Технология лазерного нанесения и свойства композитных покрытий на основе алюминия

Розроблено та випробувано склади та методи нанесення зносостійких покриттів за допомогою лазерного випромінювання на основі алюмінію зі зміцнюючими добавками. Досліджено властивости отриманих покриттів....

Повний опис

Збережено в:

Бібліографічні деталі
Дата:	2015
Автори:	Шатрава, А.П., Бондарь, Л.А., Козлова, З.Л.
Формат:	Стаття
Мова:	Russian
Опубліковано:	Фізико-технологічний інститут металів та сплавів НАН України 2015
Назва видання:	Металл и литье Украины
Теми:	Разработаны и опробованы составы и методы нанесения износостойких покрытий с помощью лазерного излучения на основе алюминия с упрочняющими добавками, исследованы свойства полученных покрытий.
Онлайн доступ:	http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/162726
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:	Технология лазерного нанесения и свойства композитных покрытий на основе алюминия / А.П. Шатрава, Л.А. Бондарь, З.Л. Козлова // Металл и литье Украины. — 2015. — № 4. — С. 30-34. — Бібліогр.: 12 назв. — рос.

Репозитарії

Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine

id	irk-123456789-162726
record_format	dspace
spelling	irk-123456789-1627262020-01-15T01:26:18Z Технология лазерного нанесения и свойства композитных покрытий на основе алюминия Шатрава, А.П. Бондарь, Л.А. Козлова, З.Л. Разработаны и опробованы составы и методы нанесения износостойких покрытий с помощью лазерного излучения на основе алюминия с упрочняющими добавками, исследованы свойства полученных покрытий. Розроблено та випробувано склади та методи нанесення зносостійких покриттів за допомогою лазерного випромінювання на основі алюмінію зі зміцнюючими добавками. Досліджено властивости отриманих покриттів. Developed and tested formulations and methods of hardfacing using laser radiation the aluminum base coatings with reinforcing additives, investigated the properties of the resulting coatings 2015 Article Технология лазерного нанесения и свойства композитных покрытий на основе алюминия / А.П. Шатрава, Л.А. Бондарь, З.Л. Козлова // Металл и литье Украины. — 2015. — № 4. — С. 30-34. — Бібліогр.: 12 назв. — рос. 2077-1304 http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/162726 621.375.826 ru Металл и литье Украины Фізико-технологічний інститут металів та сплавів НАН України
institution	Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
collection	DSpace DC
language	Russian
topic	Разработаны и опробованы составы и методы нанесения износостойких покрытий с помощью лазерного излучения на основе алюминия с упрочняющими добавками, исследованы свойства полученных покрытий. Разработаны и опробованы составы и методы нанесения износостойких покрытий с помощью лазерного излучения на основе алюминия с упрочняющими добавками, исследованы свойства полученных покрытий.
spellingShingle	Разработаны и опробованы составы и методы нанесения износостойких покрытий с помощью лазерного излучения на основе алюминия с упрочняющими добавками, исследованы свойства полученных покрытий. Разработаны и опробованы составы и методы нанесения износостойких покрытий с помощью лазерного излучения на основе алюминия с упрочняющими добавками, исследованы свойства полученных покрытий. Шатрава, А.П. Бондарь, Л.А. Козлова, З.Л. Технология лазерного нанесения и свойства композитных покрытий на основе алюминия Металл и литье Украины
description	Розроблено та випробувано склади та методи нанесення зносостійких покриттів за допомогою лазерного випромінювання на основі алюмінію зі зміцнюючими добавками. Досліджено властивости отриманих покриттів.
format	Article
author	Шатрава, А.П. Бондарь, Л.А. Козлова, З.Л.
author_facet	Шатрава, А.П. Бондарь, Л.А. Козлова, З.Л.
author_sort	Шатрава, А.П.
title	Технология лазерного нанесения и свойства композитных покрытий на основе алюминия
title_short	Технология лазерного нанесения и свойства композитных покрытий на основе алюминия
title_full	Технология лазерного нанесения и свойства композитных покрытий на основе алюминия
title_fullStr	Технология лазерного нанесения и свойства композитных покрытий на основе алюминия
title_full_unstemmed	Технология лазерного нанесения и свойства композитных покрытий на основе алюминия
title_sort	технология лазерного нанесения и свойства композитных покрытий на основе алюминия
publisher	Фізико-технологічний інститут металів та сплавів НАН України
publishDate	2015
topic_facet	Разработаны и опробованы составы и методы нанесения износостойких покрытий с помощью лазерного излучения на основе алюминия с упрочняющими добавками, исследованы свойства полученных покрытий.
url	http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/162726
citation_txt	Технология лазерного нанесения и свойства композитных покрытий на основе алюминия / А.П. Шатрава, Л.А. Бондарь, З.Л. Козлова // Металл и литье Украины. — 2015. — № 4. — С. 30-34. — Бібліогр.: 12 назв. — рос.
series	Металл и литье Украины
work_keys_str_mv	AT šatravaap tehnologiâlazernogonaneseniâisvojstvakompozitnyhpokrytijnaosnovealûminiâ AT bondarʹla tehnologiâlazernogonaneseniâisvojstvakompozitnyhpokrytijnaosnovealûminiâ AT kozlovazl tehnologiâlazernogonaneseniâisvojstvakompozitnyhpokrytijnaosnovealûminiâ
first_indexed	2025-07-14T15:15:08Z
last_indexed	2025-07-14T15:15:08Z
_version_	1837635846101008384
fulltext	30 МЕТАЛЛ И ЛИТЬЁ УКРАИНЫ № 4 (263) ’2015 шок дисперсностью 50 мкм из алюминиевого спла- ва марки А7, ГОСТ 11069-2001, который состоит из 99,7 %мас. алюминия, остальное – примеси кремния, железа, оксиды Al2O3 и другие в минимальном коли- честве – по сути этот сплав представлял собой тех- нически чистый алюминий. В состав наплавочных смесей входили упрочняю- щие добавки (порошки дисперсностью 50…100 мкм) из нержавеющей стали 9Х18 (ГОСТ 5632-72) и бы- строрежущей стали Р6М5 (ГОСТ 12265-73). Эти порошковые смеси определённых составов (таблица) наплавляли с помощью лазерного излуче- ния на подложки из стали 3пс (ГОСТ 380-88). Для каждого из составов изготовили по 5 образ- цов для исследования структурно-фазовых характе- ристик покрытий и определения их физико-механи- ческих свойств с учётом возможности статистической обработки результатов. Исходя из полученных ранее результатов [9], в качестве рабочих режимов нанесения покрытий выбраны: плотность мощности лазерного излу- чения Wp = 1,47…3,67 · 108 Вт/м2; скорость пере- мещения поверхности подложки V = 4,2…20 мм/с; диаметр пятна фокусировки лазерного излуче- ния dn = 1,5…3 мм; расход присадочного порош- ка Gn = 2,5…6,5 см3/мин) с гарантированными геометрическими параметрами покрытий (высота h ≈ 1,8 мм, ширина b ≈ 3 мм) по схеме (рис. 1). Эти же данные использовали для выбора оптимальных составов наплавочных порошков. Микроструктуру исследовали с помощью микро- скопа «МИМ-10». Для измерения микротвёрдости применяли микротвердомер «ПМТ-3М». Микрорент- геноспектральный анализ проводили на установке «CAMECA» с шагом измерений 4…11 мкм. Микроструктура, химический состав и свойства полученных покрытий. Покрытия представляют собой В ведение. Одним из эффективных методов повы- шения эксплуатационных характеристик рабочих (поверхностных) слоёв деталей, эксплуатирую- щихся в экстремальных условиях, является ла- зерная наплавка. Высокая производительность, воз- можность регулирования тепловых процессов, полу- чение покрытий толщиной от десятков микрометров до нескольких миллиметров, в том числе и на огра- ниченных участках деталей, обуславливают её вы- сокую универсальность, позволяющую получать по- крытия с широким спектром служебных свойств [1-3]. К настоящему времени, в качестве материалов для лазерной наплавки, разработан ряд порош- ков [4, 5], из которых наибольшее распространение получили сплавы на основе никеля (Ni-Cr-B-Si). На- плавочные покрытия из этих сплавов имеют высокие триботехнические свойства. Однако существующие наплавочные материалы обеспечивают твёрдость и износостойкость лишь об- рабатываемой детали и не влияют на работу пары трения. В то же время практически все детали рабо- тают в условиях контактных нагрузок и, при повыше- нии твёрдости одних – снижается эксплуатационная стойкость других. В этой связи является актуальным создание таких покрытий, которые обеспечивают наилучшие условия трения в машинах и механизмах. В научно-технических исследованиях последнего времени активно разрабатывается новый класс ма- териалов – алюминиды – интерметаллические соеди- нения железа, никеля, вольфрама и титана с алюми- нием. Эти материалы по своим свойствам не уступа- ют суперсплавам. У них низкая плотность, высокая стойкость к окислению, даже при температурах вы- ше 540 °С, хорошая свариваемость. Области возмож- ного применения – элементы конструкций паровых и газовых турбин, газо- и нефтепроводов, авиакосмиче- ской техники, автомобильных двигателей и др. [6-8]. Исходя из этого, нами, в качестве материалов для покрытий с целью повышения износостойких, анти- фрикционных, эрозионно-коррозионностойких и дру- гих свойств рабочих поверхностей деталей, выбраны сплавы и композиции на основе алюминия с различ- ными упрочняющими добавками. Материалы и методика эксперимента. В мате- риалах для покрытий как основу применяли поро- УДК 621.375.826 А. П. Шатрава, Л. А. Бондарь, З. Л. Козлова Физико-технологический институт металлов и сплавов НАН Украины, Киев Технология лазерного нанесения и свойства композитных покрытий на основе алюминия Разработаны и опробованы составы и методы нанесения износостойких покрытий с помощью лазерного излучения на основе алюминия с упрочняющими добавками, исследованы свойства полученных покрытий. Ключевые слова: алюминиевые сплавы, упрочняющие фазы, лазерное излучение, композиционные системы, методика исследований, оптимизация составов и параметров, распределение химических элементов Состав наплавочных материалов Состав порошка (объёмный) % Материал подложки А7 сталь 3псА7 + 30 % 9Х18 А7 + 30 % Р6М5 31МЕТАЛЛ И ЛИТЬЁ УКРАИНЫ № 4 (263) ’2015 Покрытия из сплава А7 с добавкой 30 % стали Р6М5 (рис. 2, в) имеют ещё более многообразный состав, так как в стали Р6М5 присутствует большое количество химических компонентов, способных уча- ствовать в различных соединениях. В микрострук- туре данных покрытий основой является всё тот же алюминиевый твёрдый раствор, алюминиево-крем- ниевая эвтектика (Аl+Si) и железо – содержащие фа- зы (α и b), однако также присутствуют карбиды воль- фрама и молибдена, образовавшиеся из химических элементов стали Р6М5. Эти и предыдущие данные соотносятся с результатами работ [11, 12]. Поскольку при лазерном нагреве происходило подплавление подложки, она становилась «источ- ником» насыщения алюминия железом и кремнием, что приводило к образованию в структуре покрытия вышеперечисленных упрочняющих фаз (рис. 2, а). Причём распределение микротвёрдости по глубине покрытия (рис. 3) показывает её стремительный рост (с увеличением количества упрочняющей фазы) в глубь покрытия вплоть до максимума (до 7500 МПа) в закалённом слое, который образуется на поверхно- сти подложки за счёт явления «самозакалки». При нанесении покрытий сплава А7 с добавкой 30 % стали 9Х18 на подложку из стали 3пс (рис. 4) происходило повышение микротвёрдости по глу- бине покрытия за счёт образования твёрдых рас- творов и повышения их количества по глубине по- крытий при взаимодействии алюминия, железа и добавок, входящих в состав стали 9Х18, в том чис- ле и в результате «влияния» подложки из Ст3пс на материал покрытий. При температуре 1300 ºС в этих сплавах на ос- нове соединения FeAl и хрома образуются тройные твёрдые растворы. Кроме того, хром, являясь моно- фазным вплоть до 1840 ºС, стабилизирует алло- тропические модификации железа, образуя с ними непрерывные ряды твёрдых растворов при темпе- ратурах 820…1400 ºС. Наиболее характерно обра- зование твёрдого раствора хрома с gFe при содер- жании хрома до 5 (ат.)%. Введение хрома в состав сплавов значительно увеличивает их твёрдость. По- этому структура этих покрытий представляет собой двойные и тройные твёрдые растворы с включением фаз: FeAl3, CrAl3 и карбидных. наплавочные слои, соединённые со стальной подлож- кой металлургической связью и состоящие из сплава А7 с упрочняющими добавками или без них (рис. 2). Основными структурными составляющими по- крытий из сплава А7 (рис. 2, а) являются дендри- ты алюминиевого твёрдого раствора, алюминиево- кремниевая эвтектика (Аl+Si) и железо – содержащие фазы (α-фаза AlSiFe и FeAl), что подтверждается данными в работе [10]. Покрытия из сплава А7 с добавкой стали 9Х18 (рис. 2, б) имеют многообразный состав, так как в ис- следуемой области между этими материалами при высоких температурах происходит активное взаи- модействие с образованием нескольких стабильных фаз и эвтектик на их основе. В узкой изучаемой об- ласти, при содержании алюминия до 67…69 (ат.) %, в интервале температур 1300…1160 ºС образуются взаимодействующие с алюминием и между собой следующие стабильные фазы: алюминиевый твёр- дый раствор, алюминиево-кремниевая эвтектика (Аl+Si) и железо – содержащие фазы (α-фаза AlSiFe и b-фаза FeSiAl). Кроме того ещё имеется хромсо- держащая фаза во включениях из стали. Схема лазерной газопорошковой наплавки с пода- чей присадочного порошка вслед движению луча Рис. 1. Микроструктура наплавочных слоёв сплава А7 на подложку из Ст3пс с упрочняющими добавками или без них: сплав А7(а); сплав А7 + 30 % сталь 9Х18 (б); сплав А7 + 30 % сталь Р6М5 (в); х500 Рис. 2. вба 32 МЕТАЛЛ И ЛИТЬЁ УКРАИНЫ № 4 (263) ’2015 Распределение микротвёрдости покрытий из сплава А7 на подложках из Ст3пс Распределение микротвёрдости покрытий из сплава А7 с 30%-добавками стали 9Х18 на подложках из Ст3пс Распределение микротвёрдости покрытий из сплава А7 с 30%-добавками стали Р6М5 на подложках из Ст3пс Рис. 3. Рис. 4. Рис. 5. При нанесении покрытий из сплава А7 с добавками из стали Р6М5 на подложки из Ст3пс (рис. 5) микротвёрдость растёт, но менее интенсивно, чем в предыдущем случае (см. рис. 4), хотя закономер- ности соблюдаются. В этой стали (Р6М5) при содержании железа до 78 %мас. присутствует большой на- бор легирующих элементов. Поэто- му в расплаве алюминия и железа из стали Р6М5 и материала под- ложки при их взаимодействии об- разуются многокомпонентные си- стемы, в которых образование фаз и твёрдых растворов замедляется. Присутствие в твёрдых раство- рах таких добавок как вольфрам, молибден, хром, никель, углерод повышает их твёрдость. Сплав же- леза с вольфрамом, молибденом, углеродом сохраняет твёрдость даже при нагревании. Кроме то- го, при высоких температурах в зоне лазерного воздействия (до 3000 ºС) образуются алюминиды металлов (о чём упоминалось ра- нее), которые также способствуют упрочнению структуры материала покрытий. При определении содержания химических элементов в иссле- дуемых покрытиях (микрорентге- носпектральный анализ), ширина изучаемой зоны (рис. 6) составля- ла 980 мкм. Как видно на рисунке при нанесении покрытий из спла- ва А7 (рис. 2, а) характер распре- деления легирующих элементов (кремния, железа) по глубине на- плавленного слоя практически не меняется. Все пики на кривой графика соответствуют образо- вавшимся фазовым выделениям в материале покрытия. При изучении покрытий из спла- ва А7 с добавкой порошка стали 9Х18 (см. рис. 2, б) ширина иссле- дуемой зоны (рис. 7) составляла 1100 мкм. В металле наплавленного слоя наблюдается химическая не- однородность по легирующим эле- ментам покрытия (хрома и железа), что характерно при их ликвации. Для покрытий из сплава А7 с добавкой порошка стали Р6М5 (рис. 2, в) ширина исследуемой зо- ны (рис. 8) составляла 1400 мкм, шаг – 14 мкм. В материале покрытия основа (алюминий) и легирующие элементы (железо, вольфрам, молибден, кремний) М ик ро тв ёр до ст ь, М П а Глубина, мм Глубина, мм Глубина, мм М ик ро тв ёр до ст ь, М П а М ик ро тв ёр до ст ь, М П а 33МЕТАЛЛ И ЛИТЬЁ УКРАИНЫ № 4 (263) ’2015 распределяются практически равномерно. По воль- фраму и молибдену в наплавочном слое наблюдается химическая неоднородность. Это объясняется тем, что указанные элементы являются в свою очередь легирующими для стали Р6М5, поэтому эти элементы находятся в материале покрытия в виде включений, что и обуславливает их химическую неоднородность. Все вышеуказанные процессы происходят в не- равновесных условиях лазерного нагрева и после- дующего быстрого охлаждения за счёт теплопро- водности образца. Поэтому данные покрытия пред- ставляют собой гетерогенные структуры из разных материалов, получить которые другими способами не представляется возможным. Распределение основных химических элементов по глубине покрытия из алюминия Распределение основных химических элементов по глубине покрытия из алюминия c добавками частиц стали 9Х18 Распределение основных химических элементов по глубине покрытия из алюминия с добавками стали Р6М5 Рис. 6. Рис. 7. Рис. 8. С од ер ж ан ие ж ел ез а, % м ас . С од ер ж ан ие к ре м ни я, % м ас . С од ер ж ан ие а лю м ин ия , % м ас . Глубина покрытия, мм Глубина покрытия, мм Глубина покрытия, мм Глубина покрытия, ммГлубина покрытия, мм С од ер ж ан ие ж ел ез а, % м ас . С од ер ж ан ие ж ел ез а, % м ас . С од ер ж ан ие к ре м ни я, % м ас . С од ер ж ан ие к ре м ни я, % м ас . С од ер ж ан ие в ол ьф ра м а, % м ас . С од ер ж ан ие м ол иб де на , % м ас . С од ер ж ан ие х ро м а, % м ас . С од ер ж ан ие а лю м ин ия , % м ас . С од ер ж ан ие а лю м ин ия , % м ас . 34 МЕТАЛЛ И ЛИТЬЁ УКРАИНЫ № 4 (263) ’2015 1. Коваленко В. С. Упрочнение и легирование деталей машин лучом лазера / В. С. Коваленко, Л. Ф. Головко. – К.: Техніка, 1990. – 191с. 2. Коваленко В. С. Лазерное легирование конструкционных материалов / В. С. Коваленко, В. И. Волгин // Технология и организация производства. – 1976. – № 7. – C. 60-62. 3. Неволин В. Н. Импульсное лазерное осаждение наноструктурированных композитных покрытий. І. Исследование структуры и свойств / В. Н. Неволин, В. Ю. Фоминский, А. Г. Гнедовец, Р. И. Романов //Физика и химия обработки ма- териалов. – 2009. – № 4. – С. 39-47. 4. Никифоров Л. В. Порошковые наплавочные материалы / Л. В. Никифоров. – Пенза. – 1993. – № 5. – С. 56-57. 5. Толочко Н. К. Закономерности формирования порошковых покрытий под действием лазерного излучения // Н. К. То- лочко, М. К. Аршинов, И. А. Ядройцев. – Перспективные материалы, 2004. – № 6. – С. 63-69. 6. Чернышова Т. А. Дисперсно-наполненные композиционные материалы на базе антифрикционного силумина для уз- лов трения скольжения / Т. А. Чернышова, Л. И. Кобелева, Т. В. Лемешева. – Перспективные материалы, 2004. – № 3. – С. 69-75. 7. Гаврилов В. Ю. Пористые композиты на основе оксид-алюминиевых керметов (синтез и свойства) / Монограф. под науч. ред. В. Ю. Гаврилова. – Новосибирск.: Гео. – 2004. – 205 с. 8. Трыков Ю. П. Слоистые композиты на основе алюминия и его сплавов / Ю. П. Трыков, Л. М. Гуревич, В. Г. Шморгунов – М.: Металлургиздат, 2004. – 230 с. 9. Шатрава А. П. Физико-механические харакеристики покрытий сталь-бронза, полученных с помощью лазерной на- плавки / А. П. Шатрава // Авт. сварка. – 2002. – № 5. – С. 60-61. 10. Банных О. А. Диаграммы состояния двойных и многокомпонентных систем на основе железа / О. А. Банных, М. Е. Дри- ца. – М.: Металлургия 1986. – 439 с. 11. Пригунова А. Г. Силумины: Атлас микроструктур и фрактограмм пром. сплавов: (Справочник) / А. Г. Пригунова и др.; Под ред. Ю. Н. Тарана, В. С. Золоторевского, М.: МИСИС 1996. – 174 с. 12. Мальцев М. В. Металлография промышленных цветных сплавов / М. В. Мальцев. – М.: Металлургия 1970. – 367 с. ЛИТЕРАТУРА Розроблено та випробувано склади та методи нанесення зносостійких покриттів за допомогою лазерного випромінювання на основі алюмінію зі зміцнюючими добавками. Досліджено властивости отриманих покриттів. Шатрава О. П., Бондарь Л. А., Козлова З. Л. Технологія лазерного нанесення та властивостей композитних покриттів на основі алюмінію Анотація Ключові слова алюмінієві сплави, зміцнюючі фази, лазерне випромінювання, композиційні системи, ме- тодика досліджень, оптимізація складу і параметрів, розподіл хімічних елементів Shatrava A., Bondar L., Kozlova L. Technology of laser surfacing and properties of composite coatings on aluminium-based Summary Developed and tested formulations and methods of hardfacing using laser radiation the aluminum base coatings with reinforcing additives, investigated the properties of the resulting coatings aluminum alloys, the hardening phase, laser radiation, the composition system, research meth- odology, optimizing the structure and parameters, distribution of chemacal elementsKeywords Поступила 06.04.2015 Выводы Выполненные исследования позволили опреде- лить оптимальный состав сплавов на основе алюми- ния и параметры лазерного излучения для нанесе- ния их на стальную подложку. Определены структурно-фазовые параметры, хи- мический состав и прочностные характеристики полу- ченных покрытий. Установили, что оптимальным со- ставом покрытий являются: основа (70 % Al) и упроч- няющие добавки (30 % - стальные гранулы). Показано, что композиты с упрочняющими добав- ками из сталей 9Х18 и Р6М5 в количестве 30 % от их массы существенно повышают твёрдость и проч- ность покрытий на основе алюминия. Полученные результаты могут применяться в тех- нологиях повышения эксплуатационных характери- стик рабочих поверхностей в различных деталях.

Технология лазерного нанесения и свойства композитных покрытий на основе алюминия

Репозитарії

Схожі ресурси