RU2503740C2 - Method of making composite coatings by coaxial laser surfacing - Google Patents

Abstract

FIELD: metallurgy.

SUBSTANCE: part surface to be built up is cleaned, flushed and jet blast to roughness to ensure required coating adhesion and compressed air blowing. Part surface adjoining buildup area are additionally cleaned and flushed. Powder material is prepared and fed by two proportioners to part surface buildup area by argon flow for surfacing by pulse laser beam in argon medium. One proportioner feeds reinforcing nonmetallic dispersed powder of sintered tungsten carbide in 80.0-150.0 mcm-fraction while another one feeds metallic powder of cobalt alloy B3K in 53-106 mcm-fraction. Surfacing is performed in at least two layers by 2 kW laser beam at its displacement at 2 m/min. In first layer buildup, tungsten carbide powder and cobalt alloy powder are fed at 1:4 ratio while in second layer buildup said ratio makes 1:5.

EFFECT: higher wear resistance, adjustable coating thickness.

5 cl, 2 tbl, 1 ex

Description

Изобретение относится к области получения износостойких покрытий с функционально-градиентными свойствами из порошковых материалов и может найти применение для изделий судостроения, авиационной промышленности, теплоэнергетического машиностроения, нефтегазодобывающей, металлургической и химической промышленности.The invention relates to the field of obtaining wear-resistant coatings with functionally gradient properties from powder materials and can find application for shipbuilding products, aircraft industry, thermal power engineering, oil and gas, metallurgical and chemical industries.

Существует целый ряд способов получения износостойких покрытий из порошковых материалов (газотермическое напыление, плазменное напыление, лазерное напыление и т.д.).Наиболее долговечными являются металлические и металлокерамические покрытия, которые позволяют обеспечить особо высокие механические и специальные защитные свойства изделий.There are a number of ways to obtain wear-resistant coatings from powder materials (thermal spraying, plasma spraying, laser spraying, etc.). The most durable are metal and cermet coatings, which can provide particularly high mechanical and special protective properties of products.

Известен способ газотермического напыления порошковых материалов на подложку (А. Хасуй «Технология напыления», М., Машиностроение, 1975, с. 288), в котором для получения высокой адгезии используют мелкие порошки с размерами частиц 5-200 мкм. Распыляемые порошки подвергают воздействию высокотемпературного газового потока (плазменного),нагревая их до температуры плавления, ускоряют до 100-300 м/с и формируют покрытие из расплавленных или частично расплавленных частиц на поверхности подложки.A known method of thermal spraying of powder materials onto a substrate (A. Khasuy "Spraying Technology", M., Mechanical Engineering, 1975, S. 288), in which to obtain high adhesion using fine powders with particle sizes of 5-200 microns. The sprayed powders are exposed to a high-temperature gas stream (plasma), heating them to a melting point, accelerate to 100-300 m / s and form a coating of molten or partially molten particles on the surface of the substrate.

Однако известный способ не может с успехом применяться для напыления порошков более мелких частиц, поскольку происходит их испарение и выгорание в высокотемпературных потоках, а также известный способ не позволяет наносить покрытие из композиционных порошковых материалов, распадающихся и испаряющихся при нагреве.However, the known method cannot be successfully used for spraying powders of smaller particles, since they evaporate and burn out in high-temperature flows, and the known method does not allow coating of composite powder materials that decompose and evaporate when heated.

Известен способ нанесения наноструктурированных износостойких покрытий, включающий подачу порошковой композиции с армирующими частицами из четырех дозаторов в сверхзвуковой поток подогретого газа с образованием гетерофазного потока и нанесение порошковой композиции (RU 2362839 С1, С23С 24/04, 27.07.2009). Однако этот способ имеет ряд ограничений возможности его применения таких как образование оксидов, нитридов структурные изменения, возникновение высоких термомеханических напряжений вследствие разности коэффициентов термического расширения подложки и материала покрытия.A known method of applying nanostructured wear-resistant coatings, comprising feeding a powder composition with reinforcing particles of four dispensers into a supersonic heated gas stream with the formation of a heterophasic stream and applying a powder composition (RU 2362839 C1, C23C 24/04, 07.27.2009). However, this method has several limitations on the possibility of its application, such as the formation of oxides, nitrides, structural changes, the appearance of high thermomechanical stresses due to the difference in the thermal expansion coefficients of the substrate and the coating material.

Наиболее близким к заявленному изобретению является известный способ получения функционально-градиентных покрытий из порошковых материалов, включающий очистку, промывку и струйно-абразивную обработку наплавляемой поверхности детали и обдувку подготовленной поверхности сжатым воздухом, подготовку порошкового материала, подачу порошкового материала из, по крайней мере, одного дозатора и транспортировку его в зону наплавки с помощью газового потока из инертного газа аргона на поверхность детали и наплавку порошка импульсным лазерным лучом в среде аргона (А.Г. Григорьянц, И.Н. Шиганов, А.И. Мисюров «Технологические процессы лазерной обработки», изд. МГТУ им. Н.Э. Баумана, М., 2006, с. 333-361).Closest to the claimed invention is a known method for producing functionally gradient coatings of powder materials, including cleaning, washing and blast-abrasive treatment of the weld surface of the part and blowing the prepared surface with compressed air, preparing the powder material, feeding the powder material from at least one the dispenser and transporting it to the surfacing zone using a gas stream from an inert argon gas to the surface of the part and powder surfacing by a pulsed laser beam in an argon medium (A.G. Grigoryants, I.N. Shiganov, A.I. Misurov "Technological processes of laser processing", ed. MSTU named after N.E.Bauman, M., 2006, pp. 333-361 )

Однако известный способ не позволяет получать покрытия с регулируемой твердостью по толщине покрытия, что снижает срок службы изделий в процессе их эксплуатации.However, the known method does not allow to obtain coatings with adjustable hardness over the thickness of the coating, which reduces the service life of the products during their operation.

Задачей настоящего изобретения является создание эффективного способа получения функционально-градиентного износостойкого покрытия с регулируемой твердостью по толщине высокой износостойкостью и адгезией.The objective of the present invention is to provide an effective method for producing a functionally gradient wear-resistant coating with adjustable hardness in thickness, high wear resistance and adhesion.

Для этого в способе получения функционально-градиентного покрытия из порошковых материалов, включающем очистку, промывку и струйно-абразивную обработку наплавляемой поверхности детали и обдувку подготовленной поверхности сжатым воздухом, подготовку порошкового материала, подачу порошкового материала из, по крайней мере, одного дозатора и транспортировку его в зону наплавки с помощью газового потока из инертного газа аргона на поверхность детали и наплавку порошка импульсным лазерным лучом в среде аргона, дополнительно осуществляют очистку и промывку поверхностей детали, прилегающих к наплавляемой зоне, в процессе струйно-абразивной обработки поверхности придают шероховатость, подачу порошковых материалов осуществляют из двух дозаторов, а наплавку осуществляют в несколько слоев, при этом из одного из дозаторов в поток транспортирующего газа вводят армирующие неметаллические дисперсные частицы агломерированного карбида вольфрама с фракцией 80,0-150,0 мкм, а и из другого дозатора металлические частицы кобальта В3К фракцией 53-Юбмкм, используют лазерный луч мощностью 2кВт и перемещают его в процессе наплавки со скоростью 2 м/мин, первый слой напыляют с подачей армирующих неметаллических дисперсных частиц агломерированного карбида вольфрама и металлических частиц кобальта в соотношении 1:4, после нанесения первого слоя изменяют соотношение подачи порошков из дозаторов до 1:5 и наносят следующий слой.To this end, in a method for producing a functionally gradient coating of powder materials, including cleaning, washing and blast-abrasive treatment of the deposited surface of the part and blowing the prepared surface with compressed air, preparing the powder material, feeding the powder material from at least one dispenser and transporting it in the deposition zone using a gas stream from an inert argon gas to the surface of the part and powder deposition by a pulsed laser beam in argon medium, cleaning and washing the surfaces of the part adjacent to the weld zone, during the jet-abrasive surface treatment, roughen, powder materials are supplied from two dispensers, and surfacing is carried out in several layers, while reinforcing non-metallic dispersed are introduced from one of the dispensers into the flow of conveying gas particles of agglomerated tungsten carbide with a fraction of 80.0-150.0 μm, and from another batcher, metal particles of cobalt B3K with a fraction of 53 Jbkm, use a laser beam with a power of 2 W and move it during the surfacing process at a speed of 2 m / min, the first layer is sprayed with the supply of reinforcing non-metallic dispersed particles of agglomerated tungsten carbide and metal particles of cobalt in a ratio of 1: 4, after applying the first layer, the ratio of the powder feed from the dispensers is changed to 1: 5 and apply the next layer.

Покрытие получают на детали из углеродистой или нержавеющей стали или сплавов, выбранных из группы : титановых, магниевых и алюминиевых, или бронз или латуней.The coating is obtained on parts made of carbon or stainless steel or alloys selected from the group: titanium, magnesium and aluminum, or bronze or brass.

Кроме того, очистку и промывку поверхностей детали, прилегающих к наплавляемой зоне, осуществляют на расстояние не менее 50 мм, а в процессе струйно-абразивной обработки придают шероховатость поверхности по параметру R_Z не менее 20 мкм. Указанные меры позволяют обеспечить хорошее сцепление наплавленного слоя с покрываемой поверхностью и предотвратить образование трещин в покрытии.Furthermore, cleaning and flushing the workpiece surface adjacent to the weld zone is performed at a distance of not less than 50 mm, and during abrasive blasting roughened surface of the parameter R _Z of at least 20 microns. These measures ensure good adhesion of the deposited layer to the surface to be coated and prevent cracking in the coating.

При необходимости после наплавки второго слоя осуществляют наплавку третьего слоя с соотношением подачи порошков из дозаторов 1:5, и затем наплавляют четвертый слой с соотношением подачи порошков из дозаторов 1:6.If necessary, after surfacing the second layer, the third layer is deposited with a powder supply ratio from dispensers of 1: 5, and then the fourth layer is deposited with a powder supply ratio of dispensers of 1: 6.

Экспериментально было установлено, что при соотношении подачи армирующих неметаллических дисперсных частиц агломерированного карбида вольфрама и металлических частиц кобальта в соотношении 1:4 для первого слоя, 1:5 - для второго слоя получают покрытие с переменной по толщине твердостью и соответственно высокой износостойкостью, что в свою очередь повышает срок службы полученных деталей с покрытием.It was experimentally established that, with a feed ratio of reinforcing non-metallic dispersed particles of agglomerated tungsten carbide and cobalt metal particles in a ratio of 1: 4 for the first layer, 1: 5 for the second layer, a coating is obtained with a thickness-varying hardness and accordingly high wear resistance, which in turn the queue increases the service life of the coated coated parts.

Пример реализации способаAn example implementation of the method

Технологический процесс лазерной наплавки функционально-градиентного покрытия на изделие из низкоуглеродистой стали включает в себя следующие операции: подготовку порошков и их смесей; подготовку поверхности, нанесение покрытия; промежуточный контроль качества и размеров покрытия, контроль качества и размеров покрытия. Для покрытия используют порошковый материал в виде армирующих неметаллических дисперсных частиц агломерированного карбида вольфрама с фракцией 80,0-150,0 мкм и металлических частиц кобальта В3К фракцией 53-106 мкм. Перед использованием порошки просушивают и прокаливают. Сушку порошков проводят в сушильном шкафу при температуре от 130°С до 150°С в течение от 2 до 3 часов на противнях из нержавеющей стали, периодически перемешивая порошок, толщина засыпки которого должна быть не более 40 мм. Прокаливание порошка упрочняющей компоненты проводят в электропечи в течение от 2 до 3 часов при температуре от 320°С до 450°С на противнях из нержавеющей стали. Толщина засыпки слоя порошка не более 20 мм. Затем осуществляют подготовку поверхности детали, подлежащей наплавке. Для этого поверхности очищают и промывают от масла, грязи и ржавчины с помощью волосяных или металлических щеток. Очистке и промывке подлежат также поверхности, прилегающие к наплавляемым зонам на расстоянии не менее 50 мм. Кроме того, поверхности детали, подлежащей наплавке, придают шероховатость струйно-абразивной обработкой. Шероховатость по параметру R_z должна быть не менее 20 мкм по параметру R_z по ГОСТ 2789. Данная операция позволяет повысить адгезийную прочность покрытия. После обработки поверхность детали обдувают сжатым воздухом.The technological process of laser surfacing of a functional gradient coating on a low-carbon steel product includes the following operations: preparation of powders and their mixtures; surface preparation, coating; intermediate control of the quality and size of the coating, quality control and size of the coating. For coating, powder material is used in the form of reinforcing non-metallic dispersed particles of agglomerated tungsten carbide with a fraction of 80.0-150.0 μm and metal particles of cobalt B3K with a fraction of 53-106 μm. Before use, the powders are dried and calcined. Powders are dried in an oven at a temperature of 130 ° C to 150 ° C for 2 to 3 hours on stainless steel baking sheets, periodically mixing the powder, the filling thickness of which should be no more than 40 mm. Calcination of the powder of the hardening component is carried out in an electric furnace for 2 to 3 hours at a temperature of from 320 ° C to 450 ° C on stainless steel baking sheets. The thickness of the backfill of the powder layer is not more than 20 mm. Then carry out the preparation of the surface of the part to be surfaced. To do this, the surfaces are cleaned and washed from oil, dirt and rust with the help of hair or metal brushes. The surfaces adjacent to the weld zones at a distance of at least 50 mm are also subject to cleaning and washing. In addition, the surface of the part to be surfaced is roughened by abrasive blasting. The roughness in the parameter R _z must be at least 20 microns in the parameter R _z in accordance with GOST 2789. This operation allows to increase the adhesion strength of the coating. After processing, the surface of the part is blown with compressed air.

В дозаторы засыпают порошковые материалы, закрепляют деталь в патроне манипулятора, устанавливают соответствующие напыляемому порошковому материалу расход порошка, мощность излучения, скорость обработки. В поток транспортирующего аргона вводят армирующие неметаллические дисперсные частицы WC, фракцией от 80,0 до 150,0 мкм из первого дозатора и металлические частицы ВЗК, фракцией от 53 до 106,0 мкм из второго дозатора в процентном соотношении 1:4 для получения первого слоя. Далее поток частиц подается в ванну плавления, созданную при перемещении со скоростью 2 м/мин лазерного луча мощностью 2 кВт (таблица 1). При нанесении следующего слоя покрытия изменяют соотношение подачи из дозатора порошков до 1:5. За счет наложения нескольких слоев получается регулирование твердости по толщине покрытия с приведенными в таблице 2 свойствами.Powder materials are poured into the dispensers, the part is fixed in the cartridge of the manipulator, the powder consumption, radiation power, and processing speed corresponding to the sprayed powder material are set. Reinforcing non-metallic dispersed WC particles with a fraction of 80.0 to 150.0 μm from the first dispenser and metal SCV particles with a fraction of 53 to 106.0 microns from the second dispenser are introduced into the flow of conveying argon in a 1: 4 percentage ratio to obtain the first layer . Next, the particle stream is fed into the melting bath, created by moving a 2 kW laser beam with a speed of 2 m / min (table 1). When applying the next coating layer, the feed ratio from the powder dispenser is changed to 1: 5. Due to the application of several layers, the control of hardness over the thickness of the coating with the properties shown in Table 2 is obtained.

Таблица 1. Режимы напыленияTable 1. Spraying modes Режимы напыленияSpraying modes Состав получаемого покрытияThe composition of the resulting coating WC+B3KWC + B3K Расход порошка, г/минPowder consumption, g / min 2525 Скорость наплавки м/минDeposition speed m / min 1,9-21.9-2 Мощность излучения, ВтRadiation Power, W 20002000 Расход газа, л/минGas consumption, l / min 25-3025-30

Таблица 2.Table 2. Свойства полученных покрытийProperties of the resulting coatings СвойстваThe properties ПокрытиеCoating WC+B3KWC + B3K Твердость, HRCHardness HRC 6565 Адгезия, МПаAdhesion, MPa 180180 Рабочая температура, °С не болееWorking temperature, ° C no more 500500 Толщина покрытия, мкмCoating thickness, microns 500-2000500-2000

Данный способ позволяет получить на изделии функционально-градиентное покрытие из порошковых материалов с регулируемой твердостью по толщине высокой износостойкости, а так же высокой когезией и адгезией покрытия с поверхностью детали, без трещин и дефектов.This method allows to obtain on the product a functional gradient coating of powder materials with adjustable hardness in thickness of high wear resistance, as well as high cohesion and adhesion of the coating to the surface of the part, without cracks and defects.

Claims (5)

1. Способ получения функционально-градиентного износостойкого покрытия из порошковых материалов на детали наплавкой, включающий очистку, промывку и струйно-абразивную обработку подвергаемой наплавке поверхности детали с последующей обдувкой подготовленной поверхности сжатым воздухом, подготовку порошкового материала, его подачу на поверхность детали в зону наплавки потоком аргона и наплавку импульсным лазерным лучом в среде аргона, отличающийся тем, что очистке и промывке дополнительно подвергают поверхности детали, прилегающие к зоне наплавки, в процессе струйно-абразивной обработки подвергаемой наплавке поверхности детали придают обеспечивающую адгезию с покрытием шероховатость, порошковый материал на поверхность детали в зону наплавки подают из двух дозаторов, а наплавку осуществляют, по крайней мере, в два слоя лазерным лучом мощностью 2 кВт при скорости его перемещения в процессе наплавки 2 м/мин, при этом из одного дозатора в поток аргона подают армирующий неметаллический дисперсный порошок агломерированного карбида вольфрама WC фракцией 80,0-150,0 мкм, а из другого дозатора - металлический порошок сплава кобальта В3К фракцией 53-106 мкм, причем при наплавке первого слоя порошок карбида вольфрама и порошок сплава кобальта подают в соотношении 1:4, а при наплавке второго слоя устанавливают соотношение 1:5.1. A method of obtaining a functionally gradient wear-resistant coating of powder materials on a part by surfacing, including cleaning, washing and blast-abrasive treatment of the surface of the part to be surfaced, followed by blowing the prepared surface with compressed air, preparing the powder material, feeding it to the part surface in the surfacing zone by flow argon and surfacing by a pulsed laser beam in argon medium, characterized in that the surfaces adjacent to the surface are additionally cleaned and washed When surfacing, in the process of blast-abrasive processing of the surface to be surfaced, the parts provide roughness with coating adhesion, the powder material is fed from two dispensers to the surface of the part from the surfacing zone, and surfacing is performed in at least two layers with a 2 kW laser beam at the speed of its movement in the surfacing process is 2 m / min, while reinforcing non-metallic dispersed powder of agglomerated tungsten carbide WC with a fraction of 80.0-150.0 μm is fed from one dispenser to an argon stream, and from another th dispenser - metallic cobalt alloy powder V3K fraction 53-106 microns with at first cladding layer of tungsten carbide powder, cobalt alloy powder was fed in a ratio of 1: 4, while the second cladding layer is set a ratio of 1: 5. 2. Способ по п.1, отличающийся тем, что покрытие наносят на детали из углеродистой или нержавеющей стали, или титановых сплавов, или магниевых сплавов, или алюминиевых сплавов, или бронз, или латуней.2. The method according to claim 1, characterized in that the coating is applied to parts made of carbon or stainless steel, or titanium alloys, or magnesium alloys, or aluminum alloys, or bronzes, or brass. 3. Способ по п.1 или 2, отличающийся тем, что прилегающие к зоне наплавки поверхности детали очищают и промывают на расстоянии не менее 50 мм.3. The method according to claim 1 or 2, characterized in that the parts adjacent to the surfacing zone are cleaned and washed at a distance of at least 50 mm. 4. Способ по п.1, отличающийся тем, что в процессе струйно-абразивной обработки подвергаемой наплавке поверхности детали придают шероховатость R_Z не менее 20 мкм.4. The method according to claim 1, characterized in that during the blast-abrasive treatment of the surface to be surfaced, the details give a roughness R _{Z of} at least 20 μm. 5. Способ по п.1, отличающийся тем, что после наплавки второго слоя наплавляют третий слой при соотношении подачи порошка карбида вольфрама и порошка сплава кобальта 1:5, после чего наплавляют четвертый слой при соотношении 1:6. 5. The method according to claim 1, characterized in that after surfacing the second layer, the third layer is deposited at a feed ratio of tungsten carbide powder and cobalt alloy powder 1: 5, after which the fourth layer is deposited at a ratio of 1: 6.