Full Text

Введение В настоящее время происходит активное развитие методов аддитивного послойного формирования заготовок и изделий из металлических материалов [1-7]. Однако пока остаются нерешенными вопросы снижения тепловложения в изделие при формировании слоев, возможности обработки материалов разных классов, снижения дефектности наплавленного материала, обеспечения требуемых свойств [8-14]. Плазменная наплавка как одна из высокоэффективных ресурсосберегающих технологий занимает ведущее место среди современных процессов формирования заготовок из различных материалов. Сущность процесса плазменной наплавки заключается в нанесении расплавленного присадочного порошкового или проволочного материала на металлическую поверхность в виде покрытия. Источником нагрева служит сжатая дуга, которая горит между электродом плазмотрона и изделием. Разработано большое количество способов плазменной наплавки, при которых наплавляемое изделие включается в электрическую цепь (наплавка плазменной дугой) или является нейтральным (наплавка плазменной струей). Главными задачами плазменной наплавки являются изготовление новых деталей и изделий со специальными свойствами поверхности и восстановление размеров бракованных и изношенных деталей за счет нанесения на них покрытий. Покрытия должны обладать значительной плотностью и прочностью сцепления с изделием, для обеспечения работоспособности в условиях высоких динамических, знакопеременных нагрузок при возможном коррозионном, высокотемпературном или ином воздействии. Тип наплавляемого металла выбирают, опираясь на условия эксплуатации рабочих поверхностей наплавляемых деталей. В качестве присадочных материалов используются порошки, проволоки, пасты, литые прутки, пластины и др. [15]. Выбор оптимальной технологии и режимов наплавки зависит от свойств основного и наплавляемого материала, габаритов и конфигурации обрабатываемых изделий и ряда других факторов. В работе рассматриваются варианты наплавки по однодуговой схеме с нейтральной присадочной проволокой и по двухдуговой схеме. Типы схем плазменной наплавки представлены на рис. 1. а б Рис. 1. Схемы плазменной наплавки с присадкой одной проволоки: а - плазменной дугой с нейтральной присадочной проволокой; б - комбинированной (двойной) дугой; 1 - защитное сопло; 2 - формирующее сопло; 3 - защитный газ; 4 - плазмообразующий газ; 5 - электрод; 6, 7 - источники питания косвенной дуги и дуги прямого действия; 8 - проволока; 9 - изделие Способ наплавки двойной плазменной дугой с токоведущей присадочной проволокой наиболее надежен, производителен и универсален, а также во многих случаях обеспечивает меньшее проплавление основного металла [15]. Технология наплавки двухдуговым плазмотроном была рассмотрена в научной работе при исследовании плазменной порошковой наплавки двухдуговым плазмотроном [16]. По результатам исследований данной научной работы было показано, что мощность, выделяемая в плазме независимой дуги и непосредственно не передаваемая обрабатываемому изделию, может быть достаточна для расплавления наплавляемого материала, что дает возможность при необходимости уменьшить эффективную мощность плазмотрона и тем самым уменьшить тепловложение в изделие. Выбор оптимальных токов плазменной наплавки, обеспечивающих при заданной толщине наплавляемого слоя минимальную погонную энергию, ведет к уменьшению термических деформаций обрабатываемого изделия, вызванных наплавкой. Титан и его сплавы при обработке активно взаимодействуют с окружающей средой. При работе с такими активными материалами, как титан и его сплавы, предъявляют особые требования к качеству защиты от воздействия окружающей среды в процессе наплавки заготовки. Ввиду этого необходимо наличие защиты материала от воздействия окружающей среды. Кроме этого, титановые сплавы обладают некоторыми структурными особенностями, которые могут стать существенным недостатком в технологиях наплавки при формировании физико-механических свойств [17-21]. При наплавке материала возможно развитие физической неоднородности материала, а именно рост зерна, который может сыграть существенно отрицательную роль при формировании свойств материала готового изделия. Целью работы является исследование влияния схем плазменной наплавки на формирование физико-механических свойств наплавленного материала. Технологии, исследовательские методики и материалы В данной работе в качестве подложки и наплавляемого материала использовался титановый сплав системы Ti-Al-V. Рассматриваемый титановый сплав является (α+β)-сплавом. Химический состав сплава приведен в табл. 11. Наплавка производилась проволокой Вт6св на подложку Вт6. При работе с активными материалами, к которым относится титан и его сплавы, особенные требования предъявляются к качеству защиты от воздействия окружающей среды в процессе выращивания заготовки. Таблица 1 Химический состав сплава Сплав Ti Al V Si Fe O H N C Примесей Титановый сплав Основа 3,5-4,5 2,5-3,5 До 0,1 До 0,15 До 0,12 До 0,003 До 0,04 До 0,05 Прочих 0,3 Для проведения исследований по формированию образцов плазменной наплавкой в атмосфере инертных газов использовалась технологическая камера, снабженная многокоординатным столом для позиционирования изделия при наплавке. На первом этапе исследования было выполнено экспериментальное определение режимов плазменной наплавки, обеспечивающих стабильность геометрических характеристик валика по его длине, для однодугового и двухдугового процессов. Следующим этапом была осуществлена наплавка вертикальных стенок для каждой схемы процесса. Послойное охлаждение при наплавке не производилось. Размеры полученных стенок были приближены к следующим размерам в миллиметрах: 230×8×80 (Д×Ш×В). При однодуговой плазменной наплавке источник питания работал в режиме обеспечения пологопадающей вольт-амперной характеристики. При осуществлении плазменной наплавки по двухдуговой схеме было использовано два независимых источника питания, как показано на рис. 1. В процессе наплавки происходило горение одновременно двух дуг - между электродом плазмотрона и проволокой и между электродом плазмотрона и изделием. Для равномерного плавления присадочной проволоки в условиях колебания дугового промежутка режим источника питания в цепи «электрод плазмотрона - проволока» обеспечивал постоянство протекающего тока. Для снижения колебаний ширины наплавляемого валика в условиях колебания дугового промежутка источник питания в цепи «электрод плазмотрона - изделие» работал в режиме обеспечения пологопадающей вольт-амперной характеристики. Для обеспечения стабильного процесса ток и напряжение дуги снижались по мере увеличения высоты наплавляемой стенки. Остальные параметры режима оставались неизменными: скорость подачи проволоки Vпп = 1,7 м/мин; скорость наплавки Vнап = 18 м/ч; расход плазмообразующего газа Qпл = 3 л/мин. Следует отметить, что снижение общей мощности теплового источника при однодуговом процессе ограничивалось потребностью плавления проволоки, в то время как сплавление валика с предыдущими слоями осуществлялось и при меньшем тепловложении. При двухдуговом процессе возможно раздельное регулирование тепловложения в проволоку и в наплавляемый участок для обеспечения потребностей плавления проволоки и сплавления валика с предыдущими слоями. Внешний вид стенок, полученных многослойной плазменной наплавкой в контролируемой атмосфере по однодуговой (а) и двухдуговой (б) схемам осуществления процесса, представлен на рис. 2. а б Рис. 2. Внешний вид стенок, полученных многослойной плазменной наплавкой в контролируемой атмосфере по однодуговой (а) и двухдуговой (б) схемам осуществления процесса Для оценки снижения тепловложения в изделие при наплавке с применением двухдуговой схемы сравнивались режимы аналогичных слоев, полученных при наплавке по однодуговой и двухдуговой схемам. Сварочная дуга является мощным концентрированным источником теплоты. Электрическая энергия, потребляемая дугой, в основном превращается в тепловую энергию. Полная тепловая мощность зависит от силы сварочного тока и напряжения дуги. Снижение тепловложения в изделие можно оценить по величине тепловой мощности дуги, определяемой параметрами режимов плазменной наплавки - напряжением на дуге и током плазменной дуги. Мощность источника при наплавке по двухдуговой схеме будет определяться суммарной мощностью от двух источников питания: (1) где IИП1 и IИП2 - ток плазменной дуги источников питания 1 и 2, А; UИП1 и UИП2 - напряжение на дуге источников питания 1 и 2, В. Снижение мощности теплового источника приводит к изменению условий нагрева и охлаждения, что напрямую влияет на структуру формируемого наплавляемого материала и, следовательно, на его физико-механические свойства. Физико-механические свойства материала наплавленных стенок исследовались путем проведения металлографических исследований, механических испытаний на статический разрыв и определения микротвердости. Испытания на растяжение проводились в соответствии с требованиями стандарта ГОСТ 1497-84. Испытания на определение значения ударной вязкости по Шарпи проводились в соответствии с рекомендациями стандарта ГОСТ 9454-78 с использованием маятникового копра Instron MPX 450. Результаты исследований Исследование процесса плазменной наплавки титанового сплава в камере с контролируемой атмосферой При выполнении многослойной плазменной наплавки по однодуговой схеме было отмечено избыточное тепловложение в наплавляемый участок. При этом снижение тепловложения приводило к недостатку тепла для плавления проволоки и процесс прерывался. В частности, не удалось получить стабильного процесса наплавки при мощности источника менее 3,3 кВт. Предварительные исследования показали возможность стабильного ведения процесса многослойной плазменной наплавки в контролируемой атмосфере по двухдуговой схеме. Независимое регулирование тепловложения в присадочную проволоку при двухдуговом процессе позволило снизить суммарную мощность теплового источника по сравнению с однодуговым процессом. Стабильный процесс наплавки без внутренних дефектов сплавления слоев удалось получить при суммарной мощности комбинированного теплового источника 2,6 кВт. При этом двухдуговой процесс требует повышенного тепловложения в подложку при выполнении первого слоя, что может быть объяснено меньшей плотностью энергии в области наплавки по сравнению с однодуговым процессом. В результате проведения анализа макроструктуры и микроструктур шлифов были выявлены особенности формирования структуры наплавленного металла. Сравнительный анализ макро- и микроструктуры шлифов образцов, наплавленных с использованием двух технологий наплавки, показан на рис. 3, 4. а б Рис. 3. Макроструктура наплавленного образца в поперечном сечении: а - наплавка по схеме с нейтральной присадочной проволокой; б - наплавка двойной дугой На макроструктуре наплавленного материала, полученного плазменной наплавкой по однодуговой схеме, в поперечном сечении прослеживается слоистое строение материала - границы слоев видны как узкие темные горизонтальные полоски, а также транскристаллитная кристаллизация (кристаллографическая ориентация зерен через несколько слоев наплавки). На макроструктуре наплавленного материала, полученного плазменной наплавкой по двухдуговой схеме, транскристаллитный рост первичных b-зерен происходит не более чем через два слоя, переход между слоями виден, но выражен нечетко. Для исследования микроструктуры полученных образцов были выполнены серии снимков полей зрений внутри наплавленного слоя и на границах между первичными b-зернами. Для более детального исследования были зафиксированы поля зрения при разном увеличении (×200, ×500, ×1000). Фрагменты характерных микроструктур рассмотренных полей зрений приведены на рис. 4. а б в г д е Рис. 4. Фрагменты микроструктуры наплавленного металла на поперечном шлифе (увеличение ×200, ×500, ×1000): а, в, д - наплавка по однодуговой схеме; б, г, е - наплавка двойной дугой Структура наплавленного металла является двухфазной. Структура сплава состоит из кристаллов α-фазы, внедренных в матрицу β-фазы. Кристаллы α-фазы имеют линзовидную (игольчатую) и сфероидальную формы. Обе модификации обладают полезными свойствами, поэтому подбор рекомендуемых режимов направлен на получение в образцах обеих модификаций α-фазы. Анализ фрагментов микроструктур, представленных на рис. 4, показывает, что структура образцов, полученных при наплавке по однодуговой схеме, преимущественно пластинчатая, превращенная β-структура, в которой присутствует β-зерно с расположенными в нем α-колониями. Микроструктура материала наплавки, полученного по двухдуговой схеме, является смешанной, или дуплексной структурой, состоящей из первичной α-фазы и превращенной β-матрицы, ориентация α- и β-фаз - в виде характерного плетения, а также выявлено присутствие α-фазы сфероидальной формы небольших размеров. При этом четко выявляются границы исходной β-фазы, зерно которой достаточно крупное (до нескольких миллиметров), в материале сплава, полученного по однодуговой схеме; наблюдаемый размер зерен сплава, полученного наплавкой по двухдуговой схеме, существенно меньше (см. рис. 3). Сравнивая структуру металла, наплавленного по двум рассматриваемым технологическим схемам, следует отметить, что в микроструктуре металла в обоих случаях по границам первичных b-зерен наблюдается выделение a'-фазы. Внутризеренное строение игольчатое, наблюдается характерная ориентировка микроструктуры «корзинчатого» типа. В переходной зоне между слоями происходит распад a'-мартенсита и частичная коагуляция a-фазы. При плазменной наплавке по однодуговой схеме с нейтральной присадочной проволокой размеры исходных зерен b-фазы от 0,5 до 2-3 мм, размеры внутризеренных пластинок корзинчатого плетения α- и β-фаз - от 10 до 80 мкм. Наблюдаются также отдельные иглы (скорее всего остаточной α¢-фазы) размером до 150 мкм (рис. 5). Такое формирование структуры материала образцов, полученных двумя технологиями, можно обосновать влиянием тепловложения в процессе формирования заготовки. Рис. 5. Отдельные иглы остаточной α¢-фазы На рис. 6 приведено распределение микротвердости вдоль дорожек измерений. Обработка результатов измерений показывает незначительное изменение микротвердости по глубине наплавки по двухдуговой схеме. Распределение микротвердости близкое к однородному. Усредненное значение микротвердости материала наплавки по схеме 1 составляет HV0,2 = 3426,9 Н/мм2, по схеме 2 - HV0,2 = 3845,6 Н/мм2. а б Рис. 6. Изменение микротвердости вдоль дорожек: а - наплавка по однодуговой схеме; б - наплавка двойной дугой Результаты механических испытаний наплавленного металла, полученного при плазменной наплавке по однодуговой схеме с нейтральной присадочной проволокой, показали, что пластичность наплавленного металла находится на достаточно высоком уровне, вместе с тем прочностные характеристики имеют относительно невысокие значения. В табл. 2 приведены результаты испытания механических свойств материала, полученного при плазменной наплавке в камере с контролируемой атмосферой без послойного охлаждения и при плазменной наплавке в камере с контролируемой атмосферой по двухдуговой схеме наплавки. Таблица 2 Механические свойства сплава, полученного при плазменной наплавке Технология наплавки σв, МПА δ, % ψ, % Плазменная наплавка по однодуговой схеме с нейтральной присадочной проволокой 725-778 5,8-6,2 14,6-19,5 Двухдуговая плазменная наплавка 815-875 7,7-10,9 21,3-31,6 Технология двухдуговой наплавки в камере на прямой полярности позволяет получить наплавленный материал с достаточно высоким уровнем механических свойств. Выводы Результаты исследований показали, что применение двухдуговой схемы плазменной наплавки в контролируемой атмосфере позволяет снизить суммарное тепловложение по сравнению с однодуговой схемой. В настоящей работе тепловложение при двухдуговой плазменной наплавке было обеспечено на 21 % ниже, чем при однодуговой схеме. Результаты исследования структуры материала показали влияние тепловложения в процессе наплавки. Микроструктура образцов, полученных при наплавке по однодуговой схеме, преимущественно пластинчатая, превращенная β-структура, в которой присутствует β-зерно с расположенными в нем α-колониями. Микроструктура материала наплавки, полученного по двухдуговой схеме, является смешанной, состоящей из первичной α-фазы и превращенной β-матрицы, ориентация α- и β-фаз - в виде характерного плетения, а также выявлено присутствие α-фазы сфероидальной формы небольших размеров, что является благоприятным фактором, поскольку обе модификации α-фазы обладают полезными свойствами. Результаты исследования показывают незначительное изменение микротвердости по глубине наплавки по двухдуговой схеме. Однако среднее значение микротвердости при использовании данной технологии на 10 % выше, чем при использовании однодуговой схемы. Материал, наплавленный по двухдуговой схеме, в среднем показал предел прочности на 12 %, а пластические свойства на 55 % выше, по сравнению с материалом, наплавленным одной плазменной дугой. Результаты механических испытаний наплавленного металла, полученного при плазменной наплавке по однодуговой схеме с нейтральной присадочной проволокой, показали, что пластичность наплавленного металла находится на достаточно высоком уровне, вместе с тем прочностные характеристики имеют невысокие значения. Таким образом, применение технологии плазменной наплавки в камере с контролируемой атмосферой с использованием двухдуговой схемы на прямой полярности тока позволяет обеспечить получение материала изделия с высоким уровнем механических свойств.

About the authors

S. N Akulova

Perm National Research Polytechnic University

A. V Myshkina

Perm National Research Polytechnic University

S. V Varushkin

Perm National Research Polytechnic University

S. D Neulybin

Perm National Research Polytechnic University

E. A Krivonosova

Perm National Research Polytechnic University

Yu. D Shchitsyn

Perm National Research Polytechnic University

T. V Olshanskaya

Perm National Research Polytechnic University

References

Statistics

Views

Abstract - 32

PDF (Russian) - 33

Refbacks

• There are currently no refbacks.