К.техн.н., проф. Мажейка А.И., Мажейка В.А.

ЛАЗЕРНЫЕ КОМПОЗИЦИОННЫЕ ПОКРЫТИЯ

В промышленности при восстановлении деталей, как правило, используют наплавочные методы из нанесениям металопокрытий из проволоки СВ-08, ЗОХГСА, НП70 и других марок, под слоем флюса, в середовищ1 СО2. Лазерной обработке таких металлопокрытий характерны закономерности, обнаруженные при обработке стандартных сталей аналогичного химического состава [1].

При наплавке| создается слой, состав|склад| и свойства| которого|какого|, в основ­ном |, определяются свойствами наплавленного материала и технологическими параметрами процеса|. Наплавляемый материал| может быть нанесен в виде порошка, провода|проволоки|, ленты, фольги и др. Широкое применение в технологиях лазерной наплавки находит |порошковая наплавка|, которая требует  минимальных энергетических затрат и обеспечивает высокую  |ввысокуювпо сравнению с другими способами производительность процесса. Существует несколько разновидностей процесса лазерного порошковой  наплав­ки|, которые|какие| отличаются способом подачи присадочного| материала в зону действия лазерного луча: в виде ликерной обмазки (ЛНШО), с подачей по­рошка| непосредственно в зону обработки струей транспортирующего газа (ГПЛН) и нанесениям| порошка на поверхность в виде| газотермических| или гальванических покрытий. Каждому из названных методов свойственные определенные преимущества и недостатки, которые|какие| регламентируют область их| использования|употребления|. Наиболее важными моментами, которые| определяют применение конкретного способа| наплавки|     есть структура излучения  |, конфигурация| наплавляемой поверхности, необходимая| толщина наплавленного слоя и состав присадочного| материала.

Особый интерес при лазерной наплавке представляют композиционные материалы - нитриды алю­миния, кремния и бора, карбид кремния и ряд других, которые обладают рядом полезных свойств. Они тугоплавки, являются диэлектриками с от­носительно высокой теплопроводностью и химически ус­тойчивы в агрессивных средах [3].

Однако высокотемпературные свойства этих матери­алов, такие как температура плавления, устойчивость при нагреве, не изучены.

В  данной работе прово­дился лазерный нагрев нитридов алюминия, кремния и бора в атмосфере буферного газа азота высокого давле­ния (для подавления диссоциации), определялась темпе­ратура плавления этих веществ и измерялась толщина пленки проплава на поверхности. Для нитрида алюми­ния найдена интенсивность излучения, при которой тол­щина этой пленки максимальна. Для интерпретации ре­зультатов этих экспериментов необходимо более под­робное рассмотрение лазерного нагрева указанных ма­териалов. Как известно [1,4], процесс лазерного нагрева конден­сированного вещества состоит из двух этапов. На первом этапе вся поглощенная энергия тратится в основном на разогрев материала, причем тепло отводится внутрь образца теплопроводностью, а глубина прогрева пропорциональна соотношению температуропроводности материала и времени нагрева. Испарение, являясь резкой функцией тем­пературы, остается слабым вплоть до достижения так на­зываемой температуры развитого испарения.

При достижении указанной температуры скорость движения межфазной границы конденсированное веще­ство-пар скачком увеличивается до стационарной, рост температуры прекращается, начинается интенсивное ис­парение и разрушение поверхности. Очевидно, что пленка проплава имеет максимальную толщину при нагреве по­верхности до температуры, близкой снизу к температуре развитого испарения. Понятно, что при этом температура плавления должна быть ниже температуры разви­того испарения. Если температура поверхности равна температуре развитого испарения, то профиль темпера­туры у поверхности   имеет скачкообразный  вид.

  Для определения глубины проплава рассмотрим разви­тое испарение и рассчитываем его температуру. Изменение температуры поверхности при нагреве из­лучением с постоянной интенсивностью в отсутствие ис­парения описывается решением одномерного уравнения теплопроводности для полубесконечного тела [2].

     Проведенное рассмотрение позволяет описать нагрев и плавление нитридов в условиях проведенных экспериментов  Зависимость глубины проплава от интенсивности излу­чения для нитрида алюминия и граница области применимости модели с плоским нагревом подтверждают  вышесказанное.

         Оценка глубины проплава нитрида бора в условиях экспериментов  представляет h_т =11 мкм., для карбида кремния h_{m =} 27 мкм.  Глу­бина проплава мала вследствие очень низкой теплопро­водности в с-направлении пиролитического нитрида бо­ра (BN) [2], с которым проводились эксперименты . Нами обнаружено, что после достижения температуры разви­того испарения рост яркостной температуры продолжа­ется . Данный факт связывается в [3] с увеличением излучательной способности нитрида бора при появлении на его поверхности пленки жидкого бора вследствие диссоциации . Видимо, в данном случае происходит также и реальный разогрев пленки бора, которая, экранируя нитрид бора, дает воз­можность поверхности нагреться выше температуры развитого испарения нитрида бора.

Этот вывод подтверждается результатами  наших экспери­ментов , где изучался нагрев нитрида кремния при раз­личных давлениях азота. При Р_о = 185 МПа на термо­грамме обнаружено, как и у нитрида бора, резкое замедление темпа нагрева, которое интерпретировано как пла­вление нитрида кремния . По-видимому, как и в случае с BN, мы имеем дело с началом развитого испарения и последующим разогревом пленки кремния, которая образуется при диссоциации нитрида . При давлении азота 50 МПа температура поверхности четко выходит на постоянный уровень . Оценка давления насыщенных паров Si₃N4 при этой температуре (Т* ~ 2700 К)   дает Р_s~ 90 МПа, поэтому пленка кремния просто сбрасывается разлетающимися парами и перегрев поверхности отсут­ствует. Приведенные соображения позволяют сделать вывод о том, что  температура плавления Si₃N4 не была достигнута, так как температура развитого испаре­ния материала оказалась ниже температуры плавления.

 Выводы. В результате проведенных исследований уста­новлена| возможность лазерной наплавки| композиционных материалов на сталь­ные| и чугунные| поверхности, исследованны  зависимости энергии переплавки от толщины шликерных| обмазок.

     Таким образом, проведенное рассмотрение выявляет процессы, сопровождающие лазерный нагрев нитридов, и позволяет определить степень влияния различных па­раметров на глубину проплава, что может иметь приме­нение в технологии.

     Данные опыты позволяют рекомендовать процесс ЛНШО для упрочнения и восстановления|восстановления| ряда ответственных деталей сельскохозяйственных и транспортних машин.

Литература:

•1.Архипов В. Е., Биргер Е. М. Технологические особенности| лазерной| порошковой наплавки|. // Свароч. пр-во|. 1986 № 3. с. 8.

•2.Анисимов С.И.,Имас Я.И., Романов Р.С., Ходыко Ю.В. Действие излучения большой мощности на металлы - М., Наука, 1970, - 409 с.

•3.Самсонов Г.В. Неметаллические нитриды - М., Металургія, 1969, -     286 с.

•4.Рэди Дж. Действие мощного лазерного источника. - М., Мир, 1974,-434с.

Залиште коментар!