СПОСОБ НАПЛАВКИ ЖАРОПРОЧНЫХ ВЫСОКОЛЕГИРОВАННЫХ СПЛАВОВ Российский патент 2005 года по МПК B23K26/14 B23K26/34 

Изобретение относится к сварочному производству и может быть использовано для наплавки деталей, работающих в условиях высоких температур и при воздействии значительных нагрузок.

Известен способ наплавки контактных площадок лопаток газотурбинного двигателя, изготовленных из жаропрочных высоколегированных сплавов на основе никеля, при котором аргоно-дуговой сваркой наплавляют мерные пластины, изготовленные из металла одинакового химического состава с основным металлом лопатки (патент RU №2081930, С 22 С 19/05, 1994).

Недостатком известного способа является сложность наплавки на торцы лопаток из-за переменного профиля лопатки.

Известен способ наплавки, при котором порошковый наплавочный материал подается в сопло плазмотрона струей транспортирующего газа, нагревается плазмой и с ускорением переносится на поверхность основного материала. Данный способ позволяет наносить на поверхность основного материала металлы, керамику, органические материалы (Хасуи А., Моригвки О. Наплавка и напыление, М.: Машиностроение, 1985, с. 142-145).

Недостатками известного способа являются возможность несплавления с наплавляемой поверхностью, пористость, низкая прочность сцепления с основой.

Наиболее близким по технической сущности является способ наплавки, при котором порошковый наплавочный материал подается струей транспортирующего газа, нагревается лазерным излучением и переносится на поверхность основного материала. Данный способ позволяет наносить на поверхность основного материала металлы, керамику (D.Schuoecker. Laser augmented 3-D shaping // Лазерные технологии и средства реализации. Материалы III Международной научно-технической конференции, С-Пб, Издательство СПбГТУ, 2000, с. 3-15).

Недостатком известного способа является значительный расход порошкового наплавочного материала. Состав наплавочного материала не приводится.

Задачей изобретения является повышение жаропрочности и жаростойкости наплавленного на жаростойкий высоколегированный сплав металла.

Поставленная цель достигается тем, что порошковый наплавочный материал подают струей транспортирующего газа, нагревают лазерным излучением и переносят на поверхность основного материала, при этом порошковый наплавочный материал подают в сопло соосно лазерному лучу, порошковый наплавочный материал содержит порошок сферической формы жаропрочного высоколегированного сплава фракцией от 30 до 200 мкм и диоксид циркония, стабилизированный семью процентами окиси иттрия, фракцией от 1 до 20 мкм при следующем соотношении, мас.%:

Жаропрочный высоколегированный сплав 99,3-99,9

Диоксид циркония, стабилизированный 7%

окиси иттрия 0,7-0,1

Фокус лазерного пучка заключен в сопле на расстоянии 3-7 мм от торца сопла, а фокус потока порошкового наплавочного материала находится вне сопла на расстоянии 6-10 мм.

Известен способ наплавки контактных площадок лопаток газотурбинного двигателя, изготовленных из жаропрочных высоколегированных сплавов на основе никеля, при котором аргоно-дуговой сваркой наплавляют мерные пластины, изготовленные из металла одинакового химического состава с основным металлом лопатки или металла на основе кобальта. В состав металла на основе кобальта входит гафний или цирконий 1,25-1,75 мас.% (сплав №492) (Основы технологии создания газотурбинных двигателей для магистральных самолетов, под редакцией Братухина А.Г., Решетникова Ю.Е., Иноземцева А.А., М.: Авиатехинформ, 1999, с.502-507).

Способы повышения жаропрочности и жаростойкости литых сплавов на никелевой или кобальтовой основе за счет увеличения степени легирования практически исчерпаны. Обеспечить жаропрочность и жаростойкость сплавов можно порошковой металлургией с введением в порошок нитридов, карбидов и оксидов с последующим их спеканием, прессованием и экструзией. Изготовление таких сплавов литьем невозможно из-за активного взаимодействия расплава с нитридами, карбидами и оксидами в процессе выплавки сплава. Для получения таких сплавов наплавкой необходимо решить проблему химического взаимодействия добавок с расплавом, выбрать приемлемую технологию, обеспечивающую равномерное распределение добавок в расплаве. Наиболее устойчивым к температуре и химическому взаимодействию с элементами жаропрочных сплавов из нитридов, карбидов и оксидов является диоксид циркония, стабилизированный иттрием.

Способ реализуется следующим образом.

Из жаропрочного высоколегированного сплава на никелевой или кобальтовой основе, например ЖС6, ЖС26, ЖС32, ЖС36, НС21, Х40, Х63, получают порошок сферической формы фракцией от 30 до 200 мкм. Диоксид циркония, стабилизированный 7% окиси иттрия, используют в виде порошка фракцией от 1 до 20 мкм. Порошковый наплавочный материал содержит порошок жаропрочного высоколегированного сплава от 99,3 до 99,9 мас.% и диоксид циркония, стабилизированный 7% окиси иттрия, от 0,1 до 0,7 мас.%. Порошковый наплавочный материал подают струей транспортирующего газа в сопло лазерной установки соосно с лазерным лучом. Лазерную установку настраивают так, что фокус лазерного пучка заключен в сопле на расстоянии 3-7 мм от торца сопла, а фокус потока порошкового наплавочного материала находится вне сопла на расстоянии 6-10 мм. Порошковый наплавочный материал нагревают лазерным излучением и переносят на поверхность жаропрочного высоколегированного сплава на основе никеля или кобальта. Частицы диоксида циркония “замуровываются” в расплаве жаропрочного высоколегированного сплава и равномерно распределяются по объему наплавленного металла.

Установлено, что при содержании диоксида циркония, стабилизированного 7% окиси иттрия, в порошковом наплавочном материале свыше 0,7 мас.% повышение жаропрочности наплавленного металла незначительно. Если содержание диоксида циркония, стабилизированного 7% окиси иттрия, в порошковом наплавочном материале меньше 0,1 мас.%, то жаропрочность и жаростойкость наплавленного металла мало отличается от жаропрочности и жаростойкости основного материала.

Пример конкретного выполнения.

На лазерном комплексе ТЛ-3 наплавляют торец пера лопатки из сплава ЖС26. Порошковый наплавочный материал содержит порошок ЖС26 фракцией от 60 до 120 мкм и ZrO₂·_{7%Y2O3 фракцией от 1 до 20 мкм. Содержание ZrO2·7%Y2O3 в наплавочном материале - 0,4 мас.%. Мощность излучения Р=700-800 Вт, фокус лазерного пучка расположен на расстоянии 5 мм от торца сопла, скорость наплавки 10 м/ч, расход транспортирующего газа - аргона - 2-4 л/мин. За пять проходов высота наплавленного металла составляет 3 мм. После наплавки лопатку обработали до геометрических размеров по чертежу.}

Сравнительные испытания образцов показали увеличение износостойкости при температурах до 1400° С (серийные образцы - до 1150° С).

Изобретение может быть использовано для наплавки деталей, работающих в условиях высоких температур и при воздействии значительных нагрузок. Наплавочный материал содержит от 99,3 до 99,9 мас.% порошка жаропрочного высоколегированного сплава на никелевой или кобальтовой основе сферической формы фракцией от 30 до 200 мкм и от 0,1 до 0,7 мас.% диоксида циркония, стабилизированного 7% окиси иттрия, фракцией от 1 до 20 мкм. Материал подают струей транспортирующего газа в сопло лазерной установки соосно с лазерным лучом. Лазерную установку настраивают так, что фокус лазерного пучка заключен в сопле на расстоянии 3-7 мм от торца сопла, а фокус потока порошкового наплавочного материала находится вне сопла на расстоянии 6-10 мм. Частицы диоксида циркония "замуровываются" в расплаве жаропрочного высоколегированного сплава и равномерно распределяются по объему наплавленного металла. Способ обеспечивает повышение жаропрочности и жаростойкости наплавленного на жаростойкий высоколегированный сплав металла. 1 з.п. ф-лы.

1. Способ наплавки жаропрочных высоколегированных сплавов, при котором порошковый наплавочный материал подают струей транспортирующего газа, нагревают лазерным излучением и переносят на поверхность основного материала, отличающийся тем, что порошковый наплавочный материал подают в сопло соосно лазерному лучу, порошковый наплавочный материал содержит порошок сферической формы жаропрочного высоколегированного сплава фракцией от 30 до 200 мкм и диоксид циркония, стабилизированный семью процентами окиси иттрия, фракцией от 1 до 20 мкм при следующем соотношении, мас.%:

Жаропрочный высоколегированный сплав -99,3-99,9

Диоксид циркония, стабилизированный 7%

окиси иттрия -0,7-0,1