Исследование новой технологии сверхзвукового лазерного напыления

Сверхзвуковое лазерное напыление (SLD) — это новый процесс нанесения и получения покрытий, при котором сверхзвуковой поток порошка, генерируемый в холодную струю (CS), проникает на подложку, которая одновременно облучается лазером. Этот процесс находит все большее применение для напыления покрытий и...

Ausführliche Beschreibung

Gespeichert in:

Bibliographische Detailangaben
Datum:	2016
Hauptverfasser:	Дзиньхуа Яо, Коваленко, В.С.
Format:	Artikel
Sprache:	Russian
Veröffentlicht:	Інститут електрозварювання ім. Є.О. Патона НАН України 2016
Schriftenreihe:	Автоматическая сварка
Schlagworte:	Научно-технический раздел
Online Zugang:	http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/146409
Tags:	Tag hinzufügen Keine Tags, Fügen Sie den ersten Tag hinzu!
Назва журналу:	Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
Zitieren:	Исследование новой технологии сверхзвукового лазерного напыления / Дзиньхуа Яо, В.С. Коваленко // Автоматическая сварка. — 2016. — № 2 (750). — С. 19-27. — Бібліогр.: 16 назв. — рос.

Institution

Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine

id	irk-123456789-146409
record_format	dspace
spelling	irk-123456789-1464092019-02-10T01:25:13Z Исследование новой технологии сверхзвукового лазерного напыления Дзиньхуа Яо Коваленко, В.С. Научно-технический раздел Сверхзвуковое лазерное напыление (SLD) — это новый процесс нанесения и получения покрытий, при котором сверхзвуковой поток порошка, генерируемый в холодную струю (CS), проникает на подложку, которая одновременно облучается лазером. Этот процесс находит все большее применение для напыления покрытий и аддитивного изготовления металлических изделий благодаря ряду своих уникальных преимуществ: напыления (осаждения) в твердом состоянии плотных, однородных и непористых покрытий на подложку, высокой скорости процесса при сниженных эксплуатационных расходах без применения дорогостоящего газового нагрева и больших объемов гелия. Данный процесс открывает также новые возможности для эффективного напыления металлических порошков высокой твердости, которые, как правило, трудно напылять, используя только CS. На основе результатов исследования в статье проведен систематический обзор состояния дел в области применения способа сверхзвукового лазерного напыления с точки зрения выбора материалов, оптимизации процесса, определения свойств, конструкции оборудования и т.д. Были глубоко проанализированы существующие проблемы в данных аспектах и предложены соответствующие решения. Вместе с тем были детально разработаны потенциальные промышленные применения способа сверхзвукового лазерного напыления в различных областях. Рассмотрены также перспективы и проблемы, связанные с этой технологией, намечены направления дальнейших исследований и инноваций в сверхзвуковом лазерном напылении, как зарождающейся комбинированной технологии аддитивного производства с высокой эффективностью, низкими затратами и высоким качеством. Supersonic laser deposition is a new coating and fabrication process, in which a supersonic powder stream generated in cold spray impinges onto a substrate which is simultaneously irradiated with a laser. It will be increasingly employed for depositing coatings and metal additive manufacturing because of its unique advantages: solid-state deposition of dense, homogeneous and pore-free coatings onto a range of substrate, high build rate at reduced operating costs without the use of expensive gas heating and large volumes of helium, and opening up a new opportunity for efficiently depositing high hardness metallic powders which are usually difficult to be deposited solely by cold spray. Based on the current research results in our group, this paper systematically reviews state-of-the-art of supersonic laser deposition technique at home and abroad, from the viewpoints of materials selection, process optimization, properties characterization, equipment design and so on. The existing issues in these aspects are deeply analyzed, and the corresponding solutions are tentatively proposed. Meanwhile, the potential industrial applications of supersonic laser deposition in various fields are elaborated in detail, as well as the future perspectives and challenges facing this technology, in order to provide insight for further investigations and innovation in supersonic laser deposition as an emerging combination additive re-manufacturing technology with high efficiency, low cost and high quality. 2016 Article Исследование новой технологии сверхзвукового лазерного напыления / Дзиньхуа Яо, В.С. Коваленко // Автоматическая сварка. — 2016. — № 2 (750). — С. 19-27. — Бібліогр.: 16 назв. — рос. 0005-111X DOI: https://doi.org/10.15407/as2016.02.03 http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/146409 621.791.72:621.375.826 ru Автоматическая сварка Інститут електрозварювання ім. Є.О. Патона НАН України
institution	Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
collection	DSpace DC
language	Russian
topic	Научно-технический раздел Научно-технический раздел
spellingShingle	Научно-технический раздел Научно-технический раздел Дзиньхуа Яо Коваленко, В.С. Исследование новой технологии сверхзвукового лазерного напыления Автоматическая сварка
description	Сверхзвуковое лазерное напыление (SLD) — это новый процесс нанесения и получения покрытий, при котором сверхзвуковой поток порошка, генерируемый в холодную струю (CS), проникает на подложку, которая одновременно облучается лазером. Этот процесс находит все большее применение для напыления покрытий и аддитивного изготовления металлических изделий благодаря ряду своих уникальных преимуществ: напыления (осаждения) в твердом состоянии плотных, однородных и непористых покрытий на подложку, высокой скорости процесса при сниженных эксплуатационных расходах без применения дорогостоящего газового нагрева и больших объемов гелия. Данный процесс открывает также новые возможности для эффективного напыления металлических порошков высокой твердости, которые, как правило, трудно напылять, используя только CS. На основе результатов исследования в статье проведен систематический обзор состояния дел в области применения способа сверхзвукового лазерного напыления с точки зрения выбора материалов, оптимизации процесса, определения свойств, конструкции оборудования и т.д. Были глубоко проанализированы существующие проблемы в данных аспектах и предложены соответствующие решения. Вместе с тем были детально разработаны потенциальные промышленные применения способа сверхзвукового лазерного напыления в различных областях. Рассмотрены также перспективы и проблемы, связанные с этой технологией, намечены направления дальнейших исследований и инноваций в сверхзвуковом лазерном напылении, как зарождающейся комбинированной технологии аддитивного производства с высокой эффективностью, низкими затратами и высоким качеством.
format	Article
author	Дзиньхуа Яо Коваленко, В.С.
author_facet	Дзиньхуа Яо Коваленко, В.С.
author_sort	Дзиньхуа Яо
title	Исследование новой технологии сверхзвукового лазерного напыления
title_short	Исследование новой технологии сверхзвукового лазерного напыления
title_full	Исследование новой технологии сверхзвукового лазерного напыления
title_fullStr	Исследование новой технологии сверхзвукового лазерного напыления
title_full_unstemmed	Исследование новой технологии сверхзвукового лазерного напыления
title_sort	исследование новой технологии сверхзвукового лазерного напыления
publisher	Інститут електрозварювання ім. Є.О. Патона НАН України
publishDate	2016
topic_facet	Научно-технический раздел
url	http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/146409
citation_txt	Исследование новой технологии сверхзвукового лазерного напыления / Дзиньхуа Яо, В.С. Коваленко // Автоматическая сварка. — 2016. — № 2 (750). — С. 19-27. — Бібліогр.: 16 назв. — рос.
series	Автоматическая сварка
work_keys_str_mv	AT dzinʹhuaâo issledovanienovojtehnologiisverhzvukovogolazernogonapyleniâ AT kovalenkovs issledovanienovojtehnologiisverhzvukovogolazernogonapyleniâ
first_indexed	2025-07-10T23:55:57Z
last_indexed	2025-07-10T23:55:57Z
_version_	1837306247878017024
fulltext	НАУ НО-ТЕ НИ ЕСКИЙ РАЗДЕЛ 19I 000 -111 АВТОМАТИ ЕСКА СВАРКА, 2 0 , 2016 УДК 621.791.72:621.375.826 исслеДоВаНие НоВой техНологии сВеРхЗВУКоВого лаЗеРНого НапылеНия ДЗИНЬХУА ЯО1,2, В.С. КОВАЛЕНКО1,2,3 1исследовательский центр ядерных технологий и оборудования, Дзеджанский технологический ун-т. 310014, хангжоу, ул. чаованг, № 18, Китай. E-mail: laser@zjut.edu.cn 2Центр по разработке и внедрению лазерного оборудования провинции Дзеджан. Дзеджанский технологический ун-т. 310014, хангжоу, ул. чаованг, № 18, Китай. E-mail: laser@zjut.edu.cn 3Нии лазерных технологий НтУУ «Киевский политехнический институт». 03056, г. Киев-56, пр-т победы, 37, Украина. E-mail: kovalenko.volodymyr@gmail.com сверхзвуковое лазерное напыление (SLD) — это новый процесс нанесения и получения покрытий, при котором сверхзвуковой поток порошка, генерируемый в холодную струю (CS), проникает на подложку, которая одновременно облучается лазером. этот процесс находит все большее применение для напыления покрытий и аддитивного изго - товления металлических изделий благодаря ряду своих уникальных преимуществ: напыления (осаждения) в твердом состоянии плотных, однородных и непористых покрытий на подложку, высокой скорости процесса при сниженных эксплуатационных расходах без применения дорогостоящего газового нагрева и больших объемов гелия. Данный про- цесс открывает также новые возможности для эффективного напыления металлических порошков высокой твердости, которые, как правило, трудно напылять, используя только CS. На основе результатов исследования в статье проведен систематический обзор состояния дел в области применения способа сверхзвукового лазерного напыления с точки зре- ния выбора материалов, оптимизации процесса, определения свойств, конструкции оборудования и т.д. Были глубоко проанализированы существующие проблемы в данных аспектах и предложены соответствующие решения. Вместе с тем были детально разработаны потенциальные промышленные применения способа сверхзвукового лазерного напыления в различных областях. Рассмотрены также перспективы и проблемы, связанные с этой технологией, намечены направ- ления дальнейших исследований и инноваций в сверхзвуковом лазерном напылении, как зарождающейся комбиниро- ванной технологии аддитивного производства с высокой эффективностью, низкими затратами и высоким качеством. К л ю ч е в ы е с л о в а : сверхзвуковое лазерное напыление, материалы, параметры процесса, технические характе- ристики, применения сверхзвуковое лазерное напыление (SLD) — это новая разработанная технология в области лазерной обработки материалов, которую можно использо- вать для модификации поверхностей и покрытий ин- женерных конструкций для повышения их функци- ональности [1–3]. В этой технологии комбинируется подача сверхзвукового потока порошка в холодную струю (CS) с лазерным нагревом участка напыле- ния. при SLD лазерное излучение нагревает как рас- пыляемые частицы, так и подложку в пределах от 30 до 80 % их температуры плавления, тем самым зна- чительно снижая прочность частиц и подложки, и позволяя частицам пластически деформироваться и создавать покрытие при скорости ударения, состав- ляющей около половины скорости истечения CS. технология SLD находит все большее приме - нение для напыления покрытий благодаря своим технологическим и экономическим преимуще - ствам по сравнению с обычными способами на - пыления покрытий, таким как напыление в твер - дом состоянии плотных, однородных непористых покрытий на подложку: высокой скорости напы - ления со снижением эксплуатационных расходов без использования дорогостоящего процесса на - грева и инертных газов, меньшей чувствитель - ностью к характеристикам материалов исход - ного сырья, уплотнением трудно напыляемых порошков, значительным улучшением свойств материалов покрытий. что еще очень важно, бо - лее низкие температуры обработки и более корот- кое время обработки способом SLD позволяет на- пылять покрытия и изготовлять элементы почти точной формы с минимальным плавлением или без него, что, таким образом, помогает избежать вредных воздействий высокотемпературных про - цессов, таких, как лазерное плакирование и тра - диционных процессов термического распыления, которые включают в себя подплавление подложки напыления, высокие термически-индуцированные остаточные напряжения, ухудшение микрострук - туры в затвердевшем состоянии, которые приво - дят к снижению механических свойств. по срав - нению с CS, включение лазерного нагрева в SLD может значительно смягчить распыляемые части - цы и подложку, что приведет к уменьшению кри - тической скорости напыления и обеспечит сце - пление при ударе на скоростях, равных половине тех, что наблюдаются при CS даже при напыле - нии материалов, которые трудно обрабатывать, © Дзиньхуа яо, В.с. Коваленко, 2016 НАУ НО-ТЕ НИ ЕСКИЙ РАЗДЕЛ 20 I 000 -111 АВТОМАТИ ЕСКА СВАРКА, 2 0 , 2016 используя только CS. исключение необходимости высоких скоростей ударения позволяет использо - вать холодный или слегка нагретый азот вместо высокотемпературного гелия в качестве рабочего газа, способствуя тем самым уменьшению эксплу- атационных расходов более чем на порядок. такое снижение капитальных эксплуатационных затрат означает, что SLD может быть более рациональ - ным для случаев в которых CS зарекомендовал себя слишком дорогим, обеспечивая полностью твердый процесс, что позволяет расширить диапа- зон его применения. этим способом успешно вы - полнены разнообразные покрытия из таких мате - риалов, как Cu, Ti, стеллит 6, Ni60, сплав Al–Cu, сплав Al–Si [4–16]. Для разработки направлений дальнейших ис - следований и инноваций в сверхзвуковом лазер - ном напылении, как зарождающейся комбиниро - ванной технологии аддитивного производства, был проведен систематический обзор состояния дел в области применения этого способа с точ - ки зрения выбора материалов, оптимизации про - цесса, определения свойств, конструкции обору - дования и т.д. Были глубоко проанализированы существующие проблемы в данных аспектах и предложены соответствующие решения. Вместе с тем были детально разработаны потенциальные промышленные применения способа сверхзвуко - вого лазерного напыления в различных областях, а также перспективы и проблемы, стоящие перед этой технологией. Сверхзвуковая система лазерного напыле- ния. принципиальная схема системы SLD пока - зана на рис. 1, а. газ под высоким давлением по - давался в специальное сопло через два различных выхода: один через газовый нагреватель; другой через раздатчик порошка, где находятся сырье - вые порошки. струя сырьевого порошка и газ под высоким давлением смешивались и пропускались через сопло, где частицы ускорялись до сверхзву - ковой скорости. Контроль температуры газового нагрева, давления газа и скорости подачи порошка проводились с помощью блока управления холод- ной струей (рис. 2, a). Высокоскоростные части - цы ударялись об подложку, которая синхронно на- гревалась с помощью диодного лазера (рис. 2, б). Для фокусировки лазерного луча на поверхность подложки применялись комбинированные линзы. Для измерения температуры в реальном времени и контроля температуры в зоне напыления во вре- мя процесса SLD применялся высокоскоростной инфракрасный пирометр. Данные пирометра про- пускались через систему обратной связи, которая изменяла мощность лазера до значения, необхо - димого для поддержания требуемой температуры. сопло, лазерная головка и пирометр проходили сборку на роботе, как показано на рис. 2, в. Распы- лительное сопло размещалось перпендикулярно поверхности подложки. лазерный луч находился под углом 30° к нормали поверхности. Действие лазера и распределение порошка схематически изображены на рис. 1, б. В процессе напыления подложка была неподвижна, а сопло, лазерная го- ловка и пирометр могли перемещаться и управля- лись роботом. В качестве технологического газа, Рис. 1. схема процесса SLD (а), воздействие лазера и распре- деление порошка (б): 1 — газ под высоким давление; 2 — на- греватель газа; 3 — раздатчик порошка; 4 — смеситель; 5 — сопло; 6 — лазер; 7 — пирометр; 8 — подложка Рис. 2. Установка сверхзвукового лазерного напыления: блок управления холодной струей (а); диодный лазер (б); робот (в); воздушный компрессор (г) НАУ НО-ТЕ НИ ЕСКИЙ РАЗДЕЛ 21I 000 -111 АВТОМАТИ ЕСКА СВАРКА, 2 0 , 2016 можно использовать сжатый воздух (или азот вы - сокого давления), который может подаваться воз - душным компрессором (или через газовый мо - ноблок), как показано на рис. 2, г. Получение покрытия и его характеристи- ки. Покрытия из одного материала. В этом раз - деле основное внимание уделяется сравнению по- крытий из одного материала, выполненных SLD и другими обычными технологиями нанесения покрытий, такими как CS и лазерной наплавкой (LC), относительно их эффективности напыле - ния (DE), плотности покрытий, эволюции микро - структуры, межфазного сцепления, свойств и т.д. Сравнение покрытий с одним материалом, вы- полненных SLD и CS. На рис. 3 показано сравне - ние толщины покрытий выполненных CS-Cu и SLD-Cu. очевидно, что покрытие SLD-Cu толще покрытия CS-Cu. максимальная толщина покры - тия CS-Cu составляет около 1,3 мм, в то время как толщина покрытия SLD-Cu около 2,2 мм, то есть, лазерное излучение увеличило максимальную толщину покрытия на 70 %. Другими словами, ла- зерный нагрев значительно улучшил DE. На рис. 4 показано сравнение плотности по - крытий, выполненных CS-Cu и SLD-Cu. На фото- графиях видно, что CS-Cu имеет множество зазо - ров и пор между деформированными частицами Cu, в то время как SLD имеет гораздо более плот- ную микроструктуру, где зазоры и поры почти не наблюдаются. измерения пористости с использо - ванием программного обеспечения для анализа изображений показали, что пористость покрытия CS-Cu составляла 3,367 % по площади, в то вре - Рис. 3. сравнение толщины покрытия CS-Cu (a); SLD-Cu (б) Рис. 4. сравнение плотности покрытий CS-Cu (a); SLD-Cu (б) Рис. 5. сцепление границы раздела покрытие-подложка CS- Cu (a); SLD-Cu (б); сравнение адгезионной прочности (в) НАУ НО-ТЕ НИ ЕСКИЙ РАЗДЕЛ 22 I 000 -111 АВТОМАТИ ЕСКА СВАРКА, 2 0 , 2016 мя как у покрытия SLD-Cu она составляла всего лишь 0,08 %. это подтверждает положительный эффект влияния лазерного излучения на плот - ность покрытия. На рис. 5 представлено сцепление границы раздела покрытие-подложка у CS-Cu и SLD-Cu. Как видно из рис. 5, а, на границе раздела меж - ду слоем покрытия и подложкой образца покры - тия CS-Cu наблюдается выраженная трещина. На покрытии SLD-Cu ее не обнаружено, проплавле - ние материала произошло по границе раздела это- го покрытия (рис. 5, б), что позволило повысить сцепление покрытия с подложкой. испытание на адгезионную прочность, как описано в стандарте ASTM C633, проводилось на покрытиях CS-Cu и SLD-Cu для того, чтобы определить количествен - но фактическую силу сцепления для каждого по - крытия. сравнение адгезионной прочности по - крытий CS-Cu и SLD-Cu показано на рис. 5, в. можно видеть, что адгезионная прочность покры- тия CS-Cu очень низкая, но она значительно уве- личилась с помощью лазерного излучения. из приведенных выше результатов можно сде - лать вывод, что эффективность напыления, плот - ность покрытия и сцепление границы раздела по - крытие-подложка у CS могут быть улучшены при помощи лазерного излучения. Улучшение DE сле- дует соотнести со снижением критической скоро - сти напыления из-за смягчения распыляемых ча - стиц под действием лазерного нагрева. один из наиболее важных параметров в процессе CS — критическая скорость напыления, которая су - ществует для каждого напыляемого материала и величины, которой необходимо достичь. эффек - тивно могут напыляться только частицы, скорости которых превышают это значение, в свою очередь, создавая требуемое покрытие. и, наоборот, части- цы, которые не достигли этой пороговой скорости, способствуют эрозии подложки. теоретическое моделирование критической скорости напыления (Vcr, м/с), предложенное ассади и др. может быть выражено следующей формулой: Vcr = 667 – 14ρ + 0,08Tm + 0,1σu – 0,4Ti, где ρ — плотность материала, г/см3; Tm — темпе - ратура плавления, °с; σu — максимальный предел прочности, мпа; Ti — начальная температура ча - стиц, °с. В соответствие с формулой, предвари - тельный нагрев частиц снизит критическую ско - рость напыления и в то же время температура Ti увеличится, и уменьшится предел прочности ма - териалов σu. Увеличение Ti и сокращение σu будут способствовать снижению Vcr. В процессе SLD струя порошка и лазерный луч частично перекрываются друг другом. хотя распыляемые частицы двигались на высоких ско - ростях и имели ограниченное время воздействия лазером, можно предположить, что они могли с помощью лазера значительно нагреваться в поле - те перед ударом об подложку из-за высокой плот - ности мощности лазера и своих малых размеров, и тем самым снизить критическую скорость напы- ления. Как следствие, доля частиц, превышающих эту скорость, увеличилась бы, что привело бы к улучшению DE. В процессе CS изначально напы- ленные частицы забиваются последующими удар- ными частицами, передвигающимися с высокой скоростью. частицы покрытия подложки, смяг - ченные лазерным нагревом, становятся легко де - формируемыми под воздействием частиц порошка при высокой скорости, что приводит к плотному их сцеплению (высокой плотности покрытия). В случае синхронного лазерного излучения на уча- сток напыления температура подложки увеличи - вается и, таким образом, она смягчается. смягчен- ная подложка легко принимает на себя частицы. Кроме того, повышенная температура подложки может способствовать диффузии атомов между покрытием и материалами подложки, что значи - тельно увеличивает возможность металлургиче - ского сцепления. Все это способствует хорошему сцеплению границы раздела покрытие-подложка при SLD. Сравнение покрытий с одним материалом, вы- полненных SLD и LC. способом растровой элек - тронной микроскопии (Рэм) определена ми - кроструктура (рис. 6) образцов покрытия Ni60, выполненных SLD и LC. Как видно из рисунка, микроструктура покрытия SLD-Ni60 демонстри - рует аккумулированную пластическую деформа -Рис. 6. сравнение микроструктуры покрытий SLD-Ni60 (a); LC-Ni60 (б) НАУ НО-ТЕ НИ ЕСКИЙ РАЗДЕЛ 23I 000 -111 АВТОМАТИ ЕСКА СВАРКА, 2 0 , 2016 цию частиц Ni60 с аналогичной мелкой струк - турой в литом состоянии для исходных частиц порошка (напыление в твердом состоянии), в то время как микроструктура покрытия LC-Ni60 де - монстрирует типичное грубое плакирование ден - дритной структуры. Дальнейший рентген-анализ (рис. 7) показы - вает, что покрытие SLD-Ni60 имеет одинаковые фазы по сравнению с исходными частицами по - рошка. однако фазы на рентгенограмме покры - тия LC-Ni60 отличаются от тех, что на покрытии SLD-Ni60 и порошке Ni60, так как процесс LC ге- нерирует новую фазу Fe5 C 2 за счет эффекта раз - бавления. На рис. 8 показаны эволюции коэффи - циента трения образцов покрытия, записанные во время испытания на износ. Как видно, коэф - фициент трения образца SLD значительно ниже и более стабильный, чем у образца LC. глубокие плужные наплывы могут наблюдаться, очевидно, на следе износа образца LC, в то время как обра - зец SLD выглядит более гладким, как показано на рис. 9. Кроме того, ширина следа износа у образца LC шире, чем у SLD. Видно, что износостойкость покрытия SLD выше, чем износостойкость покры- тия LC. лазерное излучение в процессе SLD обеспечи- вает нагрев, который может синхронно смягчать высокоскоростные частицы и подложку, в то вре - мя как нагрев при процессе LC расплавляет ча - стицы. так как процесс SLD имеет более низкое энерговложение лазера, чем у LC, граница разде - ла покрытие-подложка и зона термического влия - ния (ЗтВ) образца SLD являются более гладкими и имеют меньшую площадь. Кроме того, из-за от- носительно невысокой температуры (особенность напыления способом SLD), напыленное покрытие Ni60 все еще сохраняет ту же микроструктуру и фазы, что и исходные сырьевые порошковые ма - териалы. превосходное свойство износостойкости покрытия SLD-Ni60 по сравнению с LC следует соотнести с более тонкими структурами покры - тия SLD, то есть, карбидами и боридами, которые более равномерно распределены в матрице Ni. следует отметить, что жесткие частицы порош - ка Ni60 могут быть успешно напыленными при Рис. 7. Рентгенограммы порошка Ni60 и покрытия Ni60 Рис. 8. изменения коэффициента трения от времени скольжения Рис. 9. профиль поперечного сечения следа износа покрытий SLD-Ni60 (a); LC-Ni60 (б) НАУ НО-ТЕ НИ ЕСКИЙ РАЗДЕЛ 24 I 000 -111 АВТОМАТИ ЕСКА СВАРКА, 2 0 , 2016 SLD, в то время как их невозможно напылять при CS, что указывает на то, что способ SLD расши - ряет диапазон материалов, которые могут обраба- тываться при CS. Кроме того, этот новый способ напыления превосходит обычное лазерное плаки - рование (LC) при его использовании для напыле- ния твердых материалов, таких как сплав Ni60, с тем, что он может подавлять растворение сталь - ной подложки. Покрытия из металлического матричного композитного материала. В этом разделе внима - ние сосредоточено на сравнении покрытий из ме - таллического матричного композитного материала (MMC), выполненных SLD и другими обычными технологиями напыления покрытий, такими как CS и LC, с акцентом на материалы, чувствитель - ные к нагреву, такие как карбид вольфрама (WC) и алмаз. Сравнение покрытий металлического матрич- ного композитного материала, выполненных SLD и CS. На рис. 10 показаны Рэм-изображения по - перечного сечения образцов композитного покры- тия WC/SS316L. Как видно, центральная макси - мальная высота сильно зависит от температуры лазерного нагрева. максимальная высота покры - тия WC/SS316L, напыленного без лазера, состав - ляет 869,5 мкм и постепенно увеличивается до 1,153 мм с увеличением температуры напыления от 500 до 900 °с. этот результат показывает, что лазерный нагрев может также повысить эффек - тивность напыления MMC покрытий, как и по - крытий из одного материала, что приписывают уменьшению критической скорости напыления при лазерном излучении. На рис. 11 видно, что ча- стицы WC равномерно распределены по всем об - разцам покрытий, и концентрация частиц WC в покрытиях увеличивается с температурой напы - ления. На Рэм-изображениях при большом уве - личении (рис. 12) видно, что частицы WC не эффек- тивно вкраплены в матрицу SS316L в случае, когда не использовался лазерный нагрев. хотя при более низком лазерном нагреве, или при низкой темпера- туре напыления частицы WC могут быть вкрапле- ны в покрытие, но очевидные зазоры все еще мож- но найти на границе раздела между частицами WC и матрицей SS316L, как видно на рис. 12, в. Дальней- шее увеличение температуры напыления повыша- ет прочность сцепление границы раздела. части - Рис. 10. Рэм-изображения поперечного сечения образцов композитного покрытия WC/SS316L, показывающие толщи - ну покрытия при различных температурах напыления: а — без лазерного нагрева; б — 500; в — 700; г — 900 °с Рис. 11. Распределение и концентрация частиц WC в композит- ных покрытиях, полученных при различных температурах: а — без лазерного нагрева; б — 500; в — 700; г — 900 °с; д — пло- щадь долей WC в композитных покрытиях Рис. 12. граница раздела между матрицей SS316L и части - цами WC: а — без лазерного нагрева; б — 500; в — 700; г — 900 °с НАУ НО-ТЕ НИ ЕСКИЙ РАЗДЕЛ 25I 000 -111 АВТОМАТИ ЕСКА СВАРКА, 2 0 , 2016 цы WC хорошо вкрапливаются в матрицу SS316L при небольших зазорах. положительное влияние лазерного излучения на концентрацию частиц WC в композитных по - крытиях WC/SS316L можно объяснить смягчени - ем порошка SS316L. В процессе SLD частицы WC могут не деформироваться из-за высокой твер - дости, они вкрапливаются в деформируемую ма - трицу SS316L. Без помощи лазера или при более низком лазерном нагреве порошок SS316L нельзя достаточно размягчить для размещения твердых частиц, что приводит к относительно низкой кон - центрации WC. В случае более высокого лазерно- го нагрева, порошок SS316L легко деформируется при попадании частиц WC благодаря достаточно - му размягчению, что приводит к более высокой концентрации частиц WC. Кроме того, из-за эф - фекта смягчения лазерным излучением в процессе SLD, частицы порошка SS316L легче деформиру- ются, что также способствует оседанию ударных частиц WC для образования плотного сцепления и, следовательно, получения более прочного по - крытия, чем покрытия CS. относительно высокое содержание частиц WC и прочное сцепление на границе раздела между частицами WC и матрицей SS316L способствует лучшим трибологическим свойствам покрытия WC/SS316L, получаемого при SLD, чем при CS, как показано на рис. 13. Сравнение покрытий из металлического ма- тричного композитного материала, выполненных SLD и LC. На рис. 14 показана микроструктура алмазного/ композитного покрытия Ni60, полу - ченного при SLD. из рисунка видно, что части - цы алмаза равномерно распределены в пределах матрицы Ni60 (рис. 14, a) и прочно вкраплены в матрице сплава Ni60 с хорошим сцеплением гра - ницы раздела, как показано на рис. 14, б. Боль - шинство частиц алмаза на композитных покры - тиях полностью удерживаются. это может быть вызвано смягчением матрицы Ni60 при лазерном нагреве. В данном случае частицы Ni60 были бо - лее склонными к деформированию за счет неста - бильности адиабатического сдвига. Размягченные частицы Ni60 эффективно обволакивают и удер - живают частицы алмаза. На рис. 15 предоставлена некоторая информа - ция о графитизации алмазов между алмазным/ Ni60 покрытием SLD и алмазным/Ni60 покры - тием LC. В процессе LC высокая температура и окислительная среда расплавленной ванны, полу- чаемые при лазерном облучении, вызывают бо - лее легкую графитизацию частиц алмаза по срав - нению с SLD. На рис. 15, б и г черные области показывают сильную графитизацию частиц ал - маза; диффузия углерода происходила на поверх - ности границы раздела между частицами алмаза и матрицей Ni60. также было обнаружено, что во время процесса LC неправильная форма алмаз - ных частиц была заменена сферической. однако на образце покрытия SLD не наблюдалось такой сильной графитизации, как на образце LC. из ра - мановских спектров на рис. 16, можно видеть, что на образцах покрытия LC представлены не только типичная вершина алмаза размером 1335 см–1, а также и явная вершина неалмазного компонента размером 1589 см–1, в то время, как на образце по- крытия SLD наблюдается только одна острая вер - шина алмаза размером 1335 см–1. Результаты ана- лиза рамановских спектров показывают, что часть алмазных частиц графитизировалась на образце покрытия LC, однако на образце покрытия SLD графитизации не произошло. Все эти результаты служат основанием предполагать, что относитель- но высокое давление удара, низкая температура Рис. 13. изменение коэффициентов трения от времени сколь- жения композитных покрытий WC/SS316L Рис. 14. микроструктура алмазного/композитного покрытия Ni60, выполненного SLD НАУ НО-ТЕ НИ ЕСКИЙ РАЗДЕЛ 26 I 000 -111 АВТОМАТИ ЕСКА СВАРКА, 2 0 , 2016 напыления, инертная атмосфера N2 положительно влияют на предотвращение графитизации алмаз - ных частиц во время процесса SLD. согласно результатам испытания на износ, как показано на рис. 17, 18, алмазное/композитное покрытие Ni60 имеет отличные трибологические свойства. при циклической нагрузке в процес - се износа и резке алмазных частиц неправильной формы, поверхность шлифовального шара Si3N4 была сильно истерта. считается, что трение меж - ду контактными поверхностями было уменьше - но благодаря абразивной устойчивости твердых частиц алмаза неправильной формы. Низкий ко - эффициент трения и высокая абразивная устой - чивость алмазного/композитного покрытия Ni60 уменьшают повреждения поверхности, подвер - гаемой износу. поверхность износа штифта по - вреждается в результате образования борозд. след износа характеризуется многочисленными преры- вистыми, короткими и неглубокими бороздами. это означает, что износостойкость композитного образца SLD лучше, чем образца LC, так как сце - пление границы раздела между алмазными части- цами и частицами сплава Ni60 достаточно проч - ное, чтобы выдержать механическую атаку при износе. Перспективы и проблемы. На основе резуль- татов обзорного исследования, можно сделать вывод, что SLD имеет огромный потенциал для быстрого внедрения технологии, разработанной в лаборатории, разным областям промышленно - сти, таким как автомобилестроение, судострое - ние, биомедицина, авиационная/аэрокосмическая, энергетическая, нефтехимическая и горнорудная. Кроме того, необходимость снижения высокой стоимости получения покрытий, сокращения эта - пов для их получения за один проход и повыше - ние функциональных свойств покрытия являются некоторыми из причин того, что способ напыле - ния SLD будет и дальше оставаться в центре вни- мания как научных, так и промышленных иссле - дований. Для успешного применения технологии SLD в промышленности нужно исследовать не - Рис. 15. сравнение графитизации алмаза; алмазное покрытие Ni60 SLD (a, в) и алмазное покрытие Ni60 LC (б, г) Рис. 16. Рамановские спектры алмазного/композитного по - крытия Ni60 SLD и LC Рис. 18. Рэм-изображения изношенных поверхностей: a — след износа образца SLD; б — след износа образца LC Рис. 17. изменения коэффициента трения от времени скольжения НАУ НО-ТЕ НИ ЕСКИЙ РАЗДЕЛ 27I 000 -111 АВТОМАТИ ЕСКА СВАРКА, 2 0 , 2016 которые проблемы прикладного характера, такие как конкретная трибология, сильный абразивный износ, высокотемпературная ползучесть, уста - лость и сильная эрозия. В дальнейшем следует сконцентрировать вни - мание на повышении эффективности и функци - ональности технологии SLD. эффективность в данном исследовании была ограничена из-за не - соответствия лазерного пятна пятну напыления порошка и неравномерного распределения нагре - ва (гауссов профиль нагрева) на участке напыле - ния. использование более мощного лазера смог - ло бы увеличить лазерное пятно до размера пятна напыления порошка, а эффективность напыления должна быть исследована при более высоких ско- ростях подачи и осаждения. если применять ла - зерный луч прямоугольного профиля, то можно ожидать более равномерного распределения тем - пературы, что позволит увеличить плотность на - пыления и, таким образом, улучшить управление процессом. следует исследовать использование более высоких скоростей частиц, применяя газо - вый нагрев, или усовершенствованную конструк - цию сопел; следует ожидать улучшения эффек - тивности напыления, плотности и механических свойств. Авторы выражают благодарность за финан- совую поддержку Китайскому Национальному Фонду Естествознания (51475429), Чжэцзянско- му Проекту Прикладных Исследований Техноло- гий Провинциального Содружества (2014C31122), а также Исследовательскому Проекту Доктор- антуры Провинции Дзеджан (Z42102002). 1. Bray M., Cockburn A., O’Neill W. The laser-assisted cold spray process and deposit characterization // Surface & Coating Technology. – 2011. – № 203. – P. 2851–2857. 2. High speed titanium coating by supersonic laser deposition / R. Lupoi, M. Sparkes, A. Cockburn, W. O’Neill // Materials Letter. – 2011. – № 65. – P. 3205–3207. 3. Solid-state manufacturing of tungsten deposits onto molyb- denum substrates with supersonic laser deposition / M. Jones, A. Cockburn, R. Lupoi et al. // Ibid. – 2014. – № 134. – P. 295–297. 4. Olakanmi E.O., Doyoyo M. Laser assisted cold-spray corro- sion- and wear- resistant coatings: a review // J. of Thermal Spray Technology. – 2014. – № 23. – P. 765–785. 5. Kulmala M., Vuoristo P. Influence of process conditions in laser-assisted low pressure cold spraying // Surface & Coatings Technology. – 2008. – № 202. – P. 4503–4508. 6. Beneficial effects of synchronous laser irradiation on the characteristics of cold-sprayed copper coatings / B. Li, L.J. Yang, Z.H Li et al. // J. of Thermal Spray Technology. – 2015. – № 24. – P. 836–847. 7. Performance comparison of Stellite 6 deposited on steel using supersonic laser deposition and laser cladding / F. Luo, A. Cockburn, R. Lupoi et al. // Surface & Coatings Technology. – 2012. – № 212. – P. 119–127. 8. Beneficial effects of laser irradiation on the deposition process of diamond/Ni60 composite coating with cold spray / J.H. Yao, L.J. Yang, B. Li, Z.H. Li // Applied Surface Science. – 2015. – № 330. – P. 300–308. 9. Microstructure and tribological performance of tungsten carbide reinforced stainless steel composite coatings by supersonic laser deposition / B. Li, J.H. Yao, Q.L. Zhang et al. // Surface & Coatings Technology. – 2015. – № 275. – P. 58–68. 10. Characteristics of performance of hard Ni60 alloy coating produced with supersonic laser deposition technique / J.H. Yao, L.J. Yang, B. Li, Z.H. Li // Materials & Design. – 2015. – № 83. – P. 26–35. 11. Deposition mechanism and microstructure of laser-assisted cold-sprayed (LACS) Al-12 wt. % Si coatings: effect of laser power / E.O. Olakanmi, M. Tlotleng, C. Meacock et al. // JOM. – 2013. – № 65. – P. 776–783. 12. Supersonic laser spray of aluminum alloy on a ceramic substrate / A. Riveiro, F. Lusquinos, R. Comesana et al. // Applied Surface Science. – 2007. – № 254. – P. 926–929. 13. Yuan L.J., Luo F., Yao J.H. Deposition behavior at different substrate temperatures by using supersonic laser deposition // J. of iron and steel research, International. – 2013. – № 20. – P. 87–93. 14. Microstructural and mechanical evaluation of laser- assisted cold sprayed bio-ceramic coatings: potential use for biomedical applications / M. Tlotleng, E. Akinlabi, M. Shukla, Pityana // J. of Thermal Spray Technology. – 2015. – № 24. – P. 423–435. 15. Simulation analysis of Stellite 6 particle impact on steel substrate in supersonic laser deposition process / F. Luo, A. Cockburn, D.B. Cai et al. // Jbid. – 2015. – № 24. – P. 378–393. 16. Effects of diamond size on the deposition characteristics and tribological behavior of diamond/Ni60 composite coating prepared by supersonic laser deposition / L.J. Yang, B. Li, J.H. Yao, Z.H. Li // Diamond and Related Material. – 2015. – in press. поступила в редакцию 23.01.2016 Международная конференция Немецкого союза сварки и родственных процессов DVS «Современные тенденции в сварке и соединительных технологиях в 21-ом веке» Языки конференции: русский, английский, эстонский Наш первый контакт для Вас, пожалуйста, свяжитесь с нами: 1. Frau Agne Plenaite agne.plenaite@gsi-baltikum.ee LT, ENG 2. Herr Vladimir Beloi vladimir.beloi@tlmk.ee EE, RUS 3. Herr Ilgonis Rungis irungis@3arodskola.lv LV, RUS 4. Frau Irina Pinneker pinneker@slv-rostock.de DE, RUS 5. Herr Sergei Boaga sergei.boaga@gsi-baltikum.ee EE, RUS 6. Herr Dr. Groß hans-g.gross@gsi-baltikum.ee DE, RUS, ENG

Исследование новой технологии сверхзвукового лазерного напыления

Institution

Ähnliche Einträge