СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ КОМПОЗИЦИОННЫХ ПОКРЫТИЙ МЕТОДОМ КОАКСИАЛЬНОЙ ЛАЗЕРНОЙ ОПЛАВКИ
METHOD OF MAKING COMPOSITE COATINGS BY COAXIAL LASER SURFACING

Изобретение относится к области получения износостойких покрытий с функционально-градиентными свойствами из порошковых материалов и может найти применение для изделий судостроения, авиационной промышленности, теплоэнергетического машиностроения, нефтегазодобывающей, металлургической и химической промышленности.
Существует целый ряд способов получения износостойких покрытий из порошковых материалов (газотермическое напыление, плазменное напыление, лазерное напыление и т.д.).Наиболее долговечными являются металлические и металлокерамические покрытия, которые позволяют обеспечить особо высокие механические и специальные защитные свойства изделий.
Известен способ газотермического напыления порошковых материалов на подложку (А. Хасуй «Технология напыления», М., Машиностроение, 1975, с. 288), в котором для получения высокой адгезии используют мелкие порошки с размерами частиц 5-200 мкм. Распыляемые порошки подвергают воздействию высокотемпературного газового потока (плазменного),нагревая их до температуры плавления, ускоряют до 100-300 м/с и формируют покрытие из расплавленных или частично расплавленных частиц на поверхности подложки.
Однако известный способ не может с успехом применяться для напыления порошков более мелких частиц, поскольку происходит их испарение и выгорание в высокотемпературных потоках, а также известный способ не позволяет наносить покрытие из композиционных порошковых материалов, распадающихся и испаряющихся при нагреве.
Известен способ нанесения наноструктурированных износостойких покрытий, включающий подачу порошковой композиции с армирующими частицами из четырех дозаторов в сверхзвуковой поток подогретого газа с образованием гетерофазного потока и нанесение порошковой композиции (RU 2362839 С1, С23С 24/04, 27.07.2009). Однако этот способ имеет ряд ограничений возможности его применения таких как образование оксидов, нитридов структурные изменения, возникновение высоких термомеханических напряжений вследствие разности коэффициентов термического расширения подложки и материала покрытия.
Наиболее близким к заявленному изобретению является известный способ получения функционально-градиентных 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 (А.Г. Григорьянц, И.Н. Шиганов, А.И. Мисюров «Технологические процессы лазерной обработки», изд. МГТУ им. Н.Э. Баумана, М., 2006, с. 333-361).
Однако известный способ не позволяет получать покрытия с регулируемой твердостью по толщине покрытия, что снижает срок службы изделий в процессе их эксплуатации.
Задачей настоящего изобретения является создание эффективного способа получения функционально-градиентного износостойкого покрытия с регулируемой твердостью по толщине высокой износостойкостью и адгезией.
Для этого в способе получения функционально-градиентного покрытия из порошковых материалов, включающем 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, а наплавку осуществляют 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-Юбмкм, используют лазерный луч мощностью 2кВт и перемещают его в процессе наплавки со скоростью 2 м/мин, первый слой напыляют 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.
Покрытие получают на детали из углеродистой или нержавеющей стали или сплавов, выбранных из группы : титановых, магниевых и алюминиевых, или бронз или латуней.
Z
Кроме того, очистку и промывку поверхностей детали, прилегающих к наплавляемой зоне, осуществляют на расстояние не менее 50 мм, а в процессе струйно-абразивной обработки придают шероховатость поверхности по параметру R не менее 20 мкм. Указанные меры позволяют обеспечить хорошее сцепление наплавленного слоя с покрываемой поверхностью и предотвратить образование трещин в покрытии.
При необходимости после наплавки второго слоя осуществляют наплавку третьего слоя с соотношением подачи порошков из дозаторов 1:5, и затем наплавляют четвертый слой с соотношением подачи порошков из дозаторов 1:6.
Экспериментально было установлено, что при соотношении подачи армирующих неметаллических дисперсных частиц агломерированного карбида вольфрама и металлических частиц кобальта в соотношении 1:4 для первого слоя, 1:5 - для второго слоя получают покрытие с переменной по толщине твердостью и соответственно высокой износостойкостью, что в свою очередь повышает срок службы полученных деталей с покрытием.
Пример реализации способа
z
z
Технологический процесс лазерной наплавки функционально-градиентного покрытия на изделие из низкоуглеродистой стали включает в себя следующие операции: подготовку порошков и их смесей; подготовку поверхности, нанесение покрытия; промежуточный контроль качества и размеров покрытия, контроль качества и размеров покрытия. Для покрытия используют порошковый материал в виде армирующих неметаллических дисперсных частиц агломерированного карбида вольфрама с фракцией 80,0-150,0 мкм и металлических частиц кобальта В3К фракцией 53-106 мкм. Перед использованием порошки просушивают и прокаливают. Сушку порошков проводят в сушильном шкафу при температуре от 130°С до 150°С в течение от 2 до 3 часов на противнях из нержавеющей стали, периодически перемешивая порошок, толщина засыпки которого должна быть не более 40 мм. Прокаливание порошка упрочняющей компоненты проводят в электропечи в течение от 2 до 3 часов при температуре от 320°С до 450°С на противнях из нержавеющей стали. Толщина засыпки слоя порошка не более 20 мм. Затем осуществляют подготовку поверхности детали, подлежащей наплавке. Для этого поверхности очищают и промывают от масла, грязи и ржавчины с помощью волосяных или металлических щеток. Очистке и промывке подлежат также поверхности, прилегающие к наплавляемым зонам на расстоянии не менее 50 мм. Кроме того, поверхности детали, подлежащей наплавке, придают шероховатость струйно-абразивной обработкой. Шероховатость по параметру R должна быть не менее 20 мкм по параметру R по ГОСТ 2789. Данная операция позволяет повысить адгезийную прочность покрытия. После обработки поверхность детали обдувают сжатым воздухом.
В дозаторы засыпают порошковые материалы, закрепляют деталь в патроне манипулятора, устанавливают соответствующие напыляемому порошковому материалу расход порошка, мощность излучения, скорость обработки. В поток транспортирующего аргона вводят армирующие неметаллические дисперсные частицы WC, фракцией от 80,0 до 150,0 мкм из первого дозатора и металлические частицы ВЗК, фракцией от 53 до 106,0 мкм из второго дозатора в процентном соотношении 1:4 для получения первого слоя. Далее поток частиц подается в ванну плавления, созданную при перемещении со скоростью 2 м/мин лазерного луча мощностью 2 кВт (таблица 1). При нанесении следующего слоя покрытия изменяют соотношение подачи из дозатора порошков до 1:5. За счет наложения нескольких слоев получается регулирование твердости по толщине покрытия с приведенными в таблице 2 свойствами.
Таблица 1. Режимы напыления
Режимы напыления
Состав получаемого покрытия
WC+B3K
Расход порошка, г/мин
25
Скорость наплавки м/мин
1,9-2
Мощность излучения,  Вт
2000
Расход газа, л/мин
25-30
Таблица 2.
Свойства полученных покрытий
Свойства
Покрытие
WC+B3K
Твердость, HRC
65
Адгезия, МПа
180
Рабочая температура, °С не более
500
Толщина покрытия, мкм
500-2000
Данный способ позволяет получить на изделии функционально-градиентное покрытие из порошковых материалов с регулируемой твердостью по толщине высокой износостойкости, а так же высокой когезией и адгезией покрытия с поверхностью детали, без трещин и дефектов.