RU2718503C1 - Способ формирования поверхностного композиционного слоя в металлах - Google Patents
Способ формирования поверхностного композиционного слоя в металлах Download PDFInfo
- Publication number
- RU2718503C1 RU2718503C1 RU2019136910A RU2019136910A RU2718503C1 RU 2718503 C1 RU2718503 C1 RU 2718503C1 RU 2019136910 A RU2019136910 A RU 2019136910A RU 2019136910 A RU2019136910 A RU 2019136910A RU 2718503 C1 RU2718503 C1 RU 2718503C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- ultrasonic vibrations
- particles
- laser
- reinforcing particles
- powder
- Prior art date
Links
Images
Classifications
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- B23K—SOLDERING OR UNSOLDERING; WELDING; CLADDING OR PLATING BY SOLDERING OR WELDING; CUTTING BY APPLYING HEAT LOCALLY, e.g. FLAME CUTTING; WORKING BY LASER BEAM
- B23K26/00—Working by laser beam, e.g. welding, cutting or boring
- B23K26/14—Working by laser beam, e.g. welding, cutting or boring using a fluid stream, e.g. a jet of gas, in conjunction with the laser beam; Nozzles therefor
- B23K26/144—Working by laser beam, e.g. welding, cutting or boring using a fluid stream, e.g. a jet of gas, in conjunction with the laser beam; Nozzles therefor the fluid stream containing particles, e.g. powder
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- B23K—SOLDERING OR UNSOLDERING; WELDING; CLADDING OR PLATING BY SOLDERING OR WELDING; CUTTING BY APPLYING HEAT LOCALLY, e.g. FLAME CUTTING; WORKING BY LASER BEAM
- B23K26/00—Working by laser beam, e.g. welding, cutting or boring
- B23K26/34—Laser welding for purposes other than joining
- B23K26/342—Build-up welding
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- B23K—SOLDERING OR UNSOLDERING; WELDING; CLADDING OR PLATING BY SOLDERING OR WELDING; CUTTING BY APPLYING HEAT LOCALLY, e.g. FLAME CUTTING; WORKING BY LASER BEAM
- B23K26/00—Working by laser beam, e.g. welding, cutting or boring
- B23K26/70—Auxiliary operations or equipment
Landscapes
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Physics & Mathematics (AREA)
- Optics & Photonics (AREA)
- Plasma & Fusion (AREA)
- Mechanical Engineering (AREA)
- Other Surface Treatments For Metallic Materials (AREA)
Abstract
Изобретение относится к области лазерной поверхностной обработки, а именно к способам получения поверхностных композиционных слоев в металлах. В формируемую лазерным излучением ванну расплава металла подают упрочняющие частицы. В изделие вводят ультразвуковые колебания с частотой в диапазоне от 30 до 40 кГц. В результате получают композиционный поверхностный слой с равномерным распределением нерастворимых или малорастворимых армирующих частиц в стальной матрице, что приводит к повышению эксплуатационных свойств изделий, в частности его износостойкости. 3 з.п. ф-лы, 3 ил., 1 пр.
Description
Изобретение относится к области лазерной поверхностной обработки, а именно к способам получения поверхностных композиционных слоев в металлах.
Получение композиционного слоя предусматривает введение в поверхность металла частиц, образующих в нем отдельную фазу, отличающихся по механическим или иным свойствам от материала матрицы.
Введение армирующих частиц способствует повышению эксплуатационных свойств поверхностей металлических изделий.
Известен способ получения износостойкой поверхности металлов и их сплавов, включающий непрерывное воздействие на обрабатываемую поверхность лазерной плазмой оптического разряда в парах металла с подачей непосредственно в приповерхностную лазерную плазму одного или нескольких легирующих элементов, при этом одновременно с лазерной плазмой на обрабатываемую поверхность воздействуют ультразвуком (RU 2445378 С1, С23С 24/08, 20.03.2012). Недостатком метода является невозможность получения глубоких слоев материалов, упрочненных нерастворимыми армирующими частицами.
Наиболее близкими к изобретению является способ поверхностного легирования изделий из металлов, при котором поверхность металла нагревают лазерным излучением выше температуры солидуса и вводят в расплав легирующие элементы с одновременным воздействием ультразвуковыми колебаниями с амплитудой 7-10 мкм. Преимуществом данного способа является возможность получения равномерного легированного слоя с введением компонентов, диффузия которых в матрице затруднена без дополнительного стимулирования, при этом не происходит нарушения геометрии поверхностного слоя. Однако данный способ не позволяет получить глубокие слои материалов, упрочненных нерастворимыми армирующими частицами.
Техническая проблема изобретения состоит в получении композиционного поверхностного слоя с равномерным распределением нерастворимых или малорастворимых армирующих частиц в металлической матрице для повышения эксплуатационных свойств изделия, прежде всего - его износостойкости.
Для решения указанной проблемы в способе поверхностного легирования изделий из металлов, включающем нагрев поверхности лазером до температуры выше солидуса и введение в расплав легирующих элементов при одновременном воздействии ультразвуковых колебаний посредством ультразвукового преобразователя, в зону расплава вводят упрочняющие частицы в виде порошка, при этом расстояние между центрами лазерного луча и ультразвукового преобразователя равно от 50 до 200 мм, а ультразвуковые колебания вводят с частотой в диапазоне от 30 до 40 кГц.
Кроме того, упрочняющие частицы вводят в виде порошка карбида вольфрама и подают соосно лазерному излучению или упрочняющие частицы вводят в виде порошка карбида вольфрама или карбида титана и подают в ванну расплава позади лазерного луча под углом от 30 до 80 градусов по отношению к упрочняемой поверхности.
Кроме того, ультразвуковые колебания возможно вводить с противоположной стороны по отношению к лазерному лучу для чего ультразвуковой преобразователь располагают под обрабатываемой областью.
Предлагаемый способ формирования поверхностного композиционного слоя в металлах заключается в создании воздействием лазерного излучения на поверхности металла ванны расплава, в которую вводятся армирующие частицы, малорастворимые, либо нерастворимые в жидком металле. При этом, процесс обработки предполагает отсутствие формирования канала испарения и плазменных процессов с введением частиц либо соосно лазерному лучу, либо в хвостовую часть формирующейся ванны расплава. В процессе обработки в изделие вводят ультразвуковые колебания, которые оказывают существенное воздействие на движение твердых частиц в жидкостях.
Технический результат данного способа заключается в возможности получения композиционного слоя в металле глубиной до 1,0 - 2,0 мм в зависимости от теплофизических свойств металла и технологических параметров обработки, содержащего до 60% по объему фазы армирующих частиц. При введении в расплав металла нерастворимых армирующих частиц, в зависимости от их удельного веса, происходит либо их всплытие, либо затопление. Применение ультразвуковых колебаний способствует повышению равномерности распределения и коэффициента использования порошка при его введении в ванну расплава.
При введении в изделие ультразвуковых колебаний в диапазоне частот 30-40 кГц осуществляется эффективное воздействие на расплавленный металл, при этом изменяются его кинематические свойства, повышается интенсивность процессов перемешивания, создаются вихревые потоки, интенсивность которых достаточно высока для воздействия на вводимые твердые частицы, в том числе относительно крупные, размер которых достигает 30-200 мкм, что позволяет обеспечить введение частиц, удельный вес которых существенно отличается от такового для расплавленного металла матрицы.
В качестве армирующих частиц для сталей могут быть использованы карбиды вольфрама WC и W2C, карбиды титана TiC, для никелевых сплавов - карбиды вольфрама WC, для алюминиевых сплавов - карбиды кремния SiC.
На фиг. 1 - схема процесса при введении ультразвуковых колебаний в изделие с той же стороны, с которой осуществляется лазерная обработка с подачей порошка; на фиг. 2 - примеры поперечных шлифов упрочненных дорожек, получаемых при одинаковых параметрах процесса лазерного модифицирования с введением порошка монокарбида вольфрама без (а) и с (б) применением ультразвукового воздействия; на фиг. 3 - схема процесса при введении ультразвуковых колебаний с обратной стороны обрабатываемой части детали по отношению к лазерному излучению и подаче порошка.
Пример
Экспериментально установлены эффекты повышения коэффициента использования порошка и равномерности распределения частиц в армированном слое при введении ультразвуковых колебаний частотой 35 кГц и мощностью порядка 30 Вт в обрабатываемое изделие.
Осуществлялось введение частиц монокарбида вольфрама сферической формы с преобладающей фракцией в диапазоне диаметров от 90 до 150 мкм. Для плавления металла использовался луч волоконного лазера, диаметр которого на поверхности составлял 3,5 мм, мощность излучения составляла 3200 Вт, скорость обработки 12 мм/с. Осуществлялась соосная подача порошка монокарбида вольфрама WC с массовым расходом 23 г/мин. Использовался источник ультразвуковых колебаний мощностью 50 Вт с пьезокерамическим преобразователем на частоте 35 кГц.
В первом случае, обработка производилась без введения в изделие ультразвуковых колебаний, в этом случае структура формирующегося слоя была неоднородна по распределению армирующих частиц, а их содержание по объему составляло 16%.
Во втором случае, обработка производилась с введением ультразвука по схеме, представленной на фиг. 1, мощность колебаний составляла 30 Вт. Формирующийся поверхностный слой более однороден по содержанию частиц WC, а их объемная доля достигла 20%.
Примеры структур дорожек слоев, получаемых в первом и втором случаях, представлены на фиг. 2а и фиг. 2б соответственно. Изображения получены на оптическом микроскопе с увеличением 30 крат, образцы изготовлены с использованием традиционной процедуры пробоподготовки для металлографии, шлифы подвергнуты травлению в 4-% спиртовом растворе азотной кислоты.
Эксперименты показали, что при увеличении мощности ультразвуковых колебаний до 50 Вт возможно увеличение доли частиц в нижней части слоя, что связано с интенсификацией движения тяжелых по сравнению с расплавленным металлом частиц в центральную часть ванны и может быть использовано для получения глубоких равномерных слоев с высокой концентрацией частиц. Если же необходимо получение объемной доли армирующих компонентов на уровне 10-20%, следует ограничить мощность вводимых ультразвуковых колебаний.
Учитывая высокую стоимость порошков армирующих частиц и необходимость получения равномерных свойств изделия по глубине, введение ультразвуковых колебаний позволяет повысить технологические возможности и экономическую эффективность процесса лазерно-порошкового формирования поверхностных композиционных слоев. Для более рационального использования энергии ультразвуковых колебаний по сравнению с использованной в экспериментах схемой, представленной на фиг. 1, предлагается также альтернативная схема, представленная на фиг. 3, которая может быть использована в случае доступности обратной стороны изделия для закрепления ультразвукового преобразователя и достаточной его толщины для предотвращения перегрева преобразователя из-за теплоты, вводимой лазерным источником.
Claims (4)
1. Способ поверхностного легирования изделий из металлов, включающий нагрев поверхности лазером до температуры выше солидуса и введение в расплав легирующих элементов при одновременном воздействии ультразвуковых колебаний посредством ультразвукового преобразователя, отличающийся тем, что в зону расплава вводят упрочняющие частицы в виде порошка, при этом расстояние между центрами лазерного луча и ультразвукового преобразователя устанавливают от 50 до 200 мм, а ультразвуковые колебания вводят с частотой в диапазоне от 30 до 40 кГц.
2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что упрочняющие частицы вводят в виде порошка карбида вольфрама и подают соосно лазерному лучу.
3. Способ по п. 1, отличающийся тем, что упрочняющие частицы вводят в виде порошка карбида вольфрама или карбида титана и подают в ванну расплава позади лазерного луча под углом от 30 до 80 градусов по отношению к упрочняемой поверхности.
4. Способ по п. 1, отличающийся тем, что ультразвуковые колебания вводят с противоположной стороны по отношению к лазерному лучу, при этом ультразвуковой преобразователь располагают под обрабатываемой областью.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2019136910A RU2718503C1 (ru) | 2019-11-18 | 2019-11-18 | Способ формирования поверхностного композиционного слоя в металлах |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2019136910A RU2718503C1 (ru) | 2019-11-18 | 2019-11-18 | Способ формирования поверхностного композиционного слоя в металлах |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU2718503C1 true RU2718503C1 (ru) | 2020-04-08 |
Family
ID=70156434
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
RU2019136910A RU2718503C1 (ru) | 2019-11-18 | 2019-11-18 | Способ формирования поверхностного композиционного слоя в металлах |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
RU (1) | RU2718503C1 (ru) |
Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2789411C1 (ru) * | 2022-04-22 | 2023-02-02 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Казанский национальный исследовательский технический университет им. А.Н. Туполева - КАИ" | Способ сварки материалов в ультразвуковых полях и устройство, его реализующее |
Citations (9)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US4330699A (en) * | 1979-07-27 | 1982-05-18 | The United States Of America As Represented By The Secretary Of The Navy | Laser/ultrasonic welding technique |
JPS63183793A (ja) * | 1987-01-27 | 1988-07-29 | Inoue Japax Res Inc | 摺動部材 |
SU1743770A1 (ru) * | 1990-03-20 | 1992-06-30 | Ленинградский государственный технический университет | Способ лазерного легировани и наплавки |
RU2007499C1 (ru) * | 1991-06-04 | 1994-02-15 | Гуреев Дмитрий Михайлович | Способ поверхностного легирования изделий из металлов и сплавов |
WO1995024364A1 (fr) * | 1994-03-10 | 1995-09-14 | Societe Europeenne De Propulsion | Procede pour la protection contre l'oxydation de produits en materiau refractaire et produits ainsi proteges |
RU94027721A (ru) * | 1994-07-22 | 1996-05-20 | Институт проблем литья АН Украины (UA) | Способ введения дисперсных частиц в сплавы |
RU2010110782A (ru) * | 2010-03-22 | 2011-09-27 | Общество с ограниченной ответственностью Вятское машиностроительное предприятие "Лазерная техника и технологии" (RU) | Способ лазерно-плазменно-ультразвукового упрочнения поверхности металлов и их сплавов |
WO2015031453A1 (en) * | 2013-08-28 | 2015-03-05 | Elwha Llc | Systems and methods for additive manufacturing of three dimensional structures |
RU2620520C2 (ru) * | 2014-12-02 | 2017-05-26 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования Иркутский государственный университет путей сообщения (ФГБОУ ВО ИрГУПС) | Способ лазерной наплавки металлических поверхностей |
-
2019
- 2019-11-18 RU RU2019136910A patent/RU2718503C1/ru active
Patent Citations (10)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US4330699A (en) * | 1979-07-27 | 1982-05-18 | The United States Of America As Represented By The Secretary Of The Navy | Laser/ultrasonic welding technique |
JPS63183793A (ja) * | 1987-01-27 | 1988-07-29 | Inoue Japax Res Inc | 摺動部材 |
SU1743770A1 (ru) * | 1990-03-20 | 1992-06-30 | Ленинградский государственный технический университет | Способ лазерного легировани и наплавки |
RU2007499C1 (ru) * | 1991-06-04 | 1994-02-15 | Гуреев Дмитрий Михайлович | Способ поверхностного легирования изделий из металлов и сплавов |
WO1995024364A1 (fr) * | 1994-03-10 | 1995-09-14 | Societe Europeenne De Propulsion | Procede pour la protection contre l'oxydation de produits en materiau refractaire et produits ainsi proteges |
RU94027721A (ru) * | 1994-07-22 | 1996-05-20 | Институт проблем литья АН Украины (UA) | Способ введения дисперсных частиц в сплавы |
RU2010110782A (ru) * | 2010-03-22 | 2011-09-27 | Общество с ограниченной ответственностью Вятское машиностроительное предприятие "Лазерная техника и технологии" (RU) | Способ лазерно-плазменно-ультразвукового упрочнения поверхности металлов и их сплавов |
RU2445378C2 (ru) * | 2010-03-22 | 2012-03-20 | Общество с ограниченной ответственностью Научно-производственное предприятие "Лазерно-плазменные технологии" | Способ получения износостойкой поверхности металлов и их сплавов (варианты) |
WO2015031453A1 (en) * | 2013-08-28 | 2015-03-05 | Elwha Llc | Systems and methods for additive manufacturing of three dimensional structures |
RU2620520C2 (ru) * | 2014-12-02 | 2017-05-26 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования Иркутский государственный университет путей сообщения (ФГБОУ ВО ИрГУПС) | Способ лазерной наплавки металлических поверхностей |
Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2789411C1 (ru) * | 2022-04-22 | 2023-02-02 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Казанский национальный исследовательский технический университет им. А.Н. Туполева - КАИ" | Способ сварки материалов в ультразвуковых полях и устройство, его реализующее |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
Farahmand et al. | Laser cladding assisted by induction heating of Ni–WC composite enhanced by nano-WC and La2O3 | |
Abboud et al. | Surface nitriding of Ti–6Al–4V alloy with a high power CO2 laser | |
CN106637200A (zh) | 一种热、声、磁复合能场辅助激光熔覆金属基陶瓷涂层的方法 | |
Gorunov | Additive manufacturing of Ti6Al4V parts using ultrasonic assisted direct energy deposition | |
Zhou et al. | Effects of beam oscillation modes on microstructure and mechanical properties of laser welded 2060 Al-Li alloy joints | |
Sohn et al. | Real-time porosity reduction during metal directed energy deposition using a pulse laser | |
Zhang et al. | Effect of laser energy density on microstructure, wear resistance, and fracture toughness of laser cladded Mo2FeB2 coating | |
Alavi et al. | Ultrasonic vibration-assisted laser atomization of stainless steel | |
Li et al. | Surface smoothing of bulk metallic glasses by femtosecond laser double-pulse irradiation | |
Golyshev et al. | The effect of using repetitively pulsed laser radiation in selective laser melting when creating a metal-matrix composite Ti-6Al-4V–B 4 C | |
Sallamand et al. | Laser cladding on aluminium-base alloys: microstructural features | |
RU2718503C1 (ru) | Способ формирования поверхностного композиционного слоя в металлах | |
Arbo et al. | On weldability of aerospace grade Al-Cu-Li alloy AA2065 by wire-feed laser metal deposition | |
Adebiyi et al. | Microstructural evolution at the overlap zones of 12Cr martensitic stainless steel laser alloyed with TiC | |
Lenivtseva et al. | Structure and properties of surface layers obtained by atmospheric electron beam cladding of graphite-titanium powder mixture onto titanium substrate | |
Gilmutdinov et al. | Investigations of the sound frequency effect on laser acoustic welding of stainless steel | |
Samotugin et al. | The influence of plasma surface modification process on the structure and phase composition of cutting-tool hardmetals | |
Yasuda et al. | Influence of high-power ultrasonic irradiation on primary nucleation process during solidification | |
Razavi et al. | Laser surface treatments of aluminum alloys | |
RU2799193C1 (ru) | Способ лазерного аддитивного нанесения износостойкого немагнитного покрытия на защитные элементы корпуса роторных управляемых систем | |
Trivedi et al. | Cladding techniques that achieve a solid metallurgical bond with the least amount of base material dilution-An overview | |
Maliutina et al. | Influence of Laser Cladding Parameters on γ-TiAl Coatings | |
RU2164265C1 (ru) | Способ формирования защитных покрытий на титановых сплавах | |
Yin et al. | Pulsed Laser Additive Manufacturing for 316L Stainless Steel: A New Approach to Control Subgrain Cellular Structure | |
Golyshev et al. | The influence of laser radiation action modes on the microhardness of metal-ceramic tracks in additive technologies |