Full Text

В последние годы активно разрабатываются технологии аддитивного изготовления металлических изделий. На сегодняшний день послойная наплавка металла является наиболее используемым способом аддитивного производства металлических изделий [1]. Однако широкое внедрение в производство сдерживается недостаточной изученностью формирования структуры и свойств получаемого материала при послойном наложении металла, отсутствием технологических рекомендаций получения бездефектных изделий [2, 3]. Общей проблемой аддитивных технологий является обеспечение надлежащей микроструктуры синтезированного материала и устранение дефектности [4]. Широкие возможности для получения качественных материалов при аддитивном формировании изделий обеспечивают технологии наплавки с использованием концентрированных источников энергии [5]. Послойная плазменная наплавка с использованием проволок позволяет получать приемлемое качество формируемых материалов при высокой производительности [6-8]. Использование приемов дополнительного воздействия на сварочную ванну и наплавляемый металл позволяет активно воздействовать на структуру и свойства формируемого металла [9-11]. Перспективным видится применение импульсной послойной плазменной наплавки с использованием проволочных присадочных материалов [12]. Ниже представлены результаты исследования влияния частоты тока в процессе импульсной послойной плазменной наплавки на структуру и механические характеристики высоколегированной жаропрочной аустенитной стали при аддитивном формировании изделий. Плазменная наплавка производилась на пластины из стали 308LSi толщиной 10 мм. В качестве присадочного материала использовалась проволока OK Autrod 308LSi ESAB. С целью исследования влияния частоты импульсного воздействия при плазменной наплавке на стабильность формирования валиков, их структуру и механические свойства, а также для определения оптимальной частоты, была произведена наплавка одиночных валиков по следующим режимам: Средний ток наплавки - 195 А. Напряжение на дуге - 22 В. Расход аргона в плазме - 3 л/мин. Подача проволоки - 3,5 м/мин. Частота воздействия - 0-15 000 Гц. Расстояние от образца до сечения сопла сварочной горелки h - 10 мм. Скорость наплавки - 20 м/ч. Диаметр присадочной проволоки - 1,2 мм. По внешнему виду валики, полученные при наплавке с импульсным воздействием, не отличаются от валика, полученного при наплавке в непрерывном режиме. Влияние частоты импульсного воздействия на стабильность формирования валиков оценивалось по относительному отклонению изменения их ширины и высоты (рис. 1). Рис. 1. Влияние частоты импульсного воздействия на относительное изменение ширины (∆B, %) и высоты (∆H, %) наплавленных одиночных валиков Влияние частоты импульсного воздействия на стабильность размеров одиночных валиков имеет нелинейный характер. Наименьшее изменение высоты валиков наблюдается в процессе наплавки при значениях частоты импульсного воздействия 500 и 10 000 Гц, а наименьшее изменение ширины - при наплавке с частотами 500 и 15 000 Гц. Для проведения металлографических исследований производилась вырезка образцов из поперечного сечения наплавленных одиночных валиков. Для исключения влияния нагрева вырезка производилась электроэрозионным методом [13]. Проведенный макро- и микроструктурный металлографический анализ образцов показал следующее. Наиболее равномерная глубина проплавления наблюдается в ходе наплавки при значениях частоты импульсного воздействия 5000, 10 000 и 15 000 Гц. При этом наблюдается уменьшение глубины проплавления и увеличение высоты наплавляемого металла (рис. 2). 1 2 3 а б Рис. 2. Макроструктура одиночных валиков (а) и изменение глубины проплавления и высоты наплавки в зависимости от частоты импульсного воздействия (б): 1 - непрерывная наплавка; 2 - частота 500 Гц; 3 - частота 10 000 Гц При наплавке без импульсного воздействия практически по всей высоте валика формируются столбчатые кристаллиты ячеисто-дендритного строения и их размер постепенно уменьшается от корневой части к верхней [14-16]. В верхней части образуются мелкие равноосные кристаллиты ячеистого строения (рис. 3, а). Такое изменение структуры по высоте валика свидетельствует о разной скорости роста кристаллитов при ярко выраженной направленной кристаллизации [17-23]. Применение импульсного воздействия при наплавке позволяет уменьшить степень направленного роста кристаллитов и выравнять скорость их роста по высоте валика. С увеличением частоты импульсного воздействия наблюдается уменьшение объема металла со столбчатым строением кристаллитов, при этом длина кристаллитов уменьшается и увеличивается ширина, а разница между размером ячеек и дендритов уменьшается. Наиболее полное выравнивание скорости роста кристаллитов проявляется при наплавке с частотой импульсного воздействия выше 5000 Гц (рис. 3, б). Верхняя часть валика а б Средняя часть валика в г Нижняя часть валика д е Рис. 3. Микроструктура одиночных валиков: а, в, д - непрерывная наплавка; б, г, е - частота 10 000 Гц, увеличение ×500 Для оценки влияния частоты импульсного воздействия на изменение размеров кристаллитов по высоте валиков был проведен количественный металлографический анализ наплавленных образцов. Было произведено измерение площади кристаллитов и проведен статистический анализ полученных результатов. Исследования показали, что наименьший средний размер кристаллитов в нижней части валика наблюдается в ходе наплавки при значениях частоты импульсного воздействия 1000, 5000 и 10 000 Гц, в средней части - в ходе наплавки со значениями частоты от 1000 до 15 000 Гц (рис. 4). Наибольшее уменьшение размеров столбчатых кристаллитов в корневой зоне происходит при частоте импульсного воздействия 5000 Гц. Кроме того, при данной частоте импульсного воздействия разница между средним размером кристаллита в верхней и средней частях минимальная. Рис. 4. Средняя площадь кристаллитов в корневой и средней частях Изменение среднего размера кристаллитов по высоте валиков представлено на рис. 5. Наиболее плавное изменение размера кристаллитов с минимальной разницей наблюдается при частоте импульсного воздействия 5000 Гц. Рис. 5. Влияние частоты импульсного воздействия на площадь кристаллитов одиночных валиков Для определения степени равноосности кристаллитов был проведен расчет коэффициента формы кристаллита. При наплавке без импульсного воздействия столбчатые кристаллиты имеют наиболее вытянутую форму, поэтому коэффициент формы в корневой части имеет наименьшее значение. Наиболее равноосные кристаллиты в корневой части при значениях частоты 1000, 5000 и 10 000 Гц, а в средней части - 10 000 Гц (рис. 6). Рис. 6. Коэффициент формы кристаллитов в корневой и средней частях Но наименьшую разницу в равноосности кристаллитов в верхней и средней частях показала частота 5000 Гц. Механические свойства одиночных валиков и их однородность оценивались по изменению микротвердости по глубине. Измерение микротвердости проводилось при нагрузке 100 гр. с шагом 0,1 мм на приборе ПМТ-3. При наплавке в непрерывном режиме по глубине валика наблюдалось снижение твердости (рис. 7, а), а при наплавке с импульсным воздействием более 5000 Гц степень снижения твердости по глубине валика уменьшалась (рис. 7, б). а б Рис. 7. Изменение микротвердости по глубине (H) валиков: а - непрерывная наплавка; б - частота 5000 Гц Дополнительно определялись средние значения и среднеквадратичные отклонения. Результаты анализа представлены на рис. 8 и в табл. 1. Применение импульсного воздействия при наплавке способствует уменьшению среднего значения твердости валика, минимальное отклонение от среднего значения (СКО) наблюдается при частоте 5000 Гц и более. Проведенные исследования позволяют сделать вывод о том, что наилучшие результаты по стабильности формирования одиночных валиков, структуре и механическим характеристикам обеспечиваются при плазменной наплавке с частотой тока более 5000 Гц. Для проведения испытаний на растяжение согласно утвержденной программе и методике испытаний были наплавлены образцы размером 150×90×40 мм. Параметры режима были выбраны из условия стабильного формирования одиночного валика. Из заготовки вдоль и поперек плоскости наплавки были вырезаны образцы. Далее выполнялись подготовка и испытание образцов на растяжение в соответствии с ГОСТ 1497-841. Дополнительно (для сравнения) в табл. 2 приведены данные механических свойств аналогичных сплавов, получаемых традиционными способами, и результаты испытаний образцов из аналогичного материала, полученного другими способами наплавки. Таблица 1 Изменение микротвердости наплавленных валиков в зависимости от частоты импульсного воздействия Номер образца Частота, Гц Твердость HV0,1 кг/мм2 Среднее значение Минимальное значение Максимальное значение СКО Обр 7 0 195 165 232,9 17,5 Обр 6 50 197,8 172,5 230,5 11,9 Обр 5 500 186,4 163,4 217,1 11,9 Обр 4 1000 201,3 151,8 231,3 14,05 Обр 3 5000 181,1 166,3 203,4 7,9 Обр 2 10 000 185,5 151,8 207,4 10,3 Обр 1 15 000 187,9 160,2 211,9 11,1 Рис. 8. Изменение твердости наплавленных валиков в зависимости от частоты тока Таблица 2 Сравнительная таблица механических свойств № п/п Способ наплавки, материал σв, МПа σ02, МПа δ, % Примечание 1 Плазменная наплавка, прямая полярность тока с импульсным воздействием, частота 10 000 Гц 620 434 42,4 Вдоль слоев 603 422 45,6 Поперек слоев 2 Плазменная наплавка, прямая полярность без импульсного воздействия 552 326 53,6 - 3 Сталь 04Х18Н10 (закалка Т = 1020…1100 °С) ≥440 ≥155 ≥40 ГОСТ 5949-75 4 04Х18Н10 ГОСТ 25054-81 ≥441 ≥157 38-40 ГОСТ 25054-81 Механические свойства синтезируемого материала без импульсного воздействия находятся на уровне стандартного материала, а при наложении импульса тока выше на 15-20 %.

About the authors

A. Yu Dushina

Perm National Research Polytechnic University

T. V Olshanskaya

Perm National Research Polytechnic University

S. D Neulybin

Perm Federal Research Center of the Ural Branch of the RAS

Yu. D Shchitsyn

Perm National Research Polytechnic University

R. G Nikulin

Perm National Research Polytechnic University

References

Statistics

Views

Abstract - 64

PDF (Russian) - 23

Refbacks

• There are currently no refbacks.