Спосіб формування зносостійких газотермічних покриттів термоциклуванням лазером

Спосіб формування зносостійких газотермічних покриттів термоциклуванням лазером, що включає лазерну обробку, який відрізняється тим, що обробку виконують без оплавлення тер Корисна модель належить до обробки матеріалів, зокрема для способів підвищення зносостійкості шляхом нанесення покриттів газотермiчними методами і може знайти застосування в машинобудуванні для підвищення стійкості деталей та інструменту, що знаходиться в умовах підвищеного тертя, високих температур та механічних навантажень. Способи формування зносостійких газотермічних покриттів термоциклуванням лазером розробленні на основі корисної моделі, можуть бути використанні для зміцнення поверхонь деталей вузлів тертя, а також для покращення їхніх триботехнічних властивостей. Суттєвим недоліком практично всіх газотермічних покриттів, у тому числі і плазмових є недостатня зносостійкість при високих навантаженнях, що зумовлено пористістю, підвищеною крихкістю і недостатньою міцністю зчеплення з основою. Зносостійкість газотермічних покриттів в значній мірі визначається міцністю зчеплення з основою та рівнем нерівноважного (метастабільного) стану їх ультрадисперсних фазових складових. Відомий спосіб лазерного модифікування попередньо напилених покриттів оплавленням [1], який включає оплавлення лазерним променем попередньо нанесеного газополуменевим напиленням Ni-Cr-B-Si - покриття в середовищі захисного газу при питомій потужності лазерного ви промінювання до 10 Вт/см. Оплавлення всієї поверхні покриття проводили на глибину, співрозмірну з його товщиною. Зносостійкість оплавленого покриття зросла в 1,4-2,1 раз порівняно з напиленим внаслідок підвищення міцності зчеплення з основою, а також зниження пористості і підвищення пластичності. Недоліком даного способу є суцільне оплавлення поверхні, що призводить до: значного теплового впливу на основу (сталь, титановий сплав) і, як наслідок, зниження їх фізико-механічних властивостей; зниження мікротвердості; зростання напружень розтягування в системі "основа– покриття". Крім того, після лазерного оплавлення відбувається розпадання метастабільних фаз покриття. Утворення рівноважної структури литого стану при оплавлені підвищує міцність зчеплення, але при цьому втрачаються такі переваги напиленого покриття, як висока мікротвердість, нерівноважність структури (метастабільні фази, перенасичені тверді розчини фаз проникнення в металевій матриці). Тому заслуговує на увагу такий метод обробки газотермічних покриттів, який би сприяв підвищенню адгезійно-когезійних властивостей при одночасному збереженні їх нерівноважного структурного стану. Адже відомо, що коли структура за даних умов навантаження нестабільна, тобто здатна перебудовуватися, енергія деформації при терті (19) UA (11) 65209 (13) U моциклічно в інтервалі температур 1273  873 К,  що охоплюють поліморфні перетворення, дискретно точками із площею обробки 15-35 % від загальної площі плазмового покриття з питомою поту3 4 2 жністю лазерного випромінювання 10 -10 Вт/см , діаметром фокусування променя 5 мм при опти мальному значенні кількості термоциклів та глибиною, рівною і більшою товщини покриття. 3 розсіюється на сприятливі релаксаційні процеси і зносостійкість матеріалу підвищується. Відомий спосіб формування зносостійких покриттів шляхом підвищення міцності зчеплення (адгезії) з основою [2], який включає дифузійне відпалювання плазмових покриттів у режимі термоциклування в інтервалі температур, що охоплюють поліморфні перетворення. Термоциклічна обробка призводить до інтенсифікації фазових перетворень і перебудови кристалічної ґратки. При цьому утворюється велика кількість недосконалостей ґратки: вакансій, дислокацій тощо, які призводять до різкого росту дифузії в системі "покриттяоснова", а значить і міцності зчеплення, яка зростає в 1,5-1,7 раз. Недоліком даного способу є використання при обробці пічного об'ємного нагрівання, якому властива інерційність нагрівання та охолодження, що не дає змоги одночасно забезпечувати підвищення адгезійної міцності зі збереженням певного рівня вихідного нерівноважного стану плазмового покриття. Крім того при тривалому тепловому впливі на основу (сталь) знижуються її фізико-механІчнІ властивості. Суттєвим недоліком згаданого способу формування зносостійких властивостей покриттів є також та обставина, що він не дозволяє одержувати покриття з низьким рівнем напружено-деформованого стану. Відомий також, обраний за прототип, спосіб формування зносостійкого дискретного плазмового покриття, що включає оплавлення частини покриття дискретно точками із площею обробки 1525 % від загальної площі плазмового покриття з питомою потужністю лазерного випромінювання 5 8 2 10 -10 Вт/см , діаметром ділянок фокусування променя 5 мм та глибиною проплавлення, рівною товщині покриття [3]. Зносостійкість дискретно обробленого покриття зросла в 4,5-7,5 раз внаслідок того, що такий переплав частини покриття поєднує в собі позитивні якості вихідних напилених покриттів - високу мікротвердість метастабільних структурних та фазових складових з оплавленими ділянками, які значно підвищують міцність зчеплення покриттів. Крім того підвищення зносостійкості при дискретній обробці, у порівнянні з суцільною обробкою обумовлено таким напруженодеформованим станом, при якому напруження будуть мінімальними. Недоліком згаданого способу є та обставина, що він також призводить до теплового впливу на основу і не дозволяє одержувати покриття з регульованим ступенем нерівноважного стану. Оплавлення переводить плазмове покриття в литий стабільний стан, що звужує можливості керувати триботехнічними властивостями покриття (знос, коефіцієнт тертя), зокрема сумарним зносом пари тертя. Висока твердість покриття призводить до зношування контртіла. В основу корисної моделі поставлено задачу створення способу нанесення зносостійкого дискретного газотермічного (плазмового) покриття, який дозволив підвищити зносостійкість покриття за рахунок термоциклічного відпалювання частини покриття за оптимальною схемою обробки, щоб забезпечити міцність зчеплення покриття з основою зі збереженням необхідного рівня його метас 65209 4 табільного стану, а також зниження напруження при терті. Поставлена задача удосконалити корисну модель вирішується тим, що спосіб формування зносостійких газотермічних покриттів термоциклуванням лазером полягає в лазерній обробці, згідно з корисною моделлю новим є те, що обробку виконують без оплавлення термоциклічно в інтервалі температур 1273  873 К, що охоплюють полімор фні перетворення, дискретно точками із площею обробки 15-35 % від загальної площі плазмового 3 4 2 покриття з питомою потужністю 10 -10 Вт/см , діаметром фокусування променя 5 мм, глибиною рівною і більшого товщини покриття. Температуру верхньої границі циклу обирають, виходячи з побудованих раніше діаграм фазових рівноваг; вона становила 0,75 Тпл. Така температура допускає відсутність морфологічних змін в евтектичних кристалах фаз проникнення, що містяться у білих шарах, а також на дифузійні процеси в зоні "покриття-сталь". Кількість термоциклів обирають з урахування отримання рівнів структурного стану, що наближається до рівноважного. Таким чином, вибраний температурний і кількісний режим термоциклічного оплавлення (ТЦО) давав змогу впливати на дифузійні процеси на границі покриття з підкладкою, структурний стан і термодинамічну рівновагу білих шарів. Кінетика зміни властивостей структурних складових покриттів залежно від кількості термоциклів наведена в таблиці 1. Спостерігають зменшення мікротвердості для всіх структурних складових, що пов'язано із розпадом перенасиченого твердого розчину основи. Мікротвердість евтектичних областей знижується тільки після чотирьох термоциклів. Зазначене зниження мікротвердості спричинене розпадом металевої матриці, а проходження процесів із збільшенням кількості термоциклів не призводить до суттєвого зниження мікротвердості. Для білих шарів характерне постійне зниження мікротвердості із збільшенням кількості термоциклів. При цьому після шести циклів твердість білих шарів і евтектичних областей стає приблизно однаковою. Мікротвердість покриття після такої обробки дещо нижча, ніж напиленого без ТЦО, але вища, ніж оплавленого лазером. Подальше збільшення кількості обробок призводить до зменшення мікротвердості білих шарів порівняно з евтектичними сплавами. Це зумовлено коагуляцією фаз проникнення в білих шарах, що знижує їхню міцність. Термоциклування знижує пористість і підвищує міцність зчеплення плазмового покриття порівняно з вихідним без ТЦО (див. табл. 2). Підвищення адгезійно-когезійних властивостей напиленого покриття зумовлене інтенсифікацією дифузійних процесів при ТЦО. Таким чином, обраний режим ТЦО (4-6 термоциклів) дає змогу підвищити адгезійні властивості та пластичність покриття, знизити його пористість і одночасно зберегти відносно високу мікротвердість. Випробування на тертя та зношування плазмових покриттів у вихідному стані і після ТЦО по 5 65209 казало їхню різну стійкість до зношування (див. табл. 3). ТЦО дає можливість змінювати структурний стан і термодинамічну рівновагу білих шарів, підвищуючи при цьому кількість ділянок із більш пластичною евтектичною структурою. Така структура може сприймати значну долю енергії і більшою мірою релаксувати напруження при терті. Зниження крихкості і підвищення пластичності покриття після ТЦО збільшує його здатність до утворення вторинних структур, що свідчить про його сприятливі реологічні властивості. Триботехнічні випробування при високих температурах показали, що стійкість проти зношування вихідних плазмових покриттів і після ТЦО приблизно однакова. Це пояснюється повним розпадом твердих метастабільних структур та інтенсивним окисленням покриттів через їхню пористість. Експериментальними дослідженнями встановлено, що площа обробки повинна бути 15-35 %. Така обробка частини покриття поєднує в собі позитивні якості вихідних напилених покриттів - високу мікротвердість структурних та фазових складових з відпаленими ділянками, які значно підвищують працездатність покриттів, виключаючи їх продавлювання, викришування та відшарування. Це обумовлено також створенням такого напружено-деформованого стану, який забезпечує мінімальні напруження при терті, що встановлено 6 аналітичними розрахунками, а також підтверджено експериментально. Точкові зміцнюючі зони мають розміри 3-5 мм між центрами. В якості металів, що зміцнюються, були використані сталі 45, 40Х, 12Х18Н9Т та титанові сплави ВТ6, ВТ8, а порошкового матеріалу для напилення - евтектичний сплав на основі заліза. Підвищення зносостійкості при дискретному відпалюванні, у порівнянні з дискретним оплавленням (див. табл. 4), обумовлено таким напружено-деформованим станом, при якому напруження будуть мінімальними, а також збереженням метастабільного стану при високій міцності зчеплення. Приклад реалізації способу. Спосіб використовується для зміцнення поверхні поршневого кільця двигуна внутрішнього згорання 4411/12,5Т (матеріал кільця - сірий чавун, матеріал покриття сплав системи Fe-Ni-Cr). Дискретну обробку проводили на безперервному СO2-лазері за потужності лазерного опромінення 1 кВт на діаметр плями 5 мм. Отримували зону зміцнення глибиною 0,50,7 мм з мікротвердістю 8-10 ГПа. У таблиці 5 наведені технологічні параметри і властивості отриманого дискретного покриття. Наведений приклад підтверджує досягнення технічного результату при здійсненні заявленого способу. Таблиця 1 Мікротвердість і об'ємний вміст структурних евтектичного покриття складових плазмового Структурна складова Об'ємний вміст структурної складової, % Евтектична область Білі шари До ТЦО Мікротвердість, МПа Кількість циклів ТЦО 4 6 8 2 10 12-14 9750 9100 8740 7800 7150 7175 70-80 1340 10250 9100 7750 6800 6780 Таблиця 2 Залежність мікротвердості, пористості і міцності зчеплення з підкладкою 12 × 18Н9Т від обробки плазмового покриття Обробка Плазмове напилення Плазмове напилення + 4 ТЦО Мікротвердість, МПа 12400 10-12 Міцність зчеплення з підкладкою, МПа 16-20 7-9 90-110 Пористість, % 10050 Таблиця 3 Результати випробувань на тертя та зношування плазмового покриття (Р = 3МПа, V=0,1 м/с) 2 Обробка Плазмове напилення Плазмове напилення + 4 ТЦО 3 Знос, мг/(см × 10 м) Покриття Контртіло ЖС6К 293 К 1100 К 293 К 1100 К 54,10 47,50 32,71 7,18 293 К 1100 К 0,64-0,67 0,25-0,27 18,35 0,45-0,48 0,28-0,30 48,50 16,35 7,35 Коефіцієнт тертя 7 65209 8 Таблиця 4 Зносостійкість сталі 45 з евтектичним плазмовим покриттям в залежності від виду та площі обробленої поверхні (Р = 3 МПа, V=0,1 м/с, Т = 293 К) Площа обробленої по2× Знос, мг/(см 1000 м) верхні, % Без обробки 140,5 5 21,5 10 12,1 15 10,2 Прототип: 20 9,4 Дискретна обробка 25 8,7 оплавленням точками 30 14,5 діаметром 5 мм 35 17,8 40 32,0 50 36,5 5 30,1 10 25,01 15 6,2 20 14,0 Корисна модель: Дискретна обробка точками діаметром 5 25 4,0 мм термоциклуванням 30 4,5 35 7,2 40 20,5 50 31,0 Вид обробки Таблиця 5 Технологічні параметри і властивості отриманого дискретного покриття Міцність зчеплення з осноПотужність Мікротвердість ділянок, Гпа Коефіцієнт Діаметр Площа дисвою, МПа лазерного плями, кретної підвищення опромінення, Напилення+ Напилення+ мм обробки, % Напилення зносостійкості Напилення кВт +ТЦО +4ТЦО 1 5 30 16-20 90-110 12,4 10,2 3,4 Джерела інформації: 1. Последующая обработка предварительно напыленных покрытий лазерным лучом (высокой мощности). Nachbehaudlung von Spritzschichten olurch Hochleistungslaser. Becker R., Sepold G. "Metalloberflache" 1987, 41, №7, 320-332, 297 (нем; рез. англ.). 2. К вопросу о роли фазовых превращений при диффузионном насыщении железа.: тез. докл. XXIII семинара по диффузионному насыщению и защитным покрытиям / под общей редакцииП. И. Мельника ["Нанесение, упрочнение и Комп’ютерна верстка А. Крижанівський свойства защитных покрытий на металлах"], (Ивано-Франковск, 14-21 сентября 1990 г.) / Академия наук УССР, Ин-т пробл. материаловедения им. И.Н. Францевича. - Ивано-Франковск: 1990. - С. 172-173. 3. Пат. 45548 України, МПК С 23 С 4/18. Спосіб формування зносостійкого дискретного плазмового покриття / Кіндрачук М. В., Духота О. І., Шевченко О. Л., Тісов О. В., Потягов В. Ю., Корбут Є. В.; заявник та патентовласник Національний авіаційний університет. - №u200906957; заявл. 03. 07. 2009; опубл. 10. 11. 2009, Бюл. №21. Підписне Тираж 23 прим. Державна служба інтелектуальної власності України, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601