Способ лазерной газопорошковой наплавки защитных покрытий
METHOD FOR LASER GAS-POWDER SURFACING OF PROTECTIVE COATINGS

Изобретение относится к технологии нанесения износостойких и коррозионностойких порошковых материалов на подложку с использованием лазерного излучения для увеличения коррозионной стойкости и износостойкости деталей и узлов запорной арматуры.
Цель изобретения обеспечить равномерную высоту нанесенного покрытия, что повышает качество наплавляемого слоя, повысить равномерность сплавления с основным металлом изделия и обеспечить повышение эрозионной стойкости металла детали в условиях кавитационной эрозии.
2
Известен способ нанесения наплавки лучом лазера (патент RU 2297310 C2), он включает предварительный нагрев детали, формирование подслоя, получение слоя наплавки путем подачи порошка на обрабатываемую поверхность и облучения ее лучом лазера в течение 0,005-2,0 с. Предварительный нагрев детали проводят до 300-400°С. Последующее облучение проводят лучом лазера с плотностью мощности излучения 104-106 Вт/см таким образом, чтобы глубина проплавления подслоя составляла 0,3-0,7 его толщины, при этом отношение толщины слоя наплавки к толщине подслоя выдерживают в пределах (1-3):1. Отпуск осуществляют при температуре 300±20°C с выдержкой в течение 1±0,2 часа с последующим охлаждением на воздухе. Техническим результатом изобретения является нанесение бездефектной износостойкой наплавки лазерным лучом на чугун и высокоуглеродистые стали.
Недостатком данного способа является неопределенности в выборе шага второго и последующих валиков, что не допускается при изготовлении деталей и узлов запорной арматуры в энергетических установках и тепловых электростанциях.
Известен способ и устройство для лазерной наплавки с контролем в режиме реального времени процесса наплавки и размеров слоя (патент РФ № 2228243). Способ реализуется с применением средства оптического детектирования с оптоэлектрическим чувствительным элементом для выдачи электрического сигнала как функции высоты слоя наплавленного материала и регулятора с обратной связью для регулирования скорости наплавки. При изготовлении изделия оптически отслеживается высота слоя наплавленного материала. Изобретение позволяет регулировать размеры и свойства покрытия.
Недостатками данного способа является необходимость корректировки системы определения высоты под каждый материал из-за разной чувствительности используемых в способе фототранзисторов и масок, а также отсутствие способа выбора шага последующих валиков при обеспечении равномерной высоты наплавки.
8
8
2
Наиболее близким к заявленному техническому решению и выбранным в качестве прототипа является способ наплавки коррозионно-эрозионного порошка присадочного материала на стальную поверхность детали (патент RU 2478028 C2), он включает предварительное просеивание и прокаливание коррозионно-эрозионностойкого самофлюсующегося присадочного порошкового материала, создание на поверхности детали зоны нагрева непрерывным лазерным лучом и подачу в нее коррозионно-эрозионностойкого самофлюсующегося присадочного порошкового материала с обеспечением его расплавления и смешивания с подплавленным основным металлом изделия. Наплавку производят при перемещении лазерного луча с постоянной скоростью и неизменным положением фокуса линзы относительно наплавляемой поверхности при плотности мощности излучения q, варьируемой в пределах 5⋅10≥q≥3⋅10 Вт/см, с соотношением подплавленного основного металла ко всему наплавленному металлу в пределах γ=5…15%.
Существенным недостатком данного способа является также неопределенность в выборе шага для последующей наплавки, постоянство параметров наплавки, что при продолжительном режиме работы сказывается на изменении геометрических размеров наплавляемого покрытия, нарушению баланса энергии в зоне наплавки за счет повышения температуры подложки и увеличению внутренних дефектов в наплавляемом слое.
Цель изобретения - обоснование при лазерной газопорошковой наплавке шага последующих валиков для повышения качества покрытия и стабильности процесса наплавки.
x-y
На фиг. 1 в системе координат  условно показан первый валик, на который с некоторым перекрытием будет накладываться соседний валик таких же размеров. После наплавки второго валика высота покрытия в сечении перекрытия должна быть одинаковой.
b
В способе газопорошковой лазерной наплавки поставленная задача достигается тем, что, на металлическую поверхность изделия предварительно подогретой зоны наплавки, коаксиально лазерному излучению подается в защитной среде аргона коррозионно-эрозионностойкий, самофлюсующийся присадочный порошок, происходит его расплавление и смешивание в диффузионной расплавленной ванне с подплавленным основным металлом изделия, и после нанесения единичного валика, в отличие от прототипа, с целью повышения качества поверхности наплавки и обеспечения постоянной высоты слоя, выбирают центр каждого последующего валика в зависимости от центра первого единичного валика на расстоянии  где - ширина первого единичного валика; α - коэффициент, зависящий от режима наплавки и имеющий пределы изменения 0,5< α < 0,6 с поддержанием температуры наплавляемого валика сопутствующим увеличением выходной мощности лазерного излучения на 5…7%.
b
h
Способ осуществляется следующим образом. При выбранном режиме газопорошковой лазерной наплавки: мощности лазерного излучения, скорости наплавки, массового расхода порошка наносят единичный валик, у которого определяют ширину валика  и его высоту  по поперечному сечению центра валика.
h
b
h
b
h
Если проанализировать микрошлифы поперечных сечений лабораторных образцов после наплавки порошкового материала, то можно заметить, что поперечное сечение правильно сформированного единичного валика имеет форму, близкую к полуэллипсу, если принять за меньшую полуось эллипса высоту валика , а меньшую полуось - половину его ширины /2 при любых соотношениях к . Описание модели формы первого единичного валика позволяет определить, на каком расстоянии от центра его первого валика должен располагаться центр последующего валика при условии, что после остывания проплавленных слоев совместная высота покрытия при сложении двух валиков была неизменной, т.е. равной .
x
x
Примем, что расстояние между центрами двух валиков равно 1 (фиг. 1). Перекрытие их происходит на расстоянии 0,5 1 от центра каждого валика.
x
Найдем при поставленных условиях величину 1. Поскольку уравнение эллипса в принятых нами обозначениях (см. фиг. 1) имеет вид
x
x
y
y
h
x
Примем, что на расстоянии  =0,51 от центра первого валика ордината  = 1=α. Коэффициент α учитывает, что точная форма наплавленного валика может частично отличаться от зависимости (1). При точном соответствии формы α=0,5, поправка на величину α можно получить при наплавке с помощью управляющей программы. Таким образом, при принятых условиях величину 1 - расстояние между центрами двух валиков определим из уравнения (1):
откуда
Тогда центр последующего валика должен располагаться на расстоянии, определяемом соотношением (2).
Эти координаты последующего валика можно указать в управляющую программу для лазерной порошковой наплавки.
При определении положения центра последующего валика следует учесть, что при его наплавке лазерный луч в этом случае будет направлен под некоторым углом к поверхности валика, а, кроме того, действительное уравнение поверхности наплавляемого валика может отличаться от уравнения эллипса. Поэтому после выбора режима наплавки мощность лазерного излучения последующего валика должна быть увеличена в пределах 5…7 %. Это увеличение также определяется на основе экспериментальных исследований.