СПОСОБ ЛАЗЕРНОЙ НАПЛАВКИ МЕТАЛЛИЧЕСКИХ ПОКРЫТИЙ Российский патент 2020 года по МПК B23K26/352 B23K35/36 C23C24/08 B82Y40/00 B82B3/00 

Изобретение относится к области лазерной обработки путем оплавления при формировании защитных шликерных покрытий на конструкционные материалы, обеспечивающей повышение твердости, износостойкости, антифрикционных свойств, термостойкости и других физико-механических показателей материала.

Известен способ лазерной наплавки, включающий воздействие лазерного излучения на порошки быстрорежущей стали с последующим отжигом, закалкой и отпуском послойно нанесенных на заготовку деталей (патент РФ №2032513 по кл. B23K 26/00 от 10.04.1995 г.). Недостатками данного способа являются сложность и длительность технологического процесса лазерной наплавки и ограниченные площади зоны обработки.

Известен способ лазерной наплавки, включающий нагревание локализованного участка подложки при помощи лазера, формирование ванны расплава из порошкового материала и подачу его на подложку, перемещение подложки относительно лазерного луча (патент РФ №2228243 по кл. B23K 26/34 от 10.05.2004 г.). Недостатками данного способа являются ограниченные возможности расширения площади зоны наплавки.

Известен способ лазерной наплавки металлических покрытий, включающий нанесение на обрабатываемую поверхность присадочного материала и последующее облучение сфокусированным лучом лазера путем сканирования его по обрабатываемой поверхности, при этом сканирование осуществляется по круговой траектории (патент РФ №2366553 по кл. B23K 36/34 от 20.01.2009 г.). Недостатками данного способа являются ограниченные возможности расширения площади наплавки, относительно низкая производительность процесса наплавки и недостаточная прочность наплавленного слоя.

Известно, что наиболее высокой поверхностной твердостью и термостойкостью обладают нитриды отдельных видов металлов (микротвердость на уровне алмаза, а термостойкость до 3000°С и выше). Нитрид титана обладает наиболее высокой термостойкостью, а нитрид бора наряду с высокой термостойкостью обеспечивает удовлетворительные стабильные антифрикционные свойства, что позволяет применять эти материалы в узлах трения.

Авторами ранее разработан способ лазерного упрочнения металлических поверхностей с использованием лазерных установок и оригинальных химических составов (патент РФ 2699602 С1 по кл. В23К, С23С от 02.04.2019 г. - прототип).

Однако при промышленных испытаниях выяснилось, что все описанные методы нанесения термостойких покрытий на металлические поверхности, включая прототип, не обеспечивают заданную расчетную толщину покрытия. При этом составы, нанесенные шпателем или напылением, не позволяют за одну операцию получать термостойкие покрытия толщиной более 10÷20 мкм и не обеспечивают равномерность толщины покрытий по поверхности. Кроме того, все описанные методы сводятся к использованию исключительно ручного труда, не гарантирующего стабильности результатов.

Авторами предлагается способ лазерного упрочнения металлических поверхностей при нанесения защитных шликерных покрытий из термостойких составов, обеспечивающий максимальную механизацию процесса, высокую воспроизводимость результатов, достижение требуемых характеристик покрытий с использованием только серийно выпускаемых компонентов, включая триэтаноламинотитанат (промышленная марка ТЭАТ, который с конца 50-х годов XX столетия выпускался в СССР серийно в больших количествах), и серийного промышленного оборудования. Способ применим для нанесения покрытий любых конфигураций, в том числе и на вертикальных металлических поверхностях.

Целью заявляемого изобретения является повышение производительности процесса наплавки и эксплуатационных характеристик железоуглеродистых сплавов, в частности улучшения их антифрикционных свойств, износостойкости и твердости в условиях воздействия высоких и сверхвысоких температур за счет образования на поверхности сплавов слоя из смеси нитридов бора и титана заданной регулируемой толщины с использованием серийно выпускаемых компонентов и промышленного оборудования.

Поставленная цель достигается тем, что на металлическую поверхность наносится препрег на основе полиамидной ткани, например, капроновой марки 22059, пропитанной коксующимся полимерным составом. Ткань деструктурирует с образованием активного азота и превращается при температуре 140÷200°С в единую макромолекулу, содержащую одновременно атомы бора, титана и азота в стехиометрическом соотношении (на два атома титана и один атом бора в составе приходится три атома азота) и катализатор при образовании нитридов - атом углерода. Препрег под воздействием температуры 1250÷1350°С, создаваемой лазерным лучом, деструктурирует, высвобождая высокоактивные атомы бора, титана, азота и углерода, которые вступают в реакцию в среде пористого кокса, образуя смесь близких по температуре плавления нитридов титана и бора с примесями термостойких карбидов. Затем температуру повышают до 1600÷1800°С. При этом кокс и примеси деструктурируют, а на поверхности железоуглеродистого сплава остается более легкий слой твердых частиц, температура плавления которых близка к 3000°С. Толщина защитного слоя регулируется количеством слоев препрега. Нанесение состава на полиамидную ткань регулируется вязкостью его раствора и скоростью протяжки ткани на пропиточной машине.

Пример 1.

В реактор с быстроходной мешалкой не менее 2000 об/мин, снабженный обогревом и мешалкой, загружают 100 мас. ч. растворителя - этилцеллозольва, затем 7 мас. ч. порошка борного ангидрида, и перемешивают до растворения. После этого загружают малоактивную твердую эпоксидную диановую смолу марки Э-44 (ММ 1600, эпоксидное число 7%, коксовое число 35%), затем загружают триэтаноламикотитанат (промышленная марка ТЭАТ) и нефтяной пек в количествах, обеспечивающих соотношение компонентов А (эпоксидная смола) : Б (триэтаноламинотитанат) : В (борный ангидрид) : Г (нефтяной пек) 50:15:10:25 (в мас. ч.). Смесь перемешивают при 60°С в течение 40 минут, выливают в бидоны и переправляют в цех пропиточных машин.

Далее в стандартную машину вставляют рулон полиамидной (капроновой ткани), а в пропиточную ванну загружают указанный состав. За счет разбавления состава этилцеллозольвом и регулирования скорости протяжки ткани обеспечивают нанесение состава на ткань (35% от массы в пересчете на сухой состав после удаления растворителя в сушильной камере до остатка ~ 2%, обеспечивающего липкость, позволяющей наклеивать препрег на металлическую поверхность). Рулон препрега упаковывают в полиэтиленовую пленку и отправляют по назначению. Срок хранения препрега при 20°С не менее 3 месяцев, в холодильнике - до 12 месяцев. Возможна транспортировка в любых климатических условиях.

Перед применением препрег разрезают на листы требуемого размера, затем подогревают инфракрасной лампой или в термостате в течение от 10 до 20 минут при температуре от 140°С до 200°С до достижения необходимой липкости и наклеивают слоями под нагрузкой от 0,05 до 2 МПа (в зависимости от конфигурации изделия) на упрочняемую поверхность, включая вертикальную.

После наклейки листов препрега на металлическое изделие осуществляют воздействие лазерным лучом в два этапа. Первый этап - 15 минут при температуре 1250°С, в течение которого происходит деструкция компонентов препрега в порах кокса и образование смеси нитридов бора и титана. Второй этап - 10 минут при температуре 1700°С, во время которого деструктурирует кокс и все возможные органические примеси, а на оплавленной поверхности металла остается слой из смеси нитридов бора и титана, имеющих температуру плавления ~ 3000°С.

Пример 2.

Осуществляют аналогично примеру 1. Отличие состоит в использовании в составе компонента (А) смеси для пропитки полиамидной ткани. В качестве компонента (А) используется высокомолекулярная эпоксидная диановая смола марки Э-49 (ММ 3500). При этом соотношение компонентов смеси для пропитки полиамидной ткани составляет А:Б:В:Г=80:5:5:10 (в мас. ч.).

Пример 3.

Осуществляют аналогично примеру 1. Отличие состоит в использовании в составе компонента (А) смеси для пропитки полиамидной ткани. В качестве компонента (А) используется высокомолекулярная эпоксидная диановая смола марки ЭД-8 (ММ 1000). При этом соотношение компонентов смеси для пропитки полиамидной ткани составляет А:Б:В:Г=20:25:15:40 (в мас. ч.).

Изобретение относится к способу лазерной наплавки металлических покрытий и может найти применение при формировании защитных шликерных покрытий на конструкционных материалах. Технический результат изобретения заключается в повышении антифрикционных свойств железоуглеродистых сплавов в условиях воздействия высоких и сверхвысоких температур за счет образования на поверхности сплавов слоя из смеси нитридов бора и титана заданной регулируемой толщины. На металлическую поверхность наносят препрег на основе полиамидной ткани, пропитанной коксующимся полимерным составом. Ткань деструктурирует с образованием активного азота и превращается в единую макромолекулу, содержащую одновременно атомы бора, титана и азота в стехиометрическом соотношении и катализатор при образовании нитридов - атом углерода. Препрег под воздействием температуры, создаваемой лазерным лучом, деструктурирует, высвобождая высокоактивные атомы бора, титана, азота и углерода, которые вступают в реакцию в среде пористого кокса, образуя смесь близких по температуре плавления нитридов титана и бора с примесями термостойких карбидов. Затем температуру повышают до 16000÷1800°С. При этом кокс и примеси деструктурируют, а на поверхности железоуглеродистого сплава остается более легкий слой твердых частиц, температура плавления которых близка к 3000°С. Толщину защитного слоя регулируют количеством слоев препрега. Нанесение состава на полиамидную ткань регулируется вязкостью его раствора и скоростью протяжки ткани на пропиточной машине. 3 пр.

Способ лазерной наплавки металлических покрытий на изделие, включающий приготовление состава износостойкого покрытия, нанесение его на поверхность изделия и последующее оплавление лазерным лучом, отличающийся тем, что состав износостойкого покрытия готовят в виде препрега путем пропитки ткани из полиамидного волокна на пропитмашине смесью высокомолекулярной эпоксидной диановой смолы с ММ от 1000 до 3500 (А), триэтаноламинотитаната (Б), борного ангидрида (В) и коксующегося нефтяного пека (Г) в соотношении А:Б:В:Г от 80:5:5:10 до 20:25:15:40 в мас.ч., растворенной в этилцеллозольве до концентрации, обеспечивающей нанесение на ткань от 20 до 50% сухой смеси от массы препрега, и сушки препрега до липкости, позволяющей наклеивать препрег на металлическую поверхность, при этом наносят препрег на металлическую поверхность изделия слоями в соответствии с заданной расчетной толщиной покрытия, затем осуществляют обработку его инфракрасной лампой или в термостате в течение от 10 до 20 мин при температуре от 140 до 200°С под нагрузкой от 0,05 до 2 МПа в зависимости от конфигурации изделия, после чего подвергают воздействию лазерного луча при температуре 1250-1350°С, которую поддерживают в течение от 5 до 25 мин до образования кокса и в его среде смеси нитридов бора и титана, затем повышают температуру до 1600-1800°С и поддерживают ее от 10 до 30 мин до деструкции и удаления органических примесей.