СПОСОБ ЛАЗЕРНОЙ НАПЛАВКИ МЕДНО-НИКЕЛЕВЫХ СПЛАВОВ НА ДЕТАЛИ ИЗ АЛЮМИНИЕВОЙ БРОНЗЫ
METHOD OF LASER SURFACING OF COPPER-NICKEL ALLOYS ON DETAILS MADE OF ALUMINIUM BRONZE

Изобретение относится к технологии лазерной наплавки коррозионно-стойких материалов и может быть использовано в машиностроении при обработке рабочих поверхностей деталей из алюминиевых бронз, в том числе, деталей судовой арматуры.
В настоящее время в судовом машиностроении находят широкое применение для деталей судовой арматуры алюминиевые бронзы, обладающие высокой коррозионной стойкостью. Однако, при больших скоростях истечения морской воды, имеющих место в узлах затвора арматуры, наблюдается коррозионный и эрозионный износ, что приводит к преждевременному выходу из строя судовой арматуры.
При решении проблемы увеличения ее срока службы и восстановления, подвергнутых коррозионному и эрозионному разрушению деталей узла затвора арматуры, ведущую роль отводят внедрению высокоэффективных процессов нанесения металлопокрытий. Одним из таких процессов является лазерная наплавка, позволяющая обрабатывать труднодоступные места узла затвора арматуры через горловину. Наплавка уплотнительного поля арматуры другими методами затруднена ввиду малых размеров горловины.
В настоящее время известен ряд способов наплавки с помощью лазера: патент США №4299860, заявки Японии №57-38351, №57-109589 и другие. Одним из таких способов является «Способ образования поверхностного слоя», патент США №4015100, включающий предварительное нанесение на металлическую подложку покрытия, содержащего заданные легирующие элементы, последующее облучение поверхности сканирующим лучом лазера со скоростью 30-180 мм/с, при этом мощность лазерного луча, сфокусированного до диаметра 0,06-0,17 мм, составляла 1-20 кВт. Лазерным лучом осуществляли расплавление материала покрытия и материала подложки на заданную глубину и ширину в направлении развертки, осуществляли принудительное перемешивание наплавленного материала за счет переноса массы. После быстрого охлаждения расплавленных материалов образуется твердая поверхностная оболочка из сплава, в котором содержится значительное количество массы материала подложки и материала покрытия. Глубину расплавления выбирали в зависимости от количества легирующих элементов, времени пребывания этих элементов в расплавленном состоянии, а также от скорости охлаждения и условий теплопередач в поверхностном слое.
Указанный способ наплавки на алюминиевые бронзы коррозионно-стойкого порошка из медно-никелевого сплава с содержанием никеля более 10% неприменим из-за высоких термических напряжений, возникающих при сканировании сфокусированным лучом лазера, и быстрого охлаждения наплавленного металла, приводит к образованию сетки трещин.
4
6
2
Наиболее близким к предлагаемому способу по технической сущности и принятым нами за прототип является способ восстановления слоя металла на детали, включающий подачу металлического порошка с одновременным облучением обрабатываемой поверхности лучом лазера. При этом плотность мощности излучения энергии луча лазера устанавливают 10-10 Вт/см, а время его воздействия на расплав с металлическим порошком - в пределах 0,005-2,0 с. Непрерывный поток порошка подают под давлением с помощью устройства, обеспечивающего вибрацию и охлаждение (Заявка ЕПВ (ЕР) №176942, класс В23К 26/00, 1986 г.).
Однако при лазерной наплавке способом прототипа не удалось получить бездефектной зоны сплавления материала основы - алюминиевых бронз и медно-никелевых или никелевых наплавочных материалов с содержанием никеля более 10%. Взаимодействие алюминия, содержащегося в бронзе, с никелем, содержащимся в наплавке, сопровождается образованием хрупких интерметаллидов типа Ni-Al, приводящих к появлению трещин в наплавленном слое. Кроме того, в интервале температур 200-600°С сплав Cu-Ni-Al подвергается старению, что также приводит его к охрупчиванию и появлению трещин.
Техническим результатом изобретения является разработка способа лазерной наплавки на алюминиевую бронзу медно-никелевых или никелевых материалов с содержанием никеля более 10%, обеспечивающего отсутствие трещин в наплавленном материале и зоне сплавления.
4
6
2
4
6
2
Технический результат достигается за счет того, что в способе лазерной наплавки медно-никелевых сплавов на детали из алюминиевой бронзы, включающем подачу металлического порошка медно-никелевого сплава и одновременную обработку поверхности детали лучом лазера с плотностью мощности излучения 10-10 Вт/см в течение 0,005-2,0 с, согласно изобретению, предварительно на поверхности детали из алюминиевой бронзы создают промежуточный слой глубиной не менее двух диаметров луча лазера путем обработки поверхности лучом лазера с плотностью мощности излучения 10-10 Вт/см и скоростью перемещения относительно поверхности 0,2-10,0 мм/с, а наплавку медно-никелевого сплава осуществляют с глубиной проплавления промежуточного слоя не более 0,8 его толщины.
4
6
2
4
6
2
Исследованиями установлено, что в процессе обработки лучом лазера с плотностью мощности излучения 10-10 Вт/см и скоростью перемещения луча лазера 0,2-10,0 мм/с относительно поверхности происходит образование промежуточного слоя, глубиной не менее двух диаметров луча лазера, за счет оплавления поверхностного слоя алюминиевой бронзы. В процессе обработки поверхности лучом лазера происходит образование плазмы, которая способствует испарению легкоплавких элементов, что приводит к снижению содержания алюминия в 1,5-2,0 раза. Обеднение поверхностного слоя бронзы алюминием до 5% повышает его пластические свойства вследствие уменьшения количества интерметаллидов типа Ni-Al. Повышение пластичности поверхностного слоя алюминиевой бронзы после ее обработки исключает возможность образования трещин в наплавленном материале и в зоне сплавления. Установлено, что обработка поверхности алюминиевой бронзы лучом лазера для создания промежуточного слоя должна проводиться с плотностью мощности излучения в пределах от 10-10 Вт/сми скоростью перемещения луча лазера в пределах 0,2-10 мм/с.
6
2
При скорости перемещения луча относительно поверхности лазера больше чем 10,0 мм/с, и плотности мощности излучения больше чем 10Вт/см, образуется большое количество пор из-за интенсивного кипения металла в расплаве.
4
2
При скорости перемещения луча относительно поверхности лазера меньше чем 0,2 мм/с, и плотности мощности излучения меньше чем 10Вт/см, оплавленный слой обладает повышенной хрупкостью вследствие того, что в нем сохранились в больших количествах интерметаллиды типа Ni-Al, a при охлаждении образовывалась мартенситная структура, что приводило к появлению трещин.
4
6
2
4
6
2
Предлагаемый способ выполняют следующим образом: вначале на поверхности алюминиевой бронзы создают промежуточный слой путем обработки ее лучом лазера с плотностью мощности излучения 10-10 Вт/см и скоростью перемещения его относительно поверхности 0,2-10 мм/с глубиной не менее двух его диаметров, а при наплавке подают металлический порошок и одновременно обрабатывают поверхность лучом лазера с плотностью мощности излучения 10-10 Вт/см в течение 0,005-2,0 секунд на глубину проплавления не более 0,8 глубины промежуточного слоя.
Пример конкретного выполнения.
Литые заготовки диаметром 70 мм и длиной 800 мм из алюминиевой бронзы марки БрАЖН944, содержащей в мас.%: алюминий 9,4; железо 4,1; никель 3,8 и остальное медь, были разрезаны на образцы-имитаторы деталей затворной арматуры и их обрабатываемая поверхность чернилась сажей. Обработка лазером проводилась на лазерной технологической установке ЛТ-1-2, представляющей собой быстропроточный лазер непрерывного действия с поперечной накачкой. Выходная мощность излучения лазера контролировалась измерителем мощности МЗ-48 калориметрического типа. Мощность излучения лазера составляла от 0,5 до 4,0 кВт.
2
7
2
Технологический блок обеспечивал перемещение поверхности имитатора деталей относительно оси луча в диапазоне скоростей от 0,0001 до 1,0 м/с и плотность мощности излучения в пределах от 10 до 10 Вт/см.
4
2
6
2
Предварительную обработку поверхности алюминиевой бронзы проводили лучом лазера с плотностью мощности излучения 10 Вт/см и 10Вт/см и скоростью перемещения 0,2 и 10 мм/с соответственно и диаметром луча лазера 0,5 и 2 мм. В процессе предварительной обработки был получен промежуточный слой глубиной 1,0 и 4,0 мм соответственно.
4
6
2
Затем путем вторичной обработки лучом лазера с плотностью мощности излучения 10и 10 Вт/см и временем воздействия 2,0 и 0,005 с соответственно одновременно осуществлялась подача порошка наплавляемого материала под давлением из дозирующего устройства на поверхность алюминиевой бронзы. При этом глубину проплавления металла на поверхности алюминиевой бронзы от воздействия луча лазера диаметром 0,5 и 2 мм в процессе наплавки выдерживали в пределах 0,8 и 3,6 мм соответственно, что не превышало 0,8 глубины промежуточного слоя, полученного ранее.
В качестве порошка наплавки использовался порошок медно-никелевого сплава, содержащего в мас.%: 40,2 никеля и 58,8 меди.
Три образца-имитатора были наплавлены по способу прототипу и шесть - по предлагаемому способу. Контроль сплошности наплавленного слоя проводили цветным капиллярным методом. Наличие трещин в материале наплавки определяли методом цветной дефектоскопии. Вначале контролю подвергали поверхностный слой наплавленного материала, а затем - каждый последующий слой, после сошлифовывания предыдущего, прошедшего контроль, и так до основного металла образца. Результаты контроля приведены в таблице.
В наплавке, нанесенной по способу прототипа, наблюдались дефекты типа сетки трещин. В покрытии, нанесенном по предлагаемому способу, трещины отсутствовали.
Технико-экономический эффект от использования предлагаемого изобретения выразится по сравнению с прототипом в увеличении надежности и срока службы деталей узла запорной арматуры из алюминиевых бронз с лазерной наплавкой коррозионно-стойких покрытий, а также в возможности восстановления подвергнутых коррозионному и эрозионному разрушению деталей в труднодоступных местах.