УДК 621.375.826

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ГАЗОПОРОШКОВОГО ПОТОКА ПРИ ЛАЗЕРНОЙ НАПЛАВКЕ КОМПОЗИЦИОННЫХ ПОКРЫТИЙ СИСТЕМЫ AL-SIC

 

EXPERIMENTAL INVESTIGATION OF GAS-POWDER FLOW IN LASER CLADDING OF COMPOSITE COATINGS OF SYSTEM AL-SiC

 

Асютин Р.Д., Самарин П.Е. (МГТУ им. Н.Э. Баумана, г.Москва, РФ)

Asytin R.D., Samarin P.E. (MSTU named by Bauman)

 

Лазерная наплавка все чаще используется для получения сложных композиционных покрытий и материалов благодаря уникальным свойствам лазерного луча. В данной работе проведено исследование газопорошкового потока смеси порошков: алюминиевого сплава и карбида кремния. Получены данные о распределении частиц как отдельных компонентов, так и механической смеси материала в потоке, что необходимо для получения качественных наплавленных слоев с равномерным распределением элементов по толщине покрытия.

 

Laser cladding is increasingly used to produce complex composite coatings and materials due to the unique properties of the laser beam. In the given work it has been investigated gas-powder flow of the mixture of powders: aluminum alloy and silicon carbide. The obtained data of the distribution as for each component, so and for mixture of particles in the flow, that is needed for a uniform distribution of materials in the coating.

 

Ключевые слова: композиционный материал, лазерная наплавка, порошковая наплавка, износостойкие покрытия.

 

Key words: composite material, laser cladding, powder melting, wear-resistant coatings.

 

В последнее время широкое применение находят металло-матричные композиционные материалы (ММК), которые позволяют значительно повысить физико-механические и эксплуатационные свойства изделий. Основным материалом при создании ММК служат алюминиевые сплавы, которые обладают высокой удельной прочностью, малой плотностью и хорошими технологическими свойствами. В качестве упрочняющей фазы в таких композиционных материалах (КМ) особый интерес представляют частицы SiC. Такие КМ, при определенном составе матричного сплава и доли армирования, обладают низкими значениями коэффициента трения и высокими показателями по износостойкости. В ряде случаев применение объемно-легированных материалов является нерациональным. Достаточно получить на поверхности детали покрытие определенной толщины и определенного состава. Это вызывает большой интерес к созданию композиционных покрытий.

При создании композиционных покрытий все больше применяется процесс коаксиальной газопорошковой лазерной наплавки. Распределение частиц порошка в газопорошковом потоке является важным параметром, влияющим как на производительность процесса, так и на его качество. Создание композиционной структуры покрытия из порошкового материала затруднено в связи с различной плотностью и формой частиц компонентов. При постоянных расходах газов и порошка распределение является стационарным и зависит от многих факторов: размера частиц, их формы, плотности их материала, из которого они состоят. Например, частицы сферической формы принимают скорость газа и переносятся в ламинарном потоке. Частицы неправильной формы перемещаются более разрозненно, поток порошка таких частиц нестационарен. В результате наплавки покрытия такими материалами распределение элементов в конечном валике может оказаться неравномерным. В работе было выявлено, насколько отличаются «рабочие конусы», образованные газопорошковыми потоками тех или иных частиц, при подаче порошков различными технологическими насадками, чтобы установить оптимальные для каждого материала. Поскольку форма частиц напрямую зависит от технологии их получения, то данное исследование дало возможность проанализировать методы получения порошков и выявить оптимальные.

Для исследования газопорошкового потока был создан лабораторный стенд (рисунок 1). Стенд состоит из технологической головы (1), неподвижного источника света щелевого типа (4), видеокамеры (1). Источник света представляет из себя диодный светильник зеленого света со светимостью 2000 Лм. Светильник создает излучение зеленого цвета, выходящее через специальную щель в корпусе. Ширина щели составляет 2 мм. Ширина луча, освещающего поток порошка – также составляет 2 мм, поскольку поток ссыпается непосредственно возле щели, и расходимостью луча пренебрегаем по причине его малости.

Рисунок 1 - Схема стенда для измерений газопорошкового потока по сечениям

Выделяют несколько основных способов подачи порошковых материалов в зону лазерного воздействия при наплавке: боковая подача, многоструйная и коаксиальная подача порошка.

Многоструйная подача (MultiJet), рисунок 2. Подача из нескольких трубок является развитым методом боковой подачи, обеспечивает симметрию подачи порошка относительно направления движения. Обычно в конструкциях таких головок используют 4 трубки, расположенных осесимметрично. На выходе из трубок частицы порошка имеют скорость выше, чем при других способах подачи. Как результат, такой метод подачи не чувствителен к направлению передвижения относительно подачи порошка и допускает наклон головы в широких пределах, до 45 градусов от вертикали. Это упрощает обработку крупногабаритных деталей без их перемещения в пространстве. Недостатком схемы является сравнительно низкая эффективность использования порошковых материалов относительно коаксиальной схемы подачи порошка.

Рисунок 2 - Схема наплавки с многоструйной подачей порошковых материалов

 

Коаксиальная подача (рисунок 3) - это метод для обработки деталей более аккуратным способом, чем при многоструйной подаче. Помимо осесимметричности пучка, такой метод позволяет получить наиболее тонкий газопорошковый поток, позволяющий наносить валики шириной от 200 - 300 мкм. Диаметр лазерного луча может составлять не более 0,3 мм, а эффективность использования порошка может достигать 70%, чего не обеспечивают методы с многоструйной подачей. Такие технологические параметры позволяют обрабатывать очень чувствительные к перегреву, тонкостенные детали с минимальным тепловым воздействием и высоким качеством наплавленного слоя.

  Рисунок 3 - Схема наплавки с коаксиальной подачей порошковых материалов

 

Исследование влияния формы и размеров частиц порошка

Способ подачи порошка в общем случае влияет на время его пребывания под лазерным излучением и, как следствие - на формирование ванны и свойства металла после кристаллизации. Кроме того, в зависимости от конструкции технологической насадки, скорость частиц порошка может изменяться в широких пределах [1, 2, 3]. Температура частиц при этом тоже значительно изменяется. Например, при малых скоростях потока и длинных сопловых насадках, порошок перегрет под лучом, часть легкоплавких легирующих элементов может выгореть ещё до образования общей ванны расплава. Некоторые элементы, такие как карбиды кремния и вольфрама, поглощают излучение определенной длины волны практически полностью и часто сгорают до попадания в покрытие. В связи с этим, необходимо подавать их под наиболее тупым углом к подложке, сводя время пребывания под лучом к минимуму.

В данной работе представленно исследование способа подачи порошковых материалов различных формы, состава и размера частиц. В таблице 1 указаны основные параметры порошковых материалов, важные для технологии. Рассматривался ряд порошковых материалов, используемых для создания композиционных покрытий. В случае создания покрытий из комбинации порошковых материалов, необходимо знать поведение отдельных составляющих при их подаче тем или иным методом, с помощью сопел различной геометрии.

 

Таблица 1 - параметры порошков, исследованных в работе.

Марка

Размер частиц

Плотность материала, г/см3

Форма частиц

Al12Si

-80 +50

2,5

Овальные, с сателлитами

SiC

-100 +83

3,2

Колотые

Порошковый материал Al12Si – алюминиевый сплав, используемый для ремонта деталей из алюминиевых сплавов, а также для получения композиционных материалов типа Al12Si – SiC, обладающих высокой износостойкостью при низком удельном весе. Порошок имеет частицы сферической формы с наличием небольшой доли сателлитов и частиц неправильной формы (рисунок 4).

Рисунок 4  – Частицы порошка Al12Si, увеличение 100 крат

 

Порошковый материал SiC – химически чистый карбид кремния, получают дроблением кристаллов и дальнейшим рассевом по фракциям. К отличительным свойствам необходимо отнести высокую температуру плавления, высокую твердость (зависит от кристаллической решетки и способа получения), высокую химическую стойкость при температурах до 1500 градусов Цельсия. Внешний вид порошковых частиц представлен на рисунке 5. Размер фракций крабида кремния, рассмотренный в данном исследовании – от 83 до 100 мкм. Частицы имеют преимущестенно колотую форму.

Рисунок 5 – Частицы порошка SiC, увеличение 100 крат

 

Описание оборудования

В данной работе использовалась технологическая голова для наплавки с фокусным расстоянием линзы 200 мм. Голова позволяет устанавливать различные модули для подачи порошковых материалов коаксиально лазерному лучу (рисунок 6, а) и с помощью четырехструйной подачи (рисунок 6, б).

 

а

б

Рисунок 6 - модули для  подачи порошковых материалов, сопла 01 /02 (а) и четырехструйное сопло.

 

Порядок измерений

Исследуемый порошок подавался в технологическую голову с помощью порошкового питателя необходимым газом. Технологическая голова была расположена вертикально. Выходящий из нее порошковый поток подсвечивается специальным образом и регистрируется камерой. В результате на ней отображаются только те частицы, которые пролетают в данном сечении газопорошкового потока. Перемещая голову ступенчато вдоль оси и последовательно регистрируя такие изображения, получаем картину распределения частиц в газопорошковом потоке.

Зная масштаб изображений, можем получить с приемлемой для технологии точностью такие параметры газопорошкового потока как фокусное расстояние технологической оснастки по порошку, минимальный диаметр газопорошкового потока, размер «перетяжки» той или иной оснастки, относительную плотность частиц газопорошкового потока в различных его сечениях. На рисунке 8 указаны наиболее важные параметры газопорошкового потока:

Lo – расстояние, на котором после вылета из сопла газопорошковый поток смыкается, образуя сплошную фигуру без отверстия в центре, если рассматривать сечение.

Zmin – расстояние, на котором диаметр потока имеет минимальный диаметр, а следовательно, максимальную плотность. Обычно данное расстояние рассматривают как рабочее, с максимальным коэффициентом использования порошка.

Lrab – зона потока, наплавка в которой обеспечивает формирование стабильного валика, без перегрева порошковых частиц и с оптимальным коэффициентом порошкового материала.

Dmin – минимальный диаметр газопорошкового потока, достигаемый в данном сопле при использовании данного порошка. Этот диаметр характеризует возможность получения валиков минимальной ширины с эффективным использованием порошка.

Перечисленные параметры необходимы для эффективного назначения конкретной насадки в определенной технологии обработки. Размер перетяжки, например, влияет на стабильность процесса нанесения покрытия.

Рисунок 7 – Схема газопорошкового потока в зоне обработки

 

В ходе измерений проведены исследования серии насадок для коаксиального сопла и четырехструйного сопла. Все коаксиальные сопла представляют из себя комбинации насадок: внутренней и внешней. Внутренняя насадка защищает поток от лазерного луча, внешняя насадка формирует газопорошковый конус на выходе из сопла и значительно влияет на конечные параметры потока. Угол при вершине конуса всех рассмотренных сопел составляет 64 градуса. Поскольку все оснастки расположены в одной плоскости, условия наплавки (диаметр луча и распределение интенсивности) являются одинаковыми. Различия в наплавленном металле в таком случае вызваны лишь изменениями подаваемого потока. Ниже приведены результаты исследований для различных комбинаций насадок с их размерами.

Измерения проводились по снимкам, полученным с коаксиальной камеры. На рисунке показано, как изменяется диаметр потока от слоя к слою при регистрации изображений на коаксиальную камеру.

а)S 1б)         S%201

в)S%201г)S%201

Рисунок 8 – изображения с коаксиальной камеры расстояние от сопла 3 мм а), 6 мм б), 12мм в), 15 мм)

 

Из полученных изображений с коаксиальной камеры по формуле:

где px – размер изображения сопла на рисунке в мм;

D – диаметр внутреннего сопла.

Зная масштаб, измеряем каждый диаметр в пикселях рисунка (Dизм) и пересчитываем его в истинный размер газпорошкового потока в каждом конкретном сечении:

Коаксиальное сопло 01

В результате исследований установлено, что частицы порошка, вылетающие из сопла, образуют ярко выраженный конус с перетяжкой и вторым, внутренним конусом, как и представлено на эскизе. Результатом измерений стало распределение газопорошкового потока в масштабе и с размерами, привязанными к конкретной комбинации сопел. Из графика (рисунок 9) видно, что размеры потока на выходе из сопла близки к геометрическим размерам самого сопла. Фокус газопорошкового потока находится на расстоянии около 11 мм от среза сопла, минимальный диаметр потока порошка составляет 2 мм.

S0,5 - SiC

S0,5 - Al12Si

S0,5 - SiC+Al

а

б

в

Рисунок 9 - измерения газопорошкового потока от сопла 01:

а) для порошка SiC, б) для порошка Al12Si, в) для порошка Al12Si+SiC

 

Перетяжка на коаксиальном сопле 01 для разных порошков предсталвена в таблице 2.

 

Таблица 2 – Параметры потока для сопла 01

 

Расстояние от среза сопла до перетяжки, мм

Минимальный диаметр потока, мм

SiС

от 9 до 12

1.8

Al12Si

от 9 до 11

1. 8

SiС+Al

от 9 до 10

4.1

 

Коаксиальное сопло 02

Данное сопло отличается от предыдущего выходным диаметром внешней насадки. Изменение диаметра насадки привело к изменению параметров потока.

S1,0 - SiC

S1,0 - Al12Si

S1,0 - SiC+Al12Si

а

б

в

Рисунок 10 - измерения газопорошкового потока от сопла 02: а) для порошка SiC, б) для порошка Al12Si, в)  для порошка Al12Si+SiC

 

Перетяжка на коаксиальном сопле 02 для различных порошков представлена на рисунке 10 и в таблице 3.

 

Таблица 3 – Параметры потока для сопла 02

 

Расстояние от среза сопла до перетяжки,  мм

Минимальный диаметр потока, мм

SiС

от 12 до 13

2

Al12Si

от 10 до 12

1. 2

SiС+Al

от 11 до 13

2.4

 

Четырехструйное сопло

Размеры наконечника исследуемого коаксиального сопла представлены на рисунке 11. Порошок в сопле подают четыре отдельных трубочки с диаметром 2 мм. Угол наклона трубочек составляет 64 градуса от нормали к поверхности. Перетяжка на четырехструйном сопле для различных порошков представлена на рисунке 11 и в таблице 4.

 

4x - SiC

4x - Al12Si

4x - SiC + Al12Si

а

б

в

Рисунок 11 - измерения газопорошкового потока:

а) для порошка SiC, б) для порошка Al12Si, в)  для порошка Al12Si+SiC

 

Таблица 4 – Параметры потока для четырехструйного сопла

 

Расстояние от среза сопла до перетяжки. мм

Минимальный диаметр потока, мм

SiС

от 9 до 11

2.2

Al12Si

от 9 до 10

2. 1

SiС+Al

от 8 до 10

3.2

 

Таким образом, в работе установлено, что наименьшие зазоры между срезом сопла и поверхностью подложки для отдельных порошков и для их смесей не одинаковые. Минимальный диаметр газопорошкового потока для смеси порошков больше, чем диаметр перетяжки для чистых порошков.

Вывод

В ходе исследования были получены зависимости размера перетяжки от формы частиц порошка. Было установлено, что для порошка SiC диаметр перетяжки минимальный на коаксиальном сопле, максимальный - на четырехструйным сопле. Комбинация порошков подается c наименьшим диаметром перетяжки через сопло 02, так как на данной насадке конусы газопорошкового потока практически совпадают.

Поскольку ширина газопорошкового потока при подаче четырехструйным соплом гораздо больше, чем при подаче коаксиальными соплами, использование четырехструйных сопел оправдано только при наплавке широким лучом лазера с большой средней мощностью излучения.

Установлено так же, что сферические частицы (Al12Si) при подаче через коаксиальные сопла имеют фокусное расстояние ближе к срезу сопла, чем колотые частицы с той же плотностью (SiC). Поэтому при наплавке композиционных материалов – смесей алюминия и карбида кремния – необходимо учитывать их несимметричное распространение в конусе газопорошкового потока.

Список использованных источников

1.Новиченко Д. Ю. Разработка и исследование процесса прямого лазерного изготовления детали из композиционного материала на основе стали и карбида титана. Диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук, МГТУ им. Н. Э. Баумана, 2011.

2.Третьяков Р.С. Технологические особенности процесса лазерной модификации поверхностей с коаксиальной подачей порошковых материалов. Диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук, МГТУ им. Н. Э. Баумана, 2014.

3. Технологические процессы лазерной обработки : учеб. пособие для вузов / Григорьянц А. Г., Шиганов И. Н., Мисюров А. И. ; ред. Григорьянц А. Г. - М. : Изд-во МГТУ им. Н. Э. Баумана, 2008. – 664 с.