RU2165997C2

RU2165997C2 - Process of laser-gas thermal deposition of coat

Info

Publication number: RU2165997C2
Application number: RU99111686A
Authority: RU
Inventors: В.Н. Гришанов; В.И. Мордасов; С.П. Мурзин; К.В. Скляренко
Original assignee: Самарский государственный аэрокосмический университет им. С.П. Королева
Priority date: 1999-05-31
Filing date: 1999-05-31
Publication date: 2001-04-27

Abstract

FIELD: deposition of coats on metal and metal-carrying surfaces. SUBSTANCE: process consists in laser action on deposited material at angle α>π/4 with surface of backing at distance between front edge of scanned light spot of laser radiation and center of section of spot of plasma action along line of movement of workpiece x=(0.25-0.5) D, where D is diameter of plasmoid on surface of workpiece with value of specific volumetric energy contribution of laser radiation W₂=(0.5-1.0)W₁, where W₁=0.9 cm(T₁-T_h) is specific volumetric energy contribution of plasma flux; c is specific heat capacity; m=δγ is specific mass; δ is thickness of coat; γ is specific weight of coat; T₁ is temperature of melting of material of coat, T_h is temperature of heating. Pulse-periodic feed of powder is conducted with pause duration providing for loss-free transmission of energy in plasmoid. EFFECT: diminished porosity and level of residual stress of coat, increased adhesive and cohesive strength, raised corrosion and wear resistance of articles. 1 dwg

Description

Изобретение относится к способам нанесения покрытия на металлические или металлосодержащие поверхности. The invention relates to methods for coating metal or metal surfaces.

Известен способ нанесения покрытий плазменным напылением, заключающийся в создании потока плазмы, подаче в него порошкообразного материала и напыление ламинарным потоком плазмы. (Патент России N 770260. Опубл. 20.05.1997 г. Бюл. N 14). A known method of coating by plasma spraying, which consists in creating a plasma stream, feeding into it a powdery material and spraying with a laminar plasma stream. (Russian Patent N 770260. Published. 05/20/1997, Bull. N 14).

Недостатком известного способа являются низкие адгезионная и когезионная прочности, низкие коррозионная стойкость и износостойкость, высокие пористость и уровень остаточной напряженности, имеющие место в напыляемых покрытиях из-за недостаточного времени термического цикла воздействия потока плазмы на подложку для протекания стадии объемного взаимодействия материалов на границе раздела фаз. Пятна термического взаимодействия не заполняют площадь контакта между частицами и, поэтому, прочность и плотность нанесенных покрытий ниже прочности и плотности материала покрытия в контактном состоянии. The disadvantage of this method is the low adhesive and cohesive strengths, low corrosion resistance and wear resistance, high porosity and residual tension that occur in sprayed coatings due to insufficient thermal cycle time of the plasma flow on the substrate for the stage of volumetric interaction of materials at the phase boundary . The thermal interaction spots do not fill the contact area between the particles and, therefore, the strength and density of the applied coatings are lower than the strength and density of the coating material in the contact state.

Наиболее близким техническим решением является способ газотермического напыления покрытий (Барвинок В.А., Мордасов В.И., Шорин В.П. Высокоэффективные лазерно-плазменные технологии в машиностроении. М.: МЦНТИ, 1997. С. 59-61), заключающийся в создании потока плазмы, подаче в него порошкообразного материала, напылении и одновременном комбинированном послойном лазерном спекании покрытий при сканировании по всей зоне подачи напыляемого материала двух сходящихся на поверхности покрытия лазерных пучков. The closest technical solution is the method of thermal spraying of coatings (Barvinok VA, Mordasov VI, Shorin VP Highly efficient laser-plasma technologies in mechanical engineering. M: ICSTI, 1997. P. 59-61), which consists in creating a plasma stream, feeding into it a powdery material, sputtering and simultaneous combined layer-by-layer laser sintering of coatings when scanning two laser beams converging on the coating surface throughout the feed zone of the sprayed material.

Недостатками известного технического решения являются: достаточная сложность обеспечения схождения двух лазерных пучков в область минимальных размеров из-за их различного преломления в плазме; неопределенность угла подачи лазерного излучения, так при α < π/4 лазерное излучение не будет эффективно поглощаться поверхностью напыляемого материала; неопределенность отношения энерговкладов лазерного излучения и потока плазмы; невозможность обеспечения прохождения непрерывной энергии лазерного излучения без существенных потерь в плазменном сгустке. Это приводит к ненормируемому (чаще всего - недостаточному) прогреву напыляемого материала, большим потерям энергии, снижению адгезионной и когезионной прочности и повышению пористости покрытий, снижению коррозионной стойкости и износостойкости полученного изделия, высокому уровню остаточной напряженности в покрытии. The disadvantages of the known technical solutions are: sufficient complexity to ensure the convergence of the two laser beams in the region of minimum size due to their different refractions in the plasma; the uncertainty of the angle of supply of laser radiation, so for α <π / 4 the laser radiation will not be effectively absorbed by the surface of the sprayed material; uncertainty in the ratio of energy input of laser radiation and plasma flow; the impossibility of ensuring the passage of continuous laser energy without significant losses in the plasma bunch. This leads to unnormalizable (often insufficient) heating of the sprayed material, large energy losses, lower adhesive and cohesive strength and increased porosity of the coatings, reduced corrosion resistance and wear resistance of the obtained product, and a high level of residual tension in the coating.

В основу изобретения поставлена задача снизить пористость и уровень остаточной напряженности покрытий, повысить адгезионную и когезионную прочность материала покрытий, а также коррозионную стойкость и износостойкость изделий. The basis of the invention is the task to reduce the porosity and the level of residual tension of the coatings, to increase the adhesive and cohesive strength of the coating material, as well as the corrosion resistance and wear resistance of the products.

Данная задача решается осуществлением лазерного воздействия на напыляемый материал под углом α > π/4 к поверхности подложки на расстоянии между передним краем сканируемого светового пятна лазерного излучения и центром участка пятна воздействия плазмы вдоль линии перемещения заготовки, равном x = (0,25. . .0,5)D, где D - диаметр пятна плазменного сгустка на поверхности заготовки с величиной удельного объемного энерговклада лазерного излучения, равной W₂ = (0,5. ..1)W₁, где W₁ = 0,9cm(T₁-T_н) - удельный объемный энерговклад потока плазмы; c - удельная теплоемкость; m = δγ - удельная масса; δ - толщина покрытия; γ - удельный вес покрытия; T₁ - температура плавления материала покрытия; T_н - температура нагрева, при этом осуществляют импульсно-периодическую подачу порошка с длительностью паузы, обеспечивающей прохождение энергии без потерь в плазменном сгустке.This problem is solved by laser irradiation of the sprayed material at an angle α> π / 4 to the surface of the substrate at a distance between the front edge of the scanned light spot of the laser radiation and the center of the area of the plasma exposure spot along the line of movement of the workpiece equal to x = (0.25 ... 0.5) D, where D is the diameter of the spot of a plasma bunch on the surface of the workpiece with a specific volumetric energy input of laser radiation equal to W ₂ = (0.5 ... ₁ ) W ₁ , where W ₁ = 0.9 cm (T ₁ -T _n ) is the specific volume energy input of the plasma flow; c is the specific heat; m = δγ is the specific gravity; δ is the thickness of the coating; γ is the specific gravity of the coating; T ₁ is the melting temperature of the coating material; T _n is the heating temperature, and a pulsed-periodic supply of powder is carried out with a pause duration that ensures the passage of energy without loss in the plasma bunch.

На чертеже изображена схема предлагаемого способа лазерно-газотермического нанесения покрытия. The drawing shows a diagram of the proposed method of laser-gas thermal coating.

Поток лазерного излучения 1 подают на участок пятна 2 взаимодействия плазменного сгустка 3 с подложкой 4. При проведении лазерного воздействия на подложке образуется покрытие 5 с улучшенными характеристиками. Стрелки на заготовке показывают направление движения светового пятна лазерного излучения при его сканировании. Стрелкой вне заготовки обозначено направление ее движения. The laser radiation flux 1 is fed to the spot portion 2 of the interaction of the plasma bunch 3 with the substrate 4. During laser irradiation, a coating 5 with improved characteristics is formed on the substrate. The arrows on the workpiece show the direction of movement of the light spot of the laser radiation when it is scanned. The arrow outside the workpiece indicates the direction of its movement.

Предлагаемый способ лазерно-газотермического нанесения покрытия заключается в следующем. Осуществляют нагрев или плавление плазмой напыляемого материала и его ускорение турбулентным или ламинарным газовым потоком. На поверхность основы напыляемый материал поступает в диспергированном состоянии в виде мелких расплавленных или пластифицированных частиц. Они ударяются о поверхность основы, деформируются и, закрепляясь, накладываются друг на друга, образуя слоистое соединение. Одновременно на наносимое покрытие осуществляют лазерное воздействие. The proposed method of laser-gas thermal coating is as follows. Carry out heating or melting by plasma of the sprayed material and its acceleration by a turbulent or laminar gas flow. On the surface of the base, the sprayed material enters in a dispersed state in the form of small molten or plasticized particles. They hit the surface of the base, deform and, fixing, overlap each other, forming a layered connection. At the same time, the laser coating is applied to the applied coating.

Лазерное излучение направлено под углом α > π/4 к поверхности подложки для более полного его поглощения. Laser radiation is directed at an angle α> π / 4 to the surface of the substrate for its more complete absorption.

Комбинированное послойное лазерное воздействие на расстоянии между передним краем сканируемого светового пятна лазерного излучения и центром участка пятна воздействия плазмы вдоль линии перемещения заготовки, равном x = (0,25. . .0,5)D, где D - диаметр пятна плазменного сгустка на поверхности заготовки, позволяет дополнительно реализовать или завершить стадию объемного развития взаимодействия материала подложки с материалом частиц покрытия. Термический цикл обработки лазером на 3-4 порядка больше времени взаимодействия частиц с подложкой при газотермическом способе нанесения покрытий, когда удар и деформация частиц приводят к их быстрой кристаллизации и охлаждению со скоростями, достигающими 10⁶...10⁸ К/с. В этом случае время взаимодействия частиц с подложкой составляет 10^-4...10^-7 с и на каждом элементарном участке поверхности контакта успевают пройти практически только две последовательные стадии: сближение соединяемых веществ до образования физического контакта и активация контактных поверхностей с химическим взаимодействием материалов на границе раздела фаз. Проведение комбинированного послойного лазерного воздействия с соблюдением вышеперечисленных соотношений позволяет обеспечить пониженную пористость полученных покрытий и, соответственно, более высокую коррозионную стойкость и износостойкость изделия.Combined layer-by-layer laser exposure at a distance between the front edge of the scanned light spot of laser radiation and the center of the plasma exposure spot along the line of movement of the workpiece, x = (0.25. .0.5) D, where D is the diameter of the spot of a plasma bunch on the surface blanks, allows you to additionally implement or complete the stage of volumetric development of interaction of the substrate material with the material of the coating particles. The thermal cycle of laser treatment is 3-4 orders of magnitude longer than the time of interaction of particles with the substrate in the gas-thermal method of coating, when impact and deformation of the particles lead to their rapid crystallization and cooling at speeds reaching 10 ⁶ ... 10 ⁸ K / s. In this case, the interaction time between the particles and the substrate is 10 ^-4 ... 10 ^-7 s, and on each elementary section of the contact surface almost only two successive stages pass: the convergence of the substances to be connected before the formation of physical contact and the activation of contact surfaces with the chemical interaction of materials on phase boundary. Carrying out a combined layer-by-layer laser exposure in compliance with the above ratios allows to provide a reduced porosity of the resulting coatings and, accordingly, higher corrosion resistance and wear resistance of the product.

Удельный энерговклад лазерного излучения равен W₂ = (0,5...1)W₁, где W₁ = 0,9 cm (T₁-T_н)- удельный объемный энерговклад потока плазмы; c - удельная теплоемкость; m = δγ - удельная масса; δ - толщина покрытия; γ - удельный вес покрытия; T₁ - температура плавления материала покрытия; T_н - температура нагрева. Выполнение этого условия обеспечивает снижение уровня остаточной напряженности в наносимых покрытиях. Причиной ее образования являются: высокие градиенты температур, неоднородная пластическая деформация, неоднородное изменение удельных объемов при фазовых превращениях, диффузии и химических реакциях из-за высоких скоростей охлаждения. В зависимости от температурных условий протекания физических процессов все частицы на поверхности основы могут принимать следующую форму: в виде диска с выпуклой центральной частью при их формировании в недогретом состоянии при уменьшении объемного энерговклада плазменной струи ниже допустимых значений; в виде плоского диска с закругленными краями и неровной поверхностью, формирующиеся в расплавленном состоянии при оптимизации тепловых режимов газотермического напыления, и в виде характерного лучеобразного разбрызгивания в случае формирования покрытия из перегретого металла при превышении допустимых значений удельного объемного энерговклада плазменной струи. При газотермических способах нанесения покрытий некоторого увеличения заполнения контактной поверхности очагами схватывания достигают повышением удельной мощности плазменной струи в пределах допустимых значений, не допуская характерного лучеобразного разбрызгивания при формировании покрытия. Повышение удельной мощности плазменной струи увеличивает уровень остаточной напряженности, происходит интенсивное трещинообразование, приводящее к отслоению покрытия в процессе эксплуатации. При лазерно-газотермическом способе нанесения покрытия суммарный удельный энерговклад значительно (в 2-5 раз) ниже, что снижает уровень остаточной напряженности.The specific energy input of the laser radiation is W ₂ = (0.5 ... 1) W ₁ , where W ₁ = 0.9 cm (T ₁ -T _n ) is the specific volume energy input of the plasma flow; c is the specific heat; m = δγ is the specific gravity; δ is the thickness of the coating; γ is the specific gravity of the coating; T ₁ is the melting temperature of the coating material; T _n - heating temperature. The fulfillment of this condition provides a decrease in the level of residual tension in the applied coatings. The reason for its formation are: high temperature gradients, inhomogeneous plastic deformation, inhomogeneous change in specific volumes during phase transformations, diffusion and chemical reactions due to high cooling rates. Depending on the temperature conditions of the physical processes, all particles on the surface of the base can take the following form: in the form of a disk with a convex central part when they are formed in an unheated state with a decrease in the volumetric energy input of the plasma jet below acceptable values; in the form of a flat disk with rounded edges and an uneven surface, formed in the molten state during optimization of thermal conditions of thermal spraying, and in the form of a characteristic beam-like spraying in the case of forming a coating of superheated metal when the allowable values of the specific volumetric energy input of the plasma jet are exceeded. With gas-thermal coating methods, a certain increase in the filling of the contact surface by the setting points is achieved by increasing the specific power of the plasma jet within acceptable values, avoiding the characteristic beam-like spraying during coating formation. An increase in the specific power of the plasma jet increases the level of residual tension, intense cracking occurs, which leads to delamination of the coating during operation. In the laser-gas thermal coating method, the total specific energy input is significantly (2-5 times) lower, which reduces the level of residual tension.

Импульсно-периодическую подачу порошка напыляемого материала проводят с длительностью паузы, обеспечивающей прохождение лазерной энергии без потерь в плазменном сгустке. В плазме образуются окна прозрачности, она не экранирует и почти не поглощает лазерное излучение. В этом случае заполнение контактной поверхности под частицей очагами схватывания превышает 40-70%. Очаги схватывания, представляющие собой сварные участки небольшого размера, имеют высокую когезионную прочность, и разрушение их происходит с вырывом одного из соединяемых материалов, а не по границе частица-основа, частица-частица. Увеличением заполнения контактной поверхности под частицей очагами схватывания достигают повышения адгезионной и когезионной прочности покрытия. The pulsed-periodic supply of the powder of the sprayed material is carried out with a pause duration that ensures the passage of laser energy without loss in the plasma bunch. Transparency windows form in the plasma; it does not screen and almost does not absorb laser radiation. In this case, the filling of the contact surface under the particle by the set points exceeds 40-70%. Curing foci, which are small welded sections, have high cohesive strength, and their destruction occurs with the breakout of one of the materials being joined, and not at the particle-base, particle-particle boundary. By increasing the filling of the contact surface under the particle by the set points, an increase in the adhesive and cohesive strength of the coating is achieved.

Claims

The method of laser-gas thermal coating, which consists in creating a plasma stream, feeding it into a powder material and applying it to the surface of the substrate with its simultaneous heating by a combined layer-by-layer laser action, characterized in that the laser effect on the sprayed material is carried out at an angle α> π / 4 to the surface of the substrate at a distance between the front edge of the scanned light spot of the laser radiation and the center of the plasma spot spot along the line of movement of the workpiece, equal to ohm x = (0.25 - 0.5) D, where D is the diameter of the spot of a plasma bunch on the surface of the workpiece, with the value of the specific volumetric energy input of laser radiation equal to W ₂ = (0.5 - 1) W ₁ , where W ₁ = 0.9c · m · (T ₁ - T _n ) is the specific volume energy input of the plasma flow; c is the specific heat; m = δγ is the specific gravity; δ is the thickness of the coating; γ is the specific gravity of the coating; T ₁ is the melting temperature of the coating material; T _n is the heating temperature, and a pulsed-periodic supply of powder is carried out with a pause duration that ensures the passage of energy without loss in the plasma bunch.