Аннотация:

Возможность изготовления покрытий имеет решающее значение для техники дизайн. Многие компоненты требуют применения дополнительных слоев для улучшения механических свойств и защиты против враждебный среда. сверхзвуковое лазерное осаждение (SLD) является новым методом покрытия на основе холодного спрея (CS) Принципы. В этой технике скорости осаждения могут быть значительно ниже чем те Требуется для эффективного склеивания в CS Приложения. Добавление лазерной тепловой энергии позволяет изменять термодинамический опыт воздействия частиц, тем самым предлагая большую возможность для эффективного склеивания при более низких скоростях по сравнению с CS Работа, представленная в этой статье, демонстрирует способность SLD процесс доставки Hardfacing Материалы для инженерии поверхности. Stellite-6 был нанесен на низкоуглерод Стальные трубки по ряду параметров процесса для установления соответствующих скоростей целевой мощности и скорости перемещения для покрытия формирование. Свойства и параметры покрытия были рассмотрены для определения первичных характеристик и структуры зерна Размер. Их . Морфология и производительность были изучены путем оптической микроскопии, сканирующего электронного микроскопа (SEM), рентгеновской дифракции, измерения твердости и износ Тестирование. Результаты показали, что SLD способен на хранение слоев STELLITE-6, со свойствами, которые превосходят тех из их условно изготовлено коллеги.

Введение:

Текущий промышленный спрос на комплекс, высококачественные Инженерные структуры часто требуют использования улучшенных материалов для изготовления каждого отдельного компонента. Во многих приложениях конкретные свойства требуются только локально и, следовательно, достижимы благодаря образованию покрытия.

Для . Отложение металлических слоев, высокоскоростная кислород-топливо И лазерная облицовка (LC) 1,2 представляют собой промышленные технологии, в которых недавние исследовательские усилия имеют сосредоточены. Каждый метод отличается от его работы механизм; Однако оба требуют плавления или частичного плавления материала сырья и относительно высокой рабочей температуры на осаждении сайт. таяние материала сырья часто приводит к обширному окислению, изменение микроструктура и в формировании нежелательных хрупких фаз во время повторное затвердевание Процесс.3,4 для Пример, Курода et . al.5 . описал высокоскоростную кислород-топливо процесс как не подходит для формирования акоррозионной защиты титановых слоев на больших стальных морских колоннах Потому что высокого кислорода содержание. Кроме того, когда Рабочие температуры слишком высоки, искажения и растрескивание субстратного материала могут происходить. Такие условия недопустимы когда связано с текущим промышленным спросом на продукцию высококачественные компоненты в экономически эффективном манере.

Альтернативный метод представляет собой процесс осаждения твердотельного состояния, известный как холодный спрей (CS) .6 в этой технологии материал сырья (в порошок форма) не расплавляется, но вместо этого ускоряется при сверхзвуковой скорости носителем Газ. Частицы генерируют высокие энергетические воздействия когда столкновение против Поверхность подложки, каждый размер материала и частиц характеризуется минимальной скоростью для достижения осаждения .7,8 Следовательно, использование гелия при высокой скорости потока с газовым нагревом необходимо для формирования высококачественные Покрытия из сильных, износостойкие такие материалы, как WC-CO.9,10, 11,12, однако, высокая стоимость гелия делает процесс дорогой.

Это . Бумага представляет экспериментальные результаты, связанные с осаждением C-CR Hardfacing . сплав (коммерческое имя Stellite-6) на . Стальные подложки, использующие инновационный процесс в развитии в Университете Кембриджа и известный как сверхзвуковое лазерное осаждение (SLD). Подавляющее большинство Stellite-6 Депозиты в настоящее время изготавливаются Via Lc . или дуговая сварка; 13,14 Однако недостатки, такие как утвержденные микроструктура Благодаря осаждению расплавленного материала неизбежно. SLD процесс может преодолеть недостатки текущих технологий и уже был эффективно применен к осаждению титана на сталь субстраты.15 В этой технике недостаток азота в качестве несущего газа (с низкая частица скорость) компенсируется реализацией лазерного источника для освещения покрытия Местоположение. Оптимизированные параметры процесса представлены наряду с анализом покрытия и исходные результаты на производительность износа Депозиты.

SLD процесс

SLD Технологии эволюционировали от успешного предварительного исследования Bray et Al.16,17 О влиянии размягчения подложки на формирование покрытия через применение 1-кВт Лазерный источник на осаждении сайт.

SLD процесс аналогичен в его механизмах к CS; его схема показаны на рисунке 1. Металлический порошок, доставляемый из подачи под высоким давлением (Praxair 1264Hp; Praxair Inc., Данбери, КТ, США), ускоряется для сверхзвуковой скорости через газ-носитель (азот) в пределах конверговая расходящаяся сверхзвуковая насадка. Различные геометрии сопла могут быть реализованы; Дизайн оптимизирован для ускорения определенного порошкового материала и Размер. Максимально допустимое давление на входе сопла составляет 30 бар в текущей системе, что дает скорость воздействия частиц внутри 400-900 м S-1 Диапазон в зависимости от размера и типа материал. Пороговые уровни могут быть дополнительно увеличены с газом нагревателя (CGT Кинетика 3000) повысить температуру газа (500 ° C Макс.) На входе сопла, таким образом, увеличить свой выход скорость. Примеры экспериментальных измерений достижимых скоростей частиц с аналогичной системой распыления сообщаются в Литературе.16 Это . Исследование включает в себя сравнение численных результатов с использованием динамического анализа вычислительной жидкости, который демонстрирует тесное соглашение между двумя методы.

Как показано на рисунке 1, зона осаждения освещена лазерным лучом (4-кВт Максимальная мощность, волоконно-лазер, IPG) смягчить (не elt) Материал подложки и для уменьшения напряжений текучести, тем самым обеспечивая покрытие для формирования, не требуя ускорения порошков до CS Скорость. Таким образом, осаждение высокопрочный Материалы возможны экономически эффективными способом с использованием азота в качестве носителя Газ. Газ азота поставляется Многоцилиндровый цвет поддоны. После обработки его удаляют из рабочей камеры через экстракцию Система.

На рисунке 2 показана рабочая зона процесса и пространственное расположение основных компоненты: лазерная головка, сверхзвуковое сопло, инфракрасный пирометр (двухцветный) и шпиндель. Инфракрасный пирометр можно использовать для мониторинга температуры на месте на покрытии и поддерживать его в установленном значении через PID Закрытый контур Управление с лазер. Шпиндель реализован в системе, чтобы обеспечить покрытие трубки.

SLD . Стеллит-6

Stellite-6 Свойства и приложения

Stellite-6 это Cobalt на основе Сплав, состоящий из сложных карбидов в матрице Его химический состав показан в таблице 1. устойчиво к износу, галерению и коррозии и сохранению эти Свойства при высоких температурах из-за того, что в основном к характеристикам, присущими твердой карбидной фазой, диспергированной в CO-CR Сплав Матрица. дальнейшее понимание носки поведение Stellite-6 были недавно были предоставлены Wood et Al.19 Он считается отраслевым стандартом для обоснованного износостойкости против многие формы механической и химической деградации в широком диапазоне температур (сохранение разумный уровень твердости на высоком температурах) и имеет хорошую устойчивость к воздействию и кавитация эрозия. Stellite-6 подходит для разнообразных Hardfacing процессы и могут быть обработаны карбидом оснастка. Использование включает в себя клапанные сиденья и ворота, насосные валы и подшипники, эрозионные щиты, катящиеся пары и ремонт коррозированной паровой турбины лезвия.

Изготовление покрытий и Характеристики:

SLD Процесс использовался для производства Stellite-6 Покрытия на Низкоуглерод Стальные подложки (43C) в виде трубки. Трубы измеряли 50 мм во внешнем диаметре со стеной толщиной 3 мм. Коммерческая сферическая Stellite-6 Порошок, 18 -45 мкм . Размер, был используется Процесс распыления проводился с азотом при нахождении давления 30 бар, нагревается до 500 ° C Чтобы максимизировать скорость струи газа на сопле Выход. Сверхзвуковая форсунка, используемая для экспериментов, имела ограничение поперечного сечения диаметром 2.7 мм, общая длина 200 мм и была изготовлена ​​в WC Чтобы минимизировать эффект порошка эрозии на внутренний профиль. Вычислительная жидкость динамическая модель сверхзвуковой форсунки, разработанной с Ansys-Fluent 12.1 . выявил максимальную скорость газа носителя приблизительно 1000 м S - 1 Соответствует выходу поперечному сечению. Ускорение Stellite-6 Частицы в несущем газе моделировали через алгоритм дискретной фазы модели (одностороннее муфта), а также High-Mach-Number Перетащите Закон 20 Вычислительные результаты дали максимальную скорость почти 640 м S-1 для 30 мкм Диаметр частиц, который соответствует среднему размеру в коммерческом сырье. Это . намного ниже теоретического минимального осаждения скорости для этого типа материала (775 M S - 1) рассчитывается с использованием формулы, опубликованной assadi et . al.8 . Эксперименты подтвердили, что покрытия могут не форма под эти Условия обработки с азотом в качестве газа-носителя в безразрешенных CS.

Процесс покрытия был исследован с выбором рабочих параметров для определения оптимальных настроек. Лазерная мощность была изменена с каждым испытанием в диапазоне 1.2-3 КВт и тестировали на разных поперечных скоростях подложки, то есть линейная скорость по внешней окружности трубки. Влияние скорости подачи порошка процесса на характеристики осаждения также было исследовано.

Рисунок 3, полученный с помощью оптического микроскопа, показывает поперечное сечение типичного STELLITE-6 Одиночная дорожка производится Via SLD. Покрытие было поперечное сечение И наземная квартира с SiC Greit бумага. Окончательное полированное состояние было достигнуто с помощью последовательного применения A 9-мкм Алмазная подвеска, A 3-мкм Алмазная подвеска и A 0,04 мкм коллоидный кремнезем суспензия. Фигура предполагает, что депозит характеризуется относительно низкой пористостью и незначительным воздействия на тепло зона на субстрат. Эрозия или растрескивание стальной подложки и покрытия не было.

Напротив, на рисунке 4 показано поперечное сечение Stellite-6 Покрытие, производимое лазерной оболочкой, требующим полного плавления сырья Материал.21 Погрешность Зона большая, приближается к 1 мм в Глубина. В этом случае искажение рабочей части, вероятно, происходит Растрескивание покрытия может быть вызвано высокими напряжениями, которые могут образовываться путем дифференциального сокращения после образования CLAD Создание слоев разбавления неизбежно и может привести к плохим свойствам покрытия и твердость.13 как процесс осаждения твердого состояния, SLD есть возможность преодолеть на эти трудности и Недостатки.

Одиночные дорожки могут просто перекрываться, чтобы сформировать более широкое покрытие, как Micropoarg Поперечное сечение плоской стальной подложки на рисунке 5 иллюстрирует. Никаких трещин не наблюдалось ни в подложке, ни на покрытие.

Можно было эффективно депозит Stellite-6 На поперечных уровнях скорости до 40 мм S - 1 для скорости нанесения покрытия приблизительно 2.2 кг H-1, используя 3 кВт Лазер Питание. При таких условиях обработки пористость осажденного слоя измерялась (оптически) на <1%, в то время как Микротвердость подошел к 610 HV . (как измеряется с коммерческим Mitutoyo Vickers Тестирующая машина), выше чем что из материала в объемной форме, как указано в таблице 1. Сила адгезии покрытия также была измерена через выделенный эксперимент, в котором металлическая Dolly (8 мм Диаметр) склеен на внешняя поверхность покрытия с эпоксидной смолой. Давление, необходимое для вытаскивания долли, дает связь Сила. Однако в этом случае смола не удалась на 62,4 МПа . приводит к выводу, что фактическая сила связи между покрытием и субстратом значительно подходит.

покрытие микроструктурный Анализ и Производительность:

На рисунке 6 показана Микрофотография поперечное сечение (оптический Микроскоп) из Stellite-6 покрытие химически затравлена ​​Aqua Regia. Депозит был изготовлен на стальной субстрате трубки с 3 кВт Лазерная мощность и поперечная скорость 40 мм S-1. Фигура ясно указывает, что частицы пластически деформированы Потому что высокого энергетического воздействия на подложку поверхность. Такое поведение также типично в Cs. в качестве границ частиц четко видно, можно подтвердить, что не произошло плавление покрытия во время Отложение процесс. Структура зерна и его общий размер, измерения меньше чем 1 мкм в большинстве местоположений можно наблюдать в каждой деформированной частицы на рисунке 6.

Зерно Stellite-6 Депозит более четко наблюдается на травленном сканирующем электронном микроскопе (SEM) изображения, показанные на рисунке 7. Расположение карбида фаз, более устойчив к коррозионному действию трависской кислоты, может быть выделены. Рисунок 8 подтверждает, что размер относительно небольшой, в 200-400 Нм Диапазон.

Рисунок 9 показывает SEM Изображение одного Stellite-6 частица перед распылением процесс. Структура зерна видна и аналогична по размеру для покрытия на рисунке 7, подтверждающая отличную структурную целостность и сохранение материала от Pre- к после обработки Конфигурация.

Для . Сравнение, на рисунке 10 обеспечивает зерновую структуру A лазерное клапан Stellite-6 покрытие. Дендриты, похожие на Те, кто от SLD являются наблюдается; Тем не менее, общий размер значительно больше и сообщается, что составляет приблизительно 1.1 мкм.22 Когда . Покрытие сварена, SEM Изображения раскрывают размер зерна более 20 мкм.14

Один важный недостаток методов осаждения металлов на основе на Полное или частичное плавление материала сырья и субстрата является образование нежелательных фаз во время затвердевание процесс. Таким образом, рентгеновский дифракционный анализ был проведен как в STELLITE-6 порошок и SLD покрытие для изучения потенциальной разницы между два. Рентгеновская дифракция покрытия выполнена на внешнем слой. Результаты построены на рисунке 11. Пики, соответствующие определенным фазам, имеют аналогичные результаты как в порошке, так и на покрытии, подтверждающие, что этот материал может сохранить свою первоначальную структуру через SLD Обработка. Однако некоторые различия были наблюдается; Дополнительные фазы появляются в покрытии, но не в порошок. Преобладающий пик, вероятно, связан с фазой CRO, хотя необходим более подробный анализ для подтверждения этого результат.

К . Оцените механические характеристики покрытий, тест износа был выполнен с использованием коммерческой ротации Износные тестирования машина с сферическими Si3n4 Керамический инструмент. 200 г Предварительная нагрузка Был применен к образцу, и тест проводился в течение приблизительно 120 мин при скорости инструмента 800RPM. Тот же тест проводился на Stellite-6 Образец, производимый с LC Использование 1,8-кВт Лазерная мощность по поперечной скорости 8.3 ММ S-1. На рисунке 12 показано измеренное коэффициент трения для двух методов осаждения во время Тест износа во времени через 20 минут и до конца эксперимента. Stellite-6 депонирован SLD выполнил лучше чем его лазер-клапан аналог, имеющий значительно более низкое коэффициент трения и незначительные колебания во время тест. Поэтому эти Первоначальные результаты показывают, что SLD-обрабатывается Stellite-6 имеет потенциал для более высокого уровня производительности и выносливость. Основные объяснения для эти Результаты напрямую связаны с наблюдаемой структурой SLD покрытие; нанокристаллический Известно, что покрытия обладают уникальными химическими, физическими и механическими свойствами (превосходные твердость и Сила) с потенциалом для новых технологических приложений, как сообщает Tjong и Чен.23

Выводы:

SLD процесс был введен. Это . Способ покрытия похож на принцип работы к CS Техника; Однако осаждение возможно без ускорения частиц металла в их Полная критическая скорость. SLD . был применен к Hardfacing из низкоуглерод Стальные трубки с Stellite-6. Окно параметра осаждения было исследовано; Можно было формировать отложения на подложке на поперечной скорости 40 мм S-1 с 3 кВт Лазерная мощность, в результате чего 2.2 кг H-1 построить ставка. SLD . Покрытия Stellite-6 Выставил без трещин Структура, низкая пористость и отличная сила связи с субстрат. Эти . Свойства были достигнуты без расплавления материала сырья или не вызывая постоянного повреждения и искажения на подложку. Размер зерна покрытия был обнаружен субмикрон (200-400 НМ), в результате чего улучшено износостойкий производительность против Лазерная облицовка покрытия. Первоначальное исследование нашел измеренный коэффициент трения Stellite-6 слой, производимый с SLD быть приблизительно 2.4 раз меньше чем что с лазером облицовка.

Информация об авторе

принадлежности

Кафедра техники, Институт изготовления, Университет Кембридж, Кембридж CB3 0fs, Великобритания

Рокко . Лупуи, Эндрю Коунберн, Крис Брайан, Мартин Искус & Уильям . О'Нил

Колледж Чжэцзян, Чжэцзян Технологический университет, Ханчжоу 310024, Китай

Fang Luo.

Соответствующий автор

Переписка для Уильяма О'Нил.