РОЗДІЛ 2
МАТЕРІАЛИ І МЕТОДИКА ЕКСПЕРИМЕНТУ
2.1. Матеріали і зразки для експериментальних досліджень
Враховуючи, що ефект поверхневої обробки металів і сплавів сфокусованим
лазерним променем суттєво залежить від їх хімічного складу, вихідної структури
матеріалу, його фізичних властивостей, для експериментальних досліджень вибрали
широкий клас конструкційних матеріалів таких, як вуглецеві, низьколеговані та
корозійностійкі сталі, сплави на основі алюмінію, магнію (табл. 2.1), а також
сплави з газотермічними та плакованими покриттями.
Таблиця 2.1.
Хімічний склад сталей і сплавів (мас. %)
Mатеріал
Mn
Cr
Mo
Al
Mg
Zn
Cu
Si
Сталь
20
0,22
0,55
0,21
45
0,44
0,62
0,31
65Г
0,67
1,1
0,19
15ХМФА
0,17
0,45
0,97
0,32
0,3
0,29
20Х13
0,2
0,65
12,9
0,1
Сплав
ЖС6К*
0,11
12,3
1,1
5,2
5,1
Д16Т
0,6
ос.
1,5
4,4
В95
0,23
0,2
ос.
2,3
5,8
1,7
0,3
АД35
0,6
0,21
ос.
0,9
0,1
0,1
1,1
AZ91
9,2
ос.
0,6
0,02
0,04
AZ31
3,1
ос.
1,3
0,1
0,08
AM20
0,4
1,9
ос.
0,13
*) Ti-4,9%, Co-13,7%, Mo-1,1%, W-7%., Ni - основа
З вказаних у табл. 2.1 матеріалів виготовляли зразки для металографічних,
металофізичних, електрохімічних досліджень, вивчення залишкових напружень,
механічних властивостей при статичному і циклічному навантаженні, дослідження
зносостійкості поверхневих шарів під час граничного та абразивного тертя.
Зразки досліджували як у вихідному стані, так і після поверхневої лазерної
обробки за різними режимами. Конструкція та розміри зразків будуть подані під
час детальнішого розгляду методів досліджень і результатів експериментів.
2.2. Методи нанесення газотермічних покриттів та витратні матеріали
Методи нанесення покриттів. Для дослідження ефективності лазерного
модифікування захисних і відновних покриттів на сталях і сплавах застосовували
електродугове, газополуменеве, надзвукове газополуменеве напилення з
використанням порошків i порошкових електродних дротів [297 – 300] та
плакування. Застосування таких різноманітних методів дало можливість одержати
покриття суттєво відмінні за своєю будовою, складом, властивостями, що
дозволило у досить широкому діапазоні вивчати взаємодію лазерного променя з
такими гетерогенними структурами, досліджувати трансформування цих неоднорідних
систем, вивчати механізм їх деформування і руйнування під дією механічних
навантажень тощо.
Електродугове напилення. Для напилення покриттів використовували серійні
електродугові металізатори ЭМ-14 і ЭМ-17, оснащені створеними у ФМІ ім.
Г.В.Карпенка НАН України оригінальними розпилювальними головками диференційного
і закритого типу [299, 300]. Застосування “закритих“ розпилювальних систем
забезпечувало стабільне горіння електричної дуги під час плавлення неоднорідних
за перерізом електродних порошкових дротів, меншу гетерогенність і вищу
дисперсність розпилених частинок металу та більшу швидкість їх польоту
порівняно з напиленням серійними металізаторами з відкритими розпилювальними
головками. Це давало змогу одержувати якісні покриття з порошкових електродних
дротів з достатньо високою силою зчеплення їх з основою. Покриття напиляли при
робочій напрузі 25...35 В, силі струму 130...150 А і тискові повітря 0,3...
0,6 МПа. Перед напиленням поверхню зразків піддавали дробoструминній обробці до
шорсткості поверхні Rz = 40...45 для забезпечення необхідної сили зчеплення
покриття з основою. Вихідна товщина покриття залежно від виду наступної обробки
і способу випробування становила від 0,05 до 2,0 мм.
Для напилення покриттів використовували порошкові електродні дроти діаметром
1,6, 1,8 або 2,0 мм, які у вигляді трубчастої оболонки, виготовленої з
низьковуглецевої сталі 08кп товщиною 0,4 мм, заповненої порошковою шихтою (рис.
2.1, а ) [297, 298]. Базовий склад шихти Fe-Cr-B-Al включав у себе 60% порошку
ферохромбору (ФХБ-80) і 40% порошку алюмінію.
а
б
в
Рис. 2.1. Вигляд порошкового дроту у перерізі зі сталевою (а) та алюмінієвою
(б) оболонкою, в – загальний вигляд порошку SiC для армування алюмінієвих
сплавів.
В окремих випадках для зміни характеристик покриттів у шихту вводили додатково
Ni, Cu, C у вигляді порошків чистих компонентів або їх хімічних сполук.
Для електродугового нанесення покриттів на алюмінієві та магнієві сплави
використовували порошкові дроти, які складалися з алюмінієвої оболонки,
заповненої порошками SiC, TiO2, B4C або WC або суміші цих компонентів з
порошком алюмінію (рис. 2.1, б). Слід зауважити, що у порошкових дротах з
алюмінієвою оболонкою шихта краще утримується, оскільки при прокатуванні, чи
протягування дроту порошок впресовується в алюміній і не висипається при
горінні дуги, як це можна часто спостерігати при застосуванні стальних
порошкових дротів.
Газополуменеве нанесення покриттів з порошків здійснювали за допомогою
пістолету UNI-SPRAY-JET фірми AMIL при наступних парамертах напилення: тиск
кисню – 0,3 MПa; тиск ацетилену – 0,07 MПa; віддаль сопла до поверхні зразка –
120-150 мм.
Надзвукове газополуменеве напилення здійснювали на установці Sulzer Metco
Diamond Jet Hybrid 2700, Tafa JP5000 (рис. 2.2) та інших.
Рис. 2.2. Загальний вигляд установок Sulzer Metco Diamond Jet Hybrid 2700, Tafa
JP5000 для надзвукового газополуменевого напилення покриттів.
Напилення проводили з використанням етан-кисневої суміші у співвідношенні
20:100 л/хв. Для обох методів одержання покриттів віддаль від сопла до
напилюваної поверхні міняли в інтервалі 75...175 мм.