Отработка режимов лазерного оплавления газо-термического покрытия

Полный текст

ВВЕДЕНИЕ

Медь и её сплавы широко применяются в качестве конструкционных материалов для изготовления узлов и деталей металлургического оборудования при производстве чугуна, стали и различных сплавов. В доменном производстве детали на основе меди подвержены воздействию высокой температуры, абразивному износу и высокотемпературной коррозии. Это приводит к длительному простою металлургического оборудования металлургических комбинатов из-за недостаточной жаростойкости доменных фурм. [1–3]. Для предотвращения износа детали из защищают различными покрытиями в зависимости от условий их эксплуатации [4]. Эффективным решением задачи улучшения поверхностных свойств и, как следствие, увеличения долговечности деталей является нанесение защитных покрытий газо-термическими методами [5].

Одной из актуальных является задача нанесения качественных покрытий на поверхность фурмы доменной, внешний вид которой представлен на рис. 1.

 

Рис. 1. Внешний вид фурмы доменной и зоны напыления.

 

Одним из материалов для решения этой задачи является диоксид циркония, стабилизированный оксидом иттрия, который выступает в качестве теплозащитного (термобарьерного) слоя [5], защищающего также от воздействия агрессивной среды доменной печи с температурой, достигающей 2000^оС, брызг металла и шлака.

Из-за разницы коэффициента термического расширения меди (при T = 300 К: 16.7 мкм/м ^оC и при T = 750 К: 19.7 мкм/м ^оC [6]) и диоксида циркония (11.5 10^–6 1/К [7]) и ее низкой стойкости против газовой коррозии нанесение оксида циркония (производится по предварительно нанесенному промежуточному слою или слоям, играющим согласующую по коэффициенту термического расширения (КТР) роль между медной основой и керамическим покрытием. Кроме того, промежуточные слои защищают медь от газовой коррозии вследствие проникновения через слой пористого теплозащитного керамического покрытия коррозионных агентов, включая кислород. В настоящее время для защиты рабочей поверхности фурм доменных часто применяют алитирование [6], осуществляемое методом термодиффузионного насыщения поверхностного слоя меди алюминием с получением на поверхности слоя из интерметаллидов, а именно, алюминидов меди, обладающего относительно высокими характеристиками стойкости против газовой коррозии. В данной работе, для защиты рабочей поверхности доменных фурм, предлагается значительно более эффективное газо-плазменное покрытие на основе стабилизированного диоксида циркония. При этом, в качестве промежуточных слоев используются сплавы на основе никеля. Одним из материалов для решения этой задачи является диоксид циркония, стабилизированный оксидом иттрия, который выступает в качестве теплозащитного (термобарьерного) слоя [5], защищающего также от воздействия агрессивной среды доменной печи с температурой, достигающей 2000 ^оC, брызг металла и шлака.

Из-за разницы коэффициента термического расширения меди (при t = 300 К: 16.7 мкм/м ^оС и при t = 750 К: 19.7 мкм/м ^оС [7]) и диоксида циркония (11.5 10–6 1/К [8]) и её низкой стойкости против газовой коррозии нанесение оксида циркония (производится по предварительно нанесенному промежуточному слою или слоям, играющим согласующую по коэффициенту термического расширения (КТР) роль между медной основой и керамическим покрытием. Кроме того, промежуточные слои защищают медь от газовой коррозии вследствие проникновения через слой пористого теплозащитного керамического покрытия коррозионных агентов, включая кислород.

Использование никеля в качестве основы промежуточных слоев обусловлено тем, что медь и никель образуют соединения, такие как мельхиор или монель-металл. Что позволяет получить химическое соединение разнородных материалов. Это, в свою очередь, предполагает плавный переход теплофизических свойств от слоя к слою. [9, 10]

Покрытия и технология их нанесения, предлагаемые для защиты рабочей поверхности фурм доменных, должны удовлетворять определенным требованиям по ряду характеристик:

Жаростойкостью

Покрытие должно обладать высокой стойкостью против газовой коррозии и термостабильностью, т. е. способностью сохранять свой состав и свойства в течение длительного времени.

Термостойкостью и жаропрочностью

Покрытие не должно растрескиваться при термоциклировании, а также иметь удовлетворительную механическую прочность при высоких температурах эксплуатации, что, кроме всего прочего, обеспечит высокую износостойкость покрытия в абразивных газовых потоках.

Технология нанесения покрытия

Как показали производственные испытания, покрытие разрушалось по согласующему подслою, по границе между медной основой и промежуточным жаростойким подслоем. Это, в свою очередь, является следствием низкой адгезии согласующего подслоя к медной основе, а также отсутствия заметной диффузии материала подслоя в медь. Очевидно, что технология нанесения должна обеспечивать надежное механическое сцепление нанесенного покрытия с медной основой.

При прочих равных условиях, например, соблюдении требования качественной предварительной подготовки медной основы перед нанесением жаростойкого подслоя, необходимо предпринять меры по радикальному улучшению состояния границы между медной основой и подслоем, а именно наличием на границе между медью и подслоем металлической химической связи и взаимной диффузии между основой и подслоем.

Нами предложено оплавлять промежуточный подслой на никелевой основе (система Ni–B–Si) лазерным излучением вследствие ряда преимуществ: высокая стабильность и точность места нагрева, «кинжального» эффекта проплавления; низкого термического воздействия на обрабатываемую поверхность; минимального размера зоны термического влияния; низкой деформации обрабатываемых деталей.

При таких свойствах лазерного излучения оплавление переходного (согласующего) слоя может обеспечить очень высокую адгезию переходного слоя с медью также и за счет увеличения площади взаимного контакта между медью и подслоем (кинжальное проплавление) и существенного повышения однородности материала промежуточного слоя из никелевого сплава.

Для отработки режимов лазерного оплавления использовался комплекс на основе лазера IPG ИРЭ-Полюс ЛС-5 мощностью 5 кВт с роботом KUKA KR-60HA. Максимальная мощность лазера 5 кВт, длина волны 1070 ± 5 нм, модуляция лазерного излучения составляет 5 кГц, диаметр выходного оптического волокна 50 мкм, расходимость лазерного излучения ВРР < 2.5 мм×мрад, фокусное расстояние лазерной головы 200 мм.

ПАРАМЕТРЫ ПРОЦЕССА НАПЫЛЕНИЯ И МАТЕРИАЛЫ.

Для нанесения как промежуточных слоев, так и керамического основного слоя из стабилизированного оксида циркония использовался метод газо-плазменного напыления. При плазменном напылении высокая температура плазменной струи позволяет производить напыление практически любых материалов, в том числе тугоплавких, таких как оксид циркония. Характеристики плазменной струи, в том числе и температуру, можно изменять в широком диапазоне [11]. Частицы порошка подаются в плазменную струю, где происходит их нагрев и ускорение. Далее частицы при ударе о поверхность обрабатываемой детали формируют на ней покрытие заданной толщины, представляющее собой наслоение растекшихся или расплющившихся частиц. Некоторые характеристики напыления представлены в табл. 1

 

Таблица 1. Режимы плазменного напыления

Используемый газ, соотношение	Ar = 30%, N2 = 70%
Рабочий ток, Iд	400 А
Напряжение дуги, Uд	65–70 В
Напряжение холостого хода, Uх.х.	130–140 В
Производительность	4–5 кг/час
Дистанция напыления для подслоя	100–120 мм
Диаметр плазменного пятна	10–15 мм

 

При напылении частицы плавятся, или переходят в пластичное состояние. При этом имеют место процессы испарения напыляемого материала, а также химического взаимодействия с нагретым газом и окружающей средой. Удар и деформация частиц приводят к их чрезвычайно быстрой кристаллизации и охлаждению со скоростями, достигающими 106–108 К/с [11]. Процесс плазменного напыления проводился при режимах, отраженных в табл. 2.

 

Таблица.2. Номера образцов и режимы обработки

№ образца	Мощность лазерного излучения, Вт	Шаг обработки, мм	Проход	Фокусное расстояние f = 200, мм	Скорость обработки, об/мин
1	400	0.5	1	0
2	450	0.5	1	0
3	450	0.5	1	0
			2	+10 (210)
4	400	0.5	1	0	21
			2	+10 (210)
5	310	0.5	1	0
6	350	0.5	1	0
7	380	0.5	1	0
8	310	0.125	1	0

 

Для отработки режимов используются образцы из меди М0, ГОСТ 859-2014. Для наплавки плоских образцов используется медные пластины, размером 120×30×8 мм, напыление деталей вращения – медный стержень, диаметром 30 мм и длинной 150 мм.

Для напыления используется порошок из самофлюсующегося сплава системы Ni–B–Si. Основой материала является Ni. Остальные элементы, такие как B, Si снижают температуру плавления, измельчают зерновую структуру и улучшают текучесть Ni [12–15].

ОПЛАВЛЕНИЕ ПОКРЫТИЯ НА МЕДНОМ СТЕРЖНЕ

Для отработки процесса оплавления и выявление возможных дефектов был выбран медный стержень с нанесенным покрытием. Для обработки покрытия на медном стержне была выбрана стратегия движения детали по спирали. Изменяемыми параметрами процесса являются мощность лазерного излучения, шаг обработки, изменения фокусного расстояния и количество проходов. Скорость обработки составляет 21 об/мин (33 мм/с). Для оплавления были выбраны режимы обработки образцов, представленные в табл. 2.

Ограничивающим параметром процесса является скорость вращения детали, являющегося ограничением комплекса лазерной обработки. Параметры процесса варьировались: по мощности лазерного излучения: 400–450 Вт; шаг обработки: 0.125 и 0.5; фокусное расстояние изменялось от 200 до 210 мм.

Из рисунков 3–5 (микрошлифы) видно, что при недостаточной мощности лазерного излучения покрытие оплавляется частично, образуя несплошности. При высокой мощности появляется эффект кинжального проплавления и значительно повышается вероятность образования пор.

 

Рис. 2. Стратегия обработки медного стержня по спиральной траектории.

 

Рис. 3. Микрошлиф образца, режим 1. а – панорамный снимок; б, в – дефекты покрытия; 1 – пористость внутри зоны сплавления, 2 – неоплавленное покрытие.

 

Рис. 4. Микрошлиф образца, режим 1. а – панорамный снимок; б – дефекты покрытия; в – снимок в режиме косого света; 1 – пористость внутри зоны сплавления, 2 – не оплавленное покрытие.

 

Рис. 5. Микрошлиф образца, режим 5. а — панорамный снимок; б, в — дефекты покрытия. 1 — не оплавленное покрытие, 2 — пористость оплавленного слоя.

 

Лимитирующим параметром данного эксперимента является скорость вращения детали, ограниченная вращателем. Так же, при недостаточной мощности лазерного излучения появляются зоны не сплавления в покрытии и пористость.При увеличении мощности следует учитывать и увеличение фокусного расстояния для компенсации ширины трека за счет глубины проплавления.

ОПЛАВЛЕНИЕ МЕДНЫХ ПЛАСТИН

Оплавление медного стержня характеризовалось не проплавлением, пористостью и большой глубиной трека. Решением данных проблем является переход от образцов стержневого типа на плоские из-за отсутствия лимитирующих скоростей движения робота (скорость вращения медного стержня).

Для оплавления покрытия на медных пластинах была выбрана линейная стратегия обработки (рис. 6, 7). Изменяемыми параметрами обработки являются: скорость, шаг между треками и фокусное расстояние. Скорость обработки лазерным излучением составляет 0.033 м/с (33 мм/с). Толщина покрытия составляет 0,2 – 0.3 мм. Зона образца была поделена на две части разных режимов обработки. Лазерное оплавление образца происходило линейно, построчно.

 

Рис. 6. Размеры обрабатываемой области и стратегия обработки.

 

Рис. 7. Модель обработки.

 

На рабочем ходу происходила обработка покрытия лазером справа налево создавая трек. После обработки система перемещения с отключенным лазером перемещалась вверх на величину расстояния между треками.

Удовлетворительное качество оплавленных покрытий имело место на скорости 33 мм/с. Варьирование мощности составляло от 400 до 3900 Вт, фокусное расстояние находилось в пределах от 200 до 230 мм. Так же был установлен различный шаг между треками: 0.25; 0.5 и 1 мм.

Очевидно, что процесс оплавления покрытия приводит к созданию структур, компонентами которых являются соединения, входящие в состав как основы, так и покрытия. Напыляемый газо-термическим методом материал согласующего с медью подслоя на основе никеля повышает коррозионную стойкость материалов и их жаропрочность [16]. Как следствие, крайне вероятно образование твердых растворов, интерметаллидных структур и сплавов на основе меди, таких как сплав меди и никеля (монель металл подобная структура), интерметаллиды Cu3B2/Ni3B2, Cu23С6/Ni23С6 [17]. Независимыми параметрами процесса, которые определяют микроструктуру и однородность плакирующего слоя являются мощность лазерного луча и скорость процесса, отражательная способность поверхности, метод его нанесения и температурные свойства основы так и плакирующего слоя [18].

Диаграмма, демонстрирующая влияние параметров лазерной обработки на качество полученного покрытия приведена на рис 8.

 

Рис. 8. Показательная диаграмма технологических параметров для оплавления самофлюсующегося покрытия системы Ni–B–Si.

 

Рис. 9. Внешний вид образцов: а, б – зона 1; в – зона 2; г, д – зона 3.

 

Данную диаграмму можно разделить на три зоны. Для зоны 1 имеет место отслаивание покрытия от подложки вследствие неполного проплавления покрытия и неудовлетворительного смачивания расплавом материала покрытия поверхности меди и, как следствие, недостаточного развития химической металлической связи между материалом покрытия и основы. К такому результату приводит недостаточная мощность лазерного излучения или её плотность. Зона 2 – оптимальные режимы обработки, без серьёзного взаимодействия никеля (и компонентов покрытия) с медной основой. Зона 3 характеризуется смешиванием меди с никелем и, вероятно, образованием подобной монель металлу или мельхиору структуры, а также образованием интерметаллидов что приводит к упрочнению материала и появлению трещин в зоне оплавления, появлению «волн» на поверхности из-за дефектов в покрытии (пористости). Внешний вид образцов представлен на рис. 9, а описание их дефектов представлено в табл. 3.

 

Таблица 3. Характеристика образцов

Зона 1 Рис. 4а	При недостаточной мощности лазерного излучения верхний слой покрытия оплавляется. Верхние слои предыдущих треков оплавляются с последующими. Под воздействие термических напряжений покрытие отслаивается от основы.
Зона 1. Рис. 4б	При увеличении фокусного расстояния и недостаточной мощности оплавление происходит не полностью, оставляя несплошность оплавленного слоя и поры.
Зона 2 Рис. 4в	Равномерное распределение валиков без пористости и отслоений.
Зона 3 Рис. 4г	При взаимодействии лазерного излучения с покрытием происходит активное перемешивание и взаимодействие компонентов покрытия с основой, с последующим упрочнением и вследствие этого появлением трещин.
Зона 3 Рис. 4д	При критическом увеличении мощности происходит активное взаимодействие компонентов покрытия с основой с образованием интерметаллидов и боридов меди. Из-за внутренних дефектов покрытия (пористости) оно обретает волнистую структуру.

 

Для качественного оплавления необходимо выполнения таких факторов как оптимальная мощность, фокусное расстояние и величина шагов треков. Недостаточная мощность лазерного излучения так и увеличение фокусного расстояния неминуемо ведет к дефектам, таким как несплошность оплавленного слоя и отрыв покрытия от основы. Так же негативно влияет и критическое увеличение мощности, и увеличение фокусного расстояния, приводящее к упрочнению оплавленного слоя и появлению трещин, а также увеличению волнистости поверхности, что может создать проблемы для последующих слоев напыления. Так же значительный вклад в бездефектное оплавление вносит шаг между треками, который может приводить к появлению не оплавленных частей покрытия.

ВЫВОДЫ

Разработан технологический процесс нанесения защитного покрытия для медных фурм, применяемых в доменном производстве.

Доказана необходимость лазерного оплавления промежуточного слоя (система Ni-B-Si), обеспечивающего повышенную (в сравнении с покрытиями, полученными без процесса оплавления) адгезию переходного слоя с медью за счет увеличения площади взаимного контакта между медью и подслоем (кинжальное проплавление) и существенного повышения однородности материала промежуточного слоя из никелевого сплава, образование твердых растворов, интерметаллидных структур и сплавов на основе меди, таких как сплав меди и никеля (монель-металлподобная структура), интерметаллиды Cu3B2/Ni3B2, Cu23C6/Ni23C6.

Определены оптимальные параметры процесса оплавления плоских образцов: скорость обработки 33 мм/с, мощность от 400 до 3900 Вт, фокусное расстояние от 200 до 230 мм, шаг между треками: 0.25, 0.5 и 1 мм.

Определены оптимальные параметры процесса оплавления вращающихся образцов: мощность лазерного излучения 400–450 Вт, шаг обработки 0.125; 0.5, фокусное расстояние от 200 до 210 мм.

Об авторах

И. С. Бахтеев

Уральский федеральный университет им. Б.Н. Ельцина

Автор, ответственный за переписку.
Email: igor.bakhteev@urfu.ru
Россия, Екатеринбург

К. И. Олейник

Институт металлургии УрО РАН

Email: igor.bakhteev@urfu.ru
Россия, Екатеринбург

А. В. Шак

Уральский федеральный университет им. Б.Н. Ельцина

Email: igor.bakhteev@urfu.ru
Россия, Екатеринбург

Е. Л. Фурман

Уральский федеральный университет им. Б.Н. Ельцина

Email: igor.bakhteev@urfu.ru
Россия, Екатеринбург

Р. М. Валиев

Уральский федеральный университет им. Б.Н. Ельцина

Email: igor.bakhteev@urfu.ru
Россия, Екатеринбург

А. А. Вопнерук

АО «НПП “Машпром”»

Email: igor.bakhteev@urfu.ru
Россия, Екатеринбург

Список литературы

Дополнительные файлы