Износостойкость в условиях абразивного изнашивания и фреттинга образцов из жаропрочного кобальтового сплава, полученных методом селективного лазерного плавления

Размещено на http://www.allbest.ru/

ИЗНОСОСТОЙКОСТЬ В УСЛОВИЯХ АБРАЗИВНОГО ИЗНАШИВАНИЯ И ФРЕТТИНГА ОБРАЗЦОВ ИЗ ЖАРОПРОЧНОГО КОБАЛЬТОВОГО СПЛАВА, ПОЛУЧЕННЫХ МЕТОДОМ СЕЛЕКТИВНОГО ЛАЗЕРНОГО ПЛАВЛЕНИЯ

Т.В. Тарасова, А.П. Назаров, Ю.И. Шалапко

Аннотация

износостойкость кобальтовый сплав лазерный

В статье представлены результаты на абразивную износостойкость и изнашивание при фреттинге образцов полученных методом селективного лазерного плавления. Материал для изготовления образцов - порошок жаропрочного кобальтового сплава CoCrMo.

Ключевые слова

Селективное лазерное плавление, жаропрочный кобальтовый сплав, абразивное изнашивание, фреттинг

***

Введение. Сущность селективного лазерного плавления (СЛП) заключается в поочередном нанесении порошкового слоя материала и проплавлении его с помощью лазерного луча. В отличие от классического формообразования, где от заготовки «отсекается» все лишнее и за счет этого получается деталь, при аддитивном производстве деталь «выращивается» послойным добавлением и наложением материала. Такая технология позволяет создавать уникальные по своей геометрии изделия на основе трехмерных компьютерных моделей за один технологический цикл, устраняет многие геометрические ограничения последовательных процессов металлообработки, которые обычно частично девальвируют функциональность детали либо усложняют процесс сборки [1-3]. Использование метода СЛП может сократить время изготовления и себестоимость сложнопрофильных деталей при единичном и мелкосерийном производстве, за счет отсутствия стадии создания специального инструмента и сокращения количества технологических этапов, а широкий спектр порошкового материала и универсальность лазерной обработки дает возможность синтезировать новые материалы и покрытия [4-7].

Одними из перспективных порошковых материалов являются жаропрочные сплавы на основе кобальта. Сложнопрофильные детали, изготовленные методом СЛП из порошкового материала на основе жаропрочных кобальтовых сплавов, могут найти широкое применение в аэрокосмической, энергетической, машиностроительной отрасли, а также в области точной механики [8-9]. Проведения новых исследований прочностных характеристик поверхности деталей, полученных методом СЛП и дальнейшее развитие данной технологии с целью получения гарантированных свойств материала, является актуальной задачей современного машиностроения [10,11].

В работе представлены исследования износостойкости жаропрочных кобальтовых сплавов, полученных методом СЛП в условиях абразивного изнашивания и фреттинга. Изнашивание при фреттинге - механическое изнашивание тел, пребывающих в контакте, в условиях малых тангенциальных относительных перемещений [12]. Амплитуды перемещений при фреттинге составляют от 0,025 мкм до 0,5 мм. В результате фреттинга возникает повреждение в заклёпочных, резьбовых, шлицевых, шпоночных, штифтовых соединениях; в посадках деталей с натягом; в стальных канатах, шарнирах, муфтах, рессорах, клапанах, регуляторах электрических контактов, кулачковых механизмах, автоматах перекоса винтов вертолётов, деталях газотурбинных двигателей.

Методика проведения исследований. В качестве исходного материала для изготовления опытных образцов и деталей был выбран порошок на основе жаропрочного сплава CoCrMo, полученный газовой атомизацией. Изготовление сложнопрофильных деталей и опытных образцов осуществлялось по оптимальным параметрам СЛП (табл. 1), определенным в работе [8], на отечественной установке для селективного лазерного плавления (ПТК-ПС).

Табл. 1. Оптимальные параметры для изготовления деталей методом СЛП на установке ПТК-ПС

Опытные образцы, полученные СЛП, подвергались последующей термообработке: пять часов на воздухе при температуре 500⁰С, три часа на воздухе при температуре 730⁰С, два часа в вакууме при температуре 1050⁰С.

Определение механических свойств: предела прочности на растяжение, предела текучести, относительного удлинения - проводилось согласно ГОСТ 1497-84 на испытательной машине MTS Insight 100 (фирмы MTS Systems Corporation, США). Ударная вязкость измерялась согласно ГОСТ 4647-80 на испытательной машине Walter and Bai PH 50 (Швейцария). Измерение твердости опытных образцов изучали с применением стандартной методики на автоматическом твердомере ERCOTEST DIGI 25RS.

Износостойкость в условиях абразивного изнашивания определяли с помощью высокоточного прибора kaloMAX NT (Германия) по схеме, представленной на рис. 1, а. Контртело - стальной шар (100Сr6, классификация по DIN) диаметром 30 мм. Путь трения составлял 1400 - 1500 м, нормальная нагрузка на образец - 0,54 Н, время испытания 30 минут. В область контакта периодически дозировалась абразивная суспензия. Результатом трения и изнашивания было образование лунки на поверхности образца (рис. 1, б).

Рис. 1. Схема испытаний на износостойкость (а). Лунка, образующаяся на испытуемом образце (б)

Расчет интенсивности изнашивания проводился по формуле:

V_r = (р•h²·(3r-h))/(S•F_K),

где V_r - коэффициент износа, м³/(м•Н);

h - глубина лунки, м;

r - радиус шара, м;

S - путь трения, м;

F_K - нормальная нагрузка, Н.

Для воспроизведения контактного взаимодействия деталей, изготовленных селективным лазерным плавлением из порошка сплава CoCrMo, в условиях изнашивания при фреттинге, была использована специальная установка для исследования образцов на «фреттинг-износ» по схеме шар - плоскость. Технические характеристики данной установки приведены в табл. 2, принципиальная схема установки изображена на рис. 2.

Табл. 2. Технические характеристики установки для воспроизведения малоамплитудного фреттинга

Контртело 5 (рис. 2) в виде стального шара (ШХ 15, HRC 59…61) диаметром 12,7 мм находится в контакте с плоскостью образца 4. С целью максимальной виброизоляции испытываемого образца 4 механическая система 10 расположена на отдельной массивной основе весом 300 кг. Образец 4 вместе с тензометрической балкой 3 крепится на отдельной основе массой 250 кг.

Рис. 2. Принципиальная схема установки для исследования динамических фрикционных явлений малоамплитудного фреттинга: 1 - основа, 2 - держатель образца, 3 - тензодатчики, 4 - образец, 5 - контртело, 6 и 7 - датчики микроперемещений, 8 - держатель контртела; 9 - пружинный элемент нормальной нагрузки; 10 - виброгенератор

Установка работает следующим образом - в зажим держателя образца 2 крепят образец 4, а контртело 5 - в держатель 8. С помощью пружины 9 создается нормальная нагрузка в контакте, величину которой контролируют с помощью динамометра. Тангенциальные знакопеременные нагрузки создаются в контакте с помощью виброгенератора 10.

Критерием износостойкости при фреттинге было принято увеличение величины относительного проскальзывания в контакте, изнашивание пятна контакта и вид петли гистерезиса.

Для автоматизации процесса измерения и записи осциллограмм тангенциальных микроперемещений (фиксации сигналов через определенные промежутки времени) был применен аппаратно-программный комплекс, который состоит из следующих частей: измерительная приставка, программа контроля измерительного процесса, модуль обработки полученных сигналов.

В качестве измерительной приставки при выполнении исследований использовали аналогово-цифровой преобразователь на базе интегральной микросхемы К155ІР22 и USB осциллографа ВМ8020. Измерительный прибор на базе интегральной микросхемы К155ІР22 позволяет выполнять одновременные измерения сигналов от датчиков перемещения и силы трения с частотой 650 измерений в секунду.

Прибор работает под управлением специальной контролирующей программы. Поскольку измерительный сигнал нужно контролировать на протяжении достаточно большого промежутка времени, управляющая программа позволяет исполнять измерения в разные промежутки времени с разным интервалом между каждым измерением. Кроме того, записывая входной сигнал в файл, программа одновременно отображает входные сигналы на экране. Существует возможность отображать как один, так и два сигнала одновременно. Такой режим позволяет точно оценить размах и форму сигналов еще на начальном этапе проведения испытаний. Полученный файл-результат поддается последующей обработке, в результате которой происходит его визуализация, как в режиме наложения сигналов, так и в режиме получения петли гистерезиса. На рис. 3 показаны входные сигналы силы трения и относительного микроперемещения для каждого канала отдельно.

Рис. 3. Главное меню программы для визуализации и обработки сигналов: 1 - кривая перемещения, 2 - кривая силы трения

Соответственно кривым «сила трения - относительное микроперемещение» были получены соответствующие петли гистерезиса после фильтрации по двум и трем точкам (рис. 4).

Рис. 4. Построение петли гистерезиса: а - реальный сигнал, б - отфильтрованный сигнал по двум точкам, в - отфильтрованный сигнал по трем точкам

Для фильтрации аналоговых сигналов большой зашумленности было применено быстрое преобразование Фурье (далее БПФ). С помощью БПФ временной ряд переводится в частотную область. Высшие гармоники отсеваются, а потом снова с помощью обратного БПФ обеспечивается возвращение к часовому представлению сигнала.

Развитие деструктивных явлений в номинально неподвижном фрикционном соединении при знакопеременной тангенциальной нагрузке позволяет идентифицировать режимы контактного взаимодействия в соединении и определить их временные рамки [13]. Для установления связи между динамическими характеристиками контакта и разрушением номинально неподвижного фрикционного соединения была применена система характеристик фреттинг-процесса, предусматривающая обработку фрикционных петель гистерезиса (рис. 5).

Рис. 5. Гистерезисная петля фреттинг-процесса

Основной характеристикой изнашивания при фреттинге считался коэффициент проскальзывания Z, который определяли по формуле:

Z=д_S/д_?, (1)

где д_S - амплитуда относительного перемещения контртела (шара) относительно испытываемого образца, мкм;

д_? - суммарная амплитуда перемещения контртела (шара) относительно испытываемого образца и испытываемого образца под действием тангенциальной нагрузки относительно начального положения, мкм.

Из рис. 5 и формулы 1 видно, что при Z>0 отсутствуют какие-либо микроперемещения и номинально неподвижное фрикционное соединение находится в состоянии абсолютного сцепления, что может быть принято как начальное состояние сопряженных поверхностей. В процессе эксплуатации соединения происходит развитие деструктивных фреттинг-процессов, амплитуда проскальзывания постепенно увеличивается и контакт переходит в режим глобального проскальзывания. В конечном итоге номинально неподвижное фрикционное соединение переходит в режим возвратно-поступательного движения (Z>1).

Эволюция гистерезесных петель для номинально неподвижного фрикционного соединения в условиях знакопеременной тангенциальной нагрузки изображена на рис. 6. Значения коэффициента проскальзывания для различных режимов работы номинально неподвижного фрикционного соединения приведены в табл. 3.

Рис. 6. Глобальная эволюция гистерезисных петель: а - режим сцепления, б - режим частичного проскальзывания, в - смешанный фреттинг-режим, г - режим динамического сцепления-проскальзывания, д - режим возвратно-поступательного движения

Табл. 3. Значения коэффициента проскальзывания для различных режимов работы номинально неподвижного фрикционного соединения

Результаты исследований и их обсуждение. Исследовано влияние режимов селективного лазерного плавления и последующей термообработки на физико-механические свойства опытных образцов. Результаты сравнительных механических испытаний приведены в табл. 4. Анализ полученных данных показывает, что механические характеристики опытных образцов гораздо выше, чем у литого сплава-аналога (за исключением относительного удлинения), что часто наблюдается у сплавов, полученных в результате лазерной обработки с оплавлением [9]. Также из табл. 4 видно, что отжиг в течение двух часов в вакууме при температуре 1050⁰С практически не влияет на физико-механические свойства опытных образцов.

Табл. 4. Механические характеристики образцов, полученных селективным лазерным плавлением на установке ПТК-ПС и литого сплава КХС-«Д»

Влияние режимов селективного лазерного плавления и последующей термообработки на износостойкость в условиях абразивного изнашивания образцов из литого сплава-аналога и образцов, изготовленных методом СЛП, приведены в табл. 5. СЛП проводили по установленным преимущественным режимам (см. табл. 1). Из табл. 5 видно, что интенсивность изнашивания для СЛП-образцов в 1,7 - 1,5 раза меньше, чем у литого сплава-аналога, и практически не зависит от последующей термообработки. В процессе термообработки происходит снятие внутренних напряжений и выделение мелкодисперсных карбидов, способствующих повышению износостойкости [8]. Внешний вид лунок, образующихся на поверхности испытываемых образцов, приведен на рис. 7.

Табл. 5. Значение интенсивности изнашивания для образцов, полученных СЛП на установке ПТК-ПС и литьем из сплава КХС-«Д»

Рис. 7. Внешний вид лунок, образующихся на поверхности испытываемых образцов: а - СЛП-образец (сплав CoCrMo), б - литой образец из сплава-аналога (сплав КХС-«Д»)

Результаты исследования, полученные при моделировании работы номинально неподвижного фрикционного соединения, позволяют проследить протекание деструктивных процессов в контакте и определить качественные и количественные характеристики сопряжения с точки зрения обеспечения целостности соединения.

Под действием знакопеременных тангенциальных возмущений характерные проявления фрикционного взаимодействия проявляются в течение первых циклов нагружения.

Характерным для данного периода работы номинально неподвижного фрикционного соединения является то, что проскальзывание происходит на дискретных зонах контактирования, как правило, на периферии контакта. В то же время в большинстве зон фактического контакта проскальзывание отсутствует. Такое поведение объясняется тем, что в режиме частичного проскальзывания в связи со значительной градацией тангенциальных напряжений по поверхности контакта происходит «расшатывание» на отдельных участках контакта и разрушение поверхностей контурного контакта по механизму малоамплитудного фреттинга. При этом на местах проскальзывания наблюдаются характерные признаки протекания фреттинг-процессов: наличие порошкообразных продуктов изнашивания, разрушение поверхностных слоев контакта, отсутствие отвода продуктов изнашивания из пятна контакта.

Дальнейшая работа номинально неподвижного фрикционного соединения в таких условиях ведет к разрушению поверхности материала за счет малоамплитудного фреттинга на периферии контакта. В местах наибольших тангенциальных напряжений, а следовательно, максимальных относительных смещений, происходит накопление продуктов износа и в результате - уменьшение эффективной площади контакта. В соответствии с уменьшением эффективной площади контакта происходит уменьшение площади, воспринимающей нагрузку. Протекание данных процессов свидетельствует о переходе из режима частичного проскальзывания в смешанный фреттинг-режим (рис. 8).

Рис. 8. Переходные процессы в пятне контакта при смене режима частичного проскальзывания на смешанный фреттинг-режим (схема контакта - «шарик-плоскость», тангенциальных нагрузка - 40 Н, нормальная нагрузка - 60 Н, частота возмущения - 100 Гц)

В смешанном фреттинг-режиме в зоне проскальзывания протекают процессы окисления и разрушения физико-механических связей, в то время как в зоне сцепления разрушение происходит за счет циклического упругопластического деформирования по механизму малоцикловой контактной усталости. Процесс разрушения локальных мест сопровождается образованием окислов металла, адсорбцией из воздуха молекул воды. Объем этих продуктов превышает объем разрушенного материала, что приводит к увеличению давления в контакте. При дальнейшем увеличении нормального давления, вследствие накопления продуктов износа, в межконтактном пространстве частицы окислов превращаются в плотные и твердые скопления, играющие роль абразива в присутствии свободных металлических участков.

С точки зрения динамики для контактной пары переход от режима частичного проскальзывания к смешанному фреттинг-режиму, а в конечном итоге переход к режиму динамического сцепления-проскальзывания характеризуется наличием определенного запаздывания силы трения (рис. 9, а). Данное запаздывание связано с неупругими явлениями в контакте и протеканием разрушительных процессов (рис. 9, б).

Рис. 9. Динамическое определение переходов между режимами работы номинально неподвижного фрикционного соединения:

а - осциллограммы перехода от частичного проскальзывания к смешанному фреттинг-режиму, б - характерный фрикционный гистерезис

Дальнейшее развитие деструктивных процессов в номинально неподвижном фрикционном соединении приводит к приближению соотношения размера зоны сцепления и зоны проскальзывания до некоторого критического значения, при котором наступает момент проскальзывания по всему пятну контакта. Такое состояние характеризуется динамическим непостоянством контакта, при котором малейшее изменение любого параметра приводит к переходу в режим динамического сцепления-проскальзывания. В отличие от смешанного фреттинг-режима, наблюдающегося всегда в пределах пятна контакта, для режима динамического сцепления-проскальзывания ключевой становится характеристика трения в контакте. Границы режима динамического сцепления-проскальзывания считаются такими, при которых смещения поверхностей соизмеримы с величиной упруго-пластической деформации контакта, но не более размеров контура пятна контакта.

В процессе дальнейшего увеличения нагрузки в контакте происходит увеличение величины относительных смещений с одновременным разрушением неровностей поверхностей. При постепенном увеличении числа циклов нагружения размер пятна контакта увеличивается в направлении проскальзывания, достигая момента, когда деформированное пятно контакта полностью смещается из первоначальной зоны. Происходит интенсивный вывод продуктов износа из зоны контакта с потерей характера жесткой посадки и разрушением соединения с точки зрения его функциональности.

Результаты сравнительных испытаний кинетики разрушения номинально неподвижного фрикционного соединения приведены на рис. 10.

Литой сплав-аналог (рис. 10) при количестве циклов нагружения до 360000 обладает более низким коэффициентом проскальзывания. Однако после 360000 циклов нагружения коэффициент проскальзывания для литого сплава аналога начинает резко расти и при 5000000 циклов нагружения выравнивается с коэффициентом проскальзывания для сплава CoCrMo, полученного селективным лазерным плавлением. Данное явление объясняется меньшей твердостью сплава-аналога, примерно на 10 HRC в сравнении со сплавом CoCrMo (36 HRC против 46 HRC), что приводит к более плотному контакту образца из литого сплава-аналога с контртелом при номинальной нагрузке 60Н. Впоследствии меньшая твердость сплава-аналога сказывается, и коэффициент проскальзывания начинает круто расти, что особенно заметно при смешанном фреттинг-режиме и режиме динамического сцепления-проскальзывания (рис. 10) и выравнивается с коэффициентом проскальзывания для сплава CoCrMo, полученного селективным лазерным плавлением, при 5000000 циклов. Однако, результаты перехода к глобальному проскальзыванию для сплава - аналога являются более катастрофичными, как по износу так и по критерию проскальзывания. Это объясняется накоплением контактных усталостных явлений в период номинального сцепления (до 4 млн. циклов) и локального схватывания в стадии начала перехода к скольжению (рис. 11). Таким образом, наибольший эффект повышения износостойкости в условиях фреттинга для деталей полученных методом СЛП из сплава CoCrMo будет проявляться при долговременной эксплуатации. Данный результат был получен при фиксированной тангенциальной нагрузке в 40 Н и нормальной нагрузке в 60 Н и является достаточно критичным к изменению нормальной нагрузки. Следует заметить что, структура материала полученного методом СЛП при определенной нормальной нагрузке, обладает значительными диссипативными свойствами , что особенно проявилось при нормальной нагрузке 60 Н. Расширение диапазона нормальной нагрузки, как ведущего фактора обеспечивающего целостность сопряжения при монтаже конструкции либо сборке соединений, является важной технологической задачей СЛП для обеспечения износостойкости поверхностных слоев в условиях фреттинга.

Таким образом, детали, полученные селективным лазерным плавлением из сплава CoCrMo, можно рекомендовать для эксплуатации в условиях фреттинга, ресурс данных деталей в условиях фреттинга при тангенциальной нагрузке в 40 Н и нормальной нагрузке в 60 Н составляет 5000000 циклов.

Рис. 10. Кинетика разрушения номинально неподвижного фрикционного соединения: 1 - селективное лазерное плавление (сплав CoCrMo), 2 - литье (сплав-аналог КХС-«Д»)

Развитие деструктивных процессов в пятне контакта номинально неподвижного фрикционного соединения при изнашивании в условиях фреттинга изображено на рис. 11.

Рис. 11. Развитие деструктивных процессов в пятне контакта номинально неподвижного фрикционного соединения при изнашивании в условиях фреттинга, количество циклов нагружения от 2160000 до 4320000

Заключение. Преимущественные режимы селективного лазерного плавления определяют следующие характеристики изготовленных опытных образцов: плотность - с=8,3±0,1 г/cм³, твердость составляет 42±4 HRC, точность линейных размеров составляет ±0,06 мм, шероховатость поверхности - Ra 8±2 мкм, предел текучести - у_0,2 =1000±150 МПа, предел прочности - у_B =1250±150 МПа, относительное удлинение - не менее д=6%, ударная вязкость - KCU 21±1 Дж/см². Это позволяет изготавливать сложнопрофильные детали для эксплуатации при высоких механических нагрузках.

Сравнительные испытания износостойкости показали, что коэффициент износа СЛП-образцов в 1,7 - 1,5 раза меньше, чем у образцов из литого сплава-аналога и составляет (3,3±0,2)•10^-15 м³/(м•Н). Коэффициент износа для СЛП-образцов практически не зависит от последующей термообработки. Таким образом, можно рекомендовать разработанный технологический процесс для изготовления сложнопрофильных деталей, работающих в условиях повышенного износа и высоких температур.

Износостойкость СЛП-образцов в условиях фреттинга не уступает износостойкости образцов из литого сплава-аналога. При достижении 5 млн. циклов величина проскальзывания выравнивается по сравнению с сплавом - аналогом КХС-«Д». Из-за повышенной твердости СЛП - образцы показывают большее проскальзывание и меньший износ пятна контакта, а сплав - аналог большую повреждаемость поверхности при долговременных испытаниях на фреттинг. При достижении 5 млн. циклов величина проскальзывания выравнивается по сравнению с сплавом - аналогом КХС-«Д».

Литература

1. Шишковский И.В. Лазерный синтез функционально - градиентных мезоструктур и объемных изделий. - М.:ФИЗМАТЛИТ, 2009 - 424 с.

2. I. Gibson, D.W. Rosen, B. Stucker. Additive Manufacturing Technologies: Rapid Prototyping to DirectDigital Manufacturing. Springer, New York, NY, 2009

3. Григорьев С.Н. Решение задач технологического перевооружения машиностроения // ИТО: Инструмент - технология - оборудование. 2008. № 10. С. 14-19.

4. Григорьев С.Н., Тарасова Т.В., Гвоздева Г. О., Новотни С. Микро-лазерная наплавка сплавов системы Al-Si // Металловедение и термическая обработка металлов.- М.: Машиностроение.-№5-2013 г.

5. Григорьев С.Н., Фоминский В.Ю., Гусаров А.В. Микро - и наноструктурные особенности Au-Ni сплавов, полученных на никеле при различных режимах импульсного лазерного легирования // Металловедение и термическая обработка металлов.- М.: Машиностроение.-№01-2012 г.

6. Григорьев С.Н., Романов Р.И., Фоминский В.Ю. Зависимость механических и трибологических свойств алмазоподобных углеродных покрытий от режимов лазерного осаждения и легирования металлами // Трение и износ. 2012. Т. 33. №4. С. 342-350.

7. Fominskii V.Y., Romanov R.I., Grigoriev S.N., Nevolin V.N. Effect of the pulsed laser deposition conditions on the tribological properties of thin-film nanostructured coatings based on molybdenum diselenide and carbon // Technical Physics. The Russian Journal of Applied Physics. 2012. T. 57. №4. C. 516-523.

8. Тарасова Т.В., Назаров А.П. Исследование процесса селективного лазерного плавления жаропрочных кобальтовых сплавов // Вестник МГТУ «СТАНКИН», 2013, № №2 (25). С. 17-21.

9. Тарасова Т.В. Перспективы использования лазерного излучения для повышения износостойкости коррозионно-стойких сталей // Металловедение и термическая обработка металлов, 2010, №6. - С. 54-58.

10. S. Kumar , J-P Kruth. Wear Performance of SLS/SLM Materials Advanced Engineering Materials 2008, 10, No. 8

11. Y. Pupo, J. Delgado, L. Serenу, J. Ciurana Scanning Space Analysis in Selective Laser Melting for CoCrMo Powder. Procedia Engineering Volume 63, 2013, Pages 370-378

12. Гура Г. С. Качение тел с трением. Фреттинг [текст] : монография / Г. С. Гура. -- Сочи: 2009. -- 295 с.

13. Jurij Shalapko, Norbert Radek / Dynamic motion into contact with microslip. Surface observation, experiment and simulation // Technolog, Zilina (ISSN 1337-8996)- v.2-2011-pp.15-20

Размещено на Allbest.ru