Область применения процесса - восстановление и упрочнение деталей с износом до 0,6 мм в мелко- и среднесерийном производствах с одновременным их поверхностным пластическим деформированием.
Лазерная наплавка, как отмечает в своем исследовании Н.Р. Сераева, - это "один из методов восстановления изношенных или повышения прочности новых деталей и механизмов машин, а также в аддитивных технологиях для синтеза изделий путем послойного наращивания материала на подложке (DMD)".
Лазерная наплавка создает на поверхности изделия плакирующий слой из порошкового материала с проплавлением его посредством лазерного луча. Он имеет ряд преимуществ перед другими источниками нагрева:
дозируемая энергия;
возможность локальной обработки поверхности;
отсутствие термических поводок, минимизация зоны термического влияния (ЗТВ);
возможность обработки деталей больших габаритов благодаря высокой производительности наплавки;
быстрый нагрев и остывание наплавляемого материала;
образуемая ультрадисперсная структура покрытия эффективно противостоит процессам коррозии и эрозии;
возможность обработки на нужную глубину;
минимальное перемешивание основного и наплавляемого материала.
Лазерная наплавка применяется в случае, если зона термического влияния должна быть минимальной. Такой обработке подвергаются крестовины карданного вала (жесткий допуск на перпендикулярность осей) и рубашки вала (тонкостенная). Кроме того, она может применяться для обработки особо подверженных износу деталей с большими габаритами.
Для нанесения порошка применяют коаксиальные, четырехструйные и латеральные сопла, отличающиеся ориентацией порошковых струй и лазерного пучка. Если в соплах первых двух типов луч лазера и поток порошка соосны, то для последнего типа их оси не совпадают. Преимуществом латерального сопла является возможность формирования широких порошковых струй, удобных для наплавки на большую площадь поверхности, меньшее экранирование лазерного луча потоком порошка, относительная простота настройки и применения. Большое количество исходных параметров делает процесс оптимизации трудоемким и вынуждает искать пути его поэтапного упрощения. Большую роль при формировании порошковых струй в наплавочной головке играет динамика потоков защитного и транспортного газов на выходе форсунки и вблизи подложки.
Лазерная наплавка заключается в локальной подаче присадочного материала и кратковременном расплавлении материала основы. Высокая степень автоматизации управления процессом позволяет регулировать не только размеры расплавленных зон, но и термические циклы процесса.
Выделяют 3 основных способа создания покрытий лазерной наплавкой:
) Создание покрытий оплавлением предварительно нанесенных порошков (см. рис.1 в приложении). Состав шликера подбирают таким образом, чтобы он минимально влиял на состав будущего покрытия. Нанесенную на поверхность заготовки пасту оплавляют лазерным лучом, последовательно сканируя всю поверхность. Для создания многослойного покрытия необходимо наносить слой шликера заново после каждого прохода. Преимуществом метода является простота технологии и легкость конструкции необходимого оборудования, основные недостатки - высокая трудоемкость процесса и неравномерность покрытия по причине сил поверхностного натяжения жидкого металла.
) Создание покрытий с помощью боковой подачи газопорошковой смеси - наиболее распространенный до недавнего времени способ лазерной наплавки (см. рис.2 в приложении). Впрыск порошка в жидкую ванну качественно изменяет процесс наплавки, позволяя создавать как равномерные по толщине и химическому составу покрытия, так и композитные материалы с сохранением упрочняющей фазы. Подача газопорошковой струи может осуществляться как сбоку относительно движения луча, так и навстречу. При этом формируемые валики будут иметь различную геометрию. Недостатком метода является несимметричность подачи порошка относительно направления движения даже при создании покрытий сканированием лазерного луча в плоскости.
) При коаксиальной наплавке (см. рис.3 в приложении) газопорошковый поток подается в зону воздействия лазерного излучения симметрично со всех сторон - сжимающимся в фокус конусом. Формирование такого симметричного равномерного конуса порошка - главная сложность данного метода. Коаксиальная наплавка - наиболее универсальный способ создания как однородных, так и композитных покрытий на плоских и трехмерных поверхностях. Процесс обеспечивает симметричность относительно направления наплавки, равномерность формирования валиков, высокие производительность и коэффициент использования присадочного материала в общем случае обработки сложных поверхностей. Сложность коаксиальной подачи газопорошковой смеси является, пожалуй, главным недостатком системы коаксиальной наплавки.
Необходимость разработки и создания покрытий с повышенными свойствами возникает в различных областях современного машиностроения все чаще. В целях экономии металла, используемого при производстве деталей, и снижения масс конструкций разрабатываются сплавы и покрытия, выполняющие строго определенные функции. Функциональные покрытия, в таком случае, - попытка инженеров максимально оптимизировать конструкцию, но уже не на уровне механики, а на более высоком уровне, учитывающем все внешние факторы, действующие на каждую деталь механизма в отдельности.
Композиционные материалы (КМ) - это материалы, образованные объемным сочетанием химически разнородных компонентов с четкой границей раздела между ними. КМ характеризуются свойствами, которыми не обладает ни один из компонентов, взятый в отдельности. Основные направления использования КМ в производстве - создание покрытий с повышенными свойствами:
) механическими;
) коррозионно-стойкими;
) жаростойкими;
) антифрикционными;
) износостойкими,
) радиационно-стойкими и т.д.
Для создания композиционных покрытий методами наплавки можно использовать как чистые, так и композитные порошки, представляющие собой смеси определенного состава в каждой частице порошка. Композиционные составы, в соответствии с воспринимаемыми нагрузками, могут иметь различные архитектуры:
твердые частицы в мягкой матрице для упрочнения поверхности;
мягкие антифрикционные частицы в твердой матрице для повышения износостойкости;
высокопрочный каркас, заполненный пластичным материалом - износостойкость совместно с контактной прочностью;
равномерная смесь легких прочных частиц с тяжелыми каркасообразующими - для снижения удельной массы при сохранении прочности.
Детали, созданные из материала с такой архитектурой, имеют ресурс работы, значительно превосходящий ресурс деталей из мономатериалов.
Технология лазерной наплавки имеет большие перспективы в области прототипирования трехмерных деталей. На данный момент в мире разработаны и совершенствуются два основных принципа получения объемных деталей из металлических порошков:(Selective Laser Melting) - выборочное лазерное спекание порошков. Наплавка осуществляется послойно по предварительно нанесенному порошку в соответствии с заданным контуром обхода. Позволяет получать высокую точность изделий, но обеспечивает крайне низкую производительность.(Laser Metal Deposition) - прямое выращивание деталей с помощью лазерной коаксиальной наплавки. Обеспечивает высокую производительность процесса, однако для достижения точности и расширения технологических возможностей требуются значительные ресурсы по проектированию трехмерной траектории обработки.
Оборудование, использующее перечисленные методы выращивания, к сожалению, изготавливается только зарубежными компаниями. Разработками аналогичных установок в настоящее время успешно занимаются в Центре Лазерных Технологий при МГТУ им. Н.Э. Баумана, где впервые в стране внедрена в производство коаксиальная газопорошковая лазерная наплавка. Комплексы на базе отечественного оборудования позволяют решать различные задачи, в том числе выращивание деталей и нанесение покрытий.
В настоящее время среди наиболее актуальных применений коаксиальной лазерной наплавки - восстановление изношенной или поврежденной геометрии металлических деталей машиностроительного производства. При ремонте крупногабаритных деталей сложной геометрии: валов, пресс-форм, литейных форм, инструмента и других деталей, лазерная коаксиальная наплавка позволяет сэкономить значительные средства благодаря экономии материала, времени на обработку и оборудования, задействованного в ремонте.
Плотность и прочность нанесенного при ремонте слоя не уступает основному материалу, а при специальном подборе присадочного порошка превышает ее значительно, что положительно сказывается на ресурсе работы восстановленной детали.
Считаем целесообразным рассмотреть некоторые примеры восстановления деталей. В любой операции восстановления лазерная наплавка является технологией нанесения покрытия того или иного состава. В связи с этим восстановление можно считать технологией нанесения покрытия или объема материала.
Наиболее частые повреждения в процессе эксплуатации литейных форм - изношенные кромки полуформ, сколы, смятия. Восстановление таких дефектов лазерной наплавкой возможно с высокой производительностью и хорошим качеством материала.
Наплавленный слой может иметь повышенные свойства относительно основного материала, и тогда ресурс формы будет превышать ресурс нового изделия (см. рис.4 в приложении).
При ремонте станков токарно-револьверной группы наиболее частые дефекты - износ посадочных мест подшипников на валах (см. рис.5 в приложении), зубчатых колес, зубьев шлицевых соединений и т.д. Восстановлена может быть практически любая поверхность на ступенчатом валу, вплоть до шпоночных пазов. При этом поврежденный паз заплавляется и вытачивается заново механической обработкой, а если шпоночные пазы необходимо сохранить без изменений, они могут быть защищены. Достоинством лазерной наплавки является то, что для любого вала можно подобрать режим, исключающий появление деформаций в восстановленной детали.
Типовое повреждение сложной пресс-формы для литья пластика или резины - облом или скол тонкой стенки (см. рис.6 в приложении).
Восстановить ее возможно только лазерной или электроннолучевой наплавкой, поскольку толщина стенки может составлять доли миллиметра при высоте в несколько миллиметров. Однако только лазерная наплавка позволяет обработать деталь любого размера без создания вакуума.
Лазерная наплавка позволяет наносить не только плоские покрытия, но и объемные участки материала с приемлемой точностью. При ремонте лопаток газотурбинных двигателей (ГТД) наиболее распространенные дефекты - износ торца пера, износ основания пера, сколы и смятия на ребре пера (см. рис.7 в приложении). В связи с высокой стоимостью материала лопаток и его термической обработки различные методы восстановления находят все более широкое применение в двигателестроении. Лазерная наплавка позволяет восстанавливать лопатки ГТД без последующей термической обработки с высокой плотностью нанесенного материала. Проведенные в Центре Лазерных Технологий при МГТУ им. Н.Э. Баумана исследования по восстановлению лопаток совместно с ОАО "РСК "МиГ" показали, что в восстановленных участках лопаток отсутствуют поры и несплавления, размеры зон термического влияния составляют менее 100 мкм, структура восстановленного слоя мелкозернистая. Что говорит о перспективе использования лазерной наплавки при ремонте лопаток ГТД.
Детали из высокопрочных материалов, работающие при ударных и ударно-абразивных нагрузках, могут быть восстановлены специальным материалом с добавлением упрочняющих фаз. Наиболее распространены вырубные штампы (см. рис.8 в приложении), буровой инструмент. Высокая производительность лазерной наплавки на больших мощностях позволяет восстанавливать и улучшать крупногабаритные детали весом до нескольких центнеров.
Спектр применений лазерной наплавки в производстве и ремонте расширяется постоянно благодаря широкой номенклатуре лазерных источников и порошковых материалов. Именно поэтому развивающееся машиностроение крупнейших стран применяет лазерную наплавку все чаще. Исследование процесса лазерной наплавки с точки зрения газовой динамики позволит, по нашему убеждению, существенно сузить диапазон искомых значений давления и расхода защитного и транспортного газов и, в результате, упростить последующую оптимизацию.
По результатам проведенного исследования считаем целесообразным сделать ряд основополагающих выводов.
Для решения задач повышения эксплуатационных показателей и увеличения срока службы деталей машин используют различные способы поверхностного упрочнения, в частности наплавку, нашедшую широкое применение в производстве разнообразных изделий - от крупногабаритных, таких как валки прокатных станов (металлургия), сосуды высокого давления, до мелких деталей типа седел и клапанов двигателей внутреннего сгорания.
Наплавка сыграла большую роль в деле увеличения производительности труда, повышения качества продукции и экономии сырья при производстве промышленного оборудования, его эксплуатации и ремонте.
При традиционных видах наплавки, таких как электродуговая и плазменная присадочной проволокой, подплавление основного металла и термическое воздействие на него значительны, что является существенным недостатком, так как все технологии стремятся к минимальному тепловому воздействию и минимальному перемешиванию основного материала с присадочным. Недостатком установки для электромагнитной наплавки, как правило, является то, что не весь ферромагнитный порошок, подаваемый в рабочий зазор, наносится в виде покрытия на обрабатываемую деталь и остается неиспользованным.
В тоже время при лазерной наплавке источником тепла является концентрированный луч лазера. Лазерная наплавка позволяет выполнять: наплавку, оплавление напыленных поверхностей, поверхностное легирование, поверхностную закалку, соединять детали в труднодоступных местах и керамические изделия. Применяется при восстановлении ответственных деталей с местным износом. Метод наиболее эффективен при восстановлении поверхностей площадью 5...50 мм и величиной износа 0,1...1,0 мм, при этом расход порошков невелик, глубина термического влияния обычно не превышает 0,5...0,6 мм, а деформации детали отсутствуют. Твердость покрытий из самофлюсующихся порошков, которые наносят на поверхность детали как пасту, составляет 35...60 HRC для подложки из стали и 45...60 HRC для подложки из чугуна. Толщина нанесенного слоя достигает 40...50 мкм. Прочность соединения покрытия с материалом подложки > 250 МПа.
Во многих отраслях промышленности в последние годы все шире используются лазерная сварка, термообработка и наплавка различных материалов. Использование лазеров в первую очередь предполагается в тех технологических процессах, которые неосуществимы с помощью других источников энергии. Одно из таких направлений в технологии - обработка материалов лазерными пучками. Данный вид обработки позволяет воздействовать на изделия, имеющие поверхности кольцевой формы, при их сварке или термообработке. Использование лазерных пучков кольцевого сечения вместо круговых пучков повышает качество и эффективность процесса импульсной лазерной наплавки металлов вследствие увеличения коэффициента формы наплавки.
Наука о лазерах и лазерной технологии является бурно развивающейся областью знаний. В последние годы сделаны открытия принципиально новых типов лазеров, обладающих высоким коэффициентом полезного действия, простых и удобных в эксплуатации, обеспечивающих высокую надежность и, таким образом, весьма пригодных для применения в различных отраслях промышленности. наплавка лазерный износостойкость металл