Вземайки технологията за лазерно повторно производство и ремонт на 17-4PH закалено мартензитно острие от неръждаема стомана като фон, никел-хромова сплав и композитен прах WC-Co бяха избрани като облицовъчни материали и композитното покритие беше приготвено върху повърхността на 17-4PH неръждаема стомана от лазерна технология за облицовка. Експериментът беше проведен чрез регулиране на двата параметъра на процеса на лазерна мощност и скорост на подаване на прах. Чрез наблюдение на микроструктурата на облицовъчния слой на пробата и тестване на механичните свойства на облицовъчния слой, резултатите показват, че когато лазерната мощност е 1700 W, структурата на покритието е еднородна и плътна. Твърдостта и свойствата на триене и износване на покритието са по-високи от тези на субстрата. Оптималните параметри на процеса са лазерна мощност от 1700 W и скорост на подаване на прах от 30 mg/s. Композитното покритие, приготвено при този параметър на процеса, може ефективно да подобри твърдостта и устойчивостта на триене и износване на неръждаема стомана 17-4PH.

В развитието на въгледобивната индустрия машините и оборудването за добив на въглища са предпоставка за безопасно и ефективно производство на въгледобивни мини. Машините и оборудването за въгледобив са в тежка работна среда за дълго време и машините и оборудването лесно се повреждат. Най-икономичният и ефективен начин за решаване на горните проблеми е използването на методи за повърхностно инженерство за приготвяне на устойчиво на износване покритие върху повърхността на лесно износени части на машини за въгледобив [1-4].

Като острие на последния етап на турбината, неръждаемата стомана 17-4PH има висока якост, отлична устойчивост на корозия и отлична производителност на обработка и се използва широко в космическата, енергийната и химическата промишленост. Въпреки това, тъй като нейната повърхност е податлива на износване и корозия, технологията за лазерно облицоване, като ефективен метод за модифициране на повърхността, може да образува слой покритие с отлична производителност върху повърхността на материала, като по този начин подобрява експлоатационния живот и производителността на материала [ 5-61].

Shen Yanjin и др. подготвено подсилено с WC частици покритие върху 45 стоманен субстрат чрез лазерно облицоване, което повишава твърдостта и устойчивостта на износване, като и двете са по-високи от материала на субстрата. За да разреши проблема с лошата устойчивост на износване на TA2/TC4, Xu Miaomiao [8] подготви WC-12Co и WC-25Co прахови износоустойчиви покрития чрез промяна на параметрите на лазерния процес. Guo Hongli и др. [9] използва технология за лазерно облицоване, за да подготви композитни покрития Ni60-WC-Co и установи, че оптималната лазерна мощност е 1.5kW, с по-висока твърдост и устойчивост на износване. Duan Mengfan [10] изследва подготовката на Ni60 лазерни облицовъчни слоеве върху Q235 субстрати и техните ефекти върху свойствата на триене и износване. Hu и др. използва високоскоростна лазерна технология за облицовка за успешно приготвяне на Ni-WC композитни покрития с различни компоненти и равномерно разпределение върху повърхността на стомана 304 и показа добри механични свойства. Yang Jiaoxi [11] и Yao Jianhua [12] използваха лазерна широколентова технология за облицовка за ремонт на турбинни лопатки с повърхностна кавитация.

Изследванията върху ремонта и укрепването на турбинните лопатки се основаваха главно на ремонт чрез заваряване в ранния етап, но по-късно бяха заменени от лазерна технология за ремонт на облицовки поради относително лошото качество на ремонта. Технологията за лазерно облицоване има значителни предимства при подготовката на високоефективни облицовъчни слоеве върху евтини метални субстрати. Следователно тази статия избира прах от никелова сплав и композитен прах WC-Co като облицовъчни материали и използва полупроводникови лазери, свързани с влакна, за извършване на лазерно облицоване на повърхността на сплав от неръждаема стомана 17-4PH за получаване на композитно покритие и основно изследва влиянието на лазерната технология върху структурата и характеристиките на покритието.

1 Експериментални материали и методи

Експериментът използва неръждаема стомана 17-4PH (0Cr17Ni4Cu4Nb) като субстрат с размери 20 mm × 20 mm × 8 mm. Таблица 1 показва химичния състав на неръждаема стомана 17-4PH. Преди облицовката, облицовъчният субстрат беше полиран с шкурка 400, 600 и 1000 и след това почистен с алкохол, за да се отстрани повърхностният оксиден слой и петна, за да се подобри ефективността на лазерно поглъщане на енергия. Облицовъчният материал е 80% композитен прах от никел-хромова сплав + 20% композитен прах WC-Co (съответно 80% и 20% са масовите фракции на съответните вещества).

Експериментът използва влакнесто-свързан полупроводников лазер (модел LDF4000-100), обхватът на дължината на вълната на лазера е между 980 и 1030 nm, диаметърът на петното е 4 mm, а методът на подаване на прах е страничен. За защита по време на експеримента се използва газ аргон. Пробите са получени при използване на лазерни мощности от 1550 W и 1700 W и скорости на подаване на прах от 30 mg/s, 32 mg/s и 34 mg/s, съответно, и пробите са номерирани, както е показано в таблица 2. След смилане и полиране, пробите бяха наблюдавани и тествани за макроскопска морфология, организация и производителност. Сканиращият електронен микроскоп JSM-IT2000 беше използван за наблюдение на морфологията на напречното сечение на покритието на пробата, а рентгеновият дифрактометър Aeris беше използван за анализ на фазата на покритието. За тестване на твърдостта беше използван цифровият тестер за микротвърдост HXD-2000TMC/LCD. Тестовото натоварване беше 0.981N и времето на задържане беше 10 s. Твърдостта на 7 точки върху напречното сечение на облицовъчния слой беше тествана за изчисляване на средната стойност. Твърдостта на субстрата също беше тествана, за да се изчисли средната стойност. Високоскоростният възвратно-постъпателен тестер за триене и износване HSR-2M беше използван за тестване на устойчивостта на износване на повърхностното покритие и материала на субстрата на образеца от полирана облицовка.

2 Резултати и анализ

2.1 Макроморфологичен анализ

Беше анализирана макроморфологията на напречното сечение на пробите от облицовката при различни лазерни мощности и скорости на подаване на прах. Фигура 1-1 показва морфологията на напречното сечение на пробите на облицовката при лазерна мощност от 1550 W и скорости на подаване на прах от 30 mg/s, 32 mg/s и 34 mg/s, съответно. Фигура 1-2 показва морфологията на напречното сечение на пробите на облицовката при мощност на лазера от 1700 W и скорости на подаване на прах от 30 mg/s, 32 mg/s и 34 mg/s, съответно. Както може да се види от фигура 1, всяка проба на облицовка се състои от тъмни и светли зони с ясна разделителна линия в средата. Светлата зона е облицовъчният слой, а тъмната зона е субстратният слой. Когато мощността на лазера е 1.550 W, в напречното сечение има някои неразтопени малки частици и облицовъчният слой образува добра металургична връзка със субстрата. За сравнение, когато мощността на лазера е 1700 W, облицовъчният слой прониква повече в субстрата. Това е така, защото с увеличаването на мощността на лазера, входящата енергия се увеличава и прахът за облицовка и субстратът се стопяват частично, за да образуват разтопен басейн. Под действието на гравитацията и повърхностното напрежение се образува по-дълбок и по-широк разтопен басейн. Скоростта на подаване на прах няма очевиден регулярен ефект върху макроскопската морфология.

2.2 Анализ на микроструктурата

Напречното сечение на пробите на облицовката при различни лазерни мощности и скорости на подаване на прах беше подложено на микроструктурен и точков сканиращ анализ. Когато мощността на лазера е 1550 W и скоростта на подаване на прах е 30 mg/s, има ясна граница между облицовъчния слой и основния слой, а структурата на облицовъчния слой е с форма на рейка и малко количество гранули. Когато скоростта на подаване на прах е 32 mg/s, размерът на летвовидната структура става по-малък. Когато скоростта на подаване на прах е 34 mg/s, структурата с форма на рейка намалява, структурата на гранулите се увеличава и се образува структура с форма на мрежа. Както може да се види от Фигура 2-1, с увеличаване на скоростта на подаване на прах, структурата се променя от летвообразна към гранулирана. Когато мощността на лазера е 1700 W и скоростта на подаване на прах е 30 mg/s, има светло оцветена структура в преходната зона между облицовъчния слой и субстрата. Структурата на облицовъчния слой е фино гранулирана и агрегати, за да образуват игли. В комбинация с XRD анализ може да се види, че някои фини частици са утаени Cr7C3 фази. Когато скоростта на подаване на прах е 32 mg/s и 34 mg/s, структурата е гранулирана мрежа, както е показано на Фигура 2-2.

Тъмните и бели зони на облицовъчния слой се сканират и анализират, за да се получи разпределението на елементите, както е показано в таблица 3. От данните в таблицата може да се види, че съдържанието на Fe, Cr, Co, Ni и W елементи е по-високо в бялата област, съдържанието на Fe, Cr, Co и Ni елементи е по-високо в тъмната зона, а съдържанието на W елемент е по-ниско от това в бялата област. Когато мощността на лазера е 1550 W, съдържанието на Co и Ni елементи обикновено е по-високо от това при 1700 W. Може да се дължи на това, че мощността на лазера се увеличава и елементите могат да се стопят повече и по-добре в субстрата.

2.3 Фазов анализ

Фигура 3 показва XRD спектрите на проби с различни скорости на подаване на прах при 1550W и 1700W лазерни мощности. Може да се види, че дифракционните пикове на покритието на пробата са главно Fe-Cr, Al-Ni, Al.C и WCx композитни фази. Наличието на W елемент в облицовъчния слой е главно WCx. При 1700W се образува CrC фаза.

2.4 Анализ на твърдостта

След тестване и изчисление стойността на твърдостта HV0.1 на субстрата е 371.1. От фигура 4 може да се види, че стойността на микротвърдостта на облицовъчния слой на пробата е по-висока от тази на субстрата. Когато лазерната мощност е 1550 W, твърдостта на покритието се увеличава с увеличаване на скоростта на подаване на праха. Когато мощността на лазера е 1700W, законът е обратен. Скоростта на подаване на праха постепенно се увеличава и твърдостта на покритието става все по-ниска. Освен това, когато скоростта на подаване на прах е 30 mg/s, твърдостта на покритието се увеличава с увеличаването на лазерната мощност. Въпреки това, когато скоростта на подаване на прах е 32 mg/s и 34 mg/s, твърдостта на покритието постепенно намалява с увеличаването на лазерната мощност. При 32 mg/s този ефект не е очевиден, но при 34 mg/s ефектът е по-очевиден. Чрез анализа на микроструктурата и фазовия състав на покритието, поради високата точка на топене и плътността на W елемента, W или WCx образува по-плътна мрежеста структура в покритието, което подобрява твърдостта на покритието. И когато мощността на лазера е 1700 W и скоростта на подаване на прах е 30 mg/s, някои фини частици се появяват в организацията като утаени Cr и C фази, което повишава твърдостта на пробата.

2.5 Анализ на устойчивостта на износване

Както е показано на фигура 5, коефициентът на триене на субстрата се поддържа около 1.1. Фигура 6 показва коефициента на триене на облицовъчния слой при различни параметри на процеса, който варира значително. Когато мощността на лазера е 1550 W, скоростта на подаване на прах и коефициентът на триене на облицовъчния слой са обратно пропорционални. Когато скоростта на подаване на прах е 34 mg/s, коефициентът на триене накрая остава около 1.0. Когато мощността на лазера е 1700 W, скоростта на подаване на прах и коефициентът на триене на облицовъчния слой са в пряка пропорция. Когато скоростта на подаване на прах е 30 mg/s, коефициентът на триене най-накрая се поддържа на около 0.9. Когато скоростта на подаване на прах е 30 mg/s, лазерната мощност и коефициентът на триене на облицовъчния слой са обратно пропорционални. Въпреки това, когато скоростта на подаване на прах е 32 mg/s и 34 mg/s, лазерната мощност и коефициентът на триене на облицовъчния слой са в пряка пропорция. В обобщение, устойчивостта на износване на проби 3 и 4 е подобрена. Следователно по-добрите параметри на процеса са: мощност на лазера от 1700 W, скорост на подаване на прах от 30 mg/s и мощност на лазера от 1550 W, скорост на подаване на прах от 34 mg/s. В комбинация с микроструктурата и фазовия състав на облицовъчния слой, облицовъчният слой образува малки частици и сравнително плътна мрежеста структура, което подобрява устойчивостта на износване на облицовъчния слой.

3 Заключение

1) Чрез наблюдение на макроскопичната морфология на облицовъчния слой, облицовъчният слой и субстратът образуват добра металургична връзка. Тъй като мощността на лазера се увеличава, облицовъчният слой прониква в по-голяма част от субстрата, образувайки по-дълбока и по-широка разтопена вана. Скоростта на подаване на прах няма очевиден регулярен ефект върху макроскопската морфология.

2) Микроструктурата на облицовъчния слой на пробите при различни параметри на процеса е различна, главно подобна на летва структура, ретикулярна структура и гранулирана структура. Покритието при различни параметри на процеса се състои основно от три фази: FeCr, AINi и WCx. Когато мощността на лазера е 1700 W и скоростта на подаване на прах е 30 mg/s, облицовъчният слой е по-добре комбиниран със субстрата и в микроструктурата има фини частици, които са по-равномерно разпределени и по-плътни.

3) Микротвърдостта и устойчивостта на износване на облицовъчния слой при различни параметри на процеса са малко по-високи от тези на субстрата. Когато мощността на лазера е 1700 W и скоростта на подаване на прах е 30 mg/s, средната микротвърдост HV0.1 на пробата е най-високата, която е 675.33. В същото време устойчивостта на износване на пробата е най-добра.

4) Когато мощността на лазера е 1700 W и скоростта на подаване на прах е 30 mg/s, при този параметър на процеса микроструктурата и тестовете за ефективност на покритието са оптимални.