СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ КОМПОЗИЦИОННЫХ ПОКРЫТИЙ ИЗ ПОРОШКОВЫХ МАТЕРИАЛОВ
METHOD FOR PREPARING COMPOSITE COATINGS OF POWDER MATERIALS

Изобретение относится к технологии лазерной наплавки покрытий, преимущественно на металлическую подложку, и может быть использовано в машиностроительном производстве при изготовлении и ремонте деталей технологической оснастки и инструмента.
Из уровня техники известен способ лазерной наплавки на металлическую основу. В процессе его осуществления производят расплавление многокомпонентного присадочного материала (например, углерод + хром + марганец, с размером частиц порошка 1-100 мкм) и, частично, основы. Наплавку осуществляют кратковременным целенаправленным воздействием лазерным лучем при мощности лазера 1-20 кВт, скорости сканирования 127-12700 мм/мин на наплавляемую поверхность с последующим охлаждением (US 4015100 А 29.03.1977, B23K 26/34).
Однако при наплавке порошка данным способом затруднительно получить бездефектное покрытие. На поверхности покрытия, выполненного описанным способом, наблюдаются трещины, связанные с образованием в переходной зоне охрупчивающих ее боридов и карбидов хрома.
В качестве решения, наиболее близкого по технической сути и решаемой задаче, выбран способ получения функционально-градиентных износостойких покрытий из порошковых материалов, включающий очистку, промывку и струйно-абразивную обработку наплавляемой поверхности детали и обдувку подготовленной поверхности сжатым воздухом, подготовку порошкового материала, подачу порошкового материала из, по крайней мере, одного дозатора и транспортировку его в зону наплавки с помощью газового потока из инертного газа аргона на поверхность детали и наплавку порошка импульсным лазерным лучом в среде аргона. Дополнительно осуществляют очистку и промывку поверхностей детали, прилегающих к наплавляемой зоне. В процессе струйно-абразивной обработки поверхности придают шероховатость. Подачу порошковых материалов осуществляют из двух дозаторов. Наплавку производят в несколько слоев, при этом из одного из дозаторов в поток транспортирующего газа вводят армирующие неметаллические дисперсные частицы агломерированного карбида вольфрама с фракцией 80,0-150,0 мкм, а и из другого дозатора - металлические частицы кобальта В3К фракцией 53-106 мкм, используют лазерный луч мощностью 2 кВт и перемещают его в процессе наплавки со скоростью 2 м/мин, первый слой наплавляют с подачей армирующих неметаллических дисперсных частиц агломерированного карбида вольфрама и металлических частиц кобальта в соотношении 1:4, после нанесения первого слоя изменяют соотношение подачи порошков из дозаторов до 1:5 и наносят следующий слой (RU 2011141951 А 27.04.2013, C23C 4/12, B23K 26/34).
Недостатком описанного технического решения является неравномерное распределение твердости по поверхности покрытия, вследствие чего проявляются дефекты покрытия, а именно трещины. Указанные дефекты покрытия приводят к плохой адгезии полученного покрытия к подложке.
Техническим результатом, на достижение которого направлено заявленное изобретение, является обеспечение в процессе наплавки посредством реакции синтеза возможности образования армирующей основы покрытия из частиц карбида титана (TiC) с высоким значением твердости в виде мелких включений, равномерно распределенных по покрытию, что в итоге позволяет получить бездефектное износостойкое покрытие с высокой адгезией к подложке при минимальном воздействии на нее.
Указанный технический результат достигается посредством осуществления способа получения композиционных покрытий из порошковых материалов, включающего подготовку обрабатываемой поверхности посредством очистки, промывки и струйно-абразивной обработки, с последующей лазерной наплавкой порошкового материала в среде инертного газа. При этом, согласно заявленному изобретению, в качестве порошкового материала используют смесь из частиц титана и карбида кремния с размером - 20-100 мкм в массовом соотношении 6:4 или 6:5, а процесс наплавки осуществляют при мощности лазера 4÷5 кВт, скорости сканирования лазерного луча 500÷700 мм/мин и расходе порошка 9,6÷11,9 г/мин.
Заявленное изобретение поясняется графическими изображениями, где на фиг.1 (а-е) изображена микроструктура наплавленных слоев в зависимости от режимов наплавки с различным соотношением компонентов в смеси титан/карбид кремния (Ti/SiC).
В процессе осуществления заявленного способа получения композиционных покрытий из порошковых материалов первоначально проводят подготовку обрабатываемой поверхности. Для этого упомянутую поверхность очищают, промывают, производят струйно-абразивную обработку.
Далее порошок подают через сопло непосредственно в ванну расплава, создаваемую на рабочей поверхности подложки. Преимущественно используют коаксиальную наплавочную головку, это позволяет производить наплавки в любом направлении, с лучшей защитой от окружающей атмосферы и относительно небольшой зоной термического влияния, с возможностью формирования защитных покрытий точно в необходимой области, например, для условий износа или для восстановления локально поврежденных/изношенных поверхностей.
После чего осуществляют лазерную наплавку порошкового материала в среде инертного газа, например аргона. Для более надежной защиты порошка от окисления и, следовательно, улучшения качества наплавленного слоя может быть использована конструкция, состоящая, например, из стеклоткани, препятствующая доступу кислорода в область наплавки.
В качестве порошкового материала используют частицы титана (Ti) и карбида кремния (SiC) с размером - 20-100 мкм в массовом соотношении 6:4 или 6:5. В процессе лазерной наплавки в наплавленных слоях протекают реакции и образуются новые фазы. В данном случае происходит реакция образования армирующих частиц карбида титана (TiC) с высоким значением твердости в результате его синтеза при лазерном переплавлении порошков Ti и SiC непосредственно в процессе обработки. Синтез карбида титана происходит по схеме Ti+SiC→TiC+Si.
Необходимым условием получения TiC в процессе наплавки также является и определение конкретных режимов, обеспечивающих расплавление Ti и SiC, определяющих тип образовавшихся фаз, морфологию, характер распределения в матрице. Процесс наплавки осуществляют при мощности лазера 4÷5 кВт, скорости сканирования лазерного луча 500÷700 мм/мин и расходе порошка 9,6÷11,9 г/мин. При указанных режимах в результате реакции между Ti и SiC в наплавленном слое образуется равномерно распределенный по покрытию TiC.
В заявленном изобретении выбран размер частиц порошка, равный 20-100 мкм, исходя из следующего: с уменьшением размера порошка (например, ультра - мелкий порошок) менее 20 мкм снижается его подвижность, кроме того, транспортировка порошка становится проблематичной; использование порошка с размером частиц более 100 мкм не позволяет в достаточной мере фокусировать поток и приводит к потерям материала.
Ввиду того, что сферические частицы, как правило, имеют лучшие технологические свойства, в процессе изготовления смеси могут быть использованы частицы порошка титана в виде сфер.
Лазерная наплавка может проводиться на индустриальной установке Trumpf DMD 505. При осуществлении способа могут быть использованы следующие порошки: титан TLS GD2, карбид кремния SiC - 135.
В качестве подложки, в частности, можно применять низкоуглеродистую сталь со следующим составом в объемных процентах: 0,17-0,22 C; 0,40-0,60 Mn; Si<0,5; Ni<0,03; Cr<0,03; P<0,04; Cu<0,03; Fe - остальное.
Приведенные в формуле изобретения соотношения титана и карбида кремния в порошковой смеси в совокупности с прочими существенными признаками, изложенными в формуле, являются необходимыми и достаточными для достижения указанного технического результата, что подтверждается примерами, представленными ниже в таблице.
Таблица 1
№
Ti, масс.ч.
SiC, масс.ч.
Свойства покрытия
Пример 1
4
7
По завершении лазерной наплавки на поверхности покрытия остаются нерасплавленные частицы SiC, что приводит к образованию трещин и пор.
Пример 2
6
4
В наплавленных слоях образуются армирующие частицы мелкодисперсного равномерно распределенного TiC. Получено качественное покрытие.
Пример 3
6
5
В процессе лазерной наплавки выделяется TiC в виде дендритов, равномерно распределенных по объему покрытия. Получено качественное покрытие.
Пример 4
7
3
Недостаточно твердое покрытие.
В ходе проведенных экспериментов были приняты параметры лазерной наплавки, которые представлены в таблице 2.
Таблица 2
V=500 мм/мин
V=700 мм/мин
V=1000 мм/мин
Р=3 кВт
9,6 г/мин
9,6 г/мин
9,6 г/мин
11,9 г/мин
11,9 г/мин
11,9 г/мин
21,0 г/мин
21,0 г/мин
21,0 г/мин
Р=4 кВт
9,6 г/мин
9,6 г/мин
9,6 г/мин
11,9 г/мин
11,9 г/мин
11,9 г/мин
21,0 г/мин
21,0 г/мин
21,0 г/мин
Р=5 кВт
9,6 г/мин
9,6 г/мин
9,6 г/мин
11,9 г/мин
11,9 г/мин
11,9 г/мин
21,0 г/мин
21,0 г/мин
21,0 г/мин
В результате проведенных экспериментов показано, что при большом значении массового расхода порошка (21,0 г/мин) получение качественных покрытий затруднено даже при максимальном значении мощности лазерного излучения, так как мощности недостаточно для переплавления всего подаваемого порошка. При малых значениях массового расхода (менее 9,6 г/мин) идет сильное перемешивание материала покрытия с материалом подложки, толщина получаемого покрытия минимальна. Уменьшение скорости наплавки приводит к улучшению качества покрытия (снижается количество пор и трещин в наплавленном слое). Значение скорости сканирования необходимо выбирать таким образом, чтобы, с одной стороны, уменьшить количество пор и трещин, с другой - ограничить количество материала подложки, поступающего в покрытие. Наиболее качественные покрытия получаются при массовом расходе порошка 9,6-11,9 г/мин и высоких значениях мощности излучения (4-5 кВт), при этом толщина наплавленного слоя уменьшается с увеличением значения скорости наплавки. При этом достигается наилучшая адгезия покрытия к подложке вследствие отсутствия дефектов на его поверхности и частичного перемешивания материалов покрытия и подложки.
С уменьшением скорости наплавки (менее 500 мм/мин, при прочих постоянных параметрах) значение микротвердости постепенно снижается. В целом, среднее значение микротвердости в областях покрытия, полученного заявленным способом, с большим количеством включений TiC составляет 1300-1500 HV и 1000-1300 HV для соотношений компонентов Ti и SiC в порошковой смеси 6:5 и 6:4 соответственно, а в областях с небольшим количеством включений TiC - 700-850 HV.
На фиг.1 представлена микроструктура наплавленных слоев в следующем соотношении режимов наплавки и различным соотношением компонентов в смеси Ti/SiC: (а) - 6:5 об.%, Р=5 кВт, V=700 мм/мин; (б) - 6:5 об.%, Р=4 кВт, V=700 мм/мин; (в) - 6:5 об.%, Р=4 кВт, V=500 мм/мин; (г) - 6:4 об.%, Р=5 кВт, V=700 мм/мин; (д) - 6:4 об.%, Р=4 кВт, V=700 мм/мин; (е) - 6:4 об.%, Р=4 кВт, V=500 мм/мин.
Из фиг.1 видно, что в получаемых покрытиях произошло полное переплавление исходных компонентов. Наблюдается увеличение дисперсности структуры при увеличении скорости перемещения луча. Уменьшение скорости приводит к образованию разветвленных дендритных включений, которые достаточно равномерно распределены в покрытии.
Таким образом, можно сделать вывод, что в результате осуществления заявленного способа с использованием порошков Ti и SiC с определенным размером частиц в заявленном интервале режимов обработки выделяется TiC в виде мелких включений, равномерно распределенных по покрытию, в результате чего обеспечивается получение бездефектного износостойкого покрытия с высокой адгезией к подложке при минимальном воздействии на нее.
Анализ заявленного технического решения на соответствие условиям патентоспособности показал, что указанные в формуле признаки являются существенными и взаимосвязаны между собой с образованием устойчивой совокупности, не известной на дату приоритета из уровня техники, необходимых признаков, достаточной для получения требуемого синергетического (сверхсуммарного) технического результата.
Свойства, регламентированные в заявленном соединении отдельными признаками, общеизвестны из уровня техники и не требуют дополнительных пояснений.
Таким образом, вышеизложенные сведения свидетельствуют о выполнении при использовании заявленного технического решения следующей совокупности условий:
- объект, воплощающий заявленное техническое решение, при его осуществлении предназначен для лазерной наплавки;
- для заявленного объекта в том виде, как он охарактеризован в формуле изобретения, подтверждена возможность его осуществления с помощью вышеописанных в материалах заявки известных из уровня техники на дату приоритета средств и методов;
- объект, воплощающий заявленное техническое решение, при его осуществлении способен обеспечить достижение усматриваемого заявителем технического результата.
Следовательно, заявленный объект соответствует условиям патентоспособности «новизна», «изобретательский уровень» и «промышленная применимость» по действующему законодательству.