Устройство для нанесения двухслойного покрытия

Заявленное техническое решение относится к области нанесения покрытий и может найти применение при повышении эксплуатационных свойств деталей, например, в авиадвигателестроении. В настоящее время для обеспечения заданного ресурса и надежности работы узла или агрегата применяются методы газотермического плазменного напыления.
Из существующего уровня техники известно устройство для лазерной обработки материалов, полезная модель РФ 159233, МПК В23К 26/064, В23К 26/20, В23К 26/34, В23К 26/70, опубл. 10.02.2016, заключающейся в том, что устройство включает в себя средство базирования, предназначенное для размещения обрабатываемого объекта в зоне действия лазерного луча, установленные с образованием рабочего лучевого тракта лазер, дихроичное зеркало, предназначенное для отражения лазерного луча вдоль рабочего лучевого тракта к обрабатываемому объекту и пропускания теплового излучения от обрабатываемого объекта за пределы рабочего лучевого тракта к средству контроля температуры в зоне лазерной обработки, размещенное между лазером и дихроичным зеркалом средство преобразования лазерного луча, и размещенное между дихроичным зеркалом и средством базирования средство фокусировки лазерного луча, снабжено дополнительным зеркалом с центральным отверстием, размещенным между дихроичным зеркалом и средством контроля температуры в зоне лазерной обработки оптически им соосно, и дополнительным средством контроля температуры, размещенным с возможностью приема отраженного от дополнительного зеркала теплового излучения, при этом дихроическое зеркало выполнено пропускающим, а средства контроля температуры, воспринимающими излучение в инфракрасном диапазоне длин волн, кроме того средство контроля температуры в зоне лазерной обработки выполнено в виде пирометра, а дополнительное средство контроля температуры выполнено в виде инфракрасной камеры.
Недостатками данного технического решения являются наличие большого количества оптических элементов, требующих постоянного контроля соосности, сложность реализации измерения температуры в зоне лазерной обработки.
Из существующего уровня техники известно устройство для лазерной обработки материалов, полезная модель РФ 173528, МПК В23К 26/06, опубл. 30.08.2017, заключающейся в том, что устройство включает в себя средство базирования, предназначенное для размещения обрабатываемого объекта в зоне действия лазерных лучей, установленные с образованием рабочего лучевого тракта основной источник лазерного излучения с коллиматором и дополнительный лазер с коллиматором, а также ирисовую диафрагму с отражающими поверхностями, которая беспрепятственно пропускает и направляет вдоль рабочего лучевого тракта лазерное излучение соответственно в систему позиционирования лазерного луча, при этом дополнительное лазерное излучение, прошедшее через ирисовую диафрагму с отражающими поверхностями, воспринимается средством поглощения лазерного излучения, а лазерные источники образуют в рабочей плоскости зону воздействия лазерного излучения, состоящую из непересекающихся областей воздействия основного лазерного излучения и дополнительного излучения.
Недостатками данного технического решения являются наличие двух источников лазерного излучения основного и дополнительного, вследствие чего повышается энергопотребление устройства.
Наиболее близким к заявленному техническому решению является устройство для многослойной наплавки порошковыми материалами, полезная модель РФ 144469, МПК В23К 26/342. опубл. 20.08.2014, заключающийся устройстве для лазерной многослойной наплавки порошковых материалов, содержащем лазерную головку с фокусирующей системой, кронштейн для ее крепления, трубку для боковой подачи порошкового материала и систему для закрепления и перемещения детали, лазерная головка снабжена формирующим газовый поток соплом со штуцером для ввода защитного газа, а устройство снабжено системой вертикального перемещения лазерной головки, связанной с кронштейном, датчиком измерения расстояния между срезом сопла и поверхностью наплавляемой детали, датчиком-щупом с системой его перемещения, блоком управления с персональным компьютером, при этом блок управления связан с компьютером, с датчиком измерения расстояния и с системой перемещения лазерной головки и системой перемещения наплавляемой детали, а датчик измерения расстояния и трубка подачи порошкового материала закреплены на кронштейне.
Недостатком данного технического решения является наличие датчика-щупа с системой его перемещения, наличие которого требует непосредственного контакта с обрабатываемой поверхностью. Также наличие большого числа манипуляций требует постоянного контроля над процессом наплавки.
Задачей, на решение которой направлена заявляемая полезная модель является формирование покрытий с высокой адгезией и, как следствие, повышения эксплуатационных свойств деталей газотурбинных двигателей и энергетических установок.
2
Данная задача решается за счет того, что заявленное устройство для нанесения двухслойного покрытия, включающее установку для плазменного напыления материалов, CO-лазер с оптической системой, отличающееся тем, что оно содержит бесконтактный инфракрасный термометр, установленный с возможностью контроля температуры в зоне нагрева, а оптическая система содержит хотя бы один дифракционный оптический элемент - фокусатор излучения.
2
Сущность полезной модели поясняется чертежом, на котором изображено: 1 - газовый CO-лазер, 2 - дифракционный оптический элемент, 3 - бесконтактный инфракрасный термометр, 4 - система управления, 5 - установку для плазменного напыления материалов, 6 - обрабатываемая деталь.
2
2
2
Устройство содержит CO-лазер (1), который служит для дополнительного воздействия на нанесенный подслой перед напылением пористого функционального внешнего слоя. Покрытие, которое состоит из подслоя из никель-алюминиевого сплава и пористого функционального внешнего слоя, наносят на деталь (6) методом плазменного напыления (5). Излучение CO-лазера (1) формируется с помощью оптической системы, содержащей хотя бы один дифракционный оптический элемент (2) - фокусатор излучения, который преобразует лазерный пучок в световое пятно в виде полосы с увеличением плотности мощности излучения от ее центра к краям. Контроль температуры в зоне нагрева осуществляется с помощью бесконтактного инфракрасного термометра (3). CO-лазер (1), термометр (3) и установка для плазменного напыления материалов (5) контролируются системой управления (4).
С целью уменьшения радиальных зазоров газовоздушного тракта газотурбинного двигателя применяют специальные срабатываемые пористые функциональные покрытия из композиционных материалов типа «металл-твердый смазочный материал», имеющие высокую прочность и прирабатываемость одновременно. Покрытия, получаемые методом плазменного напыления, имеют гетерогенную структуру, основной причиной которой является различие в энергетическом состоянии частиц, участвующих в формировании покрытия, из-за неравномерности нагрева и ускорения по сечению плазменной струи. Структура слоя, сформированного за один проход, неоднородна и определяется различными размерами и энергетическим состоянием - температурой и скоростью частиц, находящихся в периферийной и центральной зоне двухфазного потока, состоящего из частиц и газа.
Для повышения прочности сцепления покрытия с основой используют напыление промежуточных подслоев, например, интерметаллидного покрытия из термореагирующего никель-алюминиевого сплава. Самосвязывающийся подслой под газотермические покрытия различного назначения на основе термореагирующего никель-алюминиевого сплава превосходит по уровню сцепления известные покрытия из интерметаллидных порошков, поэтому применяется для деталей, не допускающих струйную обработку абразивом. Покрытие системы Ni-Al применяется также в качестве связки в композиционных покрытиях деталей для предохранения от газовой коррозии, имеет высокое сопротивление окислению, обладает высокой жаро- и термостойкостью при температуре 1323 K.
Особенностью плазменного напыления никель-алюминиевого сплава является повышенное тепловыделение, обусловленное протеканием экзотермической и реакции образования алюминида никеля. Выделение дополнительной энергии от экзотермической реакции возможно также при последующем термическом воздействии. В этом случае при лазерном воздействии происходит заплавление пор, трещин, осуществляется приварка покрытия и основы, что предоставляет возможность увеличения прочности сцепления. Для получения высоких значений прочности сцепления покрытий при сохранении их хорошей прирабатываемости рационально лазерную обработку проводить после нанесения подслоя из никель-алюминиевого сплава перед напылением пористого функционального покрытия. Для преобразования лазерного излучения целесообразно использовать оптическую систему, содержащую дифракционный оптический элемент - фокусатор излучения. Она позволяет формировать лазерное излучение в световое пятно в виде полосы с увеличением плотности мощности излучения от центра к краям.
6
8
-4
При двухстадийной обработке поверхности - напылении и последующем лазерном воздействии - лазерное воздействие предоставляет возможность дополнительно реализовать или завершить стадию развития объемного взаимодействия материала основы с материалом частиц покрытия. Термический цикл обработки лазером на 3-4 порядка больше времени взаимодействия частиц с подложкой при газотермическом способе нанесения покрытий, когда удар и деформации частиц приводят к их быстрой кристаллизации и охлаждению со скоростями, достигающими 10…10 K/с. При лазерной обработке время воздействия составляет не менее 10 с, и на каждом элементарном участке поверхности контакта успевает произойти стадия активации контактных поверхностей с химическим взаимодействием материалов на границе раздела фаз. Использование полосового энергетического источника при лазерной обработке предоставляет возможность обеспечить снижение уровня остаточной напряженности в нанесенных покрытиях. При чередовании зон с различной интенсивностью обработки отсутствуют условия формирования сплошного слоя, который может быть более подвержен образованию сколов и трещин.
При лазерном нагреве обрабатываемого материала, как и при перегреве частиц, заполнение контактной поверхности под частицей очагами схватывания может превышать 40…70%. Увеличением заполнения контактной поверхности под частицей очагами схватывания достигают повышения адгезионной и когезионной прочности покрытия.