Микроструктура и износостойкость композитных WC/SS316L покрытий, полученных методом газодинамического напыления с применением лазерного нагрева

Метод газодинамического напыления с применением лазерного нагрева (ЛГДН ) является новым разработанным методом напыления покрытий, который объединяет сверхзвуковую порошковую струю, формируемую путем газодинамического напыления, с синхронным лазерным нагревом зоны формирования покрытия (ЛГДН ). Доба...

Повний опис

Збережено в:

Бібліографічні деталі
Дата:	2016
Автори:	Бо Ли, Чжихонг Ли, Лиджинг Янг, Джинхуа Яо
Формат:	Стаття
Мова:	Russian
Опубліковано:	Інститут електрозварювання ім. Є.О. Патона НАН України 2016
Назва видання:	Автоматическая сварка
Теми:	Научно-технический раздел
Онлайн доступ:	http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/146907
Теги:	Додати тег Немає тегів, Будьте першим, хто поставить тег для цього запису!
Назва журналу:	Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
Цитувати:	Микроструктура и износостойкость композитных WC/SS316L покрытий, полученных методом газодинамического напыления с применением лазерного нагрева / Бо Ли, Чжихонг Ли, Лиджинг Янг, Джинхуа Яо // Автоматическая сварка. — 2016. — № 8 (755). — С. 35-42. — Бібліогр.: 13 назв. — рос.

Репозитарії

Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine

id	irk-123456789-146907
record_format	dspace
spelling	irk-123456789-1469072019-02-12T01:25:28Z Микроструктура и износостойкость композитных WC/SS316L покрытий, полученных методом газодинамического напыления с применением лазерного нагрева Бо Ли Чжихонг Ли Лиджинг Янг Джинхуа Яо Научно-технический раздел Метод газодинамического напыления с применением лазерного нагрева (ЛГДН ) является новым разработанным методом напыления покрытий, который объединяет сверхзвуковую порошковую струю, формируемую путем газодинамического напыления, с синхронным лазерным нагревом зоны формирования покрытия (ЛГДН ). Добавка тепловой энергии лазера в процесс газодинамического напыления вносит изменение в термодинамическое состояние напыляемых частиц и подложки, значительно снижая таким путем критические скорости напыляемых частиц, необходимые для эффективного формирования покрытия, что позволяет расширить перечень материалов, напыляемых способом ГДН. В работе, изложенной в этой статье, представлена возможность применения техники ЛГДН для нанесения композитных покрытий с металлической матрицей (КММ), таких как WC/SS316L. Цель этого исследования состоит в сравнении композитных покрытий, полученных методами обычного ГДН и ЛГДН. Формирование структуры, механизмы механической деформации, связь между функциональными свойствами были рассмотрены детально. Результаты экспериментов показали превосходство ЛГДН в сравнении с ГДН, поскольку в этом случае возможно повысить степень использования напыляемого материала, плотность покрытия, его когезионную прочность благодаря повышению пластичности частиц и основы путем лазерного нагрева. Было установлено, что метод ЛГДН пригоден для нанесения высокопрочных КММ покрытий, обладающих высоким качеством и представляющих высокий потенциал в области 3D-печати металлических изделий. Supersonic laser deposition (SLD) is a newly developed coating method which combines the supersonic powder jet found in cold spray (CS) with synchronous laser heating of the deposition zone. The addition of laser heat energy into CS enables a change in the thermodynamic state of impacting particles and substrate, thereby significantly lowering the critical deposition velocities required for effective coating formation and allowing the range of materials deposited to expand to higher strength materials which are of considerable engineering interest. This paper presents the ability of SLD technique to deposit hard metal matrix composite (MMC) coatings, such as WC/SS316L. The focus of this research is on the comparison between composite coatings produced with conventional CS and those produced with SLD. The microstructure evolution, mechanical deformation mechanisms, correlation between functional properties and process parameters were elaborated in detail. The experimental results show that with the assistance of laser irradiation, WC/SS316L composite coatings can be successfully deposited using SLD. The obtained coatings are superior to that processed with CS, because SLD can improve the deposition efficiency, coating density, interface bonding as compared to CS due to the softening of particle and substrate by laser irradiation. It can be found that SLD is capable of depositing high strength MMC coatings with good quality, thus exhibiting great potential in the field of metal 3D printing. 2016 Article Микроструктура и износостойкость композитных WC/SS316L покрытий, полученных методом газодинамического напыления с применением лазерного нагрева / Бо Ли, Чжихонг Ли, Лиджинг Янг, Джинхуа Яо // Автоматическая сварка. — 2016. — № 8 (755). — С. 35-42. — Бібліогр.: 13 назв. — рос. 0005-111X DOI: https://doi.org/10.15407/as2016.08.06 http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/146907 621.791.927.2:621.375.826 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 Бо Ли Чжихонг Ли Лиджинг Янг Джинхуа Яо Микроструктура и износостойкость композитных WC/SS316L покрытий, полученных методом газодинамического напыления с применением лазерного нагрева Автоматическая сварка
description	Метод газодинамического напыления с применением лазерного нагрева (ЛГДН ) является новым разработанным методом напыления покрытий, который объединяет сверхзвуковую порошковую струю, формируемую путем газодинамического напыления, с синхронным лазерным нагревом зоны формирования покрытия (ЛГДН ). Добавка тепловой энергии лазера в процесс газодинамического напыления вносит изменение в термодинамическое состояние напыляемых частиц и подложки, значительно снижая таким путем критические скорости напыляемых частиц, необходимые для эффективного формирования покрытия, что позволяет расширить перечень материалов, напыляемых способом ГДН. В работе, изложенной в этой статье, представлена возможность применения техники ЛГДН для нанесения композитных покрытий с металлической матрицей (КММ), таких как WC/SS316L. Цель этого исследования состоит в сравнении композитных покрытий, полученных методами обычного ГДН и ЛГДН. Формирование структуры, механизмы механической деформации, связь между функциональными свойствами были рассмотрены детально. Результаты экспериментов показали превосходство ЛГДН в сравнении с ГДН, поскольку в этом случае возможно повысить степень использования напыляемого материала, плотность покрытия, его когезионную прочность благодаря повышению пластичности частиц и основы путем лазерного нагрева. Было установлено, что метод ЛГДН пригоден для нанесения высокопрочных КММ покрытий, обладающих высоким качеством и представляющих высокий потенциал в области 3D-печати металлических изделий.
format	Article
author	Бо Ли Чжихонг Ли Лиджинг Янг Джинхуа Яо
author_facet	Бо Ли Чжихонг Ли Лиджинг Янг Джинхуа Яо
author_sort	Бо Ли
title	Микроструктура и износостойкость композитных WC/SS316L покрытий, полученных методом газодинамического напыления с применением лазерного нагрева
title_short	Микроструктура и износостойкость композитных WC/SS316L покрытий, полученных методом газодинамического напыления с применением лазерного нагрева
title_full	Микроструктура и износостойкость композитных WC/SS316L покрытий, полученных методом газодинамического напыления с применением лазерного нагрева
title_fullStr	Микроструктура и износостойкость композитных WC/SS316L покрытий, полученных методом газодинамического напыления с применением лазерного нагрева
title_full_unstemmed	Микроструктура и износостойкость композитных WC/SS316L покрытий, полученных методом газодинамического напыления с применением лазерного нагрева
title_sort	микроструктура и износостойкость композитных wc/ss316l покрытий, полученных методом газодинамического напыления с применением лазерного нагрева
publisher	Інститут електрозварювання ім. Є.О. Патона НАН України
publishDate	2016
topic_facet	Научно-технический раздел
url	http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/146907
citation_txt	Микроструктура и износостойкость композитных WC/SS316L покрытий, полученных методом газодинамического напыления с применением лазерного нагрева / Бо Ли, Чжихонг Ли, Лиджинг Янг, Джинхуа Яо // Автоматическая сварка. — 2016. — № 8 (755). — С. 35-42. — Бібліогр.: 13 назв. — рос.
series	Автоматическая сварка
work_keys_str_mv	AT boli mikrostrukturaiiznosostojkostʹkompozitnyhwcss316lpokrytijpolučennyhmetodomgazodinamičeskogonapyleniâsprimeneniemlazernogonagreva AT čžihongli mikrostrukturaiiznosostojkostʹkompozitnyhwcss316lpokrytijpolučennyhmetodomgazodinamičeskogonapyleniâsprimeneniemlazernogonagreva AT lidžingâng mikrostrukturaiiznosostojkostʹkompozitnyhwcss316lpokrytijpolučennyhmetodomgazodinamičeskogonapyleniâsprimeneniemlazernogonagreva AT džinhuaâo mikrostrukturaiiznosostojkostʹkompozitnyhwcss316lpokrytijpolučennyhmetodomgazodinamičeskogonapyleniâsprimeneniemlazernogonagreva
first_indexed	2025-07-11T00:53:02Z
last_indexed	2025-07-11T00:53:02Z
_version_	1837309842430099456
fulltext	У О Т З 35ISS 0005 111 ВТО Т В , 755 , 01 удК 621.791.927.2:621.375.826 МИКРОстРуКтуРа И ИзнОсОстОйКОстЬ КОМПОзИтных WC/SS316L ПОКРытИй, ПОлучЕнных МЕтОдОМ газОдИнаМИчЕсКОгО наПылЕнИя с ПРИМЕнЕнИЕМ лазЕРнОгО нагРЕва* 1,2БО ЛИ, ЧЖИХОНГ ЛИ, 1,2ЛИДЖИНГ ЯНГ, 1,2ДЖИНХУА ЯО 1Центр исследования технологий лазерной обработки и техники, чжэцзянcкий технологический университет. чаованг Роад, 18, ханчжоу, 310014, КнР 2Инновационный центр передового лазерного оборудования провинции чжэцзян. чаованг Роад, 18, ханчжоу, 310014, КнР. E-mail: laser@zjut.edu.cn Метод газодинамического напыления с применением лазерного нагрева (лгдн) является новым разработанным методом напыления покрытий, который объединяет сверхзвуковую порошковую струю, формируемую путем газодинамического напыления, с синхронным лазерным нагревом зоны формирования покрытия (лгдн). добавка тепловой энергии лазера в процесс газодинамического напыления вносит изменение в термодинамическое состояние напыляемых частиц и подложки, значительно снижая таким путем критические скорости напыляемых частиц, необходимые для эффективного формирования покрытия, что позволяет расширить перечень материалов, напыляемых способом гдн. в работе, изло- женной в этой статье, представлена возможность применения техники лгдн для нанесения композитных покрытий с металлической матрицей (КММ), таких как WC/SS316L. Цель этого исследования состоит в сравнении композитных покрытий, полученных методами обычного гдн и лгдн. формирование структуры, механизмы механической дефор- мации, связь между функциональными свойствами были рассмотрены детально. Результаты экспериментов показали превосходство лгдн в сравнении с гдн, поскольку в этом случае возможно повысить степень использования напыля- емого материала, плотность покрытия, его когезионную прочность благодаря повышению пластичности частиц и основы путем лазерного нагрева. было установлено, что метод лгдн пригоден для нанесения высокопрочных КММ покрытий, обладающих высоким качеством и представляющих высокий потенциал в области 3D-печати металлических изделий. библиогр. 13, табл. 1, рис. 8. К л ю ч е в ы е с л о в а : газодинамическое напыление, лазерный нагрев, композитное покрытие с металлической ма- трицей, микроструктура, состав, износостойкость газодинамическое напыление (гдн) — это быстро- развивающаяся технология нанесения покрытий, в которой мелкие частицы порошка в твердом со- стоянии наносятся на подложку посредством высо- коскоростного удара при температуре ниже точки плавления порошка [1–3]. в процессе гдн мелкие частицы порошка (5...50 мкм) разгоняются до боль- шой скорости в сверхзвуковой газовой струе и затем ударяются о подложку или об уже нанесенный слой для формирования покрытия. Основным преимуще- ством гдн является низкое количество подводимого тепла по сравнению с традиционными способами нанесения высокотемпературных покрытий, такими как газотермическое напыление и лазерная наплав- ка. Единственным тепловложением в процессе гдн является оптимальный нагрев газа, который может использоваться для увеличения локальной скорости рабочего газа, ускоряющей напыляемые частицы. в результате минимизируется, или устраняется, не- гативное воздействие высокотемпературного окис- ления, испарения, расплавления, кристаллизации, остаточных напряжений, отслоений, газовыделений и других проблем, характерных для традиционных способов газотермического напыления и лазерной наплавки. устранение вредного воздействия высокой тем- пературы на покрытие и подложку открывает зна- чительные преимущества и новые возможности, что делает газодинамическое напыление много- обещающим для многих промышленных приме- нений. Однако для получения высоких скоростей частиц, которые необходимы для успешного на- несения покрытия методом гдн, часто в качестве рабочего газа используют гелий, который является дорогим и дефицитным. более того, для подогре- ва рабочего газа до температуры 900 °с с целью увеличения скорости его и частиц часто исполь- зуют газонагреватель. необходимость использо- вания горячего гелия приводит к высоким про- изводственным расходам, которые появляются в © бо ли, чжихонг ли, лиджинг янг, джинхуа яо, 2016 * По материалам доклада, представленного на VII Международной конференции «лазерные технологии в сварке и обработ- ке поверхностей», 14–18 сентября 2015, Одесса, украина. У О Т З 36 ISS 0005 111 ВТО Т В , 755 , 01 результате потребления энергии на нагрев газа и высокой цене на сам газ. Кроме того, нанесение покрытий из твердых материалов с высокой проч- ностью сцепления и плотностью при помощи гдн является сложной задачей. Очевидно, что разработка процесса, в котором можно было бы сохранить механизм нанесения без расплавления, типичный для газодинамиче- ского напыления, но сократить затраты и улуч- шить функциональность покрытия, была бы яв- ным прогрессом. у. О’нилом и др. был предложен процесс, который комбинирует газодинамическое напыление с лазерным нагревом (лгдн) [4–6]. в лгдн лазер используется для нагрева зоны нане- сения гдн с целью повышения пластичности как подложки, так и частиц порошка, позволяя ча- стицам деформироваться и формировать покры- тие при скоростях вполовину меньше, чем гдн. Исключение необходимости в высоких скоростях удара частиц позволяет использовать холодный или слегка подогретый азот вместо гелия с высо- кой температурой в качестве рабочего газа, таким образом сокращая величину производственных расходов более чем на порядок. более того, спо- соб лгдн значительно расширяет диапазон ма- териалов частиц и подложек, которые могут быть использованы благодаря снижению критической скорости напыляемых частиц. лгдн использова- ли для нанесения покрытий из разнообразных ма- териалов, таких как сu, Ti, Stellite 6, Ni60, сплавы Al–Cu и Al–Si и т. д. [7–12]. Композиты с металлической матрицей (КММ), которые, как правило, состоят из твердых упроч- няющих неметаллических материалов и метал- лической матрицы, относятся к полезному клас- су материалов для нанесения покрытий, которые обладают такими физическими свойствами, как плотность, тепло/электропроводность вместе с механическими свойствами, такими как проч- ность и износостойкость. на данный момент ла- зерная наплавка, газотермическое напыление и газодинамическое напыление являются наиболее широко распространенными способами созда- ния покрытий КММ. высокая температура, ха- рактерная для лазерной наплавки и газотермиче- ского напыления, может привести к пористости, микротрещинам, растворению, фазовым измене- ниям, высоким термическим напряжениям и т. д. Основной проблемой покрытий КММ, получен- ных газодинамическим напылением, является прочность сцепления, поскольку в качестве метал- лической матрицы часто выступают мягкие мате- риалы, такие как Al, Cu, Ni, что приводит к сла- бым силам связи между металлической матрицей и упрочняющими частицами. в результате упроч- няющие частицы склонны к выкрашиванию из по- крытия в условиях реального применения, что мо- жет ухудшить рабочие характеристики покрытия. Исходя из характеристик лгдн возможно на- несение при помощи этого способа покрытий из твердых материалов при более низкой скорости удара с получением высокой плотности покрытия и его когезионной прочности. вместе с тем вред- ные черты способов получения высокотемпера- турных покрытий могут быть эффективно устра- нены благодаря относительно низкой температуре нанесения, характерной для лгдн. на данный мо- мент большинство исследований, посвященных методике лгдн, сфокусированы на покрытиях из одного материала и редко включают покрытия КММ. Поэтому в данном исследовании в качестве процесса для нанесения композитного покрытия из нержавеющей стали, упрочненной карбидом вольфрама (WC/SS316L), на подложку из углеро- дистой стали выбрали лгдн для того, чтобы по- казать возможность использования этого способа при создании покрытий из композитов с твердой металлической матрицей. для сравнения компо- зитные покрытия были получены также при по- мощи газодинамического напыления при тех же условиях, но без применения лазерного нагрева. Микроструктуру, химический состав, когезион- ную прочность, плотность покрытия и износо- стойкость композитных покрытий исследовали при помощи растровой электронной микроскопии (РЭМ), оптической микроскопии (ОМ), рентгено- структурного анализа (Рс) и «pin-on-disc» маши- ны для испытаний на износ. Экспериментальная часть. Сырьевые мате- риалы. в качестве сырьевого материала использо- вали промышленный порошок нержавеющей ста- ли (SS316L) и порошок карбида вольфрама (WC) в состоянии поставки. частицы порошков SS316L и WC имеют сферическую неправильную форму, как показано на рис. 1. Композитный порошок, состоящий из 30 об. % WC и 70 об. % SS316L, подвергали механическому измельчению в цилин- дре, вращающемся со скоростью 200 оборотов в минуту на протяжении двух часов. Процесс раз- мола в шаровой мельнице использовали для по- лучения однородно перемешанного композитного порошка, пригодного для нанесения композит- ных покрытий с однородно распределенными упрочняющими частицами. Материалом подлож- ки была углеродистая сталь, а образцы подлож- ки имели размер 100×60×10 мм. Перед процессом нанесения поверхность подложки подвергали пе- скоструйной обработке и ультразвуковой очистке в спирте. Схема ЛГДН и процесса нанесения покрытия. Принципиальная схема системы лгдн, использу- емой в этом исследовании, представлена на рис. 2, У О Т З 37ISS 0005 111 ВТО Т В , 755 , 01 а. газ высокого давления подавали в сужающе- еся сопло двумя способами: один через газовый нагреватель, другой через порошковый питатель, в котором находился порошок. струя порошка и струя газа высокого давления перемешивались и проходили через сопло, где частицы ускорялись до сверхзвуковой скорости. частицы, обладающие высокой скоростью, сталкивались с подложкой в области, которая синхронно нагревалась при по- мощи диодного лазера (Laserline LDF 400-1000, германия) с длиной волны 960...980 нм и макси- мальной мощности 4квт. для фокусировки лазера на поверхность подложки с диаметром лазерного пятна 5 мм были использованы комбинированные линзы. высокоскоростной инфракрасный пиро- метр использовали для температурных измере- ний в реальном времени и контроля температуры зоны нанесения (далее указываемая как «темпера- тура нанесения») в процессе лгдн. данные пи- рометра подаются через замкнутую систему об- ратной связи, которая меняет лазерную мощность необходимым образом для поддержания задан- ной температуры. сопло, лазерная головка и пи- рометр были смонтированы с роботом (STAUBLI TX 90, Швейцария). напыляющее сопло распо- лагалось перпендикулярно основанию подложки. лазерный пучок был направлен под углом 30° к нормали поверхности. лазерная энергия и рас- пределение мощности схематически представле- ны на рис. 2, б. в процессе нанесения подложка была неподвижной, а сопло, лазерная головка и пирометр двигались и контролировались роботом. азот выступал в качестве рабочего газа. значения оптимальных технологических параметров, за ис- ключением температуры, поддерживали постоян- ными: давление газа 2,5 МПа; скорость передви- жения лазера 30 мм/с; скорость подачи порошка 40 г/мин; дистанция напыления 30 мм. Характеристика покрытия. Образцы покры- тия для проведения традиционных процедур ме- таллографических исследований вырезали из поперечного сечения перпендикулярно поверх- ности покрытия при помощи электроэрозионной проволочной резки. для травления использовали водный раствор, состоящий из 45 мл HCl, 15 мл HNO3 и 20 мл метанола. анализ микрострукту- ры покрытия и межфазного сцепления был про- веден с использованием изображений в отражен- ных электронах на ESM (SIGMA HV-01-043, Carl Zeiss) и оптическом микроскопе (OM, Axio Scope, Zeiss). Изображения электронного растрового ми- кроскопа по сигналам вторичной электронной эмиссии были выполнены для максимизации кон- траста между частицами WC и матрицей из не- ржавеющей стали. фазовый состав композитных покрытий изучали при помощи рентгеновского дифрактометра (XRD, D8 Advance, Brucker) с сuKα-излучением (45 кв, 40 ма, скорость скани- рования 0,02 град/с. Испытание на износ по схе- ме «штифт–диск» выполняли на композитных по- крытиях при комнатной температуре в условиях сухой смазки. в качестве штифта применяли кера- мический Si3N4 шарик диаметром 4 мм, который Рис. 1. Микроструктуры исходного сырья: а — SS316L; б — WC Рис. 2. схематические изображения системы лгдн (а) и рас- пространения лазерной энергии и порошка в процессе лгдн (б) У О Т З 38 ISS 0005 111 ВТО Т В , 755 , 01 имеет твердость HV 2200 (HRC 90). в качестве диска использовали образец для испытаний, ко- торый отполировали, очистили в ультразвуковой ванне и в конце высушили. Испытания проводи- ли при нормальной нагрузке 500 г со скоростью вращения образца между контактными поверхно- стями 500 оборотов в минуту, продолжительность скольжения 60 мин. Результаты и обсуждение. Эффективность нанесения. Эффективность нанесения (Эн) ком- позитных покрытий WC/SS316L при различной температуре сравнивали по толщине слоя покры- тия. на рис. 3 показаны изображения, полученные ОМ. Как можно видеть, центральные отметки вы- соты нанесенных покрытий постепенно увеличи- ваются с повышением температуры. Пик высоты покрытия WC/SS316L, нанесенного без помощи лазера, составляет 734,04 мкм, тогда как его рост на 43 % (до 1050,91 мкм) наблюдается при дости- жении температуры нанесения 800 °с, что дает возможность повышения Эн путем увеличения температуры нанесения. улучшение Эн может быть отнесено за счет снижения критической скорости нанесения из-за повышения пластичности напыляемых частиц ла- зерным излучением. Одним из наиболее важных параметров процесса гдн является критическая скорость напыления. для каждого определенного материала существует критическая скорость на- пыления, которая должна быть достигнута. толь- ко частицы, скорость которых превысила это зна- чение, могут быть эффективно нанесены, что, в свою очередь, позволяет получить желаемое по- крытие. И наоборот, частицы, которые не достиг- ли этого порога скорости, производят эрозию подложки. теоретическое моделирование крити- ческой скорости напыления (vcr, м/с), предложен- ное х. Aссади и др., может быть выражено следу- ющей формулой [13]: vcr = 667 – 14ρ + 0,08Tm + 0,1σu – 0,4Ti, где ρ — плотность материала, г/см3; Tm — температура плавления, °с; σu — предел прочности, МПа; Тi — на- чальная температура частицы, °с. согласно формуле, предварительный нагрев частицы приведет к снижению критической скорости напыления, поскольку при росте температуры Тi, предел прочности материала снижается. Как увеличение Тi, так и уменьше- ние σu будут способствовать снижению vcr. в данном исследовании напыляющее сопло располагалось перпендикулярно поверхности под- ложки, а лазерный пучок находился под углом 30° к нормали поверхности (рис. 2, б). струя порош- ка и лазерный пучок частично пересекались друг с другом. хотя напыляемые частицы двигались с высокой скоростью и имели ограниченное время для воздействия лазера, предполагается, что они будут достаточно нагреты лазером в полете до мо- мента столкновения с подложкой благодаря высо- кой плотности мощности лазера и малому размеру частицы, что может снизить их критическую ско- рость. в результате, доля частиц, превышающих эту скорость, будет увеличиваться, что приведет к улучшению Эн (рис. 3). Рис. 3. сравнение толщины покрытий, полученных при различной температуре нанесения: а — комнатная температура; б — 400; в — 600; г — 800 °с У О Т З 39ISS 0005 111 ВТО Т В , 755 , 01 Распределение и содержание упрочняющих ча- стиц в композитных покрытиях. на рис. 4 вид- но, что частицы WC равномерно распределены во всех образцах покрытия. Поэтому в каждом образ- це наугад выбирали одну область и рассчитыва- ли долю участка частиц WC в этих выделенных областях при помощи специального программно- го обеспечения для оценки зависимости содержа- ния WC от температуры нанесения. Результаты расчетов представлены на рис. 4. Показано, что доля участков, состоящих из частиц WC в покры- тии, полученном гдн, составляет около 22,55 % и она немного увеличивается до 24,42 % при по- вышении температуры нанесения до 400 °с. При дальнейшем увеличении до 600 °с доля участков частиц WC значительно возрастает — до 28,55 %. Покрытие, нанесенное при 800 °с, имеет долю площади частиц WC около 29,29 %, что очень близко к объемной концентрации (30 %) частиц WC в исходном композитном порошке. Это ука- зывает на то, что лазерный нагрев способствует эффективному нанесению частиц WC в композит- ных покрытиях. Покрытия из КММ, таких как Al/AlN, Ni/ Al2O3, Cu/Al2O3 и т. д., полученные гдн, состо- ят в основном из чистой металлической матрицы и керамических упрочняющих частиц, в процес- се гдн упрочняющие частицы не могут деформи- роваться из-за высокой твердости и они должны быть внедрены в деформируемую металличе- скую матрицу, чтобы сформировать композитное покрытие. таким образом, способность к пласти- ческой деформации металлической матрицы игра- ет решающую роль в формировании КММ по- крытий. в данном исследовании, без применения лазера или с небольшим лазерным нагревом, по- рошок SS316L не был достаточно пластичен для включения твердых частиц, что привело к относи- тельно низкому содержанию WC. в случае более сильного лазерного нагрева порошок SS316L лег- ко деформируется и благодаря своей значительной пластичности способен захватывать частицы WC, что приводит к высокой их концентрации (рис. 4). Плотность покрытия. согласно предыдущим результатам можно было установить, что компо- зитные покрытия, нанесенные при 800 °с, имеют относительно высокую Эн и содержание частиц WC. Поэтому последующие сравнительные ис- следования в основном сфокусированы на данном образце и образце гдн. на рис. 5 представлено сравнение плотности покрытий этих двух образ- цов. Из рис. 5, а можно видеть, что в покрытиях гдн присутствует много пор и пустот, что указы- вает на плохую прочность сцепления между ча- стицами порошка и низкую плотность этого по- крытия. более того, в покрытии, полученном гдн, также можно наблюдать очевидные дырки, как по- казано на рис. 5, а. Появление таких дырок воз- можно из-за нарушения сцепления частиц WC и образования трещин. При применении лазерного Рис. 4. сравнение распределения и содержания WC в нанесенных покрытиях, полученных при различных температурах нане- сения: а — комнатная температура; б — 400; в –—600; г — 800 °с У О Т З 40 ISS 0005 111 ВТО Т В , 755 , 01 Рис. 7. Изменение коэффициента трения в зависимости от времени скольжения композитных покрытий WC/SS16L, по- лученных способами гдн (1) и лгдн (2) нагрева можно получить улучшенную плотность нанесенного покрытия. Пустоты и поры практи- чески не наблюдаются в полученном покрытии лгдн, также исчезают дыры. Эти результаты оз- начают, что лазерное излучение имеет положи- тельное влияние на плотность покрытия. М. брей и др. провели сравнение пористости покрытий Ti, полученных при помощи гдн, высокоскорост- ного газопламенного напыления (всгн) и лгдн [4]. Результаты показали, что уровень пористости покрытий гдн и всгн составлял 3,1 и 5,4 % со- ответственно, тогда как пористость у покрытия лгдн была всего около 0,5 % и это дает возмож- ность говорить, что плотность покрытий лгдн выше плотности покрытий гдн и всгн. Плохую плотность покрытия при гдн в ос- новном относят на счет ограниченной пластиче- ской деформации напыляемых частиц. в процессе лгдн синхронное лазерное излучение может эф- фективно пластифицировать напыляемые части- цы, что в свою очередь приведет к их достаточ- ной деформации. достаточно деформированные частицы соединяются друг с другом, образуя тес- ный контакт, обеспечивая таким образом высокую плотность покрытия. более того, из-за пластифи- кации металлической матрицы твердые частицы WC не будут разрушаться и выпадать из компо- зитного покрытия, поскольку они включены в ме- таллическую матрицу, что гарантирует отсутствие дырок в покрытии лгдн. Фазовый анализ. влияние лазерного нагрева на фазовый состав композитного покрытия WC/ SS316L проводили при помощи рентгенострук- турного анализа (Рс). Результаты Рс анализа ком- позитных покрытий, полученных гдн и лгдн, представлены на рис. 6. установлено, что образ- цы покрытий, полученных с применением лазер- ного нагрева и без него, имеют идентичный фа- зовый состав, который состоит из SS316L и WC, означая, что лгдн сохраняет механизм нанесе- ния в твердом состоянии как и гдн, несмотря на то, что процесс включает лазерный нагрев. в процессе лгдн лазерную мощность тщательно контролируют для того, чтобы только пластифи- цировать напыляемые частицы и подложку, а не расплавить их. частицы оставались твердыми во время полета и нанесения и подвергались лазер- ному излучению только в ограниченный период времени. таким образом, химический и фазовый состав в покрытиях во время процесса лгдн по сравнению с гдн не изменялись даже при работе с материалами с низкой температурой плавления, такими как сu и Al. в наших предыдущих иссле- дованиях было обнаружено, что окисление покры- тий, полученных лгдн, является обычным фак- том и его можно игнорировать при сравнении с медными покрытиями, полученными гдн [9]. От- носительно низкая температура нанесения в про- Рис. 5. сравнение плотности покрытия, полученного гдн (а) и лгдн (б) Рис. 6. Результаты рентгеноструктурного анализа композит- ных покрытий, выполненных гдн и лгдн У О Т З 41ISS 0005 111 ВТО Т В , 755 , 01 цессе лгдн может эффективно избежать высоких термических напряжений, окисления, фазовых пе- реходов и роста зерна в нанесенных покрытиях, что делает ее технологией нанесения покрытий, превосходящей газотермическое напыление и ла- зерную наплавку. Характеристики износостойкости. была за- регистрирована динамика величины коэффици- ента трения на испытуемых образцах в процессе трения и ее колебания во время испытания, что представлено на рис. 7. Показано, что коэффици- ент трения образца, полученного при лгдн, мень- ше и более стабильный, чем тоже у гдн образца. средний коэффициент трения образца, получен- ного лгдн, составляет около 0,65 после 60 мин скольжения, тогда как у гдн образца — около 0,8 при том же времени. для дальнейшего изучения характеристик износостойкости композитных покрытий WC/ SS316L изношенные поверхности испытанных об- разцов были исследованы при помощи РЭМ. Ре- зультаты представлены на рис. 8. в обоих случаях на изношенных поверхностях можно наблюдать две характерные области, темную и светлую. тем- ная область более обширна в покрытии, получен- ном гдн, чем в покрытии лгдн. в таблице пред- ставлены результаты анализа темной и светлой области в следе износа покрытий, полученных способами лгдн и гдн. Показано, что темные области 2 и 4 имеют высокое содержание кисло- рода, и, наоборот, его низкое содержание обнару- жено в светлых областях 1 и 3. Предполагается, что окисление происходило в то время, когда об- разцы покрытий подвергали испытаниям на износ при трении скольжением, а темные области — это остатки процесса окисления при испытаниях. чем больше остатков окисления в изношенной поверх- ности покрытия, полученного гдн покрытия, тем большее количество тепла трения было образова- но в ней при износе, что необходимо отнести на счет относительно высокого коэффициента тре- ния, как показано на рис. 7. По результатам испы- таний на износ можно резюмировать, что компо- зитные покрытия WC/SS316L, полученные лгдн, имеют лучшие характеристики износостойкости, чем покрытия, полученные гдн. Предполагается, что трение между контактными поверхностями было снижено за счет сопротивления абразивно- му истиранию твердых частиц WC неправильной формы. лучшие свойства износостойкости покры- тия WC/SS316L, полученного лгдн, являются результатом относительно высокого содержания WC частиц в составе покрытия и более высокой его когезионной прочности за счет межфазно- го сцепления между частицами WC и матрицей SS316L из-за благоприятного воздействия лазер- ного излучения. Выводы нанесение композитных покрытий WC/SS316L на углеродистую сталь было успешно выполнено в диапазоне температур при помощи способа лгдн, который комбинирует газодинамическое напыление с лазерным нагревом. Эффективность нанесения покрытий лгдн-способом с ростом температуры нанесения увеличивается благодаря снижению кри- тической скорости нанесения, что является результа- том повышения пластичности напыляемых частиц путем лазерного нагрева. содержание частиц WC и когезионная прочность покрытий также повыша- ются при увеличении температуры нанесения, что в свою очередь значительно улучшает характеристики износостойкости покрытия лгдн. введение лазер- ного излучения в гдн не приводит к изменениям в фазовом составе напыляемого покрытия в процессе лгдн благодаря относительно низкой температуре нанесения. Рис. 8. Изображения изношенных поверхностей композитных покрытий WC/SS16L, полученных гдн (а), и лгдн (б), полу- ченных с помощью РЭМ Результаты дисперсионной рентгеновской спектроме- трии изношенных поверхностей композитных покрытий WC/SS16L, полученных ГДН и ЛГДН номер участка O Si Cr Fe Ni W 1 11,68 1,49 12,95 57,05 7,76 9,07 2 39,38 8,76 5,87 24,55 3,53 17,91 3 7,32 3,63 3,71 12,8 2,5 70,04 4 36,36 10,65 5,44 23,42 4,27 19,86 У О Т З 42 ISS 0005 111 ВТО Т В , 755 , 01 1. Cold spray technology, Elsevier / A. Papyrin, V. Kosarev, S. Klinkov [et al.]. – 2007. – P. 1–32. 2. Champagne V. K. The cold spray materials deposition process. Fundamentals and applications / V. K. Champagneю – Woodhead publishing Limited. – 2007. – P. 11–41. 3. Maev R. G. Introduction to low pressure gas dynamic spray / R. G. Maev, V. Leshchynsky / Wiley-VCH, 2008, P. 1–10. 4. Bray M. The laser-assisted cold spray process and deposit characterization / M. Bray, A. Cockburn, W. O’Neill // Surface and Coating Technology. – 2011. – № 203. – P. 2851–2857. 5. High speed titanium coating by supersonic laser deposition / R. Lupoi, M. Sparkes, A. Cockburn [et al.] // Materials Letter. – 2011. – № 65. – P. 3205–3207. 6. Solid-state manufacturing of tungsten deposits onto molybdenum substrates with supersonic laser deposition / M. Jones, A. Cockburn, R. Lupoi [et al.] // Materials Letter. – 2014. – № 134. – P. 295–297. 7. Olakanmi E. O. Laser assisted cold-spray corrosion- and wear- resistant coatings: A review / E. O. Olakanmi, M. Doyoyo // Journal of Thermal Spray Technology. – 2014. – № 23. – 765–785. 8. Microstructural and mechanical evaluation of laser- assisted cold sprayed bio-ceramic coatings: potential use for biomedical applications / M. Tlotleng, E. Akinlabi, M. Shukla [et al.] // Journal of Thermal Spray Technology. – 2015. – № 24. – P. 423–435. 9. Beneficial effects of synchronous laser irradiation on the characteristics of cold-sprayed copper coatings / B. Li, L. J. Yang, Z. H. Li [et al.] // Journal of Thermal Spray Technology. – 2015. – № 24. – P. 836–847. 10. 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 [et al.] // Applied Surface Science. – 2015. – № 330. – P. 300–308. 11. Simulation analysis of Stellite 6 particle impact on steel substrate in supersonic laser deposition process / F. Luo, A. Cockburn, D. B. Cai [et al.] // Journal of Thermal Spray Technology. – 2015. – №24. – P. 378–393. 12. Performance comparison of Stellite 6 deposited on steel using supersonic laser deposition and laser cladding / F. Luo, A. Cockburn, R. Lupoi [et al.] // Surface and Coatings Technology. – 2012. – № 212. – P. 119–127. 13. Bonding mechanism in cold gas spray / H. Assadi, F. Gartner, H. Stoltenhoff [et al.] // Acta Materialia. – 2004. – № 51. – P. 4379–4394. Поступила в редакцию 06.12.2015 NEW BOOK Pogrebisky D. (2016) Welding of Metals: Classification, Brief History, Development, 380 pp., 250 pictures, a dozen tables, 205×290 mm, soft cover, Jerusalem, Israel. The book price is $175. In June, 2016 the former collaborator of Paton Welding Institute published in Jerusalem a new book. The book «Welding of Metals: Classification, Brief History, Development» gives a lot of information about metals welding processes, including not listed in American and European normative documents which author tries to lead to the complete match to each other. With the aim of international harmonization, a preliminary attempt was made to produce a unified classification of about 300 welding methods, basing on the abbreviations that are similar to adopted ones of the American Welding Society. At the same time the book author tried to build the impartial review of historical metals welding development against a background of general sciences and adjacent processes progress. Some comparative, economic and other considerations are given too — together with a rich illustrative material and large references. The book may be useful for different welding specialists, industrial engineers, designers of precision metal structures and various electro-mechanical devices as well as for students of relevant specialties. The main purpose of the book is to contribute to general picture of welding development. There are mentioned much more than 300 welding methods that were developed in the former Russia, USSR, in USA, England, Germany, France, Sweden, Japan, Finland, Austria, China, Australia, Brazil, Switzerland and many other countries. Orders for book please send to: POB 31445, Jerusalem 91313, Israel E-mail: davidpogrebis@gmail.com www.actualweld.com

Микроструктура и износостойкость композитных WC/SS316L покрытий, полученных методом газодинамического напыления с применением лазерного нагрева

Репозитарії

Схожі ресурси