Лазерна наплавлення поверхні

Мал. 1. Процес лазерної наплавки.

Деталі устаткування, використовуваного при виробництві листової сталі в умовах механічного зносу і постійних важких ударних навантажень, повинні витримувати вплив високих температур в корозійно-активних середовищах.

Також в сталеливарній промисловості широко використовується метод нанесення зміцнюючих композитних покриттів з металевою матрицею (MMК). Однак механічно з'єднані поверхні мають відносно низькою міцністю і вимагають подальшого термічного напилення металу, що обмежує їх застосування в середовищах з високими ударними навантаженнями.

Мал. 2. Установка для лазерного наплавлення компанії Tata Steel Strip Products UK

З моменту установки системи лазерної наплавки в м Порт Толбот процес був вдосконалений. Велика кількість сплавів на основі нікель-кобальту і заліза тестувалися за показниками мікроструктури, механічних властивостей, зносу і стійкості до корозії. Детальна розробка процесу дозволила максимально адаптувати властивості покриття до конкретного варіанту використання сталевих конструкцій.

Перші результати пробних випробувань були дуже обнадійливими: деталі з лазерної наплавленням володіли унікальними зносостійкими і корозійними характеристиками. Внаслідок чого було вирішено розробити високопродуктивну машину.

Процес лазерного наплавлення гарантує значні переваги

Процес лазерного наплавлення - це спосіб нанесення твердосплавного покриття, який використовується для підвищення зносостійкості, корозійних характеристик і удароміцності металевих деталей. Процес базується на сфальцьованому лазерному випромінюванні, яке необхідно для створення зварювальної ванни, в яку поміщається металевий порошок. Порошок переноситься струменем інертного захисного газу і подається коаксиально лазерному променю.

Мал. 3. Головка для наплавлення Precitec YC52 з коаксіальним соплом.

Точність лазерного променя гарантує отримання повністю щільного шару наплавлення з мінімальним розрідженням менше 5% і забезпечує чудову металургійне зчеплення. Можна нанести декілька шарів покриття, що може забезпечити опір механізмам руйнування кожної деталі.

Мал. 4 Мікрофотоснімок лазерної наплавки, який ілюструє типове покриття карбіду вольфраму на матріцеNiCrSiB.

Одним з головних переваг, пов'язаних з лазерної наплавленням, є можливість здійснення точного контролю підводиться тепла. Це дозволяє отримати двухфазную структуру композитів з металевою матрицею.

Матриця - як правило, сплав на основі нікелю, забезпечує твердість, пластичність і ударну міцність, а також зносостійкість при підвищених температурах.

Посилена тверда фаза - як правило, карбід вольфраму, але також можна використовувати нітрид / карбід титану, карбід хрому та ін.

Точне регулювання тепла, що подається дозволяє матриці повністю сплавитися з поверхнею підкладки. При цьому керамічні частки не плавляться і розподіляються рівномірно по всій матриці (рис. 4), забезпечуючи покриття з високою зносостійкістю і стійкістю до ударів. Співвідношення між твердою фазою і матрицею може бути змінено відповідно до експлуатаційних умов, т. Е. Чим більше частка твердої фази, тим вище зносостійкість, а чим менше частка твердої фази, тим вище ударостійкість.

До інших переваг даного процесу можна віднести:

• подачу мінімальної кількості тепла, в результаті чого забезпечується висока швидкість охолодження, дуже дрібнозернистий мікроструктура і мінімальна деформація;
• здатність отримання бажаного хімічного складу покриття в першому шарі завдяки мінімальному розрідження;
• можливість отримання покриттів з твердого сплаву з високоякісної обробкою поверхні (можливість використання роликів для нанесення покриття і установки без механічної обробки);
• повне металургійне зчеплення з підкладкою на відміну від всіх інших процесів напилення з низькою подачею тепла (HVOF - високошвидкісне газополум'яне напилення, холодну розпорошення, D-Gun і ін.).

Якість лазерного напилення залежить від великої кількості параметрів, але найголовнішим з них є масова витрата порошку. Після завдання оптимального діаметра лазерного плями, швидкості наплавлення і потужності лазера, масова витрата порошку можна використовувати для регулювання товщини покриття, твердості і розрідження, як це показано на рис. 5. де збільшення витрати порошку дозволяє забезпечити ефективний контроль розрідження.

Мал. 5 Поперечні розрізи сплаву NiCrWMo, що зображують розрідження в якості опції від масової витрати порошку; знімок, отриманий методом оптичної мікроскопії при сильному збільшенні, докладно ілюструє дендритну структуру; РЕМ-знімок при сильному збільшенні, який ілюструє дуже чітку комірчасту дендритну структуру цього ж сплаву.

Після визначення оптимальних параметрів для однопрохідного шва валика, наплавленого на пластину, відношення маси до площі виходить за допомогою перекриваються ділянок. Величина перехрещення визначає товщину покриття, яка може варіюватися від 0,3 до 3,0 мм за один прохід, рис. 6.

Мал. 6 Поперечні перерізи покриття лазерної наплавленням, отримані за допомогою перекриваються ділянок.

Для демонстрації і визначення потенційних переваг лазерної наплавки в порівнянні з традиційними техніками наплавлення твердим сплавом було вироблено кілька зразків, отриманої за допомогою лазерної та дугового зварювання. Також в університеті Шеффілд, Великобританія, компанія «Tata Steel RDT» провела випробування на зносостійкість. Результати тестів на зносостійкість проводились при низьких і високих температурах і представлені на рис. 7 і 8 відповідно.

Мал. 7 Тест на знос при терті ковзання при кімнатній температурі лазерної наплавки карбіду вольфраму і легованої катанной високовуглецевої сталі. Вкладиш мікрознімки показує «слід зношування», утворений під час тесту. На карбіду вольфраму утворився слабкий слід зношування.

Як видно на малюнках, процес лазерної наплавки може значно поліпшити характеристики зносостійкості при використанні стандартних матеріалів і технік по наплавленні твердим сплавом.

Мал. 9. Різні види сопел: коаксіальне кільце; сопло з чотирма отворами (роздільні, коаксіальні); ексцентричне

Устаткування для лазерного напилення

Машинне обладнання для лазерної наплавки компанії «Tata Steel» працює за допомогою діодного лазера «Laser Lines», з'єднаного оптоволоконним кабелем з головкою для напилення «Precitec YC52», і порошкового живильника «Metallisation», керованого масовим витратою. Контроль системи здійснюється роботом «Fanuc» з додатковою сьомий віссю для обертових циліндричних деталей вагою до 6 тонн і довжиною до 3,5 м.

Машина працює за допомогою людино-машинного інтерфейсу з сенсорним екраном. Система може працювати в автономному режимі, в якому робот здійснює автоматичне програмування. Датчики, що вимірюють відстані, дозволяють визначити розміри деталі, положення початку і кінця обробки, а також відстань до лазерної головки. Найсучасніший процес не вимагає високого рівня підготовки. Детальний контроль гарантує стабільне протікання процесу, в той час як автоматична зупинка і функція зворотного ходу запобігають ушкодженню машини в разі непередбаченого збою. Вибір сопел для подачі порошку дозволяє ефективно і якісно проводити напилення на різні конструкції. Для максимально точної обробки використовується коаксіальне кільце; сопло з чотирма отворами (роздільні, коаксіальні) дозволяє здійснювати наплавку у всіх положеннях; ексцентричне сопло використовується в тих випадках, коли потрібно забезпечити стійкість процесу, тобто робота лазерного променя протягом декількох годин.

Доктор Нік Лонгфілд (Tata Steel),

г-н Сем Лестер (Tata Steel / Університет Суонсі),

г-н Джастін Гріффітс (Tata Steel),

г-н Джон Кокер (Laser Trader),

г-н Гері Броудхед (Laser Lines)

З питань партнерства та придбання техніки компанії Precitec, звертайтеся до офіційного представництва даної компанії на терріторііУкаіни і країнах СНД -

Центр Компетенції Систем Промислової Автоматизації (ТОВ «ЦК СПА»)

Ми будемо раді Вам допомогти!