Способ получения соединения стали с титановым сплавом методом прямого лазерного выращивания Российский патент 2022 года по МПК B23K26/20 B23K26/32 

Описание патента на изобретение RU2764912C1

Изобретение относится к области порошковой металлургии, в частности к способам получения соединения разнородных металлов с использованием лазерного излучения, предназначено для получения надежного равнопрочного соединения между титановым сплавом и сталью и может быть использовано при изготовлении изделий космического, энергетического и химического машиностроения, а также при изготовлении изделий корпусного насыщения в судостроении.

Из патента RU №2704945, МПК: B23K 26/34, В32В 15/01, С23С 4/08, B22F 7/04 (опубл. 31.10.2019) известен способ получения трехслойного материала сталь Х17Н2 - V-4, 9Ti-4,8 Cr - сталь Х17Н2, включающий нанесение коррозионностойкой стали на пластину из ванадиевого сплава, при котором на пластину из ванадиевого сплава V-4,9 Ti-4,8 Cr лазерной наплавкой наносят порошок коррозионностойкой стали Х17Н2 дисперсностью 50-150 мкм и с массовым расходом 20-25 г/мин, при этом лазерную наплавку осуществляют лазерным лучом мощностью 950-1200 В и диаметром 1,6-2,0 мм.

Недостатком данного способа получения соединения разнородных металлов лазерной наплавкой является то, что выполнение соединения стали с титановым сплавом через переходный слой на указанных в аналоге режимах лазерной наплавки не позволяет получить надежное равнопрочное соединение стали с титановым сплавом.

Наиболее близким техническим решением, взятым за прототип, является патент RU №2503740, МПК: С23С 4/12, B23K 26/34 (опубл. 10.01.2014), способ получения композиционных покрытий методом коаксиальной лазерной оплавки, включающей очистку, промывку и струйно-абразивную обработку подвергаемой наплавке поверхности детали с последующей обдувкой подготовленной поверхности сжатым воздухом, подготовку порошкового материала, его подачу на поверхность детали в зону наплавки потоком аргона и наплавку импульсным лазерным лучом в среде аргон, при этом, очистке и промывке дополнительно подвергают поверхности детали, прилегающей к зоне наплавки, в процессе струйно-абразивной обработки подвергаемой наплавке поверхности детали придают обеспечивающую адгезию с покрытием шероховатость, порошковый материал на поверхность детали в зону наплавки подают из двух дозаторов, а наплавку осуществляют, по крайней мере, в два слоя лазерным лучом мощностью 2 кВт при скорости его перемещения в процессе наплавки 2 м/мин, при этом, из одного дозатора в поток аргона подают армирующий неметаллический дисперсный порошок агломерированного карбида вольфрама WC фракцией 80,0-150,0 мкм, а из другого дозатора -металлический порошок сплава кобальта ВЗК фракцией 53-106 мкм, причем при наплавке первого слоя порошок карбида вольфрама и порошок сплава кобальта подают в соотношении 1:4, а при наплавке второго слоя устанавливают соотношение 1:5. Покрытие наносят на детали из углеродистой или нержавеющей стали, или титановых сплавов, или магниевых сплавов, или алюминиевых сплавов, или бронз, или латуней. Прилегающие к зоне наплавки поверхности детали очищают и промывают на расстоянии не менее 50 мм. В процессе струйно-абразивной обработки подвергаемой наплавке поверхности детали придают шероховатость Rz не менее 20 мкм. После наплавки второго слоя наплавляют третий слой при соотношении подачи порошка карбида вольфрама и порошка сплава кобальта 1:5, после чего наплавляют четвертый слой при соотношении 1:6.

Недостатком данного способа получения соединения разнородных металлов лазерной наплавкой является многостадийность процесса, проявляющаяся в том, что для его реализации требуется проводить струйно-абразивную обработку наплавляемой поверхности детали, которая требует использования дополнительного оборудования и расходных материалов, выделения дополнительного времени.

Задачей предлагаемого изобретения является получение надежного равнопрочного соединения стали и титанового сплава при изготовлении заготовок, не требующих дополнительной обработки, дополнительных расходных материалов на обработку и выделения дополнительного времени.

Поставленная задача достигается способом получения соединения стали с титановым сплавом методом прямого лазерного выращивания, включающим подготовку порошкового материала, его подачу в зону наплавки потоком аргона и наплавку лазерным лучом в среде аргона, при этом, соединение получают путем нанесения непрерывным лазерным лучом на подложку из титанового сплава не менее пяти слоев из смеси сферических порошков молибдена и медно-алюминиевой бронзы в соотношении 60% и 40%, соответственно, и последующего нанесения на этот слой слоев из сферического порошка нержавеющей стали, порошок из молибдена имеет дисперсность от 40 мкм до 100 мкм, порошки из медно-алюминиевой бронзы и нержавеющей стали имеют дисперсность от 50 мкм до 150 мкм, порошки подают в зону наплавки лазерным лучом потоком аргона с расходом 5 л/мин, зону наплавки защищают аргоном, подаваемым с расходом 20 л/мин, слои накладывают лазерным лучом, сфокусированным на поверхности подложки или предыдущего слоя в пятно диаметром от 2 мм до 3 мм со скоростью 1,5 м/мин с изменением мощности лазерного излучения в пределах от 1,6 кВт до 1,8 кВт, шаг вертикального смещения слоев задают равным 0,6 мм, шаг поперечного смещения слоев - 1,3 мм, массовый расход подаваемого порошка для каждого типа используемых порошков находится в пределах от 3 г/мин до 5 г/мин, слой формируют последовательным нанесением валиков один за другим с их частичным перекрытием в поперечном сечении.

Пример реализации способа:

В процессе выращивания герметичную камеру заполняют аргоном высокой чистоты (не менее 99,99%) до избыточного давления 2 МПа. В камере после заполнения аргоном, содержание кислорода не должно превышать 150 ppm. Процесс прямого лазерного выращивания осуществляют при следующих технологических параметрах: сначала накладывают пять слоев из смеси порошков 60% молибдена и 40% медно-алюминиевой бронзы при мощности излучения 1,6 кВт, скорость перемещения сопла относительно подложки 1,5 м/мин, диаметр пятна сфокусированного лазерного луча на поверхности подложки из титанового сплава или предыдущего слоя 3 мм, массовый расход подаваемого порошка 3 г/мин, расход транспортного газа 5 л/мин, расход защитного газа 20 л/мин. При этом шаг вертикального смещения сопла составляет 0,6 мм, а шаг поперечного смещения сопла -1,33 мм. Затем на последний слой накладывают десять слоев из порошка из нержавеющей стали при мощности излучения 1,8 кВт, скорость перемещения сопла относительно подложки 1,5 м/мин, диаметр пятна сфокусированного лазерного луча на поверхности подожки или предыдущего слоя 2 мм, массовый расход подаваемого порошка 5 г/мин, расход транспортного газа 5 л/мин, расход защитного газа 20 л/мин. Слой формируют последовательным нанесением валиков с их частичным перекрытием в поперечном сечении. Валики накладывают последовательно один за другим, слои накладывают также последовательно один на другой.

Для подтверждения заявленного способа были выращены образцы на указанных в примере реализации способа параметрах режима прямого лазерного выращивания и проведены металлографические исследования шлифов полученных образцов, выполнены механические испытания по ТУ 5.961-11917-2015. Исследования металлографического шлифа выращенного образца показало отсутствие трещин, возникающих в результате внутренних напряжений из-за образования интерметаллидов, а также отсутствие несплавлений. В таблице 1 приведено сравнение основных механических свойств (результаты испытания на определение сопротивления отрыву) биметаллических соединений сталь-титан, получаемых традиционными способами и образцов, выращенных предлагаемым методом.

Как видно из таблицы 1, образцы, полученные предлагаемым способом, обладают повышенными механическими свойствами по сравнению с аналогами.

Заявляемое техническое решение позволяет решить поставленную задачу, используя метод прямого лазерного выращивания, и обеспечивает получение надежного равнопрочного соединения стали и титанового сплава при изготовлении заготовок, не требующих дополнительной обработки, дополнительных расходных материалов на обработку и выделения дополнительного времени. Преимущество предлагаемого способа перед известными решениями заключается в повышении механических свойств заготовок и сокращении времени, затрачиваемого на дополнительные технологические операции.

Похожие патенты RU2764912C1

название год авторы номер документа
ГРАДИЕНТНЫЙ МАТЕРИАЛ ДЛЯ СОЕДИНЕНИЯ ТИТАНОВОГО СПЛАВА BT1-0 С НЕРЖАВЕЮЩЕЙ СТАЛЬЮ 316L МЕТОДОМ ПРЯМОГО ЛАЗЕРНОГО ВЫРАЩИВАНИЯ 2022
  • Гущина Марина Олеговна
  • Сомонов Владислав Валерьевич
  • Климова-Корсмик Ольга Геннадьевна
  • Вильданов Артур Маратович
  • Туричин Глеб Андреевич
RU2800900C1
СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ КОМПОЗИЦИОННЫХ ПОКРЫТИЙ МЕТОДОМ КОАКСИАЛЬНОЙ ЛАЗЕРНОЙ ОПЛАВКИ 2011
  • Бурякин Алексей Владимирович
  • Михайлов Андрей Александрович
  • Бурмистрова Елена Евгеньевна
  • Третьяков Роман Сергеевич
  • Шиганов Игорь Николаевич
  • Григорьянц Александр Григорьевич
RU2503740C2
СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ ТРЕХСЛОЙНОГО МАТЕРИАЛА СТАЛЬ Х17Н2 - V-4,9Ti-4,8Cr - СТАЛЬ Х17Н2 2018
  • Курзина Ирина Александровна
  • Демент Тарас Валерьевич
  • Каракчиева Наталья Ивановна
  • Платов Владимир Владимирович
RU2704945C1
Способ получения износостойкого покрытия из высокоэнтропийного сплава с поверхностно науглероженным слоем 2021
  • Разумов Николай Геннадьевич
  • Махмутов Тагир Юлаевич
  • Ким Артём
  • Озерской Николай Евгеньевич
  • Силин Алексей Олегович
  • Масайло Дмитрий Валерьевич
  • Мазеева Алина Константиновна
  • Попович Анатолий Анатольевич
RU2782498C1
Способ создания заготовки гребного винта 2019
  • Цибульский Игорь Александрович
  • Сомонов Владислав Валерьевич
  • Корсмик Рудольф Сергеевич
  • Еремеев Алексей Дмитриевич
RU2715404C1
СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ СВЕРХТВЕРДЫХ ИЗНОСОСТОЙКИХ ПОКРЫТИЙ С НИЗКИМ КОЭФФИЦИЕНТОМ ТРЕНИЯ 2019
  • Харанжевский Евгений Викторович
  • Ипатов Алексей Геннадьевич
  • Кривилев Михаил Дмитриевич
RU2718793C1
СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ТОПОЛОГИЧЕСКИ ОПТИМИЗИРОВАННОГО РАБОЧЕГО КОЛЕСА ВОДОМЕТНОГО ДВИЖИТЕЛЯ МЕТОДОМ ПРЯМОГО ЛАЗЕРНОГО ВЫРАЩИВАНИЯ 2019
  • Туричин Глеб Андреевич
  • Земляков Евгений Вячеславович
  • Бабкин Константин Дмитриевич
  • Вильданов Артур Маратович
  • Головин Павел Андреевич
  • Топалов Илья Константинович
  • Пономарев Дмитрий Александрович
  • Коршунов Владимир Александрович
  • Родионов Александр Александрович
RU2718823C1
СПОСОБ АДДИТИВНОГО ФОРМИРОВАНИЯ ИЗДЕЛИЙ С ЭФФЕКТОМ ПАМЯТИ ФОРМЫ 2022
  • Попович Анатолий Анатольевич
  • Масайло Дмитрий Валерьевич
  • Орлов Алексей Валерьевич
  • Игошин Сергей Дмитриевич
RU2800693C1
Способ лазерной сварки заготовок из сплавов на основе орторомбического алюминида титана Ti2AlNb с глобулярной структурой 2020
  • Панов Дмитрий Олегович
  • Наумов Станислав Валентинович
  • Соколовский Виталий Сергеевич
  • Жеребцов Сергей Валерьевич
  • Салищев Геннадий Алексеевич
  • Поволяева Елизавета Андреевна
  • Кашаев Николай Сергеевич
  • Фолкер Фентцке
  • Рене Динзе
  • Штефан Риекер
RU2744292C1
СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ КОМПОЗИЦИОННЫХ ПОКРЫТИЙ ИЗ ПОРОШКОВЫХ МАТЕРИАЛОВ 2013
  • Григорьев Сергей Николаевич
  • Тарасова Татьяна Васильевна
  • Попова Екатерина Вячеславовна
  • Смуров Игорь Юрьевич
RU2542199C1

Реферат патента 2022 года Способ получения соединения стали с титановым сплавом методом прямого лазерного выращивания

Изобретение относится к способу соединения стали с титановым сплавом методом прямого лазерного выращивания и может найти применение при изготовлении изделий космического, энергетического и химического машиностроения, а также при изготовлении изделий корпусного насыщения в судостроении. Порошковый материал подают в зону наплавки потоком аргона. Наплавку производят непрерывным лазерным лучом в среде аргона. Соединение получают путем нанесения на подложку из титанового сплава не менее пяти слоев из смеси сферических порошков молибдена и медно-алюминиевой бронзы в соотношении 60% и 40% соответственно и последующего нанесения на этот слой слоев из сферического порошка нержавеющей стали. Порошок из молибдена имеет дисперсность от 40 мкм до 100 мкм, порошки из медно-алюминиевой бронзы и нержавеющей стали имеют дисперсность от 50 мкм до 150 мкм. Порошки подают в зону наплавки лазерным лучом потоком аргона с расходом 5 л/мин, при этом зону наплавки защищают аргоном, подаваемым с расходом 20 л/мин. Слои накладывают лазерным лучом, сфокусированным на поверхности подложки или предыдущего слоя в пятно диаметром от 2 мм до 3 мм, со скоростью 1,5 м/мин с изменением мощности лазерного излучения от 1,6 кВт до 1,8 кВт. Шаг вертикального смещения слоев задают равным 0,6 мм, шаг поперечного смещения слоев -1,3 мм, массовый расход подаваемого порошка для каждого типа используемых порошков - от 3 г/мин до 5 г/мин. Слой формируют последовательным нанесением валиков один за другим с их частичным перекрытием в поперечном сечении. Способ обеспечивает получение надежного равнопрочного соединения стали и титанового сплава при изготовлении заготовок, не требующих дополнительной обработки, дополнительных расходных материалов на обработку и выделения дополнительного времени. 1 пр., 1 табл.

Формула изобретения RU 2 764 912 C1

Способ получения соединения стали с титановым сплавом методом прямого лазерного выращивания, включающий подготовку порошкового материала, его подачу в зону наплавки потоком аргона и наплавку лазерным лучом в среде аргона, отличающийся тем, что соединение получают путем нанесения непрерывным лазерным лучом на подложку из титанового сплава по меньшей мере пяти слоев из смеси сферических порошков молибдена и медно-алюминиевой бронзы в соотношении 60% и 40% соответственно и последующего нанесения на них слоев из сферического порошка нержавеющей стали, при этом используют порошок из молибдена с дисперсностью 40 -100 мкм, а порошки из медно-алюминиевой бронзы и нержавеющей стали -с дисперсностью 50-150 мкм, причем порошки подают в зону наплавки лазерным лучом потоком аргона с расходом 5 л/мин, а зону наплавки защищают аргоном, который подают с расходом 20 л/мин, при этом слои накладывают лазерным лучом, сфокусированным на поверхности подложки или предыдущего слоя в пятно диаметром 2-3 мм, со скоростью 1,5 м/мин с изменением мощности лазерного излучения от 1,6 кВт до 1,8 кВт, причем шаг вертикального смещения слоев задают равным 0,6 мм, шаг поперечного смещения слоев - 1,3 мм, причем массовый расход подаваемого порошка для каждого типа используемых порошков составляет 3-5 г/мин, при этом слой формируют последовательным нанесением валиков один за другим с их частичным перекрытием в поперечном сечении.

Документы, цитированные в отчете о поиске Патент 2022 года RU2764912C1

СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ КОМПОЗИЦИОННЫХ ПОКРЫТИЙ МЕТОДОМ КОАКСИАЛЬНОЙ ЛАЗЕРНОЙ ОПЛАВКИ 2011
  • Бурякин Алексей Владимирович
  • Михайлов Андрей Александрович
  • Бурмистрова Елена Евгеньевна
  • Третьяков Роман Сергеевич
  • Шиганов Игорь Николаевич
  • Григорьянц Александр Григорьевич
RU2503740C2
Способ создания заготовки гребного винта 2019
  • Цибульский Игорь Александрович
  • Сомонов Владислав Валерьевич
  • Корсмик Рудольф Сергеевич
  • Еремеев Алексей Дмитриевич
RU2715404C1
СПОСОБ ПОВЫШЕНИЯ МЕХАНИЧЕСКИХ СВОЙСТВ СТАЛИ АБ2-1 ПРИ ОСУЩЕСТВЛЕНИИ ПРЯМОГО ЛАЗЕРНОГО ВЫРАЩИВАНИЯ МЕТАЛЛИЧЕСКИХ ЗАГОТОВОК 2019
  • Сомонов Владислав Валерьевич
  • Корсмик Рудольф Сергеевич
  • Климова-Корсмик Ольга Геннадьевна
  • Мендагалиев Руслан Валисович
RU2724210C1
US 4015100 A, 29.03.1977
JP 63224890 A, 19.09.1988.

RU 2 764 912 C1

Авторы

Хорьков Павел Александрович

Антонов Игорь Владимирович

Удалов Валерий Михайлович

Туричин Глеб Андреевич

Земляков Евгений Вячеславович

Бабкин Константин Дмитриевич

Климова-Корсмик Ольга Геннадьевна

Вильданов Артур Маратович

Гущина Марина Олеговна

Даты

2022-01-24Публикация

2021-05-25Подача