Способ получения соединения стали с титановым сплавом методом прямого лазерного выращивания
METHOD FOR OBTAINING A COMPOUND OF STEEL WITH A TITANIUM ALLOY BY DIRECT LASER BUILD-UP

Изобретение относится к области порошковой металлургии, в частности к способам получения соединения разнородных металлов с использованием лазерного излучения, предназначено для получения надежного равнопрочного соединения между титановым сплавом и сталью и может быть использовано при изготовлении изделий космического, энергетического и химического машиностроения, а также при изготовлении изделий корпусного насыщения в судостроении.
Из патента RU №2704945, МПК: B23K 26/34, В32В 15/01, С23С 4/08, B22F 7/04 (опубл. 31.10.2019) известен способ получения трехслойного материала сталь Х17Н2 - V-4, 9Ti-4,8 Cr - сталь Х17Н2, включающий нанесение коррозионностойкой стали на пластину из ванадиевого сплава, при котором на пластину из ванадиевого сплава V-4,9 Ti-4,8 Cr лазерной наплавкой наносят порошок коррозионностойкой стали Х17Н2 дисперсностью 50-150 мкм и с массовым расходом 20-25 г/мин, при этом лазерную наплавку осуществляют лазерным лучом мощностью 950-1200 В и диаметром 1,6-2,0 мм.
Недостатком данного способа получения соединения разнородных металлов лазерной наплавкой является то, что выполнение соединения стали с титановым сплавом через переходный слой на указанных в аналоге режимах лазерной наплавки не позволяет получить надежное равнопрочное соединение стали с титановым сплавом.
z
Наиболее близким техническим решением, взятым за прототип, является патент RU №2503740, МПК: С23С 4/12, B23K 26/34 (опубл. 10.01.2014), способ получения композиционных покрытий методом коаксиальной лазерной оплавки, включающей очистку, промывку и струйно-абразивную обработку подвергаемой наплавке поверхности детали с последующей обдувкой подготовленной поверхности сжатым воздухом, подготовку порошкового материала, его подачу на поверхность детали в зону наплавки потоком аргона и наплавку импульсным лазерным лучом в среде аргон, при этом, очистке и промывке дополнительно подвергают поверхности детали, прилегающей к зоне наплавки, в процессе струйно-абразивной обработки подвергаемой наплавке поверхности детали придают обеспечивающую адгезию с покрытием шероховатость, порошковый материал на поверхность детали в зону наплавки подают из двух дозаторов, а наплавку осуществляют, по крайней мере, в два слоя лазерным лучом мощностью 2 кВт при скорости его перемещения в процессе наплавки 2 м/мин, при этом, из одного дозатора в поток аргона подают армирующий неметаллический дисперсный порошок агломерированного карбида вольфрама WC фракцией 80,0-150,0 мкм, а из другого дозатора -металлический порошок сплава кобальта ВЗК фракцией 53-106 мкм, причем при наплавке первого слоя порошок карбида вольфрама и порошок сплава кобальта подают в соотношении 1:4, а при наплавке второго слоя устанавливают соотношение 1:5. Покрытие наносят на детали из углеродистой или нержавеющей стали, или титановых сплавов, или магниевых сплавов, или алюминиевых сплавов, или бронз, или латуней. Прилегающие к зоне наплавки поверхности детали очищают и промывают на расстоянии не менее 50 мм. В процессе струйно-абразивной обработки подвергаемой наплавке поверхности детали придают шероховатость R не менее 20 мкм. После наплавки второго слоя наплавляют третий слой при соотношении подачи порошка карбида вольфрама и порошка сплава кобальта 1:5, после чего наплавляют четвертый слой при соотношении 1:6.
Недостатком данного способа получения соединения разнородных металлов лазерной наплавкой является многостадийность процесса, проявляющаяся в том, что для его реализации требуется проводить струйно-абразивную обработку наплавляемой поверхности детали, которая требует использования дополнительного оборудования и расходных материалов, выделения дополнительного времени.
Задачей предлагаемого изобретения является получение надежного равнопрочного соединения стали и титанового сплава при изготовлении заготовок, не требующих дополнительной обработки, дополнительных расходных материалов на обработку и выделения дополнительного времени.
Поставленная задача достигается способом получения соединения стали с титановым сплавом методом прямого лазерного выращивания, включающим подготовку порошкового материала, его подачу в зону наплавки потоком аргона и наплавку лазерным лучом в среде аргона, при этом, соединение получают путем нанесения непрерывным лазерным лучом на подложку из титанового сплава не менее пяти слоев из смеси сферических порошков молибдена и медно-алюминиевой бронзы в соотношении 60% и 40%, соответственно, и последующего нанесения на этот слой слоев из сферического порошка нержавеющей стали, порошок из молибдена имеет дисперсность от 40 мкм до 100 мкм, порошки из медно-алюминиевой бронзы и нержавеющей стали имеют дисперсность от 50 мкм до 150 мкм, порошки подают в зону наплавки лазерным лучом потоком аргона с расходом 5 л/мин, зону наплавки защищают аргоном, подаваемым с расходом 20 л/мин, слои накладывают лазерным лучом, сфокусированным на поверхности подложки или предыдущего слоя в пятно диаметром от 2 мм до 3 мм со скоростью 1,5 м/мин с изменением мощности лазерного излучения в пределах от 1,6 кВт до 1,8 кВт, шаг вертикального смещения слоев задают равным 0,6 мм, шаг поперечного смещения слоев - 1,3 мм, массовый расход подаваемого порошка для каждого типа используемых порошков находится в пределах от 3 г/мин до 5 г/мин, слой формируют последовательным нанесением валиков один за другим с их частичным перекрытием в поперечном сечении.
Пример реализации способа:
В процессе выращивания герметичную камеру заполняют аргоном высокой чистоты (не менее 99,99%) до избыточного давления 2 МПа. В камере после заполнения аргоном, содержание кислорода не должно превышать 150 ppm. Процесс прямого лазерного выращивания осуществляют при следующих технологических параметрах: сначала накладывают пять слоев из смеси порошков 60% молибдена и 40% медно-алюминиевой бронзы при мощности излучения 1,6 кВт, скорость перемещения сопла относительно подложки 1,5 м/мин, диаметр пятна сфокусированного лазерного луча на поверхности подложки из титанового сплава или предыдущего слоя 3 мм, массовый расход подаваемого порошка 3 г/мин, расход транспортного газа 5 л/мин, расход защитного газа 20 л/мин. При этом шаг вертикального смещения сопла составляет 0,6 мм, а шаг поперечного смещения сопла -1,33 мм. Затем на последний слой накладывают десять слоев из порошка из нержавеющей стали при мощности излучения 1,8 кВт, скорость перемещения сопла относительно подложки 1,5 м/мин, диаметр пятна сфокусированного лазерного луча на поверхности подожки или предыдущего слоя 2 мм, массовый расход подаваемого порошка 5 г/мин, расход транспортного газа 5 л/мин, расход защитного газа 20 л/мин. Слой формируют последовательным нанесением валиков с их частичным перекрытием в поперечном сечении. Валики накладывают последовательно один за другим, слои накладывают также последовательно один на другой.
Для подтверждения заявленного способа были выращены образцы на указанных в примере реализации способа параметрах режима прямого лазерного выращивания и проведены металлографические исследования шлифов полученных образцов, выполнены механические испытания по ТУ 5.961-11917-2015. Исследования металлографического шлифа выращенного образца показало отсутствие трещин, возникающих в результате внутренних напряжений из-за образования интерметаллидов, а также отсутствие несплавлений. В таблице 1 приведено сравнение основных механических свойств (результаты испытания на определение сопротивления отрыву) биметаллических соединений сталь-титан, получаемых традиционными способами и образцов, выращенных предлагаемым методом.
Как видно из таблицы 1, образцы, полученные предлагаемым способом, обладают повышенными механическими свойствами по сравнению с аналогами.
Заявляемое техническое решение позволяет решить поставленную задачу, используя метод прямого лазерного выращивания, и обеспечивает получение надежного равнопрочного соединения стали и титанового сплава при изготовлении заготовок, не требующих дополнительной обработки, дополнительных расходных материалов на обработку и выделения дополнительного времени. Преимущество предлагаемого способа перед известными решениями заключается в повышении механических свойств заготовок и сокращении времени, затрачиваемого на дополнительные технологические операции.