RU2105826C1 - Method for application of hardening coating to metal or metal-containing surfaces - Google Patents
Method for application of hardening coating to metal or metal-containing surfaces Download PDFInfo
- Publication number
- RU2105826C1 RU2105826C1 RU95108163A RU95108163A RU2105826C1 RU 2105826 C1 RU2105826 C1 RU 2105826C1 RU 95108163 A RU95108163 A RU 95108163A RU 95108163 A RU95108163 A RU 95108163A RU 2105826 C1 RU2105826 C1 RU 2105826C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- laser beam
- coating
- processing
- hardening
- carried out
- Prior art date
Links
Images
Landscapes
- Heat Treatment Of Articles (AREA)
- Laser Beam Processing (AREA)
- Other Surface Treatments For Metallic Materials (AREA)
Abstract
Description
Изобретение относится к области поверхностной обработки металлов, в частности к нанесению упрочняющих покрытий, а именно к способам нанесения упрочняющего покрытия на металлические или металлосодержащие поверхности. The invention relates to the field of surface treatment of metals, in particular to the application of hardening coatings, and in particular to methods of applying a hardening coating to metal or metal-containing surfaces.
Оно может быть использовано в самолетостроении, машиностроении, двигателестроении, станкостроении и при изготовлении других механизмов и машин, работающих в особо сложных условиях повышенных нагрузок, вибраций, высоких температур, при наличии агрессивных и коррозионных сред и т.п. а также при изготовлении и восстановлении которых необходимо предупредить появление или ликвидировать поверхностные повреждения и улучшить эксплуатационные характеристики, такие, как износостойкость, коррозионную стойкость, жаростойкость, жаропрочность и т.п. It can be used in aircraft, machine building, engine building, machine tool building and in the manufacture of other mechanisms and machines operating in particularly difficult conditions of increased loads, vibrations, high temperatures, in the presence of aggressive and corrosive environments, etc. as well as in the manufacture and restoration of which it is necessary to prevent the appearance or repair of surface damage and improve operational characteristics, such as wear resistance, corrosion resistance, heat resistance, heat resistance, etc.
В настоящее время, одной из важных проблем работоспособности деталей являются поверхностные повреждения, возникающие в результате механических воздействий, износа, коррозии и т.д. Для уменьшения или полного устранения таких повреждений детали подвергают поверхностному упрочнению, а изношенные поверхности деталей восстанавливают различными методами. Однако, в некоторых случаях из-за сложной геометрии поверхности и профиля деталей восстановить ее с высоким качеством очень трудно. В области поверхностной обработки металлических материалов в настоящее время широкое распространение получили методы поверхностного упрочнения этих материалов с использованием лазерного луча. К ним относятся различные методы поверхностной закалки, наплавки, плакирования, газового легирования и т.д. Эти методы заключаются, в основном в том, что на упрочняемую поверхность детали воздействуют лазерным лучом и/или вводят в зону лазерного воздействия легирующий газ или материал. At present, one of the important problems of the performance of parts is surface damage resulting from mechanical stress, wear, corrosion, etc. To reduce or completely eliminate such damage, the parts are subjected to surface hardening, and the worn surfaces of the parts are restored by various methods. However, in some cases, it is very difficult to restore it with high quality due to the complex surface geometry and profile of parts. In the field of surface treatment of metallic materials, methods of surface hardening of these materials using a laser beam are now widely used. These include various methods of surface hardening, surfacing, cladding, gas alloying, etc. These methods consist mainly in the fact that the hardened surface of the component is exposed to a laser beam and / or a dopant gas or material is introduced into the laser zone.
Однако при закалке и газовом легировании не достигается большого эффекта упрочнения поверхности, так как упрочнение поверхности происходит за счет изменения структурно-фазового состояния материала подложки, и эти виды упрочнения применяются, в основном, для закаливащихся сталей, а не для широкого спектра материалов и не позволяют в корне изменить свойства подложки. Кроме того эти методы практически не изменяют геометрические размеры детали и не применимы при их восстановлении. However, during hardening and gas alloying, a large effect of surface hardening is not achieved, since surface hardening occurs due to a change in the structural phase state of the substrate material, and these types of hardening are used mainly for hardened steels, and not for a wide range of materials and do not allow fundamentally change the properties of the substrate. In addition, these methods practically do not change the geometric dimensions of the part and are not applicable when restoring them.
Наиболее целесообразно наносить на поверхность подложки упрочняющий материал со специальными свойствами, отличными от материала подложки (например, коррозионностойкий, жаропрочный, жаростойкий, износостойкий и т. п.). Упрочняющий материал используют в виде проволоки, пластины, прутка, порошка. It is most advisable to apply a reinforcing material with special properties on the surface of the substrate that are different from the substrate material (for example, corrosion-resistant, heat-resistant, heat-resistant, wear-resistant, etc.). Reinforcing material is used in the form of wire, plate, rod, powder.
Известен целый ряд способов нанесения упрочняющего материала на металлические поверхности с использованием лазерного излучения, например, плакирование (см. патент США 3952180). A number of methods are known for applying reinforcing material to metal surfaces using laser radiation, for example, cladding (see US patent 3952180).
Указанный способ плакирования включает в себя:
нанесение вплотную на металлическую подложку одного или более материалов;
оплавление этого материала лазерным лучом.The specified cladding method includes:
applying one or more materials close to the metal substrate;
fusion of this material with a laser beam.
Мощность лазерного луча составляет примерно 1-20 кВт, скорость обработки примерно 12,5-125 см/мин, диаметр лазерного луча около 2,5 мм. Наплавляемый материал представляет собой пруток, ленту или проволоку из кобальтовых, железных, никелевых и других сплавов. The laser beam power is about 1-20 kW, the processing speed is about 12.5-125 cm / min, the diameter of the laser beam is about 2.5 mm. The deposited material is a bar, tape or wire made of cobalt, iron, nickel and other alloys.
Однако данный способ не может быть применим при нанесении упрочняющих покрытий на сложнопрофильные поверхности, так как очень сложно изготовить пластину, проволоку иди пруток, повторяющие упрочняемую поверхность, и при наложении плотно прижать их к подложке. При недостаточном контакте упрочняющего материала с подложкой имеет место неполное сплавление и другие дефекты. However, this method cannot be applicable when applying hardening coatings to complex surfaces, since it is very difficult to make a plate, wire or bar, repeating the hardened surface, and when applied tightly press them to the substrate. With insufficient contact of the reinforcing material with the substrate, incomplete fusion and other defects take place.
Кроме того, в некоторых случаях необходимо сочетание упрочненных и неупрочненных зон со свойствами, отличными от свойств подложки. Такую поверхность создать вышеизложенным способом очень сложно. In addition, in some cases, a combination of hardened and unhardened zones with properties other than those of the substrate is necessary. It is very difficult to create such a surface in the foregoing way.
Известен, например, способ лазерной наплавки (см. патент США 4832983), заключающийся в нанесении на поверхность смеси порошковых материалов и сплавлении ее сканирующим лазерным лучом поперек нанесенного порошкового материалы
При этом луч лазера отражается от фокусирующего зеркала, попадает на колеблющееся поворотное зеркало и, отражаясь от него, падает на обрабатываемую поверхность в расфокусированном состоянии, оплавляя насыпанный порошковый материал.Known, for example, a method of laser surfacing (see US patent 4832983), which consists in applying to the surface of a mixture of powder materials and fusing it with a scanning laser beam across the applied powder materials
In this case, the laser beam is reflected from the focusing mirror, hits the oscillating swivel mirror and, reflected from it, falls on the work surface in a defocused state, melting the poured powder material.
Однако и этот способ не позволяет упрочнять сложнопрофильные поверхности, так как имеется возможность выноса порошкового материала из зоны плавления при защите подложки от окисления струей инертного газа, а при упрочнении поверхности малых размеров трудно нанести на нее порошковый материал одинаковой высоты и удержать его на этой поверхности. However, this method also does not allow hardening complex profiles, since it is possible to remove the powder material from the melting zone while protecting the substrate from oxidation by an inert gas stream, and when hardening a small surface, it is difficult to apply powder material of the same height to it and hold it on this surface.
Исключить возможность выноса порошка из зоны лазерного воздействия можно, вдувая порошок прямо в зону лазерного воздействия. При этом порошок сразу плавиться и формирует на поверхности упрочненный наплавленный сдой. It is possible to exclude the possibility of removal of powder from the laser exposure zone by blowing the powder directly into the laser exposure zone. In this case, the powder immediately melts and forms on the surface a hardened weld deposit.
Однако при восстановлении поверхности с переменными геометрическими параметрами (например лопатки турбины, компрессора) для качественного сплавления наплавляемого материала с подложкой необходимо регулировать величину удельной энергии, поглащаемой единицей поверхности подложки, из- за возможности перегрева и деформации подложки. С изменением величины удельной энергии необходимо изменять расход порошка, что практически осуществить очень трудно и, кроме того, это неизбежно приводит к изменению размеров напавляемого слоя. However, when restoring a surface with variable geometric parameters (for example, a turbine blade, compressor), for the high-quality alloying of the deposited material with the substrate, it is necessary to control the specific energy absorbed by the unit surface of the substrate, due to the possibility of overheating and deformation of the substrate. With a change in the specific energy, it is necessary to change the flow rate of the powder, which is very difficult to implement and, in addition, this inevitably leads to a change in the size of the deposited layer.
Создание на поверхности детали сочетания упрочненных и неупрочненных зон, отличных от материала подложки, которые значительно повышают износостойкость больших поверхностей при трении между собой, этим методом также невозможно. The creation on the surface of the part of a combination of hardened and unhardened zones, different from the substrate material, which significantly increase the wear resistance of large surfaces during friction with each other, this method is also impossible.
Известен также способ лазерной обработки газотермических покрытий (H. Bat, H.Herman, R.J.Coyle. Laser processing of plasma-sprayed Ni-Cr coating. //Lasers in material processing. 1983, р.р.176-183). There is also a method of laser processing of thermal spray coatings (H. Bat, H. Herman, R.J. Coyle. Laser processing of plasma-sprayed Ni-Cr coating. // Lasers in material processing. 1983, pp. 176-183).
Способ заключается в том, что:
поверхность подложки, на которую наносят упрочняющие покрытие подготавливают, создавая шероховатость поверхности;
на поверхность подготовленной подложки плазменным способом наносят покрытие;
после чего покрытие обрабатывают лазерным излучением.The method is that:
the surface of the substrate on which the reinforcing coating is applied is prepared, creating a surface roughness;
plasma is coated on the surface of the prepared substrate;
after which the coating is treated with laser radiation.
Лазерный луч оплавляет покрытие, устраняет поры, находящиеся в нем. При этом наблюдается значительное повышение коррозионной стойкости поверхности подложки. Мощность лазерного луча составляет около 200-З00 Вт, а ширина оплавленных зон составляет примерно 20-25 мкм. The laser beam melts the coating, eliminates the pores that are in it. In this case, a significant increase in the corrosion resistance of the substrate surface is observed. The power of the laser beam is about 200-300 W, and the width of the fused zones is about 20-25 microns.
Однако возможность применения данного способа ограничена:
малой мощностью лазерного луча, которая ограничивает применение покрытий с высокой температурой плавления или имеющих достаточно большую толщину, и малыми размерами оплавленной зоны;
низкой производительностью, так как за один проход оплавить всю поверхность невозможно и необходимо повторно воздействовать лазерным лучом на неоплавленную поверхность.However, the possibility of using this method is limited:
low laser beam power, which limits the use of coatings with a high melting point or having a sufficiently large thickness, and small dimensions of the melted zone;
low productivity, since it is impossible to melt the entire surface in one pass and it is necessary to re-apply the laser beam to the unmelted surface.
Кроме того, при сплавлении покрытия лазерным лучом за счет неравномерного распределения энергии в пятне упрочненные зоны также неравномерные, что снижает качество обработки. In addition, when the coating is fused with a laser beam due to the uneven distribution of energy in the spot, the hardened zones are also uneven, which reduces the quality of processing.
Задачей настоящего изобретения является создание такого способа нанесения упрочняющих покрытий на металлические и металлосодержащие поверхности, которые бы за счет изменения физико-химических свойств упрочняемой поверхности значительно повысили бы ее эксплуатационные свойства. The present invention is the creation of such a method of applying hardening coatings on metal and metal surfaces, which would be due to changes in the physicochemical properties of the hardened surface would significantly increase its operational properties.
Эта задача решается тем, что способ нанесения упрочняющего покрытия на металлические или металлосодержащие поверхности, заключающийся в том, что сначала поверхность подложки, на которую наносят упрочняющее покрытие, подвергают активации, затем на эту подготовленную поверхность подложки наносят по меньшей мере одно упрочняющее покрытие, после чего проводят обработку полученного упрочняющего покрытия лазерным лучом, согласно изобретению, обработку упрочняющего покрытия осуществляют сфокусированным лазерным лучом с расстоянием от фокальной плоскости до обрабатываемой поверхности меньшей либо равной половине фокусного расстояния, диаметром в диапазоне от 0,2 мм до половины диаметра входящего в фокусирующий элемент луча, мощностью лазерного луча по меньшей мере 0,5 кВт, при скорости взаимного перемещения обрабатываемой поверхности и лазерного луча по меньшей мере 50 мм/мин. This problem is solved in that the method of applying a reinforcing coating to metal or metal-containing surfaces, which consists in first activating the surface of the substrate to which the reinforcing coating is applied, then at least one reinforcing coating is applied to this prepared substrate surface, and then processing the obtained reinforcing coating with a laser beam, according to the invention, processing the strengthening coating is carried out by a focused laser beam with a distance from plane to the surface to be treated less than or equal to half the focal length, with a diameter in the range from 0.2 mm to half the diameter of the beam entering the focusing element, with a laser beam power of at least 0.5 kW, at a speed of mutual movement of the surface to be treated and the laser beam along at least 50 mm / min.
Это позволяет оплавлять покрытия различных толщин из различных металлических или металлосодержащих материалов, и значительно повысить его качество, например снизить пористость, повысить твердость, износостойкость, коррозионностойкость и т.д. This allows you to melt coatings of various thicknesses from various metal or metal-containing materials, and significantly improve its quality, for example, reduce porosity, increase hardness, wear resistance, corrosion resistance, etc.
Возможно обработку упрочняющего покрытия осуществлять до полного его оплавления по толщине. It is possible to process the hardening coating until it is completely melted in thickness.
Это обеспечивает снижение пористости по всей толщине упрочняющего покрытия и изменение его структуры. This provides a decrease in porosity throughout the thickness of the hardening coating and a change in its structure.
Возможно обработку упрочняющего покрытия осуществлять до частичного его оплавления по толщине. It is possible to process the hardening coating until it is partially melted in thickness.
Это позволяет изменить свойства поверхности упрочняющего покрытия, например "залечить" поры на поверхности, снизить шероховатость и изменить структуру. This allows you to change the surface properties of the hardening coating, for example, "heal" the pores on the surface, reduce roughness and change the structure.
Целесообразно время взаимодействия луча лазера с упрочняющим покрытием в каждой его точке устанавливать в пределах от 0,3 до 0,8 от времени взаимодействия лазерного луча с покрытием в каждой точке при полном его оплавлении по толщине. It is advisable to set the interaction time of the laser beam with a hardening coating at each point in the range from 0.3 to 0.8 of the time of interaction of the laser beam with the coating at each point when it is completely melted in thickness.
Это обеспечивает частичное оплавление упрочняющего покрытия по толщине и получение специальных свойств поверхности, например повышение износостойкости. This provides a partial melting of the hardening coating in thickness and obtaining special surface properties, for example, increased wear resistance.
Возможно обработку упрочняющего покрытия осуществлять вплоть до подплавления подложки. It is possible to carry out the treatment of the hardening coating until the substrate is melted.
Это позволяет значительно повысить прочность сцепления покрытия с подложкой. Целесообразно время взаимодействия лазерного луча с упрочняющим покрытием в каждой его точке устанавливать по меньшей мере 1,1 от времени взаимодействия лазерного луча с покрытием в каждой точке при полном его оплавлении по толщине. This can significantly increase the adhesion of the coating to the substrate. It is advisable to set the time of interaction of the laser beam with the hardening coating at each point at least 1.1 of the time of interaction of the laser beam with the coating at each point when it is completely melted over the thickness.
Это обеспечивает подплавление подложки и исключительно высокую прочность сцепления и качество упрочняющего покрытия. This ensures substrate fusion and extremely high adhesion strength and the quality of the hardening coating.
Возможно обработку упрочняющего покрытия осуществлять по меньшей мере на части поверхности этого покрытия. It is possible to treat the reinforcing coating on at least a portion of the surface of the coating.
Это позволяет получить улучшение свойств на поверхности. This allows an improvement in surface properties.
Возможно обработку упрочняющего покрытия осуществлять по периметру поверхности этого покрытия. It is possible to process the reinforcing coating along the perimeter of the surface of this coating.
Это позволяет значительно повысить прочность сцепления упрочняющего покрытия с подложкой, не изменяя при этом физико-химических свойств поверхности этого покрытия. This allows you to significantly increase the adhesion strength of the reinforcing coating with the substrate, without changing the physical and chemical properties of the surface of this coating.
Возможно обработку упрочняющего покрытия осуществлять вдоль и/или поперек его поверхности. It is possible to process the reinforcing coating along and / or across its surface.
Это обеспечивает сочетание оплавленных и неоплавленных участков покрытия, что приводит к повышению износостойкости поверхности и релаксации остаточных напряжений. This provides a combination of melted and unmelted areas of the coating, which leads to increased wear resistance of the surface and relaxation of residual stresses.
Целесообразно, обработку упрочняющего покрытия осуществлять сканирующим лазерным лучом. It is advisable to treat the hardening coating with a scanning laser beam.
Это обеспечивает равномерное распределение энергии в пятне лазерного воздействия и равномерный нагрев в каждой точке упрочняющего покрытия, увеличение зоны обработки и производительности процесса. This ensures a uniform distribution of energy in the spot of laser exposure and uniform heating at each point of the hardening coating, increasing the processing zone and the productivity of the process.
Целесообразно частоту сканирования лазерного луча устанавливать равной по меньшей мере 40 Гц. It is advisable to set the scanning frequency of the laser beam equal to at least 40 Hz.
Это позволяет обеспечить высокую скорость сканирования и высокое качество оплавления упрочняющего покрытия без неоплавленных зон, с максимально возможным временем взаимодействия лазерного луча с поверхностью этого покрытия. This allows for high scanning speed and high quality of melting of the hardening coating without unmelted zones, with the maximum possible time of interaction of the laser beam with the surface of this coating.
Целесообразно, амплитуду сканирования лазерного луча выбирать в зависимости от формы и геометрических размеров поверхности подложки с упрочняющим покрытием. It is advisable to select the scanning amplitude of the laser beam depending on the shape and geometric dimensions of the surface of the substrate with a hardening coating.
Это позволяет учесть особенности конструкции детали и повысить качество обработки. This allows you to take into account the design features of the part and improve the quality of processing.
Целесообразно амплитуду сканирования лазерного луча выбирать равной, по меньшей мере, половине диаметра этого луча. It is advisable to choose the scanning amplitude of the laser beam equal to at least half the diameter of this beam.
Это позволяет увеличить зону лазерного воздействия и размеры оплавленного покрытия. Кроме того распределение энергии в зоне лазерного воздействия становится равномерным,
Целесообразно сканирование лазерного луча осуществлять по линии либо плоской геометрической фигуре.This allows you to increase the area of laser exposure and the size of the melted coating. In addition, the energy distribution in the laser exposure zone becomes uniform,
It is advisable to scan the laser beam along a line or a flat geometric figure.
Это дает возможность получить различные варианты распределения энергии в зоне лазерного воздействия и учесть геометрию детали с упрочняющим покрытием. This makes it possible to obtain various options for the distribution of energy in the zone of laser exposure and take into account the geometry of the part with a hardening coating.
В дальнейшем патентуемый способ нанесения упрочняющего покрытия на металлические или металлосодержащие поверхности поясняется описанием конкретных примеров его выполнения и прилагаемыми чертежами, на которых:
фиг. 1 схематично изображает лазерную обработку упрочняющего покрытия до полного его оплавления, согласно заявляемому способу;
фиг. 2 схематично изображает лазерную обработку упрочняющего покрытия до частичного его оплавления по толщине, согласно заявляемому способу.In the future, the patented method of applying a reinforcing coating to metal or metal-containing surfaces is illustrated by a description of specific examples of its implementation and the accompanying drawings, in which:
FIG. 1 schematically depicts a laser treatment of a hardening coating until it is completely melted, according to the claimed method;
FIG. 2 schematically depicts a laser treatment of a hardening coating until it is partially melted in thickness according to the claimed method.
фиг. 3 схематично изображает лазерную обработку упрочняющего покрытия до подплавления подложки, согласно заявляемому способу;
фиг. 4 схематично изображает лазерную обработку покрытия вдоль и/или поперек поверхности упрочняющего покрытия, согласно заявляемому способу;
фиг. 5 схематично изображает лазерную обработку упрочняющего покрытия сканирующим лучом лазера, согласно заявляемому способу;
фиг. 6 схематично изображает лазерную обработку упрочняющего покрытия (фокальная плоскость совпадает с поверхностью этого покрытия), согласно заявляемому способу;
фиг. 7 схематично изображает лазерную обработку упрочняющего покрытия (фокальная плоскость находится под поверхностью этого покрытия), согласно заявляемому способу;
фиг. 8 схематично изображает лазерную обработку упрочняющего покрытия (фокальная плоскость находится над поверхностью
этого покрытия), согласно заявляемому способу;
Лучший вариант осуществления изобретения.FIG. 3 schematically depicts a laser treatment of a hardening coating before the substrate is melted, according to the claimed method;
FIG. 4 schematically depicts a laser treatment of a coating along and / or across the surface of a reinforcing coating according to the claimed method;
FIG. 5 schematically depicts a laser treatment of a reinforcing coating with a scanning laser beam, according to the claimed method;
FIG. 6 schematically depicts a laser treatment of a reinforcing coating (the focal plane coincides with the surface of this coating), according to the claimed method;
FIG. 7 schematically depicts a laser treatment of a reinforcing coating (the focal plane is below the surface of this coating), according to the claimed method;
FIG. 8 schematically depicts a laser treatment of a reinforcing coating (the focal plane is above the surface
this coating), according to the claimed method;
The best embodiment of the invention.
Патентуемый способ нанесения упрочняющего покрытия 1 (фиг. 1) на металлические или металлосодержащие поверхности 2 включает в себя следующие операции. Сначала поверхность 2 детали подготавливают под нанесение на нее упрочняющего покрытия 1 путем ее активации, которая заключается в том, что поверхность детали 2 обрабатывается поверхностно- пластическим деформированием и/или нанесением поверхностно-активных веществ, и/или нанесением гальванического легкоплавкого покрытия, термореагирующего покрытия, либо любым другим известным способом. Затем на эту подготовленную поверхность 2 наносят, например, плазменным, детонационным, газопламенным, гальваническим или любым другим известным методом упрочняющие покрытие 1, после чего проводят обработку полученного упрочняющего покрытия 1 сфокусированным лазерным лучом 3 путем его воздействия на движущуюся в направлении A поверхность. Экспериментально установлено, что в зоне 4 обработки поверхности покрытия 1 диаметр d лазерного луча 3 целесообразно выбирать в диапазоне примерно от 0,2 мм до половины диаметра D входящего в фокусирующий элемент луча 3. Диаметр d лазерного луча, равный 0,2 мм оптически минимально возможный размер диаметра d луча 3 в зоне 4 обработки при его фокусировке фокусирующим элементом 5. При лазерной обработке сфокусированным лучом 3 диаметром d в зоне 4 обработки больше половины несфокусированного луча 6, приводит к неравномерному энергетическому воздействию на упрочняющие покрытие 1. Мощность лазерного луча 3 следует устанавливать равной по меньшей мере 0,5 кВт, так как при меньшей мощности происходит только нагрев покрытия 1 без каких-либо структурных изменений. Максимальная величина мощности луча 3 зависит от возможностей лазерного генератора и физико-химических свойств упрочняющего покрытия 1 и поверхности 2 детали. Возможности лазерного генератора определяются его конструкцией. Физико-химические свойства упрочняющего покрытия 1 и поверхности 2 детали, к которым относятся температура плавления, теплопроводность, толщина покрытия и др. определяют необходимую величину лазерной энергии для получения на поверхности нужных свойств. Скорость перемещения поверхности упрочняющего покрытия 1 относительно лазерного луча 3 следует устанавливать равной по меньшей мере 50 мм/мин, так как снижение этой скорости менее 50 мм/мин приводит к перегреву покрытия 1 и большому уровню остаточных напряжений в нем и дальнейшему возможному его отслоения. При этом, расстояние L от фокальной плоскости f фокусирующего элемента 5 до зоны 4 обработки покрытия 1 может быть равно либо меньше половине фокусного расстояния F/2 фокусирующего элемента 5. Увеличение расстояния L от фокальной плоскости f до зоны 4 обработки покрытия 1 свыше половины фокусного расстояния F фокусирующего элемента 5 приводит к неравномерному распределению энергии в зоне 4 лазерной обработки покрытия 1 и, соответственно, к неравномерному проплавлению
покрытия 1 по его толщине h.Patented method of applying a hardening coating 1 (Fig. 1) on metal or metal-containing
cover 1 by its thickness h.
Упрочняющее покрытие 1 может быть обработало до полного его сплавления по толщине h. The reinforcing
Упрочняющее покрытие 1 может быть обработано до частичного его сплавления по толщине h (фиг. 2). При этом время взаимодействия луча 3 лазера с упрочняющим покрытием 1 в каждой его точке устанавливают в пределах от около 0,3 до около 0,8 от времени взаимодействия лазерного луча 3 с покрытием 1 в каждой точке при полном его сплавлении по толщине h При времени взаимодействия луча 3 лазера с покрытием 1 в каждой его точке менее 0,3 от времени взаимодействия лазерного луча 3 с покрытием 1 в каждой точке при полном его сплавлении по толщине h происходит только нагрев покрытия 1 без каких-либо структурных изменений, а при времени взаимодействия более 0,8 наблюдается местами полное проплавление покрытия 1 по толщине h в связи с его неоднородностью, что во многих случаях является нежелательным, например, при высоком уровне остаточных напряжений в покрытии 1, которые при полном сплавлении покрытия 1 приводит к его отслоения
Упрочняющее покрытие 1 может быть обработано вплоть до подплавления поверхности 2 детали (фиг.3). При этом, время взаимодействия лазерного луча 3 с упрочняющим покрытием в каждой его точке устанавливают примерно 1,1 от времени взаимодействия озерного луча 3 с этим покрытием 1 в каждой точке при полном его сплавлении по толщине h. При времени взаимодействия лазерного луча 3 с упрочняющем покрытием в каждой его точке менее 1,1 от времени взаимодействия лазерного луча 3 с этим покрытием 1 в каждой точке при полном его сплавлении по толщине из-за неоднородности покрытия 1 местами приводит к неполному сплавлению покрытия 1 с поверхностью 2 детали, что приводит к ухудшению свойств обработанного лазерным лучом 3 покрытия 1, например, снижению прочности сцепления и отслоению покрытия при работе в условиях высоких контактных нагрузок
Лазерная обработка может быть осуществлена по меньшей мере на части поверхности 9 упрочняющего покрытия 1, по периметру, вдоль и/или поперек этого покрытия (фиг. 4). Такая обработка позволяет получить дополнительные специальные свойства поверхности, например, повышенную прочность сцепления, износостойкость, коррозионную стойкость всего или части упрочняющего покрытия и т.д.The reinforcing
The hardening
Laser processing can be carried out on at least part of the surface 9 of the reinforcing
Обработка упрочняющего покрытия 1 может быть осуществлена сканирующим сфокусированным лазерным лучом (фиг.5), что значительно увеличивает площадь лазерного воздействия и выравнивает распределения энергии. Частота сканирования лазерного луча устанавливается равной по меньшей мере 40 Гц. При снижении частоты сканирования ниже 40 Гц для равномерного проплавления покрытия 1 необходимо снизить скорость обработки поверхности покрытия 1, что приводит к перегреву упрочняющего покрытия, повышению в нем уровня остаточных напряжении и, как следствие, к его отслоению. Амплитуду сканирования лазерного луча 3 выбирают в зависимости от формы и геометрических размеров поверхности 2 детали с упрочняющим покрытием 1 и равной по меньшей мере половине диаметра d этого луча 3, так как при сканировании луча 3 с меньшей амплитудой не достигается равномерное распределения энергии в зоне 4 лазерного воздействия. The treatment of the hardening
Сканирование лазерного луча 3 можно осуществлять по линии или по плоской геометрической фигуре, что позволяет получать равномерное распределение энергии в зоне лазерного воздействия. Scanning of the
В дальнейшем изобретение подтверждается конкретными примерами, выполненными согласно патентуемому способу. Further, the invention is confirmed by specific examples made according to the patented method.
Пример 1 (фиг.6). Example 1 (Fig.6).
Для повышения износостойкости детали из высокопрочной стали на ее поверхность 2 наносили самофлюсующееся упрочняющее покрытие 1 на основе Ni-Cr-B-Si. Активацию поверхности 2 детали проводили обдувкой электрокорундом. Упрочняющее покрытие напыляли плазменным способом. Затем поверхность покрытия 1 оплавляли сканирующим сфокусированным лазерным лучом диаметром 0,2 мм, мощностью 1,0 кВт при скорости перемещения обрабатываемой поверхности 50 мм/мин. Фокальная плоскость совпадала с поверхностью обрабатываемого покрытия. Оплавление покрытия осуществляли на всю его толщину, равную 0,3 мм, при этом время взаимодействия лазерного луча с поверхностью упрочняющего покрытия составило 6,6х10 с. Частота сканирования лазерного луча составила 40 Гц, амплитуда сканирования лазерного луча равна 5 мм. Испытания на износостойкость показали ее повышение примерно в 3 раза. Результаты подтверждены испытаниями на износостойкость по утвержденной методике. To increase the wear resistance of a high-strength steel part, a self-fluxing reinforcing
Пример 2 (фиг. 7). Example 2 (Fig. 7).
Для восстановления детали из высокопрочной стали, имеющих на поверхности повреждение в виде электрохимической коррозии глузии глубиной до 0,5 мм проводили активацию поверхности 2 детали обдувкой электрокорундом с последующей обработкой ацетоном. Затем на поверхность наносили упрочняющее плазменное покрытие на основе Ni-Cr-B-Si. Для снижения пористости поверхности упрочняющего покрытия его обрабатывали сканирующим сфокусированным лазерным лучом диаметром 0,2 мм, мощностью 1,5 кВт, скорость перемещения обрабатываемой поверхности 200 мм/мин. Фокальная плоскость F фокусирующего элемента 5 находилась на расстоянии 10 мм под поверхностью упрочняющего покрытия. Оплавление покрытия осуществляли на глубину 0,1 мм, время взаимодействия лазерного луча с поверхностью покрытия составила 2 х 10 с. Частота сканирования лазерного луча составила 40 Гц, амплитуда сканирования лазерного луча равна 5 мм. В результате ремонтных работ восстановлены геометрические размеры детали, а также значительно повышена коррозионная стойкость детали. Испытания на коррозионную стойкость проводились по ускоренной методике в условиях соляного тумана. Наличие коррозионных повреждений не обнаружено, что позволило продлить ресурс работы детали. To restore parts made of high-strength steel having damage on the surface in the form of electrochemical corrosion of a gluse with a depth of up to 0.5 mm, the surface of 2 parts was activated by electrocorundum blowing followed by treatment with acetone. Then, a strengthening plasma coating based on Ni-Cr-B-Si was applied to the surface. To reduce the porosity of the surface of the hardening coating, it was treated with a scanning focused laser beam with a diameter of 0.2 mm, a power of 1.5 kW, and the movement speed of the treated surface was 200 mm / min. The focal plane F of the focusing
Пример 3 (фиг. 8). Example 3 (Fig. 8).
Для восстановления деталей из высокопрочной стали, подверженных ударным нагрузкам и имеющих повреждения в виде забоин, проводили активацию поверхности 2 детали обдувкой электрокорундом. Затем на поверхность 2 наносили самофлюсующееся покрытие 1 на основе Ni-Cr-B-Si после чего проводили сплавление сфокусированным лазерным лучом 3 диаметром 3,5 мм, мощностью 1,5 кВт и скорости перемещения обрабатываемой поверхности 600 мм/мин. Фокальная плоскость f находилась на расстоянии 15 мм над поверхностью покрытия 1. Оплавление покрытия 1 осуществляли с подплавлением поверхности 2 детали на глубину 0,1 мм, время взаимодействия лазерного луча 3 с поверхностью покрытия 1 составила 7,3х10 c. В результате ремонтных работ восстановлены геометрический размеры детали, при этом ресурс работы детали увеличился в два раза. To restore parts from high-strength steel, subject to shock loads and having damage in the form of nicks, the surface of 2 parts was activated by blowing with aluminum oxide. Then, a self-fluxing
Пример 4. Example 4
Для восстановления деталей из жаропрочных никелевых сплавов, имеющих повреждения в виде износа при температурах свыше 800oC, проводили активацию поверхности подложки обдувкой электрокорундом, затем на поверхность наносили жаропрочное покрытие на основе никеля и хрома плазменным способом, толщина покрытия 2 мм, после чего проводили сплавление жаропрочного покрытия по периметру деталей с целью повышения его прочности сцепления. Диаметр сфокусированного сканирующего лазерного луча 4 мм, мощность 5 кВт, скорость перемещения обрабатываемой поверхности 600 мм/мин. Фокальная плоскость находилась на расстоянии 5 мм под поверхностью упрочняющего покрытия, частота сканирования лазерного луча 200 Гц, амплитуда сканирования 4 мм. В результате ремонтных работ восстановлены геометрические размеры детали, повышена ее износостойкость и жаропрочность. Эти результаты подтверждаются испытаниями упрочняющих покрытий на стенде в условиях, приближенных к реальным. Ресурс работы деталей увеличился в 3 раза.To restore parts from heat-resistant nickel alloys that have damage in the form of wear at temperatures above 800 o C, the substrate surface was activated by electrocorundum blowing, then a nickel and chromium-based heat-resistant coating was applied to the surface by a plasma method, the coating thickness was 2 mm, and then fusion was performed heat-resistant coating around the perimeter of parts in order to increase its adhesion strength. The diameter of the focused scanning laser beam is 4 mm, the power is 5 kW, the speed of movement of the treated surface is 600 mm / min. The focal plane was located at a distance of 5 mm below the surface of the reinforcing coating, the scanning frequency of the laser beam was 200 Hz, and the scanning amplitude was 4 mm. As a result of repair work, the geometric dimensions of the part were restored, its wear resistance and heat resistance were increased. These results are confirmed by tests of hardening coatings on a stand under conditions close to real ones. The service life of parts increased by 3 times.
Пример 5 (фиг.6). Example 5 (Fig.6).
Для восстановления деталей из высокопрочных титановых сплавов, имеющих повреждения в виде износа на глубину 0,5 мм в результате трения-скольжения проводили активацию поверхности 2 детали обдувкой электрокорундом, затем на поверхность наносили упрочняющие никелевое покрытие 1 детонационным способом, после чего проводили оплавление этого покрытия сфокусированным сканирующим лазерным лучом 3 диаметром 5 мм, мощностью 4 кВт, скорость перемещения обрабатываемой поверхности 300 мм/мин, частота сканирования 200 Гц, амплитуда сканирования 8 мм, сканирование осуществлялось по линии, фокальная плоскость а находится на поверхности упрочняющего покрытия 1. В результате ремонтных работ восстановлены геометрические размеры детали и повышена ее износостойкость в 6 раз. Результаты улучшения работоспособности деталей подтверждены испытаниями образцов на износостойкость, а также натурных деталей при стендовых испытаниях двигателя. To restore parts from high-strength titanium alloys that have damage in the form of wear to a depth of 0.5 mm as a result of friction-sliding, the surface of 2 parts was activated by electrocorundum blowing, then nickel-reinforcing
Пример 6. Example 6
Для восстановления кромки лопатки турбины, имеющий дефекты в результате окисления и газовой коррозии на глубину 1,0-2,0 мм поверхность очищали от продуктов окисления, затем проводили ее активацию и наносили плазменным методом сначала слой толщиной 0,5-0,2 мм состава ZrO + YO, а затем слой толщиной 0,9-1,8 мм состава Ni-Cr-Al-Y, после чего поверхность оплавляли сканирующим лазерным излучением мощностью 4 кВт, скоростью 400 мм/мин, частотой сканирования 200 Гц, амплитудой сканирования 4 мм, сканирование осуществляли по линии, фокальная плоскость f находится на поверхности упрочняющего покрытия. В результате ремонтных работ восстановлены геометрические размеры детали и повышена жаростойкость кромок лопаток турбины. To restore the edge of the turbine blade, which has defects due to oxidation and gas corrosion to a depth of 1.0-2.0 mm, the surface was cleaned of oxidation products, then it was activated and a layer of 0.5-0.2 mm thickness of the composition was applied by plasma method first ZrO + YO, and then a 0.9–1.8 mm thick layer of the composition Ni-Cr-Al-Y, after which the surface was fused with scanning laser radiation with a power of 4 kW, a speed of 400 mm / min, a scanning frequency of 200 Hz, and a scanning amplitude of 4 mm, scanning was carried out along the line, the focal plane f is on p surface strengthening coating. As a result of repair work, the geometrical dimensions of the part were restored and the heat resistance of the edges of the turbine blades was increased.
Вышеизложенные и другие конкретные примеры осуществления заявляемого способа нанесения упрочняющего покрытия сведены в ниже преведенную таблицу. The above and other specific examples of the implementation of the proposed method of applying a hardening coating are summarized in the table below.
Способ нанесения упрочняющих покрытий на металлические или металлосодержащие поверхности может быть использован при изготовлении и восстановлении машин и механизмов, работающих в особо сложных условиях, повышенных нагрузок, вибрации, высоких температур, при наличии агрессивных коррозионных сред, а также при изготовлении и восстановлении которых необходимо предупредить появление или ликвидировать поверхностные повреждения и улучшит эксплуатационные характеристики, такие, как износостойкость, коррозионная стойкость, жаростойкость, жаропрочность и т.п. Это изобретение может быть широко применено в самолетостроении, двигателестроении, автомобилестроении, станкостроении и при изготовлении и восстановлении других механизмов и машин. The method of applying hardening coatings on metal or metal-containing surfaces can be used in the manufacture and restoration of machines and mechanisms operating in particularly difficult conditions, increased loads, vibration, high temperatures, in the presence of aggressive corrosive environments, and also in the manufacture and restoration of which it is necessary to prevent the occurrence or repair surface damage and improve performance, such as wear resistance, corrosion resistance, heat resistance, heat resistance, etc. This invention can be widely applied in aircraft, engine, automotive, machine tool and in the manufacture and restoration of other mechanisms and machines.
При нанесении упрочняющих покрытий на детали гидроцилиндров самолетов, подверженных электрохимической коррозии и работающих при больших величинах нагружение может быть использована лазерная обработка плазменных покрытий, которая позволит повысить коррозионную стойкость плазменных покрытий и их прочность сцепления с поверхностью детали. When hardening coatings are applied to parts of aircraft cylinders subject to electrochemical corrosion and operating at high loading values, laser treatment of plasma coatings can be used, which will increase the corrosion resistance of plasma coatings and their adhesion to the surface of the part.
При упрочнении и восстановлении лопаток компрессора авиационных двигателей из титановых сплавов, имеющих низкую износостойкость, может быть нанесено упрочняющие детонационное покрытие с последующим лазерным оплавлением. В результате упрочнения торцов лопаток улучшаются параметры работы двигателя (тяги двигателя). When hardening and restoring the compressor blades of aircraft engines made of titanium alloys having low wear resistance, hardening detonation coating can be applied followed by laser fusion. As a result of hardening of the ends of the blades, the engine operating parameters (engine traction) are improved.
Упрочнение направляющих при изготовлении прецизионных станков может быть осуществлено нанесением упрочняющих плазменных покрытий с последующий лазерной обработкой, что позволит повысить износостойкость и ресурс работы станка. The hardening of the guides in the manufacture of precision machine tools can be carried out by applying hardening plasma coatings with subsequent laser processing, which will increase the wear resistance and life of the machine.
Claims (19)
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU95108163A RU2105826C1 (en) | 1995-05-19 | 1995-05-19 | Method for application of hardening coating to metal or metal-containing surfaces |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU95108163A RU2105826C1 (en) | 1995-05-19 | 1995-05-19 | Method for application of hardening coating to metal or metal-containing surfaces |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU95108163A RU95108163A (en) | 1996-12-27 |
| RU2105826C1 true RU2105826C1 (en) | 1998-02-27 |
Family
ID=20167955
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU95108163A RU2105826C1 (en) | 1995-05-19 | 1995-05-19 | Method for application of hardening coating to metal or metal-containing surfaces |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU2105826C1 (en) |
Cited By (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| WO2009125284A1 (en) * | 2008-04-09 | 2009-10-15 | Pavel Yurievich Smirnov | Laser-plasma method and system for surface modification |
| RU2504599C2 (en) * | 2012-03-11 | 2014-01-20 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Самарский государственный технический университет" | Application method of detonation coating onto part surface |
| RU2609571C1 (en) * | 2015-07-22 | 2017-02-02 | Валерий Викторович Барыгин | Method for multilayer deposit welding of monocoque |
| RU2611738C2 (en) * | 2015-04-08 | 2017-02-28 | Иван Владимирович Мазилин | Method for application and laser treatment of thermal-protective coating (versions) |
| RU2637437C2 (en) * | 2015-12-21 | 2017-12-04 | Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Национальный исследовательский Томский политехнический университет" | Method of forming fibrous composite coating |
| RU2688969C2 (en) * | 2017-02-21 | 2019-05-23 | Игорь Александрович Зябрев | Method of hollow coatings production at gas-powder laser welding-up with radiation scanning |
-
1995
- 1995-05-19 RU RU95108163A patent/RU2105826C1/en active
Non-Patent Citations (1)
| Title |
|---|
| Lazers in materials processing, 1983, р. 176 - 183. * |
Cited By (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| WO2009125284A1 (en) * | 2008-04-09 | 2009-10-15 | Pavel Yurievich Smirnov | Laser-plasma method and system for surface modification |
| RU2504599C2 (en) * | 2012-03-11 | 2014-01-20 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Самарский государственный технический университет" | Application method of detonation coating onto part surface |
| RU2611738C2 (en) * | 2015-04-08 | 2017-02-28 | Иван Владимирович Мазилин | Method for application and laser treatment of thermal-protective coating (versions) |
| RU2609571C1 (en) * | 2015-07-22 | 2017-02-02 | Валерий Викторович Барыгин | Method for multilayer deposit welding of monocoque |
| RU2637437C2 (en) * | 2015-12-21 | 2017-12-04 | Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Национальный исследовательский Томский политехнический университет" | Method of forming fibrous composite coating |
| RU2688969C2 (en) * | 2017-02-21 | 2019-05-23 | Игорь Александрович Зябрев | Method of hollow coatings production at gas-powder laser welding-up with radiation scanning |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| RU95108163A (en) | 1996-12-27 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| Weerasinghe et al. | Laser cladding with pneumatic powder delivery | |
| Dutta Majumdar et al. | Laser material processing | |
| Haldar et al. | Identifying defects and problems in laser cladding and suggestions of some remedies for the same | |
| USRE43176E1 (en) | Laser peening process and apparatus using a liquid erosion-resistant opaque overlay coating | |
| US6197386B1 (en) | Method for applying a coating by means of plasma spraying while simultaneously applying a continuous laser beam | |
| CA2254700C (en) | Laser clad pot roll sleeves for galvanizing baths | |
| KR102534335B1 (en) | Method for producing a pre-coated metal sheet, with removal of the coating by means of an inclined laser beam, and corresponding metal sheet | |
| WO2015162445A1 (en) | Method and device for preparing aluminium-coated steel sheets intended for being welded and then hardened under a press; corresponding welded blank | |
| JPH05131281A (en) | Method for forming and repairing metal part | |
| KR20010012957A (en) | Sintered mechanical part with abrasionproof surface and method for producing same | |
| US5759641A (en) | Method of applying strengthening coatings to metallic or metal-containing surfaces | |
| RU2105826C1 (en) | Method for application of hardening coating to metal or metal-containing surfaces | |
| US20110229665A1 (en) | Thermal spray coating for track roller frame | |
| Kruth et al. | Roughness improvement in selective laser melting | |
| Vilar | Laser cladding | |
| RU2686499C1 (en) | Method of repairing a cooled blade from a heat-resistant superalloy of a turbine of a gas turbine engine | |
| JP2024009485A (en) | Corrosion resistance improvement processing method of stainless steel | |
| GB2397307A (en) | Abradable Coatings | |
| Hoadley et al. | A process overview of laser hardfacing | |
| Singh et al. | Mechanical issues in laser and abrasive water jet cutting | |
| Elgazzar et al. | Laser Surface Texturing of 304 Stainless Steel. | |
| US10603734B2 (en) | Method for hardfacing a metal article | |
| RU2106948C1 (en) | Laser method for manufacture of disk saw | |
| CN111962006A (en) | Preparation and laser post-treatment strengthening process of high-energy micro-arc deposition layer on surface of copper alloy | |
| Hella | Material processing with high power lasers |