Методики оптимизации процесса лазерного нанесения износостойких покрытий на валы газотурбинных установок Гонсалес Луис Фернандо

Содержание к диссертации

Введение

Глава 1. Методы восстановления элементов газотурбинных установок 9

1.1. Общие сведения об энергетических газотурбинных установках и их элементах 9

1.2. Причины аварий ГТУ и турбин 11

1.3. Восстановительный ремонт валов ГТУ 16

1.4. Лазерные технологии нанесения покрытий 24

Выводы главы 1 29

Цель и задачи исследования 29

Глава 2. Материалы, оборудование и методики, использованные в работе 31

2.1. Материалы подложки и наносимых покрытий 31

2.2. Экспериментальный стенд для нанесения покрытий 34

2.3. Оборудование и методики для исследования микроструктуры 40

2.4. Оборудование и методики механических испытаний полученных покрытий 45

Глава 3. Методика оптимизации формы и геометрии сопла для подачи порошка при лазерном нанесениипокрытий 52

3.1. Характеристика процесса нанесения покрытий лазерным излучением.. 52

3.2. Методика определения формы газового потока 58

3.3. Методика расчёта движения частиц порошка 60

3.4. Методика выбора конструкции сопла 62

3.5. Расчетное определение влияния параметров обработки на газопорошковый поток 70

Выводы главы 3 73

Глава 4. Методики оптимизации режимов нанесения износостойких слоёв лазерным методом 74

4.1. Экспериментальная методика 74

4.2. Метод селективной обработки 79

4.3. Методика регрессивного анализа полученных экспериментальных результатов 1 88

Выводы главы 4 1 106

Глава 5. Свойства и структура покрытий. технология восстановления валов 107

5.1. Исследование твёрдости полученных покрытий. 107

5.2. Исследование износостойкости покрытий 111

5.3. Исследование структуры полученных покрытий 115

5.4. Определение фазового состава полученных покрытий 121

5.5. Технологические рекомендации по наплавке Stellite 6 на валы из стали AISI 4340 127

Выводы главы 5 137

Общие выводы по работе 138

Список литературы

• Восстановительный ремонт валов ГТУ
• Оборудование и методики для исследования микроструктуры
• Методика расчёта движения частиц порошка
• Методика регрессивного анализа полученных экспериментальных результатов

Введение к работе

Актуальность работы

Развитие технологий нанесения покрытий происходит одновременно с развитием многих отраслей машиностроения. Предъявление высоких требований к деталям, работающих в агрессивных условиях, приводит технологов к все более трудным задачам восстановления деталей и создания функциональных покрытий. Одним из мало изученных направлений в технологиях наплавки является нанесение покрытий из кобальтовых сплавов типа Stellite лазерным методом.

Кобальт придает сплавам ряд чрезвычайно важных свойств, таких, как износостойкость, сопротивление ползучести, усталостную прочность при высоких температурах, устойчивость к сульфидированию и другие. Эти свойства безусловно являются привлекательными для их промышленного применения в особо ответственных конструкциях и деталях энергетического машиностроения и в частности газотермических установок (ГТУ) . Создание покрытий из этих сплавов сопровождается возникновением трещин в процессе наплавки, высоким содержанием основного материала детали в покрытии, неоднозначностью поведения покрытий при различных температурах из-за изменения атомной структуры кобальта, поэтому необходимы методы, обеспечивающие благоприятные условия для создания покрытий.

Из всех возможных методов нанесения покрытий в наибольшей степени указанным требованиям отвечает газопорошковый лазерный процесс. Этот метод позволит наносить покрытия из кобальтового сплава не только с сохранением свойств исходного наносимого материала, но и улучшить его свойства за счет больших скоростей охлаждения, а также обеспечить гибкость процесса.

Однако, до настоящего времени не проводилось систематических
исследований технологии и оптимизации режимов процесса газопорошкового
лазерного нанесения сплавов типа Stellite на валы энергетического

оборудования. В связи с этим тема данной работы является актуальной.

Цель и задачи исследования

Цель работы - создание комплекса методик, обеспечивающих

оптимизацию выбора материалов, оборудования, режимов обработки и испытаний для получения высококачественных износостойких покрытий при ремонте валов ГТУ.

Задачами исследования являются следующие:

1. Выбор вида и состава материала для нанесения на поверхность материала вала ГТУ лазерным методом.

2. Обоснование и выбор оборудования, необходимого для нанесения покрытий на поверхность валов ГТУ лазерным методом.

3. Разработка методики и выбор геометрии сопла для подачи порошка в зону нанесения покрытий соосно с лазерным лучом.

4. Разработка расчётно-селективной методики оптимизации параметров лазерного нанесения покрытий.

5. Определение по расчётно-селективной методике режимов нанесения покрытий лазерным методом порошка Stellit 6 на материал вала AISI 4340.

6. Получение по методикам регрессионного анализа расчётных зависимостей геометрических параметров валика от режимов обработки при нанесения покрытий лазерным методом порошка Stellite 6 на материал вала AISI 4340.

7. Выбор оптимальных режимов для получения покрытий, отвечающих требованиям восстановительного ремонта валов ГТУ.

8. Испытания механических свойств, износа и микроструктуры полученных покрытий на оптимальных режимах. Выбор лучшего режима.

9. Разработка технологической инструкции восстановительного ремонта валов ГТУ лазерным нанесением покрытий.

Научная новизна

1. Разработан комплекс методик, позволяющий оптимизировать технологические режимы нанесения порошковых износостойких покрытий из сплава Stellite 6 на валы энергоустановок лазерным методом. Полученные покрытия на оптимальных режимах нанесения имеют наивысшие механические свойства.

2. Расчётом по регрессивным методикам определены основные критерии значимости параметров нанесённых слоев во взаимосвязи с режимами обработки и механическими свойствами покрытий. Установлено, что максимальный критерий значимости может достигать значений от 0,25 до 0,3.

3. Показано, что расчётные и экспериментальные значения параметров нанесённого слоя с коэффициентами, находящимися в установленном диапазоне, обеспечивают максимальную твёрдость и износостойкость после лазерной обработки, превышающие соответствующие значения материала валов от 1,7 до 3,7 раз.

4. Установлена взаимосвязь структурного и фазового состава покрытия с режимами обработки, параметрами покрытия и получаемыми механическими свойствами. Доказано, что наилучшая износостойкость достигается при содержании в покрытии фазы карбида Cr₇C₃ в количестве от 15,0 до 16,5% и создании мелкодисперсной структуры с расстоянием между осями дендритов второго порядка менее 1,8 мкм и шириной дендритов менее 1,41 мкм.

Практическая значимость работы

5. Разработанные методики позволяют оперативно, с наименьшей затратой времени и материалов определять наилучшие режимы нанесения покрытий лазерно-порошковым методом.

6. Разработан техпроцесс и технологическая инструкция восстановления валов ГТУ из стали AISI 4340 с использованием материала Stellit 6 лазерно - порошковым методом.

Методы исследования

Поставленные задачи решались с использованием теоретических и
экспериментальных методов исследований. Для математического

моделирования газовых потоков в сопле, использовали стандартный программный продукт MATLAB 7.11. Металлографические исследования проводили с применением установок для полировки и шлифовки образцов Struers Tegramin-30, микроскоп Olympus GX51.Фазовый состав определяли с прменением рентгеновского микроскопа. Скорость движения частиц в процессе лазерной инжекции измеряли высокоскоростной камерой Fastvideo-500M. Трибологические свойства определяли на установке Tribometer фирмы CSM (Швейцария) и профилометра HOMMEL-ETAMIC T8000.

Достоверность

Достоверность работы обеспечена корректным использованием общих положений фундаментальных наук (уравнения баланса энергии, теории движения частиц в потоке, массопереноса и т.д.), проверена по известным критериям изучаемых процессов и подтверждена экспериментальными данными.

Апробация работы. Результаты работы доложены и обсуждены на научных семинарах кафедры «Лазерные технологии в машиностроении» ФГБОУ ВПО МГТУ имени Н.Э. Баумана (Москва, 2015, 2016 гг.), Всероссийской научно-технической конференции «Студенческая весна: Машиностроительные технологии» (Москва, апрель 2014 г.), Международной научно – технической конференции «Фотоника 2016» (Москва, 2016 г.).

Публикации. Основное содержание и результаты диссертационной работы изложены в 3-х научных статьях, опубликованных в изданиях, рекомендованных ВАК РФ, общим объемом 3,2 п. л. и тезисах конференции объемом 0,1 п. л.

Объём работы. Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, общих выводов по работе и списка литературы из 76 наименований. Диссертация изложена на 146 страницах машинописного текста, содержит 65 рисунков и 52 таблицы.

Восстановительный ремонт валов ГТУ

Необходимо заметить, что одно и то же покрытие может удовлетворять ряду требований из перечисленных, а может соответствовать одному и абсолютно не удовлетворять другим. Так, покрытия с высоким содержанием карбидов могут являться и термостойкими, и износостойкими, однако будут слабо противостоять вибрационным нагрузкам. Так как валы ГТУ подвергаются практически всем из перечисленных воздействий, необходимо выбирать композиционные материалы для покрытий, удовлетворяющие сразу нескольким характеристикам.

Износостойкие покрытия. Износостойкость - это свойство материала противостоять разрушению от нагрузок, получаемых в результате остаточных напряжений при трении. Износостойкие покрытия обладают повышенными значениями механических свойств и пониженным коэффициентом трения. При создании износостойких покрытий широко используют такой класс композиционных материалов, как твердые дисперсно-упрочняемые сплавы, при нагрузках прочность и твердость таких сплавов возрастает, как от термомеханической обработки [47]. Данный эффект необходим, чтобы в процессе приработки поверхность приняла за счет деформаций оптимальную форму с максимальной площадью контакта и в дальнейшем сохраняла эту форму при больших нагрузках. Для создания износостойких покрытий такого типа используют различные карбиды тугоплавких элементов, таких как вольфрам (WC), хром (Cr23C6, Cr7C3, Cr3C2), титан (TiC), бор (B12C3), заключенные в вязкую пластичную матрицу из менее твердого материала. Так, карбиды хрома нашли весьма широкое применение в технике в связи с тем, что они обладают рядом ценных свойств: стойкость к окислению у карбидов хрома почти в 20 раз выше, чем у карбида титана и более чем в 1500 раз выше, чем у карбида вольфрама, благодаря такому набору свойств у карбидов хрома наблюдается высокая стойкость против абразивного износа и коррозии [15] .

Среди неметаллов для создания износостойких покрытий активно используется марганец. Сталь Гадфилда, обладающая высокой твердостью и износостойкостью, не поддается механической обработке. Основной легирующий элемент в ней – именно марганец (11…15%). Сталь используется для производства ковшей экскаваторов, щитов грейдеров – деталей, работающих при ударно-абразивных нагрузках.

Для создания износостойких покрытий широко используются матрицы Al и Ti с внедрением в них боридов, силицидов и карбидов различных металлов [47]. Была исследована износостойкость наплавленных покрытий систем SiC/Al–8Si, WC/Ti–6Al–4V и TiB2/Ti–6Al–4V. Была получена структура с нерастворенными и распределенными в матрице частицами – карбидами алюминия и карбидами вольфрама и титана , устойчивая при износе и обладающая низкими значениями коэффициента трения.

При соответствующих добавках Ti и Al никелевые и никельхромовые сплавы становятся дисперсно-твердеющими (сплавы типа нимоник). Использование этих сплавов в создании покрытий оправдывается также прочностными качествами этих металлов.

Кроме нитрида титана, в износостойких сплавах широко используются его бориды и силициды. Для создания тяжелонагруженных поверхностей также используют составы на основе кобальта. Жаропрочность характеризуется комплексом свойств, включающих сопротивление ползучести, длительному разрушению и жаростойкость. Жаропрочными являются материалы с высокими механическими характеристиками при значительных температурах. Среди жаропрочных сплавов выделяют класс суперсплавов - жаропрочных сплавов, применяемых в аэрокосмической промышленности для деталей силовых установок. Никель, благодаря уникальному набору механических свойств, является основой для создания большинства из них.

Кобальт, в свою очередь, также, как и никель, используют при создании суперсплавов. Основное направление использования кобальтовых суперсплавов – в наплавочных порошках типа Stellite. В этих составах содержание кобальта может составлять более 50%. Используются они при производстве ножевых изделий, токарных резцов и при восстановлении поверхностей [57], подверженных интенсивному изнашиванию при высоких температурах.

Хром широко применяется при создании жаропрочных и коррозионностойких сталей в качестве легирующего элемента, так как даже при незначительном количестве заметно изменяет свойства сплава. Для создания композиционных жаропрочных сплавов применяются тяжелые тугоплавкие металлы и их карбиды, такие как молибден и вольфрам. Благодаря высокой температуре плавления и высокой коррозионной стойкости их широко используют при производстве твердых сплавов, быстрорежущих и броневых сталей и в составе смесей для наплавки. В качестве легирующих элементов вольфрам и молибден применяют для повышения жаропрочности, коррозионной стойкости и прочности сплавов.

Примером материала, используемого для покрытий с такими свойствами, является кобальт. Он является необходимым элементом для создания твердых сплавов для режущего инструмента и быстрорежущих сталей, поскольку проявляет отличные механические свойства при высоких температурах. Также его используют при производстве жаропрочных сталей. Кобальт не является ни карбидообразующим, ни графитизирующим элементом, однако он способствует повышению вязкости сплавов. Коррозионная стойкость — это способность материала сопротивляться химическому и электрохимическому воздействиям внешней среды. Она определяется скоростью коррозии, т.е. массой материала, превращенной в продукты коррозии, с единицы площади поверхности в единицу времени, либо толщиной разрушенного слоя (мм/год).

Материалы для этих покрытий должны быть химически инертны к рабочей среде, иметь повышенную термодинамическую стабильность, способствовать торможению катодных и анодных процессов. Одним из таких элементов является хром. При содержании хрома до 15% сплавы, в результате образования плотных (с хорошей адгезией) слоев Cr2O3, становятся окалиностойкими до 1200 С и коррозионностойкими в окислительных средах [16, 17]. Например, для повышения коррозионной стойкости титана его легируют целым рядом элементов, обеспечивающих требуемые свойства: Cu, Mo, W, Ni, Pt. Порошки карбида титана, смешанные с оксидом алюминия успешно применяют в виде так называемой «карбидной керамики».

Коррозионностойкие сплавы на основе никеля применяются в авиационной промышленности и при производстве медицинских инструментов и оборудования. Исследования никелевых сплавов описаны в. Термостойкие покрытия. Термостойкость (термическая стойкость) — это свойство материалов, противостоять, не разрушаясь, термическим напряжениям. К термостойким материалам относят, главным образом, огнеупорные покрытия и составы. Термостойкость определяют с помощью температурного градиента или числом циклов нагрева и охлаждения, выдерживаемых материалом до возникновения трещин или разрушений [19] . Материал для этих покрытий должен иметь температуру плавления, превышающую температуру эксплуатации, высокий коэффициент теплопроводности и быть достаточно пластичным. Для высокой теплостойкости функционального покрытия его коэффициент термического расширения (КТР) должен иметь значение, близкое к КТР материала подложки.

Оборудование и методики для исследования микроструктуры

В данной работе в качестве механической характеристики материала измеряли твёрдость полученного покрытия. Под твердостью понимают способности поверхностного слоя материала сопротивляться упругой и пластической деформации или разрушению при местных контактных воздействиях со стороны другого, более твердого и не получающего остаточной деформации тела (индентора). Существуют различные методы измерения твердости, в нашем случае мы использовали метод Виккерса.

В этом случае с помощью специального прибара в поверхность образца вдавливают алмазный индентор, представляющий из себя четырехгранную пирамиду с углом при вершине = 136. Нагрузка на индентор может изменяться, в зависимости от условий опыта, от 10 до 1000 Н ,а длительность воздействия от 10 до 15 с. После удаления нагрузки Р с под микроскопом измеряется диагональ отпечатка d, оставшегося на поверхности. Число твердости HV определяют делением нагрузки на площадь боковой поверхности полученного пирамидального отпечатка по формуле: HV = (2 Р sin /2) d2 (2.1) Значение твердости по Виккерсу является усредненным условным напряжением в месте контакта индентор-образец и характеризует сопротивление материала значительной пластической деформации. Объектом испытаний по данной методике были опытные образцы, изготовленные из стали AISI 4340 с валиком на основе кобальтого сплава Stelli 46 te 6. Для измерений использовали те же самые залитые шлифы, что и для исследования микрострукуры. Микротвёрдость замеряли по ширине валика по середине высоты валика и по глубине валика по середине ширины валика. Методика предназначена для определения твердости тонких поверхностных слоев и покрытий при испытательных нагрузках от 0,098 до 1,961 Н и соответствует ГОСТ Р ИСО 6507-1-2007 и ГОСТ 9450-76.

Измерения проводятся на плоской, гладкой, свободной от посторонних веществ, загрязнений и включений поверхности. Поверхность после окончательной обработки должна обеспечивать точное измерение длины диагоналей отпечатков. Шероховатость испытуемой поверхности изделия (образца) не должна быть грубее Ra=0,32 мкм, определяемой по ГОСТ 2789. Место отбора шлифов из исследуемого образца выбирается на основании результатов визуального (невооруженным глазом или с помощью лупы) осмотра поверхности.

Вырезка производится таким образом, чтобы плоскость шлифа была перпендикулярна исследуемой поверхности или находилась к ней под углом 450, а противоположная поверхность образца была параллельна поверхности шлифа. Размер шлифа выбирается таким образом, чтобы при проведении испытаний изделие не прогибалось и не поворачивалось. Толщина образца должна быть не менее 5 мм. Способ изготовления шлифов не должен влиять на структуру материала и разрушать поверхностный слой и кромки образца. Для материалов с защитными покрытиями не допускается повреждение покрытия и отрыв его от основного материала. При подготовке поверхности испытуемого образца необходимо принять меры предосторожности, учитывая возможное изменение твердости испытуемого валика вследствие нагрева или наклепа при механической обработке. Для подготовки поверхности используется полировка. При изготовлении металлографического шлифа с поверхности образца удаляют все следы вырезки, например, заусенцы.

Измерения твердости можно проводить при температуре окружающей среды от 11 0С до 36 0С. Чтобы получить наиболее точного результата измерения микротвердости нагрузка должна быть по возможности максимальной. На стороне образца, противоположной испытуемой, после нанесения отпечатка не должно быть следов деформации материала, заметных невооруженным глазом.

Сначала микротвердость измеряется параллельно линии сплавления с основным металлом в нескольких точках в зависимости ширины валика наплавки с шагом 150 мкм, слева направо от 50 мкм с левого края. Измерения проводятся с целью выявления влияния праметров поцесса наплавки на микротвердость линий сплавления валика. После измерений микротвердости параллельно линии сплавления с основным металлом измеряется микротвердость покрытий перпендикулярно линии сплавления с основным металлом в нескольких точках в зависимости глубины валика наплавки с шагом 150 мкм, сверх вниз от 50 мкм от поверхности, т.е. по глубине покрытия.

Исследование образцов проводится на микротвердомере Durascan 20. Прибор автоматически производит измерения твердости приповерхностного слоя образцов с максимальной нагрузкой 98 Н. Он имеет сенсорный экран и 3 координатный механический стол. Обработка измерений осуществляется автоматически по программе Ecos Workflow. Внешний вид прибора показан на Рис.2.15. Одними из основных характеристик получаемых покрытий на валах энергетических установок являются трибологические. В данной работе были исследованы значения коэффициента трения и износа поверхности.

Для испытаний использовали образцы, полученные на оптимальных режимах обработки. в частности было исследованы образцы изготовленные по четырём режимам в сравнении с материалом подложки из стали AISI 4340.

Методика расчёта движения частиц порошка

Коаксиальное сопло данной конструкции имеет достаточно простую конструкцию, удаленную от среза зону обработки и, что самое важное – позволяет корректировать ширину валиков перемещением фокусирующей линзы относительно плоскости обработки. Данное сопло имеет угол конуса при вершине – около 25 градусов. Превидённый анализ показывает, что технология лазерного нанесения покрытий должна выполнятся с соплом, настраиваемым в широких пределах размеров валиков для нанесения различных материалов с сохранением оптимальных свойств.

В наибольшей степени для получения покрытий для валов подходит сопло, предложенное в работе [32, 47]. Конструкция сопла показана на Рис. 3.13.

Конкретные размеры сопла рассчитываются по следующей методике. В первую очередь моделируется газопорошковый поток, чтобы определить размер выходного отверстия, угол сходимости потока, расстояние от среза сопла до поверхности обработки.

Расчет газопорошкового потока, наиболее оптимально рассчитывается в пакете программы FLUENT в соответствии с алгоритмом, представленном на Рис. 3.7. Цель расчета представляет собой получение картины распределения порошковых частиц в полете не только качественным образом, но и количественным.

В рабочем окне программы (Рис. 3.14) последовательно задаются следущие параметры: - параметры для разбиения расчетной области; - начальные параметры расчетного метода: точность, переменные и константы, принятые для конкретного расчета; - запуск расчета: количество проходов, порядок вывода результатов. В правой области рабочего окна выводится изображение расчетной зоны с цветовым выделением областей ввода, вывода и стен.

Возможности программы очень широки и позволяют выбирать самостоятельно абсолютно любые параметры численного расчета. Изначально в программе задаются следующие характеристики потока: турбулентный, установившийся, сжимаемый, однородный, внутренний. В результате моделирования можно установить, что поток является ламинарным и при одинаковых постановках задачи выдает абсолютно одинаковые конечные значения. В связи с этим в дальнейших расчетах поток принимается как ламинарный для снижения времени расчета. В качестве геометрии элементарного объема, при разбиении, выбрается форма тетраэдра. При расчете используется сначала прямая схема дискретизации в первом приближении, а в дальнейшем, при проверке – прямая схема во втором приближении. В качестве главного граничного условия принимается входной расход газопорошковой струи, который является варьируемым параметром, а выходное давление являются следствием неразрывности газопорошкового потока. Смоделированный газопорошковый поток показан на Рис. 3.15. Характер истечения порошка на модели показывает, что все частицы вылетают по подобным дугообразным траекториям в ламинарном потоке. Следовательно, газопорошковый поток остается ламинарным даже в более широких интервалах скоростей, чем однофазный газовый, благодаря тому, что массивные инертные частицы могут стабилизировать его и значительно снижают вероятность образования завихрений.

Как видно из Рис. 3.15, модель позволяет изменять параметры перетяжки, расстояние от поверхности, моделировать площадь нанесённого порошкового материала. Все эти параметры регулируются в зависимости от материала порошка, его размеров, расхода.

Данная ламинарная модель в дальнейшем используется для расчета параметров сопла. В расчётах использован сферический порошок Stellite 6 с размером частиц от 53 до 150 мкм. При моделировании в расчетное сопло впрыскивались именно такие по составу и форме частицы. При расчете спроектированной модели сопловой насадки задавались следующие параметры потока: - расход газа – коаксиального с лазерным лучом и транспортирующего порошок; - размер частиц порошка; - начальная скорость впрыска частиц в сопловую насадку. Определялись допустимые параметры сопла. Пересечение допустимых параметров – это область параметров режима, удовлетворяющих всем требованиям (диаметр газопорошковой струи и распределение частиц порошкового пятна в «перетяжке», расстояние от среза сопла до центра перетяжки).

Расчет проводится по методу конечных элементов, когда протяженное трехмерное тело разбивается на элементы в форме тетраэдера. Размер элементарной ячейки составляет 0.35 мм. Разбиение объема, находящегося на удалении от поверхности, производится более крупно: размер ячеек составляет 1 мм. Переход от зоны с мелким разбиением к объему с крупным разбиением проводился с постепенным изменением размера ячеек, с кратностью увеличения 1,2. Благодаря этому не происходит разрыва сетки и не возникает ошибок с пустыми точками. Результат разбиения спроектированной модели сопла представлен на Рис. 3.16. Численным расчетом и математическим моделированием процесса истечения газопорошкового потока из сопла, показанного на Рис. 3.13 с двумя конусами внешним и внутренним, можно получить завершающие геометрические размеры сопла, обеспечивающие диаметр перетяжки потока от 1 до 5 мм на расстоянии от среза не менее 10 мм. Угол раскрытия конуса должен составлять 65 градусов. Такая конструкция позволяет регулировать диаметр пятна в зоне наплавки в широких пределах. Это даёт возможность получать максимальную ширину наплавляемого материала, что повышает производительность процесса.

Методика регрессивного анализа полученных экспериментальных результатов

Как видно из Таблицы 5.9, значения 2, D и S по областям валика в пределах погрешности измерения не изменялись, длина дендрита существенно возрастала к нижней зоне: этот рост составлял 2-4 раза. Характеристики 2, D и S зависели от режима наплавки. Очевидно, что структура полученная по режиму 1 наиболее дисперсная, чуть грубее дендритная структура в случае применения 4 режима, в валиках, полученных с применением 2 и 3 режимов, дендриты более крупные.

Приведенные значения указывают на то, что на поверхности валика дендриты имеют меньшие размеры, чем в области, прилегающей к подложке: длина кристаллов L по глубине увеличивается более, чем в 3 раза, а диаметр ветвей второго порядка D - примерно в 2 раза. Аналогичные результаты наблюдаются при использовании режима 3, при режимах 2 и 4 изменение размеров дендритов по глубине несколько меньше.

В Таблице 5.10 представлены значения дендритного параметра кристаллов, который, как известно, определяется скоростью охлаждения при кристаллизации, от режима наплавки и от глубины расположения в наплавленном валике.

Из данных Таблицы 5.10 видно, что при всех режимах наплавки рост дендритного параметра 2 наблюдается с увеличением глубины и составляет от 25 до 50 %. При использовании режима 1 формируется наиболее дисперсная структура с минимальным дендритным параметром 2 равном 1,4.

Определение фазового состава покрытий проводили по различным методикам. Для определения общего содержания различных фаз был использован визуальный метод путём обработки структур с применением программы ImageScope. По этой методике проводится определение соотношения тёмных и светлых фаз на микроструктуре. Пример такого изображения приведён на Рис. 5.12.

Пример изображения, полученное по программе ImageScope Проведённый расчёт, по этой методике для всех четырёх образцов в различных районах валика по высоте показан на гистограмме Рис. 5.13. Мы считаем, что тёмные участки могут являться карбидом хрома.

Изменение процента тёмных фаз по глубине наплавленного валика, в зависимости от режимов наплавки Для уточнения химического состава фаз, образующихся в процессе получения покрытий был применён метод рентгендифракционного анализа. Съемка проводилась в Со Кос-излучении в режиме непрерывного сканирования со скоростью 0,01% в интервале углов 29=30-125. Период кристаллической решетки кобальтового твердого раствора определялся по дифракционному максимуму (311) с погрешностью + 0,0004 .

На дифрактограмме исходного порошка присутствуют только отражения от кобальтового -твердого раствора с ГЦК кристаллической решеткой. При анализе дифрактограмм покрытий, полученных по разным режимам, установлено, что при всех режимах образуются фазы в виде твердого раствора на основе р-Co с ГЦК кристаллической решеткой (это высокотемпературная модификация кобальта) и карбид хрома Cr7C3 с гексагональной кристаллической решеткой.

Однако в зависимости от режима наплавки варьируется относительная интенсивность отражений р-твердого раствора, что свидетельствует о различной кристаллографической ориентировке зерен этой фазы, т.е. о формировании текстуры. Так, при режимах 1 и 4 кристаллы кобальтовой матрицы имеют практически такое же пространственное распределение как в исходном порошке; при режиме 2 наблюдается текстура {111}, то есть плоскость образца преимущественно совпадает с кристаллографической плоскостью типа {111}; а при режиме 3 формируется очень резкая текстура {100}.

При режимах 1, 2 и 3 текстура матрицы практически неизменна во всем наплавленном объеме. Однако при режиме 4 текстуры верхней и нижней поверхностей существенно различаются: в нижней части кристаллы р-твердого раствора имеют преимущественную ориентировку {311}. Известно, что показатели прочности фазы зависят от кристаллографической ориентировки ее кристаллов, таким образом, управляя текстурой матрицы, можно варьировать ее механические характеристики.

Анализ дифрактограмм также позволил более точно оценить количество карбидной фазы и равномерность ее распределения в наплавленных по разным режимам валиках. В данном случае невозможно определить количество карбидов по относительной интенсивности их отражений, так как карбидная фаза тоже текстурирована, кроме того, в нижней и верхней части валика преобладают разные ориентировки кристаллов карбидов. Однако степень распада кобальтового твердого раствора можно оценить по периоду его кристаллической решетки, что показано на гистограмме Рис. 5.15.

Из гистограммы видно, что минимальный период кобальтового Р-твердого раствора зафиксирован на поверхности валика, полученного по первому режиму. Данный режим позволяет сформировать структуру с максимальным количеством карбидных частиц Сг7Сз на поверхности наплавленного слоя, что должно привести к повышению его прочностных характеристик, в том числе износостойкости. Подобный результат совпадает с результатами испытаний на износ.

При использовании режимов 1 и 3 период решетки кобальтового твердого раствора на поверхности наплавленного слоя меньше, чем на его внутренней стороне. Это свидетельствует о более высоком содержании карбидной фазы в поверхностном слое: при выделении из твердого раствора карбида его период уменьшается. Вероятно, более интенсивный теплоотвод в нижней области наплавленного материала приводит к подавлению диффузионных процессов: карбидная фаза не успевает выделиться из пересыщенного твердого раствора. При режимах 2 и 4 в пределах погрешности эксперимента период кристаллической решетки твердого раствора внешней и внутренней поверхностей практически одинаковый, т. е. карбидная фаза распределена равномерно по всему объему.