Study of the Laser Radiation Focusing Modes Effect on Geometrical and Mechanical Properties of Metal-Ceramic Tracks

Cover Page

Cite item

Full Text

Abstract

Introduction. Additive technologies (АТ) present the method to produce particles by means of layered build-up of materials with any geometry. This technology plays important role in the manufacture of functional articles or in the recovery of worn parts with high strength capacity. Metal-ceramic structures including tungsten carbide and nickel alloy are widely used in tribological practices to protect the components under high-intensity wear, such as cutting tools, drilling and mechanical processing, in mining industry. The aim of the work is to optimize the laser cladding of metal-ceramic single tracks to obtain a monolithic weld structure with maximum hardness. The paper investigates the effect of the laser radiation on geometrical and mechanical characteristics of the formed tracks using a powder mixture based on nickel alloys (NiCrBSi) 60% by weight and tungsten carbide (WC) 40% by weight. Results and Discussion. It is established that the shape and mechanical characteristics are strongly influenced by the mode of laser radiation focusing (the mode of keyhole penetration or the mode of thermal conductivity) relative to the surface of the initial layer of the powder mixture. It is also found that when the parameter P⁄√V is used as an independent variable, every factors of the track width w and penetration depth Hm can be described with consistent dependencies for the keyhole mode. It is demonstrated that in the cladded track, in the thermal conductivity mode (the focusing mode f = ±20), one observes the uniform distribution of ceramic particles featuring the maximal value of microhardness. It is found that the cladded metal-ceramic structure has 4-5 times higher value of microhardness (850.4 HV0.1) than the substrate (178 HV0.1).

About the authors

A. A. Golyshev

Email: alexgol@itam.nsc.ru
Ph.D. (Physics and Mathematics), 1. Khristianovich Institute of Theoretical and Applied Mechanics SB RAS, 4/1 Institutskaya str., Novosibirsk, 630090, Russian Federation; 2. Novosibirsk State University, 1 Pirogova street, Novosibirsk, 630090, Russian Federation, alexgol@itam.nsc.ru

A. M. Orishich

Email: laser@itam.nsc.ru
D.Sc. (Physics and Mathematics), Professor, 1. Khristianovich Institute of Theoretical and Applied Mechanics SB RAS, 4/1 Institutskaya str., Novosibirsk, 630090, Russian Federation; 2. Novosibirsk State University, 1 Pirogova street, Novosibirsk, 630090, Russian Federation, laser@itam.nsc.ru

References

  1. D printing of high performance shape memory polymer using stereolithography / Y.C. Choong, S. Maleksaeedi, H. Eng, J. Wei, P. Su // Materials & Design. – 2017. – N 126. – P. 219–225. – doi: 10.1016/j.matdes.2017.04.049.
  2. Gan M., Wong C. Properties of selective laser melted spodumene glass-ceramic // Journal of the European Ceramic Society. – 2017. – Vol. 37 (13). – P. 4147–4154. – doi: 10.1016/j.jeurceramsoc.2017.04.060.
  3. Laser additive manufacturing of metallic components: materials, processes and mechanisms / D. Gu, W. Meiners, K. Wissenbach, R. Poprawe // International Materials Reviews. – 2012. – Vol. 57, iss. 3. – P. 133–164. – doi: 10.1179/1743280411Y.0000000014.
  4. Lu Q., Wong C. Additive manufacturing process monitoring and control by non-destructive testing techniques: challenges and in-process monitoring // Virtual and Physical Prototyping. – 2018. – Vol. 13, iss. 2. – P. 39–48. – doi: 10.1080/17452759.2017.1351201.
  5. Tribological and corrosion properties of Al-12Si produced by selective laser melting / K. Prashanth, В. Debalina, Z. Wang, P. Gostin, A. Gebert, M. Calin, J. Eckert // Journal of Materials Research. – 2014. – Vol. 29, iss. 17. – P. 2044–2054. – doi: 10.1557/jmr.2014.133.
  6. L stainless steel mechanical and tribological behavior – a comparison between selective laser melting, hot pressing and conventional casting / F. Bartolomeu, M. Buciumeanu, E. Pinto, N. Alves, O. Carvalho, F.S. Silva, G. Miranda // Additive Manufacturing. – 2017. – N 16. – P. 81–89. – doi: 10.1016/j.addma.2017.05.007.
  7. Simultaneous enhancements of strength and toughness in an Al-12Si alloy synthesized using selective laser melting / J. Suryawanshi, K. Prashanth, S. Scudino, J. Eckert, O. Prakash, U. Ramamurty // Acta Materialia. – 2016. – N 7/5. – P. 285–294. – doi: 10.1016/j.actamat.2016.06.009.
  8. Nickel A.H., Barnett D.M., Prinz F.B. Thermal stresses and deposition patterns in layered manufacturing // Materials Science and Engineering: A. – 2001. – N 317 (1–2). – P. 59–64. – doi: 10.1016/S0921-5093(01)01179-0.
  9. Controlling of residual stress in additive manufacturing of Ti6Al4V by finite element modeling / G. Vastola, G. Zhang, Q.X. Pei, Y.W. Zhang // Additive Manufacturing. – 2016. – N 12. – P. 231–239. – doi: 10.1016/j.addma.2016.05.010.
  10. A study of the microstructural evolution during selective laser melting of Ti-6Al-4V / L. Thijs, F. Verhaeghe, T. Craeghs, J. Van Humbeeck, J.P. Kruth // Acta Materialia. – 2010. – Vol. 58. – P. 3303–3312. – doi: 10.1016/j.actamat.2010.02.004.
  11. The influence of processing parameters on the mechanical properties of SLM parts / P. Hanzl, M. Zetek, T. Baksa, T. Kroupa // Procedia Engineering. – 2015. – Vol. 100. – P. 1405–1413. – doi: 10.1016/j.proeng.201S.01.510.
  12. Multiple material additive manufacturing – part 1: a review / M. Vaezi, S. Chianrabutra, B. Mellor, S. Yang // Virtual and Physical Prototyping. – 2013. – Vol. 8. – P. 19–50. – doi: 10.1080/17452759.2013.778175.
  13. Creation of heterogeneous materials on the basis of B4C and NI powders by the method of cold spraying with subsequent layer-by-layer laser treatment / V.M. Fomin, A.A. Golyshev, V.F. Kosarev, A.G. Malikov, A.M. Orishich, N.S. Ryashin, A.A. Filippov, V.S. Shikalov // Journal of Applied Mechanics and Technical Physics. – 2017. – Vol. 58, iss. 5. – P. 947–955. – doi: 10.1134/S0021894417050224.
  14. Miracle D.B. Metal matrix composites from science to technological significance // Composites Science and Technology. – 2005. – Vol. 65, N 15–16. – P. 2526–2540. – doi: 10.1016/j.compscitech.2005.05.027.
  15. An experimental study of the wear performance of NiCrBSi thermal spray coatings / J. Rodriguez, A. Martin, R. Fernandez, J.E. Fernandez // Wear. – 2003. – N 255 (7–12). – P. 950–955. – doi: 10.1016/S0043-1648(03)00162-5.
  16. Comparative examination of the microstructure and high temperature oxidation performance of NiCrBSi flame sprayed and pack cementation coatings / D. Chaliampalias, G. Vourlias, E. Pavlidou, S. Skolianos, K. Chrissafis, G. Stergioudis // Applied Surface Science. – 2009. – Vol. 255, iss. 6. – P. 3605–3612. – doi: 10.1016/j.apsusc.2008.10.006.
  17. High temperature wear resistance of laser cladding NiCrBSi and NiCrBSi/WC-Ni composite coatings / C. Guo, J. Zhou, J. Chen, J. Zhao, Y. Yu, H. Zhou // Wear. – 2011. – Vol. 270, iss. 7–8. – P. 492–498. – doi: 10.1016/j.wear.2011.01.003.
  18. Morphology and characterization of laser clad composite NiCrBSi–WC coatings on stainless steel / M. Tobar, C. Alvarez, J. Amado, G. Rodriguez, A. Yanez // Surface and Coatings Technology. – 2006. – N 200. – P. 6313–6317. – doi: 10.1016/j.surfcoat.2005.11.093.
  19. Dry reciprocating sliding friction and wear response of WC-Ni cemented carbides / K. Bonny, P. Baets, J. Vleugels, S. Huang, B. Lauwers // Tribology Letters. – 2008. – Vol. 31, iss. 3. – P. 199–209. – doi: 10.1007/s11249-008-9352-z.
  20. Experimental investigation of the oxygen-assisted laser cutting of low-carbon steel by the fiber and СО2 lasers at minimal roughness / А.М. Orishich, А.А. Golyshev, А.G. Malikov, V.В. Shulyat’;ev // Quantum Electronics. – 2014. – Vol. 44, iss. 10. – P. 970–974. – doi: 10.1117/12.2037477.
  21. Experimental comparison of laser energy losses in high-quality laser-oxygen cutting of low-carbon steel using radiation from fibre and CO2 lasers / А.М. Orishich, А.А. Golyshev, А.G. Malikov, V.В. Shulyat’;ev // Quantum Electronics. – 2015. – Vol. 45, iss. 9. – P. 873–878. – doi: 10.1070/QE2015v045n09ABEH015739.
  22. High-quality laser cutting of stainless steel in inert gas atmosphere by ytterbium fibre and CO2 lasers / А.М. Orishich, А.А. Golyshev, А.G. Malikov, V.В. Shulyat’;ev // Quantum Electronics. – 2014. – Vol. 44, iss. 3. – P. 233–238. – doi: 10.1070/QE2014v044n03ABEH015320.
  23. Низкотемпературная плазма. Т. 18. Высокоэнергетические процессы обработки материалов / О.П. Солоненко, А.П. Алхимов, В.В. Марусин, Х.М. Рахимянов, А.М. Оришич, Р.А. Салимов, В.Г. Щукин, В.Ф. Косарев; отв. ред. М.Ф. Жуков, В.М. Фомин. – Новосибирск: Наука, 2000. – 425 с. – ISBN 5-02-031528-1.

Supplementary files

Supplementary Files
Action
1. JATS XML
Download


Creative Commons License
This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 International License.

Согласие на обработку персональных данных с помощью сервиса «Яндекс.Метрика»

1. Я (далее – «Пользователь» или «Субъект персональных данных»), осуществляя использование сайта https://journals.rcsi.science/ (далее – «Сайт»), подтверждая свою полную дееспособность даю согласие на обработку персональных данных с использованием средств автоматизации Оператору - федеральному государственному бюджетному учреждению «Российский центр научной информации» (РЦНИ), далее – «Оператор», расположенному по адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А, со следующими условиями.

2. Категории обрабатываемых данных: файлы «cookies» (куки-файлы). Файлы «cookie» – это небольшой текстовый файл, который веб-сервер может хранить в браузере Пользователя. Данные файлы веб-сервер загружает на устройство Пользователя при посещении им Сайта. При каждом следующем посещении Пользователем Сайта «cookie» файлы отправляются на Сайт Оператора. Данные файлы позволяют Сайту распознавать устройство Пользователя. Содержимое такого файла может как относиться, так и не относиться к персональным данным, в зависимости от того, содержит ли такой файл персональные данные или содержит обезличенные технические данные.

3. Цель обработки персональных данных: анализ пользовательской активности с помощью сервиса «Яндекс.Метрика».

4. Категории субъектов персональных данных: все Пользователи Сайта, которые дали согласие на обработку файлов «cookie».

5. Способы обработки: сбор, запись, систематизация, накопление, хранение, уточнение (обновление, изменение), извлечение, использование, передача (доступ, предоставление), блокирование, удаление, уничтожение персональных данных.

6. Срок обработки и хранения: до получения от Субъекта персональных данных требования о прекращении обработки/отзыва согласия.

7. Способ отзыва: заявление об отзыве в письменном виде путём его направления на адрес электронной почты Оператора: info@rcsi.science или путем письменного обращения по юридическому адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А

8. Субъект персональных данных вправе запретить своему оборудованию прием этих данных или ограничить прием этих данных. При отказе от получения таких данных или при ограничении приема данных некоторые функции Сайта могут работать некорректно. Субъект персональных данных обязуется сам настроить свое оборудование таким способом, чтобы оно обеспечивало адекватный его желаниям режим работы и уровень защиты данных файлов «cookie», Оператор не предоставляет технологических и правовых консультаций на темы подобного характера.

9. Порядок уничтожения персональных данных при достижении цели их обработки или при наступлении иных законных оснований определяется Оператором в соответствии с законодательством Российской Федерации.

10. Я согласен/согласна квалифицировать в качестве своей простой электронной подписи под настоящим Согласием и под Политикой обработки персональных данных выполнение мною следующего действия на сайте: https://journals.rcsi.science/ нажатие мною на интерфейсе с текстом: «Сайт использует сервис «Яндекс.Метрика» (который использует файлы «cookie») на элемент с текстом «Принять и продолжить».