Диссертация (Методики оптимизации процесса лазерного нанесения износостойких покрытий на валы газотурбинных установок), страница 8

Такая схема испытания основана на моделиГерца, предложенной им для учета взаимной упругой деформации двухтвердых шаров при их сжатии, которая в случае взаимодействия двух сферконечногоибесконечногополусфера–плоскость.радиусаописываетмеханическийконтакт50Обычно при таких испытаниях образец имеет форму диска или пластины,а контртело изготавливают из сертифицированного материала в виде шарика.Этот подход удобен для испытания образцов плоских функциональныхповерхностей в паре с шариком известного диаметра из известного материала.Сертифицированный шарик может быть использован многократно, достаточнолишь повернуть его, чтобы получить идеальную полусферу известного радиуса.Для обеспечения одинаковых условий эксперимента достаточно установитьновый плоский образец и повернуть шарик, смещая изношенное место изконтактного положения.Данные испытания соответствуют международным стандартам (ASTMG99-05(2010), ASTM G133-05(2010), DIN50324) и могут быть использованы дляоценки износостойкости образца и контртела.

Непосредственно в процессеиспытаний определяют коэффициент трения трущейся пары, который равенотношению измеренной силы трения к усилию прижима. Износостойкостьоценивают по результатам наблюдений за бороздкой износа (на образце) ипятном износа (на контртеле-шарике). Образец после испытаний показан наРис. 2.19.Рис. 2.19. Образец после испытаний на машине тренияКоличественно потерю объема при изнашивании определяют последующей формуле:ΔVобр = S · L,где L есть длина бороздки, S есть площадь сечения бороздки износа.( 2.2)51Измерение ширины бороздок износа проводят при наблюдении воптический микроскоп. Площадь вертикального сечения S бороздки износаизмеряют с помощью профилометра HOMMEL-ETAMIC T8000, показанного наРис.

2.20. Приведенный износ I (величина, обратная износостойкости)рассчитывают, используя нормировку потери объема при испытании ΔV навеличины пробега N (в м) и приложенной нагрузки P (в Н) по формуле:I = ΔV/(N·P)(2.3)Рис. 2.20.Профилометр HOMMEL-ETAMIC T8000 для определения шероховатостиповерхности и профиля следов износаИзнос образца и контртела, нормированный по пути пробега и нагрузке,позволяет сравнение трибологических испытаний, проведенных при разныхусловиях.Таким образом, комплексное трибологическое исследование включаетзапись значений коэффициента трения при испытании по схеме неподвижныйстержень – вращаемый диск, а также фрактографическое исследование, в томчисле измерение площади сечения бороздки износа и пятна износа, порезультатам которого проводят расчет износа образца и контртела.Исследованиепрофиляповерхностипрофилометре HOMMEL-ETAMIC T8000.образцовпроводилисьна52Глава 3.

МЕТОДИКА ОПТИМИЗАЦИИ ФОРМЫ И ГЕОМЕТРИИ СОПЛАДЛЯ ПОДАЧИ ПОРОШКА ПРИ ЛАЗЕРНОМ НАНЕСЕНИИ ПОКРЫТИЙ3.1. Характеристика процесса нанесения покрытий лазерным излучениемПолучение покрытий с применением лазерного излучения –это сложныйнаукоемкий процесс, сочетающий множество факторов. К ним относятся какфакторытехнологическогохарактера,такособенностиприменяемогооборудования и оснастки.Одним из определяющих факторов применения данной технологииявляется оптимизация геометрических размеров и конструкции сопла, черезкоторое подаётся порошок в зону обработки.В общем случае, существует несколько основных методов подачипорошкового материала в зону лазерного излучения [25, 62]:1. Подача порошка сбоку через трубку в центр или хвост ваннырасплава.2.

Многоструйная подача порошка по нескольким каналам.3. Непрерывная соосная с лазерным лучом коаксиальная подачапорошка. – создается газопорошковый конус,.Наиболее простой метод подачи порошка – боковая подача (Рис. 3.1).Этот метод может изпользоваться для того, что получить покрытия простойформы и, как правило, по линейной траектории не требовая высокое качествоповерхности. Метод имеет следующие недостатки: 1 - несимметричная схемаподачи порошка; 2 - сравнительно низкие показатели качества поверхности:пористость, неравномерность толщины слоя; 3 - возможность нанесения слоёвтолько по прямолинейной траектории; 4 - необходимо строе соблюдениеположение сопла относительно направления движения.53Рис. 3.1.Схема процесса с боковой подачей порошка:1 – деталь; 2 – сопло для подачи порошка; 3- направление подачи порошка; 4 –угол подачи порошка; 5 – дистанция подачи порошка; 6 – лазерный луч; 7 –величина расфокусировки; 8 – наплавленный валикМногоструйная подача порошка – развитый метод боковой подачи,который исключает недостатки классической боковой подачи благодаряосесимметричному расположению трубок относительно оси лазерного луча,что позволяет наносить покрытия по любой криволинейной траектории и влюбом пространственном положении.

Схема процесса показана на Рис. 3.2.Недостатоктакоготехнологическогорешения–низкийкоэффициентиспользования присадочного материала при создании покрытий с высокимитребованиями и, как следствие, малыми расходами порошка.123Рис. 3.2.Схема много многоструйной подачи порошка при лазерном нанесениипокрытий: 1- лазерный луч; 2- поток порошка; 3- подложка54Наиболее универсальный метод подачи порошковых материалов в зонулазерного воздействия – коаксиальная (соосная) подача порошка в видесфокусированного конуса на поверхности сварочной ванны [27, 30].

Схемапроцесса показана на Рис. 3.3. В этом случае, как правило, порошок подаетсячерез полость между двумя или тремя коническими поверхностями оснастки.Такаяконструкцияимеетчрезвычайностабильныехарактеристикигазопорошкового потока и позволяет с высоким коэффициентом использованияпорошкового материала наносить покрытия в любом пространственномположении. Оснастка позволяет получать покрытия с высокой плотностью,стабильной [31] толной и является осесиметричной, то есть нечувствительной кнаправлению движения при нанесении покрытия.123Рис.

3.3.Схема процесса коаксиальной подачи порошка при лазером нанесениипокрытий: 1- лазерный луч; 2 - поток порошка; 3 - сжимающий газПри коаксиальной подаче порошок транспортируется инертным газомчерез коническое коаксиальное сопло в зону обработки.коаксиальнойподачипорошковыхматериалов–этоСопла длятехнолгическоеприспособление, которое позволяет формирование стабильной газопорошковойструи с основными параметрами. При разных операциях используются сопла сразными формами: с большим углом при вершине, с острым углом привершине, с большим и с малым диаметром пятна луча в зоне лазернойобработки [26].55Параметры газового потока и порошка должны быть оптимизированы дляповышения эффективности процесса нанесения (обеспечение доставки частиц всоответствующее место поверхности, увеличение коэффициента использованияпорошковогоматериала).Оптимизацияосуществляетсясприменениемфизико–математических моделей, построением численных алгоритмов решениянестационарных задач механики сплошных сред и их экспериментальнойпроверкой [31].Особенностью коаксиальной подачи порошка является необходимостьсоздания специальных сопел, через которые подаётся порошок.

Каждыйпорошковый материал имеет ряд своих специфических параметров таких как:размер фракций, форму частиц, насыпную плотность порошкового материала ит.д. Все эти параметры определяют особенности геометрии сопла и влияют напараметры процесса нанесения покрытий. В связи с этим выбор типа сопла поднаиболее широкий круг решаемых задач и используемых материалов являетсяодной из задач оптимизации процесса получения качественных износостойкихпокрытий.К основным параметрам, связанным с применением тех или иных сопелдля коаксиальной подачи, относятся следующие:1.

угол при вершине конуса сопла;2. диаметр выходного отверстия сопла;3. расстояние от среза сопла до фокусного расстояния газопорошковогопотока.4. формируемый соплом диаметр перетяжки газопорошкового потока.Очевидно, для различных материалов все эти параметры будут несколькоотличаться, поэтому необходимо рассмотреть методику их выбора, для того,чтобы можно было воспользоваться ей в каждом конкретном случае.Параметрысоплаоказываютсущественноевлияниенавесьтехнологический процесс получения износостойких и других покрытий сиспользованием лазерного излучения.Так, расстояние между срезом сопла и обрабатываемой поверхностью56должно быть минимальным.

В этом случае можно добитьсявысокогокоэффициента использования порошкового материала. Диапазон возможныхрасстояний довольно широк и находится в диапазоне от от 8 до 20 мм [31] .Другой параметр, угол при вершине конуса, влияет как на времянахождения частиц порошка под лазерным лучом, так и на предельный уголнаклона технологической оснастки от нормали к поверхности детали впроцессе получения покрытия. При увеличении угла наклона возрастает времяпребывания порошка под излучением и уменьшается соударение частиц сизменением направления движения, что повышает использование порошка.Диаметр перетяжки газопорошковой струи зависит от фракционногосостава порошка, его расхода, от угла конуса при вершине и от расходов газа,как защитного, так и транспортирующего. Обычно при использованиикоаксиальной оснастки диаметр перетяжки варьируется от 0.5 до 3 мм.Схематично эти параметры показаны на Рис.

3.4, 3.5.Рис. 3.4. Параметры сопла коаксиальной лазерной наплавки: β – уголсхождения порошка, fp – расстояние от среза сопла допорошкового фокуса, dp – диаметр порошкового фокуса,l – расстояние от сопла до поверхности детали57Рис. 3.5. Зависимость диаметра потока в перетяжке от расхода порошкаОптимальные геометрические размеры сопла под данный материал внастоящее время определяют численным моделированием процесса истечениягазопорошковой струи через сопло.

Это позволяет сэкономить время иматериальные затраты, необходимые для изготовления и исследованиябольшого количества различных сопел. Все варианты можно проверить иисследовать на одном рабочем месте без использования металлов, газов,дорогостоящего порошкового материала.Для того, чтобы выбрать оптимальные размеры конуса сопла проводитсяматематическое моделирование движения частиц порошка в канале доповерхности наплавки [52]. Основной целью математического моделированияпредставляет собой проверка работоспособности конструкции сопла в процесселазерной наплавки в условиях реальных действующих факторов процесса иисследование влияния параметров на газопорошковый поток [52]. Физико–математическое описание процесса прямого лазерного нанесения материалавключает четыре задачи моделирования: газовую динамику течений защитного,несущего и сжимающего газа; транспортировку частиц порошка в зонуобработки; нагрев частиц в газовом потоке под действием лазерного излучения;динамическое тепловое взаимодействие потока частиц с подложкой иформирование валика и слоя.Технологический процесс нанесения покрытий лазерным излучением –сложный комплексный процесс, включающий совместное перемещение частиц58в среде газа и металлической подложки по требуемой траектории привоздействии на них лазерного луча.