Для наплавки и напыления, как правило, применяют наиболее целесообразный для каждого конкретного случая способ нанесения покрытия, которое обладает высокой износостойкостью, коррозионной стойкостью или жаропрочностью. Для нанесения покрытий из порошковых материалов применялось детонационное напыление. Для реализации поверхностного упрочнения разработаны различные схемы введения порошковых композиций с субмикро- и наноразмерными упрочняющими частицами при нанесении покрытий. Технологическая схема лазерно-порошковой наплавки включает следующее. Луч с плоской поляризацией диаметром 30 мм фокусируется ZnSe - линзой с фокусным расстоянием 254 мм. Угол падения луча на свариваемый металл составляет 80°. При наплавке образец помещается на технологическую плиту, служащую для фиксации детали. Подача присадочного материала и защитного газа осуществляется через боковое сопло. Разработана схема формирования покрытий с наноразмерными упрочняющими частицами при электродуговой наплавке. Упрочнение достигается путем направленного высокоэнергетического и модифицирующего влияния дисперсных тугоплавких соединений на структуру, физико-механические и служебные свойства покрытий из металлов и сплавов, наносимых методами наплавки и напыления. В качестве модифицирующих смесей использовались порошковые модификаторов на основе сильно дисперсных частиц оксидов, карбидов и боридов тугоплавких металлов, а так же на основе нитрида кремния, полученные методом самораспространяющегося высокотемпературного синтеза. Проведена оценка влияния модифицирующего воздействия вводимых в расплав добавок дисперсных тугоплавких соединений, полученных различными методами, на процесс кристаллизации, структуру и физико-механические свойства покрытий, сформированных методами электродуговой, электрошлаковой, плазменно-порошковой и лазерно-порошковой наплавок, а так же методами детонационного напыления. Улучшение эксплуатационных свойств металлических материалов при различных видах лазерной поверхностной обработки связано с целенаправленным изменением структурного фазового состояния и химического состава поверхностных слоев, в результате чего металлы и сплавы приобретают в локальных объемах свойства, недостижимые при традиционных методах обработки. Для лазерной наплавки применяется непрерывный электроразрядный СО2 лазер с рабочей мощностью излучения до 5кВт. Метод лазерной наплавки позволяет обеспечить в широком интервале точное регулирование температурно-временных параметров, отвечающих условиям формирования структуры с высокой твердостью. Благодаря высокой концентрации энергии лазерный нагрев позволяет создавать управляемый градиент температуры по сечениям изделия. Эти особенности лазерной обработки представляют интерес в связи с возможностью совместить в одном технологическом процессе получение композиционного биметаллического материала и его термическую обработку. Проведено технологическое опробование разработанной установки при наплавке порошковых материалов типа Р6М5, в результате которого было установлено, что наплавленный металл, вследствие высокой скорости кристаллизации, связанной с быстрым охлаждением сварочной ванны, имеет, характеристики быстрорежущей стали Р6М5 и обладает высокой твердостью.

При импульсно-дуговой наплавке в результате действия повторяющегося переменного давления дуги при формировании наплавляемого покрытия металл сварочной ванны осуществляет постоянные возвратно-поступательные движения, благодаря периодическому силовому воздействию дуги с частотой модуляции сварочного тока. Такое протекание технологического процесса наплавки позволяет обеспечить периодически повторяющуюся цикличность физических процессов на этапах формирования сварочной ванны и кристаллизации металла шва из расплава и способствует активному ее перемешиванию. Рассмотренный характер физических процессов на этапе отдельного микроцикла сохраняется на всём протяжении процесса наплавки. При этом активное перемешивание сварочной ванны содействует выравниванию её теплосодержания и обеспечивает установление требуемого количества расплавленного металла под дугой к началу действия импульса тока, способствуя уменьшению глубины проплавления. Движением металла в ванне можно эффективно управлять варьированием силой тока наплавки на интервале длительности импульса и угла наклона электрода. С увеличением силы тока импульса увеличивается давление дуги.

а) б)

Рис. 40. Структура композиции из стали с напыленным покрытием, Ч100: а) на основе Ni, б) на основе Fe

Рис. 41. Строение поверхности композиции из стали с покрытием основе никеля, напыленным способом и оплавленным дорожкой электронным лучом

В результате этого расплавленный металл более активно вытесняется из под дуги в хвостовую часть сварочной ванны, увеличивая размер кратера. На интервале паузы, при уменьшении давления дуги пропорционально величине силы тока паузы, сварочная ванна заполняет кратер под дугой. Это способствует активному периодическому движению металла в ванне, выравниванию ее теплосодержания и более равномерному распределению легирующих элементов по всему объему наплавляемого металла. Таким образом, изменяя параметры процесса наплавки непосредственно в её ходе, можно влиять на геометрические размеры формируемого покрытия: кривизну поверхности, высоту и ширину валика.

При изготовлении композиционных порошковых материалов, используемых для нанесения покрытий, одной из наиболее прогрессивных технологией их получения является технология самораспространяющегося высокотемпературного синтеза (СВС), которая позволяет получать частицы необходимых химического состава и размеров структурных элементов. Структура композиции из стали с покрытием, напыленным и оплавленным лазерным, электроннолучевым и электродуговым способами представлена на рисунках 40 - 41.

Заключение

Изучение и оптимизация процессов кристаллизации, регулирования температуры расплава за счет ввода в состав наплавочных материалов дисперсных тугоплавких соединений, модифицирующих материал покрытий, включая измельчение их структуры и повышение свойств, позволяет проводить оптимизацию технологий наплавки и напыления покрытий. В качестве модифицирующих соединений использовуются субмикро - и нанокристаллические порошковые материалы, которые представляют собой как однофазные, так и многофазные композиции. Их применение позволяет формировать покрытия в виде композиции, с включениями субмикро - и нанокристаллические упрочняющих фаз. В процессе нанесения покрытий вкрапления таких фаз в металлической матрице приводит к формированию дисперсно-упрочненных слоев и повышению физико-механических и эксплуатационных свойств получаемых материалов.

Установлены основные закономерности процессов формирования покрытий, модифицируемых тугоплавкими соединениями с субмикро- и нанокристаллической структурами и высокоэнергетическими методами импульсного воздействия, для повышения прочностных и эксплуатационных свойств изделий, подвергающихся различным видам изнашивания (абразивному, ударно-абразивному, коррозионному), в том числе работающих в условиях низкочастотного термоциклирования и климатически низких температур. а также использования в новых технологиях. Такие покрытия можно формировать по принципу постепенного перехода от одного материала к другому путем многослойного сочетания используемых компонентов.

Исследования структуры и физико-механических свойств покрытий после напыления и оплавления различными способами показали, что использование современных устройств не позволяет избежать формирования материала покрытия, не содержащего существенных дефектов, снижающих характеристики. Решить указанную проблему позволит применение технологий, совмещающих в одном цикле несколько методов формирования и обработки покрытий, а также использование новых синтезированных материалов.

Эксплуатационные показатели технических систем ответственного назначения зависят от свойств зон неразъемных соединений, одним из основополагающих показателей которых, является их структура. Указанные зоны, как правило, чаще всего склонны к появлению в них различных микродефектов, способствующих снижению живучести технических систем ответственного назначения. Проведенные исследования позволили установить связь структуры металла шва и ЗТВ сварных соединений сталей с большим числом энергетических и технологических параметров режимов сварки.

Основные научные результаты и выводы

1. Выполнены исследования по изучению кинетики плавления и переноса электродного металла в среде защитных газов «короткой» и «длинной» дугой проволокой сплошного сечения. При выполнении данного раздела применены различные механизмы подачи электродной проволоки: традиционно применяемая постоянная подача и прерывистая (импульсная) подача электродной проволоки;

2. Выполнены исследования по изучению кинетики плавления и переноса электродного металла при сварке порошковой проволокой диаметром до 1,2 мм. В результате выполнения данного раздела выявлено ряд особенностей плавления и переноса электродного металла в сварочную ванну, которые позволили сформулировать критерии к алгоритмам управления энергетическими параметрами режимов сварки самозащитными порошковыми проволоками;

3. На основе полученных результатов были разработаны алгоритмы импульсного управления энергетическими параметрами режимов сварки, обеспечивающих управление плавлением и переносом электродного металла в процессе сварки проволоками сплошного сечения в среде защитных газов «короткой» и «длинной» дугой, а также порошковой проволокой и покрытыми электродами.

4. Произведена модернизация исследовательского комплекса для изучения кинетики плавления и переноса электродного металла при сварке. Для регистрации характеристик тепломассопереноса применена высокоскоростная видео камера «Видео Спринт/G2 (производитель ЗАО НПК «Видеоскан», Москва), регистратор параметров сварки AWR 524, синхронно работающий со скоростной видеокамерой и многоканальным светолучевым осциллографом, и позволяющий осуществлять ввод результатов измерений в компьютер.

5. Выполнен систематизированный анализ влияния характеристик тепломассопереноса, сопровождающий процессы электродуговой сварки плавящимся электродом, на стабильность формирования металла шва из расплава.

6. На основе исследования быстропротекающих процессов плавления и переноса электродного металла в сварочную ванную разработаны алгоритмы адаптивного импульсного управления энергетическими параметрами режима сварки, позволяющие обеспечивать стабильность характеристик тепломассопереноса при сварке и регулируемое тепловложение в обрабатываемое изделие.

7. Применение импульсного технологического процесса сварки при изготовлении сварных соединений сталей 09Г2С, 10Г2С, 17Г1С, 15ХСНД, 12Х18Н10Т позволяет получать мелкозернистую структуру металла шва и ЗТВ.

8. Установлено, что наиболее эффективный частотный диапазон, обеспечивающий существенное уменьшение структурных составляющих в зонах сварных соединений сталей 10Г2С и 17Г1СУ, лежит в пределах от 1 до 2,5 Гц.

9. Увеличение скорости истечения защитного газа повышает скорость охлаждения околошовной зоны в момент сварки, что изменяет картину структурно-фазовых превращений в зонах сварных соединений из стали 30ХГСА.

10. Проведен анализ современных наплавочных и напыляемых материалов, способов воздействия на процессы формирования и кристаллизации, структуру и физико-механические характеристики покрытий из металлов и сплавов.

11. Изучено влияние лазерного, электронно-лучевого и электродугового воздействия на модифицирование структуры, физико-механические и эксплуатационные свойства покрытий. Оплавление покрытий позволяет повысить дисперсность их структуры и твердость материала.

12. Установлена возможность упрочнения композиционных покрытий путем их модифицирования тугоплавкими соединениями с субмикро- и нанокристаллической структурами и высокоэнергетическими методами воздействия.

13. Проведено опробование технологий модифицирования покрытий тугоплавкими соединениями с субмикро- и нанокристаллической структурами и высокоэнергетическими методами воздействия.

14. Применение оптимальных параметров оплавления обеспечивает необходимое тепловложение в расплавляемое покрытие, способствует формированию дисперсной структуры сплава и повышает его однородность, прочностные и эксплуатационные свойства.

Список научных работ, опубликованных по проекту

1. Сараев Ю. Н. Обоснование концепции повышения безопасности и живучести технических систем, эксплуатируемых в регионах Сибири и Крайнего Севера, на основе применения адаптивных импульсных технологий сварки // Тяжелое машиностроение. - 2010. - № 8. - с. 14 - 19.

2. Патон Б.Е., Сараев Ю.Н., Лебедев В.А. Совершенствование технологических процессов сварки и наплавки на основе методов управляемого высокоэнергетического воздействия на характеристики плавления и переноса электродного металла / Сборник трудов Международной научно-практической конференции с элементами научной школы для молодых ученых «Инновационные технологии и экономика в машиностроении». 20-21 мая 2010 г. Юрга. - С. 15 - 22.

3. Кузнечик О.О., Сараев Ю.Н., Белявин К.Е. Адаптивное управление быстропротекающими высокотемпературными процессами контактной наплавки порошков самофлюсующихся сплавов / Сборник материалов V Международной научно-технической конференции «Современные методы и технологии создания и обработки материалов». В 3 книгах, книга 2. 15-17 сентября 2010 г. Минск, 2010. - С. 153 - 158.

4. Кузнечик О.О., Белявин К.Е., Минько Д.В., Сараев Ю.Н., Корко В.С. Использование устройства регистрации быстропротекающих высокотемпературных процессов в системе адаптивного управления электроконтактной наплавкой порошковых материалов самофлюсующихся сплавов / Материалы докладов 9-й Международной научно-технической конференции «Новые материалы и технологии: порошковая металлургия, композиционные материалы, защитные покрытия, сварка», посвящена 50-летию порошковой металлургии Беларуси и 85-летию ее основателя - академика О.В. Романа.-Минск. С. 217-219.

5. Сараев Ю.Н. Совершенствование технологических процессов сварки и наплавки на основе методов управляемого высокоэнергетического воздействия на характеристики плавления, переноса электродного металла и кристаллизации сварочной ванны / Там же. - С. 314-315.

6. Saraev Y. Adaptiv pulse-arc welding methods for construction and repair of the main pipelines / Proceedings of The 2nd South-East European IIW International Congress «Welding - HIGH-TECH Technology in 21st century». Sofia, Bulgaria, October 21st-24th 2010. - P. 174-177.

7. Сараев Ю.Н., Безбородов В.П., Демьянченко А.А. Обеспечение эксплуатационной надежности крупногабаритных металлоконструкций ответственного назначения на этапе их изготовления и ремонта с применением адаптивных импульсных технологий сварки // Обработка металлов. - 2011. - № 2. - с. 18 - 22.

8. Сараев Ю.Н., Безбородов В.П., Демьянченко А.А. Управление микрометаллургическими процессами при адаптивной импульсно-дуговой сварке легированных сталей // Перспективные материалы. - 2011. - № 13 (специальный выпуск). - С. 290-294.

9. Сараев Ю.Н. Адаптивные импульсно-дуговые методы сварки для строительства и ремонта магистральных трубопроводов // Сварка и резка. - 2011. - № 1. - С. 40-50.

10. Сараев Ю.Н., Демьянченко А.А. Обоснование концепции повышения безопасности и живучести технических систем, эксплуатируемых в регионах Сибири и Крайнего Севера, на основе применения адаптивных импульсных технологий сварки // Сварка и резка. - 2011. - № 2. - С. 48-52.

11. Сараев Ю.Н., Демьянченко А.А., Чинахов Д.А., Зернин Е.А., Крюков А.В., Павлов Н.В. Исследование кинетики плавления и переноса электродного металла при электродуговой сварке плавящимся электродом в среде защитных газов / Сборник трудов II Международной научно-практической конференции с элементами научной школы для молодых ученых «Инновационные технологии и экономика в машиностроении». Юрга, 19-20 мая 2011 г. - С. 17-33.

12. Сараев Ю.Н., Безбородов В.П., Демьянченко А.А., Чинахов Д.А. Ресурс, функциональные свойства и структурообразование сварных соединений крупногабаритных металлоконструкций, формируемых с управлением микрометаллургическими процессами // Сборник материалов IV международной конференции «Деформация и разрушение материалов и наноматериалов». Москва. 25-28 октября 2011 г. - М.: ИМЕТ РАН, 2011. - 993 с. - С. 794.

13. Demyanchenko A.A., Saraev Yu.N. Control of structure and properties of welded connections of alloy steels by application highly concentrated pulse energy actions / 19th Annual International Conference on Composites or Nano Engineering, ICCE-19. Shanghai, China. July 24-30, 2011. - CD.

14. Saraev Yu.N. Adaptive pulse technological processes of welding and pad weld is a new high-performance method of obtaining of permanent joints of high-strength steels / 19th Annual International Conference on Composites or Nano Engineering, ICCE-19. Shanghai, China. July 24-30, 2011. - CD.

15. Демьянченко А.А., Сараев Ю.Н. Особенности применения адаптивного импульсного высокоэнергетического воздействия на формирование неразъемных соединений конструкционных материалов методами сварки и наплавки / Тезисы докладов Международной конференции по физической мезомеханике, компьютерному конструированию и разработке новых материалов, 5-9 сентября 2011 г., Томск, Россия. - Томск: ИФПМ СО РАН, 2011. - 544 с. - С. 457-458.

16. Сараев Ю.Н., Безбородов В.П., Демьянченко А.А. Повышение живучести крупногабаритных металлоконструкций технических систем применением высококонцентрированных импульсных энергетических воздействий в процессе их формирования методами сварки и наплавки / Доклады VI Всероссийской конференции «Взаимодействие высококонцентрированных потоков энергии с материалами в перспективных технологиях и медицине». Новосибирск, 22-25 марта 2011 г. - С. 288-292.

17. Демьянченко А.А., Сараев Ю.Н. Разработка и практическое применение адаптивных импульсных технологий сварки - инновационное направление в обеспечении безопасности и живучести технических систем северного исполнения / Сборник трудов Всероссийской молодежной конференции «Машиностроение - традиции и инновации». Юрга, 30 августа - 1 сентября 2011 г. - С. 25-29.

18. Сараев Ю.Н., Безбородов В.П., Чинахов Д.А., Демьянченко А.А. Управление структурой и свойствами сварных соединений технических систем методами адаптивной импульснодуговой сварки и комбинированной газовой защиты / Тезисы докладов II Всероссийской конференции «Деформирование и разрушение структурно-неоднородных сред и конструкций», посвященной 85-летию со дня рождения профессора О.В. Соснина, 10-14 октября 2011 г., Новосибирск, Россия. - с. 98 - 99.

19. Сараев Ю.Н. Исследование адаптивных импульсных технологических процессов сварки и наплавки применительно к задачам управляемого тепломассопереноса / Тезисы докладов II Всероссийской конференции «Деформирование и разрушение структурно-неоднородных сред и конструкций», посвященной 85-летию со дня рождения профессора О.В. Соснина, 10-14 октября 2011 г., Новосибирск, Россия. - с.97 - 98.

20. Демьянченко А.А. Повышение живучести и эксплуатационной надежности технических систем ответственного назначения методами адаптивной импульсно-дуговой сварки и наплавки // Сборник материалов VIII Российской ежегодной конференции молодых научных сотрудников и аспирантов «Физико-химия и технология неорганических материалов». Москва. 15-18 ноября 2011 г. - М.: ИМЕТ РАН, 2011. - 689 с. - С. 578-580.

21. Демьянченко А.А., Сараев Ю.Н., Безбородов В.П. Структура, прочностные и коррозионные свойства сварных соединений после импульсно-дуговой сварки / Тезисы докладов VII Российской научно-технической конференции «Механика микронеоднородных материалов и разрушение». Екатеринбург, 23-27 апреля 2012 г. - Екатеринбург: ИМАШ УрО РАН, 2012. - 196 с. - С. 84.

22. Демьянченко А.А., Сараев Ю.Н., Безбородов В.П. Структура, прочностные и коррозионные свойства сварных соединений после импульсно-дуговой сварки / Материалы VII Российской научно-технической конференции МЕХАНИКА МИКРОНЕОДНОРОДНЫХ МАТЕРИАЛОВ И РАЗРУШЕНИЕ (Электронный ресурс). Екатеринбург, ИМАШ УрО РАН, 2012. Электронный оптический диск, вкладка «Публикации».

23. Сараев Ю.Н., Демьянченко А.А. Основные тенденции совершенствования процессов импульсно-дуговой сварки и наплавки, направленных на решение проблем эксплуатационной надежности металлоконструкций технических систем ответственного назначения в практике мирового промышленного производства / Сборник трудов III Международной научно-практической конференции с элементами научной школы для молодых ученых «Инновационные технологии и экономика в машиностроении». Юрга, 24-25 мая 2012 г. - Томск: Изд-во Томского политехнического университета, 2012. - Т.1. - 362 с. - С. 11-13.

24. Демьянченко А.А., Сараев Ю.Н., Селиванов Ю.В. Повышение коррозионной стойкости зон сварных соединений и наплавленных покрытий конструкций из стали 12Х18Н10Т / Материалы Всероссийской научной конференции с международным участием «Байкальский материаловедческий форум». 9-13 июля 2012 г., г. Улан-Удэ. - Ч. 1. - Улан-Удэ: Изд-во БНЦ СО РАН, 2012. - 178 с. - С. 94-96.

25. Сараев Ю.Н., Безбородов В.П., Демьянченко А.А. Управление структурой и свойствами зон неразъемных соединений низколегированных сталей методами адаптивной импульсно-дуговой сварки / Материалы Всероссийской научной конференции с международным участием «Байкальский материаловедческий форум». 9-13 июля 2012 г., г. Улан-Удэ. - Ч. 1. - Улан-Удэ: Изд-во БНЦ СО РАН, 2012. - 178 с. - С. 146-148.

26. Сараев Ю.Н., Безбородов В.П. Структура и механические свойства неразъемных соединений из низколегированных марганцовистых сталей / Научные чтения им. чл.-корр. РАН И.А. Одинга «Механические свойства современных конструкционных материалов». Москва. 10-12 сентября 2012 г. / Сборник материалов. - М.: ИМЕТ РАН, 2012 г. - 292 с. - С. 232-234.

27. Сараев Ю.Н., Безбородов В.П., Демьянченко А.А., Чинахов Д.А., Слепцов О.И., Голиков Н.И. Формирование структуры и свойства зон сварных соединений и наплавленных покрытий в условиях импульсных изменений энергетических параметров и регулируемого тепломассопереноса при их получении / Материалы Всероссийской научно-практической конференции «Сварка и безопасность»: в 2 т. Том 1. - Якутск: Офсет, 2012. - 281 с. - С. 139-151.

28. Сараев Ю.Н., Безбородов В.П., Слепцов О.И., Голиков Н.И. Повышение безопасности конструкций улучшением свойств сварных соединений // Безопасность и живучесть технических систем: Труды IV Всероссийской конференции. В 2 т. / Научн. ред. В.В. Москвичев. - Красноярск: Институт физики им. Л.В. Киренского СО РАН, 2012. - Т. 2. - С. 144-148.

29. Безбородов В.П. Структурные модели строения и свойства композиций с защитными покрытиями / Материалы 10-й международной научно-технической конференции «Новые материалы и технологии: порошковая металлургия, композиционные материалы, защитные покрытия, сварка», г. Минск: Беларуская навука, 2012 г. - С. 241-244.

30. Сараев Ю. Н., Безбородов В.П. Влияние энергетических параметров процесса сварки на структуру и свойства сварных соединений низколегированных сталей // Сварочное производство. - 2012. - № 8. - с. 3-5.

31. Патент № 2410216 «Способ адаптивной импульсно-дуговой сварки», приоритет от 16 июня 2008 года, зарегистрирован 27 января 2011 года.

Научный руководитель проекта

РФФИ № 10 - 08 - 01109а, д.т.н. Ю.Н. Сараев

Приложение 1

Размещено на Allbest.ru