Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. Обзор технологических процессов лазерной наплавки в аддитивном производстве 11
1.1 Аддитивное производство 11
1.2 Технология лазерной наплавки 12
1.3 Микролазерная наплавка 25
1.4 Перспективы использования сплавов на основе Al в технологиях аддитивного производства 32
Выводы к главе 1 36
ГЛАВА 2. Разработка теоретических и методических основ микролазерной наплавки сплавов алюминия 38
2.1 Аспекты миниатюризации процесса лазерной наплавки и пути решения задач 38
2.2 Анализ технологических особенностей микролазерной наплавки и разработка рекомендаций к выбору оборудования, материала и методик исследования 40
2.3 Выбор компоновки установки микролазерной наплавки 45
2.4 Выбор исходного материала и методов его исследования 51
2.5 Разработка методов проведения и исследования процесса микролазерной наплавки
2.5.1 Нанесение единичных валиков и регрессионный анализ 53
2.5.2 Выращивание двух- и трехмерных объектов. Методы исследования тонкостенных элементов. Рентгеноструктурный анализ 59
2.5.3 Стандартные методы исследований 63
2.5.4 Методы исследования износостойкости 64 2.6 Определение окна параметров традиционной лазерной наплавки сплавов системы Al-Si 67
2.7 Определение окна параметров микролазерной наплавки сплавов системы Al-Si 70
Выводы к главе 2 80
ГЛАВА 3. Разработка технологических основ микролазерной наплавки сплавов алюминия 82
3.1 Исследование исходного порошкового материала 82
3.2 Технологическое окно параметров лазерной наплавки
3.2.1 Регрессионные зависимости геометрических характеристик валиков от параметров лазерной наплавки 83
3.2.2 Программный комплекс «Лазер-онлайн» 87
3.3 Технологическое окно параметров микролазерной наплавки сплавов системы Al-Si 87
3.3.1 Параметры, назначаемые на основании предварительного эксперимента 87
3.3.2 Входные параметры полного факторного эксперимента 91
3.3.3 Регрессионные зависимости геометрических характеристик валика от параметров микролазерной наплавки сплавов системы Al-Si 96
3.3.4 Режимы микролазерной наплавки сплавов системы Al-Si для изготовления малоразмерных изделий 100
Выводы к главе 3 103
ГЛАВА 4. Исследование структурообразования заэвтектических сплавов системы Al-Si в процессе лазерной наплавки 104
4.1 Традиционная лазерная наплавка 104
4.1.1 Характеристика структуры 104
4.1.2 Влияние параметров обработки на структуру наплавки 108
4.2 Микролазерная наплавка 113
4.2.1 Влияние режимов микролазерной наплавки на структуру сплава AlSi30 113
4.3 Сравнительный анализ структуры сплавов системы Al-Si, при
лазерной наплавке в миллиметровом и субмиллиметровом диапазоне
Выводы к главе 4 130
ГЛАВА 5. Влияние режимов микролазерной наплавки на технологические возможности метода, физико-механические свойства и качество поверхности опытных образцов 131
5.1 Минимальный поперечный размер производимого тонкостенного элемента и качество поверхности 131
5.2 Исследование износостойкости опытных образцов 138
5.3 Влияние температуры на структуру и физико-механические свойства образцов из сплава AlSi30, полученных методом микролазерной наплавки 145
5.4 Рекомендации для изготовления малоразмерных деталей из сплава AlSi30 методом микролазерной наплавки 148
5.5 Технологические возможности микролазерной наплавки 150
Выводы к главе 5 155
Заключение 158
Список литературы
- Микролазерная наплавка
- Выбор компоновки установки микролазерной наплавки
- Регрессионные зависимости геометрических характеристик валиков от параметров лазерной наплавки
- Влияние параметров обработки на структуру наплавки
Введение к работе
Актуальность работы. Технологии аддитивного производства, позволяющие изготавливать детали на основе компьютерной модели без использования формообразующих элементов и механообработки, относятся к стратегическим направлениям развития машиностроения. Одна из них – трехмерное формообразование лазерной наплавкой. Этот метод физико-технической обработки использует энергию лазерного излучения для оплавления наплавочного материала и нижележащего слоя с целью формирования на нем валика, металлургически связанного с основой.
Лазерная наплавка эффективна при нанесении покрытий и ремонте
изношенных деталей. Однако, ее возможности в изготовлении
малоразмерных изделий ограничены минимальным размером
выращиваемого элемента, который, в свою очередь, зависит от размера зоны воздействия (поперечные размеры ванны расплава и наплавленного валика). По этой причине лазерную наплавку традиционно применяют при производстве средне- и крупногабаритных деталей со значительными припусками на последующую механообработку.
Научно-технический прогресс в технике для лазерной наплавки создал предпосылки для миниатюризации зоны обработки менее 1 мм и разработки на этой основе технологических процессов лазерной наплавки в субмиллиметровой области (микролазерная наплавка) для расширения возможностей метода при производстве малоразмерных изделий, что является актуальной задачей в условиях растущего спроса на технологии изготовления малогабаритных деталей.
Степень разработанности. Исследования нового направления в
технологии лазерной наплавки, предпринятые научными коллективами под
руководством Шт. Новотни, Х. Хаферкампа, С. Санкара, Дж. Дель Валя, Ф.
Лускинуса и Р. Проправе, позволили добиться значительных успехов в
модернизации оборудования и методик, а также указали на необходимость
разработки рекомендаций к выбору технологического оснащения
(оборудование, материалы, методики) для лазерной наплавки,
обеспечивающего возможность ее миниатюризации. Показано, что известные закономерности структуро- и формообразования валика не соблюдаются при миниатюризации лазерной наплавки и требуют подробного изучения. Потенциал для развития имеет и спектр материалов, обрабатываемых методом микролазерной наплавки, ограниченный сегодня материалами высокой плотности. При этом многочисленные работы российских научных коллективов по исследованию процессов лазерной обработки сплавов на основе Al показали высокую эффективность лазерного излучения для повышения их физико-механических свойств, а ожидаемое при миниатюризации зоны обработки увеличение скоростей охлаждения может обеспечить повышение эффекта упрочнения.
Цель работы - расширение технологических возможностей лазерной наплавки для изготовления малоразмерных изделий из сплавов на основе Al посредством миниатюризации зоны обработки.
Для достижения указанной цели решены следующие задачи:
разработаны рекомендации к выбору оборудования, материалов и методик для лазерной наплавки, обеспечивающих возможность миниатюризации зоны обработки менее 1 мм для изготовления малоразмерных изделий из сплавов алюминия;
на основе результатов анализа научной информации разработана автоматизированная система выдачи рекомендаций по лазерной наплавке сплавов алюминия;
проведены расчеты температурных полей и исследовано влияние масштабного фактора на максимальную температуру и скорость охлаждения расплава в зоне воздействия при лазерной наплавке;
теоретически и экспериментально исследовано влияние параметров лазерной наплавки на стабильность процесса и размеры зоны воздействия;
проведены теоретические и экспериментальные сравнительные исследования структурообразования заэвтектических сплавов системы Al-Si при лазерной наплавке в миллиметровом и субмиллиметровом диапазоне;
исследовано влияние режимов микролазерной наплавки на технологические возможности метода, качество поверхности образцов, структуру, физико-механические свойства и износостойкость сплава системы Al-Si с целью выявления преимущественных режимов для изготовлении малоразмерных изделий, в том числе с тонкостенными элементами поперечного размера в субмиллиметровой области;
даны рекомендации для изготовления малоразмерных изделий из сплавов алюминия с высоким комплексом физико-механических свойств и износостойкости методом микролазерной наплавки.
Научная новизна диссертационной работы состоит в:
разработанном методе лазерного аддитивного производства малоразмерных изделий из сплавов алюминия на основе лазерной наплавки, отличающемся миниатюризацией зоны воздействия;
установленных закономерностях формообразования в процессе лазерной наплавки при миниатюризации зоны воздействия и установленных зависимостях размеров зоны воздействия (ширины, высоты) от параметров микролазерной наплавки (мощность излучения, скорость сканирования, расход порошка);
- установленных связях структуры сплавов системы Al-Si и режимов
лазерной наплавки при обработке в миллиметровом и субмиллиметровом
диапазонах и установленных закономерностях структурообразования
исследуемых сплавов, состоящих в возможности получения
композиционного материала на основе Al с упрочняющими частицами Si субмикронного и микронного размера, матрица которого представляет собой пересыщенный твердый раствор Al(Si);
- установленном влиянии режимов микролазерной наплавки на
качество поверхности, физико-механические свойства и износостойкость
образцов из сплава системы Al-Si.
Практическая значимость работы заключается в: -разработанных рекомендациях по выбору оборудования,
материалов и методик для процессов лазерной наплавки при изготовлении
малоразмерных изделий из сплавов алюминия;
- разработанных технологических рекомендациях по модификации
поверхности и изготовлению малоразмерных изделий из сплавов алюминия
с высоким комплексом физико-механических и трибологических свойств
методом микролазерной наплавки, а также разработанной технологической
карте микролазерной наплавки сплавов системы Al-Si, обеспечивающей
возможность выбора режимов исходя из требуемой геометрии наплавки;
-разработанной автоматизированной системе (свидетельство №2014611646) выдачи рекомендаций по лазерной наплавке сплавов на основе Al, обеспечивающей сокращение временных затрат на подготовку и планирование эксперимента.
Методология и методы. Поставленные задачи решались аналитическими, численными и экспериментальными методами. Исследования проводились с привлечением аппарата регрессионного анализа. Экспериментальные исследования проводились по стандартным и оригинальным методикам с использованием аттестованных приборов и контрольно-измерительной аппаратуры.
Степень достоверности и апробация результатов. Достоверность результатов обеспечена использованием общих положений фундаментальных наук (уравнения энергетического баланса, теплопроводности и т.д.), материаловедения и научных основ технологии машиностроения. Основные положения работы отражены в 15 научных трудах, которые включают 1 свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ, 1 патент на полезную модель, 5 статей в журналах, рекомендованных ВАК для публикации трудов соискателей ученых степеней, 5 статей в журналах, индексируемых в базах данных Web of Science и Scopus. Основные результаты работы представлены на международных и всероссийских симпозиумах и конференциях: 6-ая международная конференция проблем термического напыления - 6th RIPT (2013 г., Лимож, Франция); симпозиум международного союза по теоретической и прикладной механике - IUTAM Symposium on Growing solids (2015 г., Москва); международный симпозиум «Фундаментальные основы лазерных микро- и нанотехнологий» - FLAMN-13 (2013 г., Санкт-
Петербург); международная научно-техническая конференция
«Современные наукоемкие технологии, оборудование и инструменты в машиностроении» – МТЕТ-2014 (2014 г., Санкт-Петербург); 17-ый международный симпозиум «Динамические и технологические проблемы механики конструкций и сплошных сред» имени А.Г. Горшкова (2011 г., Ярополец); 20-ый международный симпозиум «Динамические и технологические проблемы механики конструкций и сплошных сред» имени А.Г. Горшкова (2014 г., Ярополец); 21-ый международный симпозиум «Динамические и технологические проблемы механики конструкций и сплошных сред» имени А.Г. Горшкова (2015 г., Вятичи).
Результаты исследований, представленные в работе, апробированы и внедрены в научно-исследовательских лабораториях ФГБОУ ВО «МГТУ «СТАНКИН» и института Фраунгофера (Fraunhofer IWS, Германия).
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, 5 глав, общих выводов по работе, приложения, списка использованных литературных источников. Представленная работа содержит: 178 страниц машинописного текста, включая 102 рисунка, 24 таблицы и 155 наименований использованных литературных источников.
Микролазерная наплавка
Наличие CAD-модели позволяет автоматизировать процесс лазерной наплавки. Посредством специального программного обеспечения (ПО) модель детали разбивается на дискретное число слоев, для которых рассчитывается траектория движения инструмента и производится ее конвертация в CNC-совместимый формат. Итоговый файл загружается на ЧПУ-станок, адаптированный для процессов лазерной наплавки. Выращивание детали происходит послойной наплавкой контуров.
Устройство установок лазерной наплавки. Компоновку установки для лазерной наплавки выбирают в соответствии с технологической задачей. Излучение от источника поступает по оптическому волокну к системе линз, где происходит его фокусировка. Защитный газ поступает в зону обработки совместно с лазерным излучением. Дозированный питателем порошок транспортируется несущим газом по каналам питания к соплу, которое фокусирует порошок в рабочей зоне. Система позиционирования обеспечивает относительные перемещения сопла и подложки.
Формирование лазерного излучения основано на явлении усиления света через вынужденную эмиссию в активной среде. Активная среда, способ ее возбуждения и тип резонатора определяют пространственную структуру излучения (конфигурация поля в поперечном сечении) и его спектральный состав (световая длина волны ). В идеальном случае лазерное излучение представляет собой электромагнитную волну высокой степени монохроматичности, распределение интенсивности І(х,у) в поперечном сечении которой соответствует закону Гаусса (гауссов пучок): К , У) = Ітах ЄХР (- Р), (1.1) где Ітах - максимальная интенсивность в луче, х, у- координаты в поперечном сечении, мм; d - диаметр луча, мм. При фокусировке излучения (рисунок 1.2) на расстоянии, равном фокусному расстоянию линзы fp0k, образуется зона перетяжки с диаметром фокусировки dF, при удалении от которой в направлении распространения пучка z его диаметр d(z) увеличивается в соответствии с выражением [25]: d2(z) = d2+62(z-z0)2, (1.2) где в - полный угол расходимости лазерного излучения, рад; zo - положение перетяжки, мм. Произведение расходимости и диаметра перетяжки остается постоянным при распространении излучения через оптическую систему и служит его характеристикой, получившей название параметра качества пучка ВРР [25]. Для гауссова пучка (одномодовое излучение) справедливо: ВРР = = -, (1.3)
На практике поперечная пространственная структура излучения образуется наложением поперечных мод более высокого порядка, чем основная мода гауссова пучка. Расходимость и диаметр перетяжки при этом возрастает в М раз, а параметр качества пучка составляет: ВРр = =М2 (1.4) 4 я М2-параметр показывает кратность увеличения диаметра перетяжки реального пучка относительно гауссова при одной расходимости, и служит для оценки фокусируемости лазерного излучения. С учетом выражения (1.4) изменение диаметра пучка вдоль оси распространения принимает вид:
В качестве наплавочного материала используют порошок или проволоку. Проволочная наплавка обеспечивает более высокий коэффициент использования материала [34], однако выбор материала проволоки и ее минимальный размер ограничены. Поэтому более распространена порошковая наплавка, для которой применяют порошки различных фракции (20–150 мкм), формы и химического состава [35]. Типичная для лазерной наплавки система дозирования порошка представлена на рисунке 1.3. Из резервуара 1 порошок поступает в распределительный барабан 3, где происходит его захват и псевдоожижение несущим газом. Псевдоожижаемость порошка в зависимости от плотности и размера частиц оценивают через диаграмму Гельдарта (рисунок 1.4). Газопорошковая смесь сквозь вытяжное отверстие 5 поступает в канал питания 6. Пневмо-транспортирование порошка по каналам питания основано на явлении формирования аэродинамического поля, характеристики которого определяются свойствами порошка, его расходом, скоростью потока и характеристиками канала [36].
Выбор компоновки установки микролазерной наплавки
Расчет температурных полей при лазерной обработке в субмиллиметровом диапазоне с учетом явлений плавления и испарения. Расчет температурных полей, возникающих в зоне лазерного воздействия при обработке в субмиллиметровом диапазоне, с учетом явлений плавления и испарения проводится с целью определения области значений параметров обработки, обеспечивающих формирование ванны расплава поперечного размера L100 мкм и глубиной проплавления 0,2L. Последнее требование обусловлено ожидаемым снижением действительного значения мощности излучения на поверхности подложки ввиду затеняющего эффекта порошка (раздел 1.2), которое в расчете не учитывается и в реальном эксперименте может приводить к снижению проплавления и нарушению адгезии.
В данной работе расчет тепловых процессов лазерной микрообработки проводился с использованием численной модели теплопереноса при взаимодействии излучения с материалом, разработанной профессором А.В. Гусаровым [139]. В основе модели лежит решение уравнения теплопроводности, которое в подвижной системе координат имеет вид: где Я объемная энтальпия, Дж; v скорость сканирования, мм/с;
В выражении (2.36) объемная энтальпия Я связана с температурой Т тепловым уравнением состояния: H/r,H CsTm Т = Tm, CsTm H CsTm + Qm , (2 37) [Tm + H-CsT-Qm, H CsTm + Qm где Cs и Сі - теплоемкость в твердой и жидкой фазе, соответственно, Дж/(Км3); Тт - температура плавления, К; Qm - скрытая теплота плавления, Дж/м3. Граничные условия для уравнения (2.36): 1) температура окружающей среды Т0 на бесконечно удаленной грани Г Г0 прих ±оо,у - +oo,z оо, 2) баланс поглощенного излучения q и потерь на испарение qe на поверхности -A =q-qe, (2.38) где поглощенная мощность q = Aqo пропорциональна исходной go-Распределение энергии в пучке согласно нормальному закону Гаусса: q0= exp(-4l (2.39) где Ро - мощность излучения, Вт; го - радиус пятна лазерного излучения, м. Давление насыщенного пара ps определяется из распределения температуры по интегралу уравнения Клаузиуса-Клапейрона [140]: к = ехр\Щ±-±)1 (2.40) Ро L рк \ТЪ TS\ где ро - нормальное давление одной атмосферы, Qb - скрытая теплота испарения, р - плотность материала подложки, m - молекулярная масса насыщенного пара, к - постоянная Больцмана, Тъ - температура испарения. Испарение начинается при/?,, 0 или Ts Тъ.
Характеристики испарения рассчитаны в соответствии с теорией сильного испарения, используя аналитические формулы [141], аппроксимирующие численное решение [142] кинетического уравнения Больцмана в слое Кнудсена. Исходными параметрами для расчета испарения являются температура поверхности Ts и давление насыщенного пара ps. Методика [141] позволяет получить температуру Tv, давление pv и скорость vv пара. Рассчитываются следующие характеристики испарения: Массовые потери fmass = , (2.41)
Потери энергии qe = Qb + vv(pv + fmaSsVv/2) (2.42) Результатом расчета является распределение температур по объему рабочей области, а также профиль ванны расплава в продольном и поперечном сечениях. Теплофизические и оптические характеристики материала подложки (сплав АД31) определены на основании анализа научной информации и результатов расчета, их сопоставления с экспериментом и соответствующей корректировки, и представлены в таблице 2.9.
Коэффициент поглощения лазерного излучения с длиной волны X = 1,03 мкм для сплавов на основе А1 40,25. В то же время известно, что отражательная способность материала снижается с ростом его температуры [143, 144]. В частности, в работах отмечается повышение коэффициента поглощения при облучении А1 излучением лазера (X 1 мкм) в течение действия одного импульса от 0,3 до 0,8 [145]. Экспериментально показано, что доля поглощенной энергии ЛИ повышается с плотностью мощности в интервале от 102 до 104… 105 Вт/мм2, а при плотности мощности 108 Вт/мм2 может резко снижаться до уровня 0,1 [146] от своего первоначального значения. Для микро-обработки сплава АД31 при ожидаемой плотности мощности на поверхности образца 104…105 Вт/мм2 значение коэффициента поглощения принято равными = 0,43 (X = 1,03 мкм).
В расчете принят размер пятна излучения di = 130 мкм отличный от минимального диаметра фокусировки (dF = 50 мкм) ввиду особенностей процесса коаксиальной лазерной наплавки: вертикальное положение сопла задается положением фокуса порошковой струи, которое отличается от положения фокуса излучения. С известной разницей в величинах отступа фокуса порошка и излучения от кромки сопла (раздел 3.3.1) фактическое значение диаметра пятна излучения на рабочей поверхности определено по каустической кривой (рисунок 2.21).
В результате проведенных расчетов получены температурные поля в продольном и поперечном сечениях зоны воздействия и профили ванны расплава в зависимости от параметров обработки (рисунок 2.34, ПРИЛОЖЕНИЕ К). С использованием аппарата регрессионного анализа построены зависимости геометрических характеристик ванны расплава от параметров обработки (рисунок 2.34 в, г). Это позволило определить значения параметров, обеспечивающие формирование ванны расплава поперечным размером 100-120 мкм и глубиной проплавления 20-25 мкм (заштрихованные области на рисунке 2.34). Установленные значения мощности и скорости сканирования соответствуют режимам микролазерной наплавки с минимальным расходом. Значения расхода порошка назначены на основании результатов анализа научной информации (раздел 1.3.1).
Регрессионные зависимости геометрических характеристик валиков от параметров лазерной наплавки
Анализ поученных регрессионных зависимостей (таблица 3.17) показывает, что в исследованном диапазоне параметров с увеличением расхода порошка FПОР и мощности излучения P ширина валика L растет. Скорость сканирования v оказывает обратное действие: повышение скорости сканирования сопровождается снижением ширины валика L. Высокие значения коэффициентов совместного взаимодействия (для мощности и скорости сканирования, мощности и расхода порошка, а также для всех трех параметров) в уравнении ширины наплавки свидетельствует о степени влияния одного фактора в зависимости от уровня, на котором находится другой. Наглядно совместное влияние мощности излучения и скорости сканирования продемонстрировано при графическом представлении уравнений регрессии (рисунки 3.46-3.47). С ростом скорости сканирования повышается чувствительность ширины наплавки к изменению мощности, чему соответствует увеличение угла наклона кривой на графиках (рисунок 3.46, а-в). При снижении мощности излучения повышается чувствительность ширины валика к колебаниям скорости сканирования (рисунок 3.46, г-е). При значении мощности P = 115 Вт ширина валика слабо зависит от изменений скорости сканирования в интервале 10…12 м/мин. Анализ коэффициентов уравнения регрессии для высоты валика показывает близкое по значимости влияние вех трех параметров (рисунок 3.46). Чувствительность высоты валика к колебаниям мощности (P = 105…115 Вт) повышается при снижении скорости сканирования (максимальна при v = 10 м/мин). С ростом мощности отмечается усиление влияния расхода порошка на высоту наплавки.
Полученные зависимости геометрических характеристик валика от параметров микролазерной наплавки сплава системы Al-Si модель позволяет рассчитывать значения целевых функций в любой точке факторного пространства и таким образом, моделировать эксперимент. 170 150 130
Графики зависимостей геометрических характеристик единичных валиков (ширины L и высоты Н) от параметров обработки. Скорость сканирования: м- v=9 м/мин, аа- v=10 м/мин, и- v=11 м/мин. Точки на кривых соответствуют данным эксперимента (средние значения), сплошные линии - полученным регрессионным зависимостям.
На основании полученных регрессионных зависимостей построена технологическая карта процесса микролазерной наплавки сплава AlSi30 (d50 = 35 мкм), позволяющая определять режимы микролазерной наплавки для нанесения валиков с заданной геометрией (рисунок 3.48, ПРИЛОЖЕНИЕ Н). L = 120 мкм 100 105 110 115 120 105 110 115 а) Мощность излучения, Вт б) Мощность излучения, Вт Рисунок 3.48 – Технологическая карта процесса микролазерной наплавки сплава AlSi30 (d50 = 35 мкм) при скорости сканирования 12 м/мин (а) и динамика области режимов формирования валика шириной менее 120 мкм и высотой 5...15 мкм при изменении скорости сканирования (б)
В результате анализа полученной технологической карты микролазерной наплавки сплавов системы Al-Si режимы обработки разделены на группы (таблица 3.18) по достижимому уровню миниатюризации размеров наплавленного валика. Ширина наплавленного валика снижается с увеличением скорости сканирования, снижением массового расхода и мощности излучения. Таким образом, режимы группы 2 (таблица 3.18) позволяют получать валик наплавки меньшего поперечного размера. Сокращение расхода порошка менее 0,15 г/мин вызывает переход к режиму легирования и термообработки. Для обеспечения стабильного проплавления нижележащего слоя значение мощности должно быть удержано на уровне не менее P = 105 Вт. Высота наплавленного слоя снижается при уменьшении массового расхода, в результате чего при формировании покрытия наложением единичных валиков скорость наплавки снижается, а гладкость поверхности возрастает. С помощью полученной технологической карты (рисунок 3.48) определены преимущественные режимы микролазерной наплавки, обеспечивающие формирование стабильного валика шириной 100…120 мкм при отношении сторон 0,05…0,2: P = 105…110 Вт, v = 11…12 м/мин, FПОР = 0,15…0,6 г/мин.
Для определения коэффициента перекрытия при нанесении слоя наложением единичных валиков проведен расчет по описанной методике (раздел 2.7, ПРИЛОЖЕНИЕ О). Результаты расчета представлены на рисунке 3.49, где продемонстрирована стабилизация высоты покрытия (наплавленного слоя) и ее зависимость от коэффициента перекрытия. Для проведения дальнейших исследований значение коэффициента перекрытия принято равным 50%.
Расчет формообразования покрытия при наложении валиков представляет практический интерес, т.к. позволяет расчетным путем оценить рациональность выбранного коэффициента перекрытия и избежать значительных затрат при его экспериментальном подборе.
Влияние параметров обработки на структуру наплавки
Абразивное изнашивание. Износостойкость исследуемых сплавов определяли в сравнении с образцами из алюминиевого сплава и стали 4Х5В2ХС. Выбор материалов для сравнительных испытаний обусловлен их применением в производстве малоразмерных изделий традиционными методами формообразования. Результаты сравнительных исследований абразивного изнашивания образцов из сплава AlSi30, полученных по преимущественным режимам микролазерной наплавки, образцов из алюминиевого сплава АД31 и стали 4Х5В2ХС приведены в таблице 5.23 и на рисунках 5.89-5.91. Образцы из сплава AlSi30 демонстрируют лучшие характеристики изнашивания, чем сплав АД31, и практически не уступают стали 4Х5В2ХС. Последующая термообработка (отжиг при температуре 300C в течение 2 часов) не оказывает влияния на износостойкость образца из сплава AlSi30, полученного методом микролазерной наплавки. Показано влияние режимов микролазерной наплавки на износостойкость образцов: переход к высокоэнергетическому режиму №2 сопровождается 5-кратным сокращением интенсивности изнашивания. Полученные результаты согласуются с данными по твердости исследуемых материалов, которая, как известно, коррелирует с износостойкостью материала при абразивном изнашивании. В результате исследования изношенных поверхностей обнаружено наличие деформированных зон (местные наплывы деформированного металла) вокруг образовавшейся лунки на поверхности стали, сплава AlSi30, полученного по режиму 2, в том числе после отжига, и, в меньшем масштабе, по режиму 1 (рисунок 5.91). Подобный эффект в работе [154] связывали с более высокими значениями вязкости разрушения материала. На поверхности лунки образцов из стали и сплава AlSi30, полученного по высокоэнергетическому режиму №2, присутствуют царапины от абразивного действия частиц SiC.
Изнашивание при фреттинге. Срок службы деталей из сплавов Al зачастую ограничен их изнашиванием в условиях комплексного нагружения из-за невысоких механических характеристик материала. Исследование фрикционных свойств в условиях фреттинга позволяет оценить долговечность и износостойкость материала в номинально неподвижном фрикционном соединении с малой амплитудой взаимных перемещений.
Результаты исследования кинетики разрушения номинально неподвижного фрикционного соединения для сплава AlSi30, полученного методом микролазерной наплавки, демонстрируют влияние режимов наплавки на характер протекания деструктивных процессов в контакте (рисунок 5.92-5.93). Коэффициент проскальзывания материала образцов, полученных по низкоэнергетическому режиму №1 (таблица 3.18), стремительно растет с первых циклов нагружения и для тонкого двуслойного покрытия ( 70 мкм) достигает единицы уже при 1 080 000 циклов нагружения. Для образца большей толщины ( 600 мкм) рост коэффициента проскальзывания приостанавливается на значении 0,75 и сохраняется в течение 5 040 000 циклов нагружения. В дальнейшем его рост возобновляется, но протекает медленно и достигает единицы при 9 720 000 циклов нагружения. Иначе выглядит кинетика разрушения образцов, полученных по высокоэнергетическому режиму №2: коэффициент проскальзывания независимо от числа слоев не изменяет значения в течение первых 8 000 000 циклов нагружения и составляет z 0,7. Дальнейшее нагружение сопровождается ростом коэффициента проскальзывания лишь для тонкого покрытия ( 30 мкм), в то время как для объемных образцов отмечается его постоянство и даже некоторый спад после 11 160 000 циклов нагружения.
Объемные потери за срок службы соединения, а также объемный удельный износ исследованных материалов представлены на рисунках 5.94-5.95. Объемный удельный износ при фреттинге образцов из сплава AlSi30, полученных методом микролазерной наплавки снижается с ростом числа слоев. Структура двуслойного покрытия неоднородна и представляет собой квазиэвтектику с дендритами -фазы, расположение которых контролируется вихрями термокапиллярной конвекции. В процессе выращивания объемного образца структура сплава AlSi30 стабилизируется и приобретает однородность – двухфазная смесь чрезвычайно дисперсных кристаллов SiПЕРВ и квазиэвтектики. Результаты испытаний образцов, полученных двуслойной микролазерной наплавкой, характеризуют износостойкость покрытия с учетом влияния подложки, в то время как при испытаниях образцов толщиной более 150 мкм полученный результат демонстрирует свойства объемного материала.
Влияние режимов микролазерной наплавки на износостойкость образцов из сплава AlSi30 связано с изменением физико-механических свойств материала [155]. При переходе к высокоэнергетическму режиму №2 качество поверхности повышается в 2,4 раза для Ra, 1,8 и 2,2 раза – для Rz и Rmax, соответственно. Вместе с тем с уменьшением расхода порошка снижается доля кристаллов SiПЕРВ в структуре, повышается пересыщенность -фазы и дисперсность структуры (таблица 4.19). Диспергирование структуры и формирование высокопересыщенного твердого раствора обеспечивают упрочнение материала: микротвердость сплава при переходе от низкоэнергетического режима №1 к высокоэнергетическому режиму №2 повышается от 280 до 320 HV0,05. Структура становится более равномерной и однородной. Твердая чрезвычайно дисперсная Al-Si-матрица сплава AlSi30, полученного методом микролазерной наплавки по высокоэнергетическому режиму №2, эффективнее удерживает упрочняющие частицы SiПЕРВ, препятствуя расшатыванию материала и деградации поверхности.