного лазерного упрочнения материалов............8

1.2. Процесс лазерного плавления....................................................................11

1.3. Процесс поверхностной лазерной обработки..........................................13

1.4. Композиционные материалы.....................................................................14

1.4.1. Общие сведения о композиционных материалах................................14

1.4.2. Композиционные материалы с металлической матрицей..........................17

1.5. Выбор композиционного материала для лазерной обработки......................21

1.5.1. Металлическая матрица.........................................................................21

1.5.2. Упрочняющая фаза.................................................................................23

ВЫВОДЫ К ГЛАВЕ 1..........................................................................................32

ЦЕЛИ И ЗАДАЧИ.................................................................................................35

ГЛАВА 2. Оборудование и материалы...............................................................36

2.1. Экспериментальные установки.................................................................36

2.1.1. Установка LASMA 1054.........................................................................36

2.1.2. Установка Phénix РМ 100.......................................................................39

2.1.3. Оборудование прессования-спекания...................................................41

2.1.4. Анализ структуры и свойств композиционных материалов..............42

2.1.5. Методика измерения коэффициента трения........................................43

2.2. Порошковые материалы.............................................................................45

РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ К ГЛАВЕ 2...........................................................50

ГЛАВА 3 Лазерная наплавка КМ сталь СПН14А7М5-Т1С..............................51

3.1 Регрессионный анализ влияния параметров лазерной наплавки на геометрические характеристики наплавленного слоя...................................51

3.2. Определение оптимальных режимов лазерной напавки........................62

3.3. Микроструктура и свойства материалов после ЛН................................64

3.4. Термическая обработка (старение) наплавленных материалов............70

РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ К ГЛАВЕ 3...........................................................76

ГЛАВА 4 Селективное лазерное плавление КМ сталь СПН14А7М5-Т1С......78

4.1. Особенности селективного лазерного плавления многокомпонентных систем..................................................................................................................78

4.2. Микроструктура и свойства материалов сталь СПН14А7М5-ТЮ после СЛП...........................................................................................................80

РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ К ГЛАВЕ 4...........................................................86

ГЛАВА 5. Поверхностная лазерная обработка спеченных материалов сталь СПН14А7М5-Т1С..................................................................................................87

5.1. Исследование влияния пористости спеченной стали СПН14А7М5 на геометрические характеристики ванны расплава в процессе лазерной обработки...........................................................................................................87

5.2. Критерии выбора параметров поверхностной лазерной обработки.....94

-45.3. Микроструктура и трибологические свойства спеченного материала

сталь CnH14A7M5-TiC после лазерной обработки......................................96

РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ К ГЛАВЕ 3.........................................................104

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ И РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ.............................................105

ПРИЛОЖЕНИЕ...................................................................................................107

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ...................................................................................108

ВВЕДЕНИЕ

Технологии поверхностного лазерного упрочнения материалов делятся на две основных категории: аддитивные технологии и технологии поверхностной лазерной обработки. Аддитивные технологии представляют собой процесс изготовления объектов непосредственно из 3D данных с помощью добавления материала, как правило, наращивая его слой за слоем. Применительно к металлических материалам используются технологии лазерного плавления: метод DMD (Direct Metal Deposition) - лазерная наплавка и SLM/SLS (Selective Laser Sintering/Melting) - селективное лазерное спекание/плавление. Технологии поверхностной лазерной обработки характеризуются процессами, приводящими к изменениям структуры и трибологических свойств поверхности обрабатываемого материала.

Благодаря смешиванию различных порошков лазерные технологии являются перспективными для создания композиционных материалов с металлической матрицей. Композиционный материал - неоднородный сплошной материал, состоящий из двух или более компонентов, среди которых выделят армирующий элемент, который гарантирует требуемые механические характеристики материала, и матрицу, обеспечивающую совместную работу армирующих элементов. Композиционные материалы обладают высокими показателями усталостной и удельной прочности, а

также повышенной износостойкостью, обеспечивающей размерную стабильность конструкции.

В настоящее время наиболее перспективным направлением является создание и внедрение инновационных КМ, обладающихповышенноми физико-механическими и трибологическими свойствами. Среди конструкционных материалов получают широкое распространение карбидостали - композиционные материалы, состоящие из легированной стали и карбидов. Они могут быть использованы для изготовления режущих инструментов, валов, роликов и втулок, подвергающихся большому износу.

В данной работе представлены экспериментальные и теоритические данные лазерной обработки композиционных материалов аддитивными методами и поверхностной лазерной обработки. С помощью регрессионного анализа установлена связь между составом карбидосталей, параметрами лазерной наплавки и геометрическими характеристиками единичных слоев. Определены оптимальные режимы лазерной наплавки и последующей термической обработки. Методом селективного лазерного плавления (СЛП) получены карбидостали с содержанием упрочняющей фазы до 30%Об-Выявлено формирование субзеренной и ультрадисперсной структуры материалов, что подчеркивает уникальность их свойств для технологии СЛП и открывает новые направления в этой области. Проведены расчеты оценки влияния пористости материалов на распространение теплового фронта в процессе поверхностной лазерной обработки на примере спеченной стали СПН14А7М5. Модернизирована математическая модель, описывающая

процесс распространения тепла для несплошных тел, основанная на интегральной теории эффективной среды Максвелла-Гарнетта и уравнении Рыкалина для непрерывно-действующего нормально-кругового (гауссова) источника. Она дает возможность в первом приближении оценить степень влияния пористости на распространение теплового фронта в материале. Исследованы особенности структурных и фазовых преобразований в материалах в процессе структурной модификации поверхности.

Автор выражает благодарность проф. Смурову И.Ю., директору лаборатории Diagnostic et Ingénierie des Procédés Industriels (DIPI, Франция), и его команде за предоставленную возможность осуществить эксперименты и активное участие в их реализации.

ГЛАВА 1 Литературный обзор

1.1. Технологии поверхностного лазерного упрочнения материалов

В настоящее время лазерные технологии поверхностного упрочнения материалов находят все более широкое применение в различных отраслях производства. По характеру воздействия на упрочняемый материал их можно разделить на две основные категории: аддитивные технологии и технологии поверхностной лазерной обработки.

Аддитивные технологии представляют собой процесс изготовления объектов непосредственно из 3D данных с помощью добавления материала, как правило, наращивая его слой за слоем. Примером применительно к неметаллическим объектам (пластмассы) служит технология 3D-Printing -печатание трехмерных изделий, различного плана макетов и прототипов [1]. При изготовлении объектом из металла широко используются технологии лазерного плавления: метод DMD (Direct Metal Deposition) - лазерная наплавка и SLM/SLS (Selective Laser Sintering/Melting) - селективное лазерное спекание/плавление [2, 3].

Процесс лазерной наплавки материала заключается в нанесении на поверхность обрабатываемого изделия покрытия путем расплавления основы и присадочного материала (рис. 1.1). Поскольку основа подплавляется минимально, свойства покрытия, главным образом, зависят от свойств присадочного материала [3, 4].

Лазерный луч

Коаксиальное сопло

Поток порошка

Ванна расплава

Нанесенный материал

Рис. 1.1.

Схема процесса лазерной наплавки материала

Процесс селективного лазерного плавления (СЛМ) отличается от наплавки главным образом способом подачи материала: лазерным лучом производится сканирование по поверхности тонкого слоя порошка, предварительно нанесенного на подложку или ранее переплавленного слоя, который является субстратом для следующего слоя. При этом происходит плавление не всего порошка, а избирательно, в соответствии с компьютерной моделью [2, 5].

По сравнению с промышленными технологиями плазменной и дуговой наплавки, технологии лазерного плавления обладают рядом преимуществ [4]. Высокая концентрация энергии в пятне нагрева создает возможность проведения процесса при повышенных скоростях обработки [6]. Это, в свою очередь, обуславливает:

- формирование слоя с малым коэффициентом перемешивания (0.050.15) в результате незначительного подплавления основы;

- 10- минимальное термическое воздействие на основной металл, что

особенно важно для материалов, претерпевающих структурные и фазовые

превращения;

- малые остаточные деформации обработанных деталей

- возможность нанесения материала на малые поверхности, соизмеримые с диаметром пятна нагрева в случае применения импульсных и импульсно-периодических лазеров;

- повышенные свойства нанесенного слоя по сравнению со свойствами покрытия, полученного традиционными методами;

- автоматизация и высокая производительность процесса [7, 8].

Таким образом, малые деформации, с одной стороны, и высокие

эксплуатационные свойства, с другой, создают предпосылки для применения технологии лазерного плавления не только для получения специальных свойств поверхности изделий, но и при изготовлении отдельных деталей и узлов машин [9].

Технологии поверхностной лазерной обработки характеризуются процессами, приводящими к изменениям структуры и трибологических свойств поверхности обрабатываемого материала.

Локальное лазерное воздействие представляет собой термическую обработку в заданной области, приводящую к изменению структуры. Также оно способно провоцировать химическое взаимодействие между компонентами материала, инициируя тем самым фазовые превращения в нем

[10]. Помимо этого в результате образования ванны расплава, в пористых материалах происходит залечиваение пор в приповерхностной области [11].

Таким образом, поверхностная лазерная обработка находит применение как в улучшении механических свойств обрабатываемой поверхности (повышение твердости, износостойкости), так и физических свойств (залечивание пористости, создание прочных химических соединений), сохраняя при этом высокое качество поверхности.

1.2. Процесс лазерного плавления

Лазерное плавление материала является аддитивным методом формирования трехмерных объектов путем постепенного наращивания (добавлением) материала [12]. Объект изготавливается послойно по заданной компьютерной модели (3D CAD модель). При нанесении покрытий малым количеством слоев возможно проведение поверхностного упрочнения или восстановления изношенных деталей [13, 14].

Точность изготавливаемых объектов определяется техническими характеристиками установки (лазерной, оптической, механической системы), параметрами обработки (толщиной слоя, стратегией изготовления) и физическими процессами (фазовыми и структурными превращениями). Максимальная достижимая точность с использованием существующих технологий составляет ±0.05 мм [15, 16].

Лазерная наплавка (DMD-процесс) позволяет изготавливать металлические объекты, а также наносить защитные покрытия и

восстанавливать изношенные узлы деталей со 100%-ой плотностью и высокой производительностью [17] (рис. 1.2).

Рис. 1.2.

Деталь из титанового сплава Т16А14У, полученная методом лазерной наплавки: а - после изготовления; б - после механической обработки

Метод селективного лазерного плавления производит объекты сложной геометрической формы, с внутренними полостями и переменного состава, не требующие дополнительной механической обработки [2, 18] (рис. 1.3).

■ Ей. 4

1 лй

10 тт

Рис. 1.3.

Объекты, полученные методом СЛП: а - с внутренними полостями; б -

переменного состава

- 13 -

1.3. Процесс поверхностной лазерной обработки

Поверхностная лазерная обработка представляет собой процесс термического воздействия на поверхность лазерным лучом, в результате которого тепловой фронт, распространяясь в материале, инициирует микроструктурные и фазовые преобразования между составными компонентами материала. Задание траектории с помощью компьютерной модели позволяет производить лазерную обработку в заданной области [10, 11].

Степень лазерного воздействия на материал определяют как параметры лазерной обработки (мощность и скорость сканирования), так и физико-химические свойства (теплопроводность, температура плавления, пористость и др.) самого материала [19]. Таким образом, глубина термического воздействия может варьироваться от нескольких микрометров до нескольких миллиметров [20].

Основной характеристикой поверхностной лазерной обработки является провоцирование взаимодействия между составными компонентами обрабатываемого материала. Оно может сопровождаться поверхностным упрочнением как за счет образования упрочняющих фаз в процессе реакции, так и за счет закалки, обусловленной высокими скоростями охлаждения при лазерной обработке [21]. Образование жидкой ванны расплава способствует залечиванию пор и формированию беспористого приповерхностного слоя в материале.

- 141.4. Композиционные материалы

1.4.1. Общие сведения о композиционных материалах

Композиционный материал (КМ) - неоднородный сплошной материал, состоящий из двух или более компонентов, среди которых можно выделить упрочняющие или армирующие элементы, обеспечивающие необходимые механические характеристики материала, и матрицу (или связующее), обеспечивающую совместную работу армирующих элементов. В результате совмещения армирующих элементов и матрицы образуется комплекс свойств, не только отражающий исходные характеристики его компонентов, но и включающий свойства, которыми изолированные компоненты не обладают (рис. 1.4). В композиционных материалах нагрузка переносится с малопрочного материала матрицы на более прочный материал армирующего элемента [22].

Детали из композиционных материалов имеют ряд особенностей:

- высокая удельная прочность;

- высокая жесткость;

- высокая износостойкость;

- высокая усталостная прочность;

- размерная стабильность конструкции.

Металлы

Металлическая саязо Крисалличеснав структура ВоЮОКЙЯ проводимость

Кристапл<"чес*ая или аморфная структура Ниш» проводимость

Керамика

I

МО«»"«« /

Композиционные материалы

/

Неметаллы

Одиополярмая »* бипсг ирная саяъь

Г1П I-' г И4* '41 При И-1ГГОИ*

!«иП»М1ур<1»

Рис. 1.4.

Классификация композиционных материалов в рамках других материалов:

Композиционные материалы обладают также рядом недостатков:

- высокая стоимость;

- анизотропия свойств;

- повышенная наукоемкость производства, необходимость специального дорогостоящего оборудования и сырья.

В зависимости от вида армирующего компонента композиционные материалы могут быть разделены на три основные группы, которые отличаются структурой, механизмами образования высокой прочности (рис. 1.5):

- слоистые (армированы пленками, пластинками, слоистыми наполнителями);

металлов, керамики и неметаллов

-16- волокнистые (армированы волокнами и нитевидными кристаллами);

- дисперсно-упрочненные (с наполнителем в виде тонкодисперсных

частиц).

Путем подбора состава и свойств упрочняющей фазы и матрицы, их соотношения и взаимной ориентации можно получить композиционные материалы с требуемым сочетанием эксплуатационных и технологических

свойств [23].

,5 " "

ь* С IV 'Я/ в • ■

V -ГГ ¡4 £ •

их*

а)

б)

Рис. 1.5.

в)

Схематичное изображение трех типов композиционных материалов: а - слоистые; б - волокнистые; в - дисперсно-упрочненные

Внедрение композиционных м