Диссертация (Методики оптимизации процесса лазерного нанесения износостойких покрытий на валы газотурбинных установок), страница 6

Сплав Stellite6 хорошо изучен и успешно применяется для наплавки деталей запорнойарматуры [21], в частности на уплотнительные поверхности клапанов [23].Ввидусодержаниявкобальтовыхсплавахбольшогоколичествалегирующих элементов (>35%), наличия тугоплавких элементов и образованиясложных карбидов создание покрытий из этих сплавов сопровождается рядомтрудностей. Возникновение трещин в процессе наплавки, высокое содержаниеосновного материала детали в покрытии, неоднозначность поведения покрытийпри различных температурах из-за изменения атомной структуры кобальта - всеэтопоройперекрываетпреимуществакобальтовыхсплавовпередпроизводителем, поэтому необходимы глубокие исследования структурногоформирования покрытий из этих сплавов, а также исследований покрытий изкобальтовых сплавов в условиях, близких к реальным условиям эксплуатации33деталей.Использование лазерной газопорошковой наплавки позволит наноситьпокрытия из кобальтового сплава не только с сохранением свойств исходногонаносимого материала, но и улучшить его свойства за счет больших скоростейохлаждения, а также обеспечить гибкость процесса.На основании сочетания этих свойств стеллиты используют только длявысоконагруженных и ответственных деталей машин, так как стоимость ихвыше, чем других аналогов наплавочных материалов.

Для восстановлениявалов газотурбинных установок в наибольшей степени подходит именноматериал Stellite 6.В данной работе для нанесения покрытий был использован порошок изсплава Stellite 6 дисперсностью 60-75 мкм.Валы газотурбинных установок за рубежом изготавливают из стали AISI4340 (аналог этой стали в России сталь 40ХН2МА) [59, 60]. Данная сталь былаиспользована в качестве подложки при исследовании нанесения покрытийлазерным методом. Данная сталь является конструкционной низколегированнойсо средним содержанием углерода. Отличается высокой прочностью за счётналичия хрома и молибдена. После термической обработкив виде закалки иотпуска стальимеет высокие значения прочности на растяжение от 930 до 1080МПа.

Сталь AISI 4340 имеет значения и стойкость к ударным нагрузкам, атакже износостойкость и стойкость к истиранию. Сталь AISI 4340 имеетвысокую пластичность в отожженном состоянии, что позволяет осуществлятьпластическу деформацию в виде гибки или штамповки. Высокая усталостнаяустойчивость делает сталь AISI 4340 идеальной для применения в условияхвысокой нагрузки с сохранением прочности и твердости при высокойтемпературе. Сталь также обладает хорошей свариваемостью, что позволяеткачественно наносить на неё различные покрытия термическими методами,такими как дуговая наплавка, газотермическая наплавка, лазерная наплавка, опреимуществах которой было рассмотрено в 1 главе.

Сталь ASTM 4340 частоиспользуется для сильно нагруженных деталей, таких как валы, турбины и др.34Для отработки технологии нанесения покрытий лазерным методом былииспользованы образцы из стали ASTM 4340 толщиной 5,0 мм и размером100х100 мм.2.2. Экспериментальный стенд для нанесения покрытийЭксперименты по нанесению покрытий методом коаксиальной лазернойнаплавки проводили на специально созданном стенде [47].

Основнымиэлементами стенда являются:-промышленный робот АВВ IRB 2400;-волоконный лазер ЛС-4-К;-оптическая головка PrecitecYW50;-газовая панель.-питатель для подачи порошкаСтенд является автоматизированной системой, управляемой от ЧПУпромышленного робота. Использование промышленного робота позволяетнаносить покрытия на изделия сложной формы в различных пространственныхположения. Внешний вид робота с технологической головкой для наплавкипоказан на Рис. 2.1.Рис. 2.1.

Промышленный робот ABBIRB 2400 с технологической наплавочнойголовкой35Технические характеристики робота ABBIRB 2400 приведены в Таблице2.2.Таблица 2.2.Технические характеристики робота IRB 2400Рабочий диапазон, мм1850Количество осей6Повторяемость при позиционировании, мм0,04Повторяемость при отработке траектории, мм0,16Потребляемая мощность, кВт0,92Вес, кг280Лазерное излучение инициировалось современным волоконным лазероммарки ЛС-4. Внешний вид показан на Рис. 2.3.Рис. 2.3.

Волоконный лазер ЛС-4-КВолоконный лазер выбран по той причине, что он превосходит другиетипы лазеров практически по всем существенным параметрам, важным с точкизрения их промышленного использования. Волоконные лазеры благодаря своимпреимуществамзанимаютнаибольшийсекторрынкалазерного36промышленного оборудования. Портативность и возможность выбора длиныволныволоконных лазеров позволят реализовать новыеэффективныеприменения, недоступные для других типов ныне существующих лазеров.Многомодовые волоконные лазеры оказываются вне конкуренции длялазеной сварки, наплавки и резки.

Длина волны иттербиевого волоконноголазерасоставляет1,07мкм,чтообеспечиваетболееэффективноевзаимодействие излучения с металлами, чем излучения СО 2 лазеров (10,6 мкм).Достигнутое уникальное качество выходных пучков (для 10 кВт лазера BPP <4,5 мм х мрад) допускает использование длиннофокусных – до 2000 мм –оптических головок. Волоконные лазеры имеют наиболее высокие, до 45 %,значения КПД. Кроме этого, за счётвозможность доставки излучения погибкому оптическому световоду на большие расстояния без потери качества,существует возможность обрабатывать детали в различных пространственныхположениях в сочетании с роботом. Также данный тип лазера имеет открытуюсистему управления, что позволяет без особых проблем встраивать его впроизводственные линии, а также создавать технологические комплексы на егооснове.

Оптические характеристики лазера ЛС-4-К приведены в Таблице 2.3.Таблица 2.3.Оптические характеристики волоконного лазера ЛС-4-КРежим работыПоляризацияНепрерывный, свозможностьюмодуляцииСлучайнаяВыходная мощность, Вт4000Длина волны излучения, нм1070Частота модуляции выходной мощности, кГц5,0Качество выходного пучка, мм*мрад4,5Рабочим инструментом при лазерной обработке является оптическаяголовка. В данном стенде использовалась наплавочная головка фирмы PrecitecYC - 52 с фокусным расстоянием 300 мм. (Рис. 2.4). Данная головкахарактеризуется высокой стабильностью выходных оптических характеристик.37Рис.

2.4 – Наплавочная головка Precitec YC - 52Подача порошка к месту обработки осуществляется специальным сопломс системой шлангов и каналов, по которым порошок вместе с защитным газомаргоном попадает в зону переплава в месте с лазерным лучом. Внешний видсопла показан на Рис. 2.5.Рисунок 2.5. Сопло для подачи порошка соосно с лазерным лучомВ технологическую головку и сопло наплавочный порошок подаётсяпринудительно под давлением аргона из специального питателя.

Порошковыепитатели предназначены для точной дозированной подачи металлических,керамических, металлополимерных порошковых материалов с фракционным38составом от 5 до 200 мкм в лазерную наплавочную головку.Внешний видпитателя показан на Рис. 2.6.Рис. 2.6. Питатель для подачи порошка в наплавочную головкуКонструкция порошкового питателяпредставляет собой передвижнойбазовый блок, на котором размещается одна или несколько порошковых колб.Управляющее устройство и электрические приводы порошковых колбнаходятся внутри базового блока. Порошковая колба является независимыммодулем, который может быть установлена на различные виды базовых блоков.Конструкция колбы показана на Рис.

2.7.39Контейнер для подачипорошкаЭжекторный блокДиск для подачи порошкаРис. 2.7. Конструкция колбы для подачи порошкаПорошковую колбу можно условно разделить на две части: контейнердля порошка и диск подачи порошка. Конструкция контейнера обеспечиваетнисходящий поток порошка, и при этом предотвращается уплотнение порошкапод действием собственного веса. Форма контейнера также предотвращаетразделение порошка по фракционному составу или, в случае механическихпорошковых смесей, на порошки с разными плотностями. Вращение дискаподачи порошка способствует равномерному заполнению паза порошком и еготранспортированию к радиально противоположной стороне, где под действиемтранспортирующегогазапорошокизпазадискавсасываетсячерезинжекторный блок.

По антистатическим шлангам порошок доставляется внаплавочную головку.Точная сборка деталей способствует тому, что паз порошкового дискаполностью опустошается после того, как он проходит через инжекторный блокво время вращения диска. Подача порошка линейно пропорциональнаконтролируемой частоте вращениядиска подачи порошка, которая можетустанавливаться в пределах от 0 до 10 оборотов в минуту с шагом 0,1 оборотовв минуту.40В процессе работы порошкового питателя контейнер находится подизбыточным давлением от 3,5 бар до 15 бар.

Газ может выйти из бункератолько через эжекторный блок, а количество транспортирующего газа можетбыть использовано для регулировки скорости частиц порошка на выходе изпитателя.Порошковыепитателимогутбытьукомплектованыразличныминаборами колб для легкотекучих порошков, для плохо- и нетекучих порошков.Так же могут быть выбраны различные диапазоны подачи порошка в пределахот 0,1 г/мин до 300 г/мин с чрезвычайно высокой точностью, до 1% поотношению к максимальной скорости подачи.В колбах с объемомпорошкового контейнера 1,5 л и 5,0 л имеется миксер, который встроен вконтейнер и приводится в управляемое движение мотором, который установленнад контейнеромили в крышке контейнера.

Мешалка вращается впространстве между конусными поверхностями порошкового контейнера наопределенном расстоянии от распределителя, что помогает обеспечиватьнепрерывную подачу порошков, понижая влияние плохой текучести порошка.Мешалки для порошковых питателей бывают различных типов для работы спорошками различной текучести.2.3. Оборудование и методики для исследования микроструктурыДля исследования микроструктуры и определения геометрическихпараметров полученных покрытий изготавливали образцы с наплавкой одноговалика на различных оптимизированных режимах.На этих пластинах проводили внешний осмотр для выявления наружныхдефектов типа трещин, пор, включений, несплавлений и так далее.

Для этойцели использовали инструментальный микроскоп с увеличением х4 - х7.Внешним осмотром на валиках, полученных на оптимальных режимах,указанных дефектов не обнаружено.Пластина из сталиAISI 4340 с валиками, наплавленнымиметодом порошка из сплава Stellite 6, показана на Рис. 2.8.лазерным41Рис. 2.8. Образец с наплавленными валиками лазерным методом длямикроструктурных исследованийДля проведения обмера геометрических параметров сечения валиковпластину разрезали в поперечном направлении на отрезном станке Discotom 50, внешний вид которого показан на Рис. 2.9.Рис. 2.9.