Если у вас возникли сложности с курсовой, контрольной, дипломной, рефератом, отчетом по практике, научно-исследовательской и любой другой работой - мы готовы помочь.
Предоплата всего
Подписываем
НАЦІОНАЛЬНИЙ ТЕХНІЧНИЙ УНІВЕРСИТЕТ УКРАЇНИ
“КИЇВСЬКИЙ ПОЛІТЕХНІЧНИЙ ІНСТИТУТ”
На правах рукопису
УДК 621.375.826
ЗРАЙДІ МУНІР
( Королiвство Марокко )
ІНТЕНСИФІКАЦІЯ ПРОЦЕСУ ЛАЗЕРНОГО ПОРОШКОВОГО
НАПЛАВЛЮВАННЯ ЕЛЕКТРОМАГНІТНИМ ПЕРЕМІШУВАННЯМ
РОЗПЛАВУ.
С п е ц і а л ь н і с т ь: 05.03.07 - Процеси фізико-технічної обробки.
АВТОРЕФЕРАТ
дисертації на здобуття наукового ступеня
кандидата технічних наук
Київ 1998
Роботу виконано на кафедрі лазерної технології , конструювання
машин та матеріалознавства Національного технічного університету
України “ Київський політехнічний інститут ”
Науковий керівник:
доктор технічних наук, професор Володимір Сергійович КОВАЛЕНКО,
НТТУ "КПІ", Зав.кафедрою лазерної технології, конструювання машин
та матеріалознавства.
Офіційні опоненти:
доктор технічних наук, професор Михайло Вячеславович БІЛОУС,
НТТУ "КПІ', Зав.кафедрою загальної фізики та фізики твердого тіла.
кандидат технічних наук, Володимір Іванович ОРІШНИК,
ВАТ "Більшовик", Зав. лабораторією лазерної техніки та технології.
Провідна організація:
Інститут надтвердих матеріалів НАН України, відділ № 18, м.Київ.
Захист дисертації відбудеться 15 лютого 1999 р. о 15.00 годині, на засіданні спеціалізованої вченої ради Д.26.002.15 при Національному технічному університеті України “Київський політехнічний інститут” за адресою: 252056,
м. Київ-56, пр. Перемоги 37, корпус 19, аудиторія 417.
Відгук на автореферат у двох примірниках, завірений печаткою, просимо
надсилати за вказаною адресою на ім’я вченого секретаря спеціалізованої ради
З дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці Національного технічного
університету “Київський політехнічний інститут”.
Автореферат розісланий 20 листопада 1998 р.
Вчений секретар спеціалізованої ради,
доктор технічних наук, професор ГОЛОВКО Л.Ф.
ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ.
Актуальність теми. Сучасний рівень розвитку техніки ставить підвищені вимоги до якості, надійності та довговічності деталей машин та інструментів. Одним із засобів рішення цієї проблеми є розробка та застосування високо-ефективних технологій відновлення розмірів та надання поверхневим шарам виробів оптимального комплексу експлуатаційних властивостей, які базуються на використанні концентрованих джерел енергіі, в тому числі і лазерного випромінювання.
До теперішнього часу технологія лазерного наплавлення, як у нас в країні, так і за кордоном, визначила себе, як ефективний засіб вирішення технічних задач промисловісті. Однак широке застосування цієї технології стримується з кiлькох обставин. В першу чергу недостатньою якістю наплавлених шарів ( наявністю тріщин ), низькою відтворюваністю результатів обробки. Це обумовлено відсутністю систематизованих даних про зв'язки параметрів фізико-хімічних процесів при наплавлюванні з характеристиками лазерного променя, умов та властивостей об'єкту обробки, а також з кінцевим результатом наплавлення - якістю одержаних шарів.
Аналіз сучасного стану лазерного наплавлювання показує, що основним напрямком поліпшення його якості є підвищення однорідності структури за рахунок інтенсифікації гідродинамічних процесів у розплаві, застосування присадочних матеріалів оптимального складу, які поеднано з режимами обробки забезпечували б формування в поверхневому шарі стискуючих залишкових макронапружень.
Вирішення цих питань дозволить науково обгрунтовано визначати оптимальні режими лазерного газопорошкового наплавлювання, одержати вихідні дані для розробки промислового технологічного обладнання.
Мета роботи. Підвищення якiстних характеристик поверхневих шарів, одержаних лазерною порошковою наплавкою за рахунок оптимального використання додаткової енергії електромагнітного поля та режимів обробки.
Для досягнення поставленої мети необхідно було вирішити наступні задачі:
. Виконати аналіз процесу лазерного газопорошкового наплавлювання та визначити шляхи підвищення його ефективності та характеристик якості наплавлених шарів.
. Розробити спосіб інтенсифікації гідродинамічних процесів у зоні лазерного плавлення присадочного порошку, який грунтується на впливі сил, створених додатковим електромагнітним полем.
. Визначити основні фактори та параметри процесу лазерного наплавлювання з електромагнітним перемішуванням, їх взаємозв’язки.
. Удосконалити математичні моделі теплового стану та гидродинамічних процесів при лазерному наплавлюванні урахуванням дії електромагнітного поля; за їх допомогою дослідити комбінований процес та визначити орієнтовні значення характеристик електричної дуги та електромагнітного поля.
. Розробити експериментальний стенд на базі газового СОта твердо-тільного YAG:Nd лазерів з фокусуючою системою та джерелом живлення електричної дуги, пристроєм для утворення електромагнітного поля.
. Дослідити технологічні характеристики процесу лазерного порошкового наплавлювання, структуру, фазовий склад та напружений стан одержаних поверхневих шарів.
. Виконати дослідження трибологічних та механічних властивостей наплавлених шарів; розробити рекомендації по доцільному використанню розробленої технологиї та відповідного обладнання.
Наукова новизна. Вперше розроблено спосіб лазерного газопорошкового наплавлювання з застосуванням додаткової енергії єлектричної дуги та електромагнітного поля, який у поєднанні з присадочними матеріалами оптимального складу дозволяє одержувати практично бездефектні шари з одночасним підвищенням продуктивності процесу. Лазерне порошкове наплавлювання з електромагнитним перемішуванням (ЕМП) подано, як технологічна система, що дозволяє на основі встановлених взаємозв'язків між технологічними факторами і параметрами фізико-хімічних процесів прогнозувати та керувати якісними характеристиками поверхневого шару і експлуатаційними показниками виробів. Запропоновано удосконалені математичні моделі теплового стану та гідродинамічних процесів при лазерному наплавлюванні з ЕМП розплаву, які дозволяють досліджувати такі процеси, визначати їх основні параметри та взаємозв’язки. Встановлені закономірності формування наплавлених шарiв, їх мікроструктури, розподiлу легуючих елементів при використанні різних присадочних матеріалів як стандартних, так і оригінальних композицій типу Fe-B-C, та технологичних параметрів і умов обробки. Визначені закономірності впливу току єлектричної дуги, iндукції єлектромагнітного поля, хімічного складу присадочних порошків і режимів лазерного опромінювання на напружений стан наплавлених шарів, на зносостійкість, зокрема при високих температурах, міцність зчеплення з основою; показана можливість керування цими важливими єксплуатаційними характеристиками.
Практична цінність: Одержані в роботі результати, а саме: запропонована технологічна схема введення додаткової єнергії при лазерному газопорошковому наплавлюванні, визначені дiапазони змінювання режимів лазерного опромінювання, струму єлектричної дуги, індукції електромагнітного поля, виготовлені експериментальні зразки спецiальної фокусуючої системи та джерела живлення є основою створення промислового технологічного обладнання, проєктування нових технологічних процесів виготовлення реальних виробів.
Також вони можуть бути використаними при створенні автоматизованої ситеми керування процесом лазерного наплавлювання; при удосконаленні процесів лазерної поверхневої обробки за рахунок застосування інших додаткових джерел енергії (плазми, ультразвуку); при організації спеціалізованих на лазерній обробці виробництв; в навчальному процесі студентів механічних спеціальностей, в практичній діяльності аспірантів, наукових співробітників.
Апробація роботи. Про основні положення роботи доповідалося на науково-технічних конференціях, семінарах, симпозіумах, найважливіші з яких: міжнародні конференції "ICALEO-97" м. Сан-Диєго, США,1997р.;"Нові розробки та досвід впровадження лазерної техніки" м. Алушта,1995, 1996,1997 р.р.
Публікації. По темі дисертаційної роботи опубліковано 7 наукових праць.
Структура і обсяг роботи. Дисертаційна робота складається із вступу, п’яти роздiлiв, загальних висновків, списку літератури зі 124 найменувань та додатку. Викладена на 177 сторінках машинописного тексту,вміщує 81 малюнок, 13 таблиць.
ЗМІСТ РОБОТИ
Лазерне газопорошкове наплавлювання є ефективним способом підвищення зносостійкості та відновлення деталей машин, які працюють в різних умовах, навіть екстремальних ( дії абразивних та агресивних середовищ, надвисоких тисків і температур, циклічних навантажень і таке інше).
Роботами різних дослідників, які працювали в цій галузі, проф. Григорьянца А.Г., Сафонова А.Н. (Росия), Спиридонова Н.В. (Беларусь), доктора Конрада Висенбаха (Нимеччина), проф. Вильяма Стина (Англія) та їх учнів, показано, що лазерне газопорошкове наплавлювання практично по всим показникам перевищує альтернативні способи. І в першу чергу, по якості наплавленого шару, міцності його зчеплення з основою, величини залишкових деформацій виробів і таке інше. Його технологічні можливості являють собою основу безвідходної технології майбутнього - вирощування готових виробів, так званого способу “Rapid Prototyping”.
Однак, ця технологія має ряд проблем. Одна из яких є підвищення тріщіностійкості наплавлених шарів.
Детальний аналіз результатів досліджень показав,що процес тріщіноутворення при ЛГПН є багатофакторним і його треба розглядати системно, базуючись на структурних та технологічних причинах зароджения тріщин.
Відмічається, що структурними причинами можуть бути: межа - твердого разчину з евтектікою, особливо у зоні сплавлювання з основою, де діють максимальні ростягнуючи залишкові макронапруження; концентраторы напружень у вигляді оксидних плівок, порожнин, кристалізаційних тріщин, не розчинених частин порошку, великих карбідів або боридів; велика розбіжність у коефіцієнтах температурного розширення фазових складових матеріалів покриття і основи. Технологічними: нерівномірний розподіл температур у зоні разплаву; режими обробки не забезпечують повного розплавлювання всих фазових складових, формування пластичних фаз; неоптимальні швидкості охолодження розплаву при кристалізуванні.
Для виключення або зниження впливу наведених причин є різні способи: попередне підігрівання виробів; створення буферних шарів; попередне модифікування поверховості, які наплавляються; сканування лазерного променя; використання для підігрівання відбитого лазерного випромінювання та ін. Всі вони цікаві, але не вирішують проблеми в цілому. Тому що можуть виключити утворення тріщін , але при цьому неприпустимо знизити зносостійкість, підвищити залишкові деформації.
При електродуговому зварюванні, металургії, для підвищення якості зварювання або виплавленого металу, застосовується ЕМП розплаву, яке показало надвисоку ефективність.
Поєднання лазерного газопорошкового наплавлювання і ЕМП спроможне суттєво розширити можливості керування гідродінамікою разплаву, структуроутворенням наплавленого шару,його якісними характеристиками.
На основі виконаного аналізу булло сформульовано мету та завдання досліджень.
Експериментальні дослідження проводились на спеціально обладнаних стендах, створених на базі потужних CO лазерів "Комета-2", PRS 3000 та 4-х координатного маніпулятору М125, В дослідженнях додатково використовувались лазери ЛТН-103, ЛТИ 502. Для контролю потужності та просторово-часової структури лазерного випромінювання застосовувались вимірювачі типу РСИ-602, ТИ-4, ИМО-2 та спеціально розроблені. Металлографічні та металофізичні дослідження проведено на оптичних мікроскопах "Неофот 21", ММР-2Р", ПМТ-3, рентгенівському дифрактометрі "Дрон-3М", електроному мікроскопі "Super Probbe 733" фірми JEOL Залишкові напруження вивчались рентгенівським sin методом. Механічні властивості наплавлених шарів вивчались на машинах тертя ПВК-2, СМЦ-2, спеціальних машинах торцевого тертя в умовах високих температур. Дослідження виконувались на вуглецевих сталях-сталь 45, легованих- 65Г; сплаві на основі нікелю ЖС6К.
Схема інтенсифікації лазерного газопорошкового наплавлювання електромагнітним полем наведена на рис.1. Проміж двох електродів, один з яких є сопло фокусуючої головки, а другий - деталь, за допомогою специального джерела створюється електрична дуга. Одночасно, за допомогою катушки, розташованій на фокусуючий системі утворюється електромагнітне поле. Магнітний потік замикається через ванну розплавленого лазерним випромінюванням металу та, взаємодія з електричним струмом дуги, створює електромеханічну силу, яка діє на розплавлений метал. Змінюя величину магнітної індукції та силу струму дуги можна змінювати швидкість течиї розплаву, розташування його границі.
Основними параметрами процесу наплавлювання, від яких залежать якісні та експлуатаційні характеристики наплавлених шарів, є температура і час нагрівання, швидкість руху розплаву, швидкість охолодження. Керувати цими параметрами можна за допомогою ряду факторів, пов’язаних з лазерним променем, деталью, яка обробляється, та умовами опромінювання і в першу чергу: потужністю випромінювання та його розподілом, диаметром плями фокусування, швидкістю обробки, витраченням та напрямком подачи порошку, струмом дуги та магнітною індукцією.
Для визначення закономірностей впливу цих факторів та діапазону їх змінювання здійснювалось математичне моделювангня. Моделювання проводилось у три етапи. Спочатку було розглянуто лазерне нагрівання металу, потім - композиції “покриття-основа”, потим - гідродинаміку процесу, у тому числі з урахуванням впливу електричної дуги і електромагнітного поля. В якості моделі використовувалось нелінійне нестационарне багатомірне рівняння теплопровідності з граничними умовами другого роду, початковими умовами та неявною схемою виділиння границь фазового переходу.
T T T
Cƒ(T) ƒT) = ( ƒ(T) ) + ( ƒ(T) ) + ( ƒ (T) );
t x x y y z z
T T T T
z=0 = 0 x=0 = 0 ƒ (T) = Rƒ(T) Wp (x,z,t)+ q = 0;
zz=zh x x=xh y yy=yh
To = 25 C ; Cƒ(T) = Cƒ(T) + δ*Qƒ(T) (T-Tƒ*);
Cƒ(T),ƒ(T),ƒ(T),Rƒ(T) - залежності тепломісткості, теплопровідності ,щільності та коефіцієнту віддзеркалювання обробляемого матеріалу від температури:
Т - температура; t - час ; X,Y,Z - просторові координати; - функція Дірака;
T*f ,Q*f - температура та скрита теплота фазового переходу; hx,hy,hz - розміри виробу; qд=1/I; I- струм дуги; - питома електрична проводимість.
Чиста сталь + лазер: І=0; f=1; Сталь з покриттям + лазер: І=0; f=1;2;
Сталь з покриттям + лазер + дуга:І=0;f=1,2.
Досліджувалось вплив щільності потужності лазерного променя на розміри зони термічного впливу, рівень температур, швидкість термічних циклів, швидкість руху границі фазових переходів.
Система рівнянь вирішувалась методом кінцевих видмінностей з неявною схемою апроксимації похідних і нерівномірними кроками по просторовим і часовим координатам. Залежність теплофізичних властивостей та коефіцієнта віддзеркалю-вання від температури інтерполювались кубічними сплайнами. Для композиційного матеріалу, який складається з n компонентів, ці залежності визначались по формулам адитивності. Розрахункова схема процесу наведена на рис. 2.
Для визначення швидкостей течиї розплаву та його границь використовувалось рівняння безперервності, Навье-Стокса і енергії для рідинного шару у декартовій системі координат ( при умові сталості щільності та динамічної в’язкості рідинного металу). Ці рівняння утворюють систему відносно невідомих V,P,T. Граничні умови на нижній поверхні (рідина-тверде тіло) відповідають прилипанню, V(x,0,t)=0; на поверхні - визначаються рівністю сил в’язкости (ньютоновського тертя) і поверхневих сил (напруження ссування дорівнює градієнту поверхневого натяжіння).
U V
+ = 0 ;
x y
U U U P ²U ²U
+ U + V = - + ( + );
t x y x x² y²
V V V P ²V ²V
+ U + V = - + ( + );
t x x x x² y²
T T T
Сv = ( ж (T) ) + ( ж (T) ) + Ф ;
t t x y y
U,V - проєкція вектору швидкості на координатні вісі; Р - тиск; Ф - дисипативна функція; = / p - кінематична в’язкість; F = JxB; F -сила,яка діє на розплав;
J- щільність струму у розплаві; В- магнітна індукція.
Дана система рівнянь вирішувалась методом кінцевих відмінностей. При цьому для оцінки меж ванни розплаву, температур використовувались одержані раніш рішення рівняння теплопровідності.
Вплив електричної дуги (тепловий) і дія електромагнітного поля на розплав ураховувались введеннням додаткових компонентів.
На рис.3 наведені результати розрахунку розподілу швидкостей течиї розплаву та його меж з урахуванням впливу електромагнітного перемішування.
Додаткове підведення у зону обробки електричної дуги с ЕМП призводить до підвищення як швидкості течії розплаву до 800 см/с, так і розмірів ванни розплаву. При характерних розмірах ванни розплаву , за час його існування він встигає зробити 0,5-2 обертання. При цьому діапазон змінення параметрів лазерного наплавлення є таким: потужність лазерного випромінювання - 0,15 - 1,5 кВт; швидкість наплавлювання - 0.1 - 1,2 м/мин; диаметр плями фокусування - 0,4-4 мм; струм дуги - 10 - 50 А; магнітна індукція - 5 - 40 mT.
Експериментальні дослідження проводились на спеціальних лазерних технологічних комплексах на базі газових СОі твердотільних YAG:Nd лазерів. Для підведення електричної дуги и створення ефекту електромагнітного перемішування було розроблено спеціальний пристрій та відповідний блок живлення.
Досліджувався вплив умов опромінювання та складу порошкового матеріалу на розмірні характеристики, мікротвердість та мікроструктуру наплавлених шарів. Встановлено, що на товщину наплавленого шару та ширину зони взаємного легування суттєво впливають технологічна схема обробки, кут подачі, склад і витрачення порошкового матеріалу, діаметр плями фокусування та швидкість відносного руху. Оптимальною є технологічна схема наплавлювання, коли порошковий матеріал подається у слід лазерного променя. При цьому досягаються менші товщини наплавлених шарів, але гарантується металургійний зв’язок з основою, висока однорідність структури. Оптимальний кут подачі співпадає з кутом нахилу дотечної до траєкторії руху розплаву і становить 45- 50. Диаметр плями фокусування становить при потужності випромінювання 500 -700 Вт - 2,0 - 2,5 мм, при 1200-1500 Вт - 3 - 4 мм.
Швидкість наплавлювання також має бути оптимальною. Низькі швидкості знижують товщину наплавленого шару, тому що певна частина порошку вигоряє, високі - тому що температура нагрівання порошку недостатня для повного його розплавлювання. Порошкові матеріали, які дуже відрізняються по теплофізичним та хімічним властивостям від матеріалу основи, наприклад TiC,утворюють нерівномірні і малі по товщині шари з порожнинами, тріщинами. Такі матеріали у чистому вигляді, без домішок, які підвищують його текучість у рідинному стані та змачуваємість, а також пластичність для релаксації напружень, застосовувати неможна, хоча при цьому і досягається надзвичайно висока твердість- до 14000 Мпа. Інші наплавочні матеріали, як на основі нікелю, так і на основі заліза забезпечують меншу твердість 8000 - 10000 Мпа, яка практично не залежить від швидкості наплавлювання і набагато вищу якість наплавлених шарів. Досліджувались також спеціальні наплавочні порошки,
які мають високу твердість і теплостійкість, ВС, ХТН ,ВТН. У останніх основою є корозіонностійка сталь, а зміцнюючими фазами - TiB.CrB,VC. Наплені шари із ХТН на жароміцний сплав ЖС6К мають менш однорідну структуру ніж із ВС, але вищу твердість 7000-7500 МПа, проти 6000-6500 МПа.
Наплавлена поверхня являє собою сукупність валіків, які розташовані з певним взаємоперекриттям. Вивчення розподілу твердості, наявності залишкового аустеніту та концентрації вуглиця у мартенситі показало їх високу рівномірність. Це свідчить
Рис.1. Схема інтенсифікації лазерного Рис.2. Розрахункова схема процесу ла-
газопорошкового наплавлювання зерного наплавлювання з електромаг-електромагнітним полем . нітним перемішуванням
Рис.3.Розподіл швидкостей течиї розплаву (а,б) та розмірів ванни розплаву
(в) при різних способах обробки : а,2 - чисто лазерна; б,1 - лазерна з
ЕМП - сталь 65Г, Р=180 Вт,d = 0,3 мм, Wp = 2,5.10Вт/см, V= 5 мм/с.
6- V=0,1 мм/c.
про те, що при лазерному наплавлюванні з ЕМП зони перекриття не являють собою металургійні концентратори напружень, порівняно з звичайною лазекрною поверхневою зміцнюючою обробкою. Тому такі покриття повинні мати кращі механичні характеристики.
Процес тріщиноутворення безпосередньо пов’язаний з напруженим станом наплавлених шарів. Останній вивчався рентгенівським методом. Досліджувався розподіл залишкових напружень у наплавлених шарах із сплаву ПГ-СР3 та спеціального Fe-B-C сплаву. Як видно из рис. 4 для сплаву ПГ-СР3 характерні
переважно ростягуючи напруження. Тріщини, які при цьому спостерігаються, мають певну орієнтацію, що відхиляє кристалізаційну природу їх утворення. На етапі утворення мартенситної фази вони також не можуть з’являтись тому що мартенситні перетворення викликають формування стискуючих залишкових напружень. В покриттях Fe-B-C формуються стискуючи залишкові напруження - тріщини відсутні. Це пов’язано з великою пластичністю покриття, мартенситними перетворюваннями. Пластичність обумовлена зменшенням борідної фази при тій же кількості бору, більш рівномірним її розподілом по глибині шару. Включення електричної дуги суттево змінює характер напруженного стану в наплавках Fe-B-C - на поверхні формується напружений стан, близький до однорідного стискуючого. В наплавках ПГ-СР3 ростягуючи напруження з підвищенням струму дуги суттево ( у3 рази) зменшуються по величині.
Включення магнітного поля сприяє збільшенню від’ємних залишкових напружень з зростанням магнітної індукції ( з -450 МПа при 10 мТл до -700 - при 40 мТл ) для сплаву Fe-B-C і винекнинню стискуючих напружень для ПГ-СР3.
Таким чином, струм дуги і магнітну індукцію можна використовувати для ефективного керування напруженним станом наплавлених шарів.
Вивчався вплив режимів лазерного наплавлювання на кількість тріщин, які утворюються у зоні наплавки. Кількість тріщин залежить від щільності потужності лазерного випромінювання, швидкості наплавки. Чим більша щильність потужності, а це означає збільшення градієнту температур, тим більші напруження, тим більша кількість тріщин. Залежності кількості тріщин від швидкості наплавки більш складні, вони мають максимуми. Причому, з підвищенням щильності потужності лазерного випромінювання максимум кілкості тріщин зміщується в напрямку зростання швидкості наплавки. При низьких швид
костях зростає перемішування матеріалів покриття і основи, знижуються швидкості охолодження і , як результат - зменшення кількості тріщин. При підвищених швидкостях обробки , в структурі збільшується кількість пластичної - фази, різко знижується інтенсивність перемішування матеріалів.
Електрична дуга при силі струму до 18А практично не вплива на кількість тріщин. Але при більших значеннях струму, їх кількість суттево зменшується (рис.5а). фект
Рис.4. Розподіл залишкових макронапружень по глибині наплавленого шару
при різних значеннях струму електричної дуги(а) та магнітної індукції(б):
1,3- x , 2,4- y; Р= 1,5 кВт; V = 4 мм/с; -*- Fe-B-C, -х- ПГ-СР3.
Рис.5. Кількість тріщин на одиницю довжини ванни розплаву у залежності від величини струму дуги (а) та магнітної індукції, при Ід=42А (б): 1- ПГ-СР3; 2- Fe-B-C.
Рис.6. Відносна зносостійкість наплавлених шарів із ПГ-СР3 при різних умовах обробки: 1 - лазерна наплавка; 2 - лазерна наплавка з ЕМП, Ід=42А;В=0 mT; 3- Ід=42А;В=15 mT; 4 - Ід=42А; В=30mТ ; 5- Ід=42А;В=60mТ; 6- вуглецева сталь (45%С).
магнітного перемішування починає впливати накількість тріщин при магнитній індукції більше критичної , 30 mT (рис.5б).
Лазерная наплавка з ЕМП порівняно з чисто лазерною, плазмовою або ТВЧ значно підвищує зносостійкість наплавлених покрить (рис6). При лазерному наплавлюванні за рахунок надвисоких швидкостей кристалізації, утворення дуже пересичених розчинів зменшуються кількість збиткових кристалів, їх розміри. Покриття по структурі зміщується в напрямку евтектичного. Поверхневі шари після лазерної наплавки на відміну від ТВЧ не мають крихкого зношування, мають більшу
високотемпературну зносостійкість. Результати випробувань свідчать, що порошкові матеріали на основі заліза після лазерного наплавлювання мають кращи тріботехнічні характеристики, ніж самофлюсуючи сплави на основі нікелю, як в умовах сухого, так і граничного тертя.
Підвищення жаростійкості лазерних наплавок пов’язано з зменшенням гетерогенності їх структури, в наслідок утворення пересичених розчинів. По зносостійкості наплавлені шари залежать від типу порошкового матеріалу і розташовуються у такій послідовності: ХТН - ТН - ВТ.
Дослідження міцності зчеплення покритть і наплавлених шарів з основою , штіфтовим методом, виявили значні переваги розробленого методу наплавлювання.
Таким чином, одержані результати свідчать про те, що запропонований метод являє собою високоефективний спосіб підвищення якісних характеристик поверхневих шарів, одержаних лазерною наплавкою.
ОСНОВНІ ВИСНОВКИ
1.Розроблено спосіб інтенсифікації лазерного порошкового наплавлювання використанням додаткової енергий електричної дуги та електромагнітного поля, який забезпечує, порівняно з традиційним процесом, підвищення на 30-40% геометричних розмірів наплавлених шарів, одержання шарів з високою однорідністю структури, які мають підвищену на 50-95 % зносостійкість та на 100-150% тріщіностійкість, високу міцність зчеплення з основою, 390-400 МПа.
.Встановлено, що основними параметрами керування процессом лазерного порошкового наплавлювання з ЕМП є: потужність лазерного випромінювання
( 0,18- 1,5 кВт) , діаметр плями фокусування ( 0,5 -3,0 мм), швидкість наплавки (0,2-1.2 м/мин), струм електричної дуги (18-42А), величина магнитної індукції (20-60 mT), витрачення порошку ( 0.1- 0.6 г/с), кут подачи порошку- (45-50).
3.Запропонована удосконалена з урахуванням енергії електричної дуги та електромагнітного поля, нелінейна математична модель процесу лазерного порошкового наплавлення з ЕМП, яка дозволяє проводити оцінку размірів наплавлених шарів, швидкостей течії розплавленого металу.
.Показано, що підведення енергії електричної дуги поєднано з дією електромагнітного поля призводить до підвищення як глибини, так і ширини розпо
всюдження границі розплаву, суттевому збільшенню швидкості течії розплавленого металу.
.Доведено, що досліджені експериментальні порошкові матеріали на основі заліза системи Fe-B-C і ХТН не тільки не поступаються, а навіть перевищують по зносостійкості та тріщіностійкості самофлюсуючі сплави на нікелевій основі типу ПГСР. При цьому показано, що найкращими для лазерного наплавлювання з ЕМП мають бути такі порошкові матеріали, котрі містять оптимальну кількість борідів і
залишковий аустеніт, який забезпечує пластичність матриці.
.Використання енергії електричної дуги, за рахунок змінювання сили струму, дозволяє керувати величиною, знаком та характером розподілу залишкових макронапружень у наплавлених шарах. При струмі дуги від 12А до 42 А в поверхневому шарі наплавок Fe-B-C формуються стискуючи залишкові напружения величиною 300 - 450 МПа. У покрыттях типу ПГ-СР3 електрична дуга знижує рівень ростягуючих напружень з +400-450 до +150-200 МПа.
.Електромагнітне поле у сукупності з електричною дугою також суттево змінює напружений стан наплавленого шару - підвищує рівень стискуючих напружень у наплавках Fe-B-C з -450 при В=10 mT до -700 Мпа при В=40mT, в наплавках ПГ-СР3 с +150 Мпа при В=0 до -150 при В=30 mT.
.Тріщіностійкість наплавлених шарів визначається відносною концентрацією борідів і залишкового аустеніту, рівнем напружень та пластичністю матричної фази та може бути підвищена у 1,5-2 рази застосуванням струму електричної дуги з силою більше 20А і магнітного поля с індукцією в межах 35-45 mT.
.Поверхневі шари, одержані лазерним наплавлюванням з ЕМП, мають максимальну зносостійкість при оптимальних значеннях струму дуги і магнітної індукції Id=42A,B=30mT; при зношуванні відсутнє крихке руйнування та зчіплювання з матеріалом контртіла, знижується коефіцієнт тертя з 0.6-0.7 до 0.3-0,4; мають підвищену міцність зчеплення з основою - 390-400МПа.
. Для реалізації процесу лазерного порошкового наплавлювання з ЕМП розроблено технологічне обладнання, в тому числі, фокусуючу систему для підведення в зону дії лазерного випромінювання електричної дуги та електромагнітного поля, а також відповідне джерело живлення.
Основні положення дисертації викладено у наступних роботах:
.Gas-powder laser cladding with electromagnetic agitation./V. S. Kovalenko, A. N.
Lutay,N.I.Anjakin, Zraidi Munir. ICALEO”97, San Diego, USA,volume 83,part2,
p.21-26.
2.Лазерне наплавлення з електромагнітним перемішуванням./В.С. Коваленко, А.Н. Лутай,Н.І.Анякін,Зрайди Мунір, Експрес-Новини, Наука, техніка, виробництво.N11-12,1998, с.37-38.
.Коваленко В.С., Зрайди Мунір. Джерело живлення електричної дуги для лазерного наплавлення з електромагнітним перемішуванням. Експрес-Новини, Наука, техніка, виробництво.N11-12,с, 38-40.
.Коваленко В.С.,Зрайди Мунір. Відновлення зношених деталей за допомогою лазерної наплавки- один із шляхів до вирішення екологічних та економічних проблем.Експрес-Новини,Наука,техніка,виробництво.N13-14,1998,с.24 -25.
.Коваленко В.С.,Лутай А.Н.,Зрайди Мунир. Влияние технологии лазерной наплавки на структуру и износостойкость покрытий. Тезисы международный конференции, 26-28 сентября , г.Алушта, 1995 г.
.Трещиностойкость лазерных порошковых наплавок./ В.С.Коваленко,А.Н. Лутай,Зрайди Мунир,А.Т.Сердитов,Ю.В.Ключников. Тезисы международный конференции ,17-19 сентября, г,Алушта, 1996 г.
.Лазерная порошковая наплавка с електромагнитным перемешиванием./ В.С.Коваленко, А.Н.Лутай, Н.И.Анякин, Зрайди Мунир. Тезисы международный конференции ,27-29 мая, г,Алушта, 1997 г.
АНОТАЦІЯ
Зрайді Мунір.Інтенсифікація процесу лазерного порошкового наплавлювання електромагнітним перемішуванням розплаву. Рукопис.
Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.03.07 -”Процеси фізико-технічної обробки”. Національний технічний університет України “ Київський політехнічний інститут ”. Київ , 1998 р.
У дисертації захищається спосіб лазерного газопорошкового наплавлювання з застосуванням додаткової енергії єлектричної дуги та електромагнітного поля, який у поєднанні з присадочними матеріалами оптимального складу дозволяє одержувати практично бездефектні шари з одночасним підвищенням продуктивності процесу. Запропоновані удосконалені математичні моделі теплового стану та гідродинамічних процесів при лазерному наплавлюванні з єлектромагнітним перемішуванням розплаву. Встановлені закономірності формування наплавлених шарив при використанні різних присадочних матеріалів. параметрів і умов обробки. Визначені закономірності впливу тока дуги, індукції єлектромагнітного поля, складу порошків і режимів обробки на напружений стан наплавлених шарів, зносостійкість, міцність зчеплення з основою. Розроблено і виготовлено експериментальні зразки відповідного технологічного обладнання.
Ключеві слова: лазерна наплавка, порошкові матеріали,електрична дуга, електромагнітне поле, тріщіностійкість, твердість,зносостійкість.
АННОТАЦИЯ
Зрайди Мунир. Интенсификация процесса лазерной порошковой наплавки электромагнитным перемешиванием расплава. Рукопись.
Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.03.07 - “Процессы физико-технической обработки”. Национальный технический университет Украины “Киевский политехнический институт”. Киев, 1998 г.
В диссертации защищается способ лазерной газопорошковой наплавки с применением дополнительной єнергии єлектрической дуги и єлектромагнитного поля, который при использовании присадочных материалов оптимального состава позволяет получать практически бездефектные наплавленные слои при одновременном повышении производительности процесса. Предложены усовершенствованные математические модели теплового состояния и гидродинамических процессов при лазерной наплавке с электромеханическим перемешиванием расплава. Приведены закономерности формирования наплавленных слоев при использовании различных присадочных материалов, технологических параметров и условий обработки. Определены закономерности влияния тока дуги, индукции электромагнитного поля, состава порошков и режимов обработки на напряженное состояние наплавленных слоев, износостойкость, прочность сцепления с основой. Разработаны и изготовлены экспериментальные образцы соответствующего технологического оборудования.
Ключевые слова: лазерная наплавка, порошковые материалы, электрическая дуга, электромагнитное поле, трещиностойкость, твердость, износостойкость.
SAMMARY
Zraidi mounir. Intensification of laser powder deposition process by electromagnetic agitation of melt. The manuscript.
The dissertation for defence of a scientific degree of the candidate of engineering science on a speciality 05.03.07 - " Processes of physic-technical processing ". National technical university of Ukraine " Kiev polytechnic institute ". Kiev, 1998.
In the dissertation the approach of gas and powder deposition together with of electrical arc and electromagnetic field energy is defended which is by use of additive materials of optimum structure allows to receive practically fused layers without defects at simultaneous increase of productivity of process. The advanced mathematical models of a thermal condition and hydrodynamic processes are offered at laser deposition with electromechanical agitation of melt. The laws of formation of fused layers are given at use of various additive materials, technological parameters and conditions of processing. The laws of influence of an arc current, induction of an electromagnetic field, structure of powders and modes of processing on the intense condition of fused layers, wear resistance, strength of coupling with a basis are determined. Experimental samples of the appropriate process equipment are developed and made.
Key words: laser deposition, powder materials, electrical arc, electromagnetic field, cracking resistance, hardness, wear resistance.
Здобувач Зрайди Мунир