RU2759102C1 - Method for laser gas-powder surfacing of protective coatings - Google Patents
Method for laser gas-powder surfacing of protective coatings Download PDFInfo
- Publication number
- RU2759102C1 RU2759102C1 RU2020131465A RU2020131465A RU2759102C1 RU 2759102 C1 RU2759102 C1 RU 2759102C1 RU 2020131465 A RU2020131465 A RU 2020131465A RU 2020131465 A RU2020131465 A RU 2020131465A RU 2759102 C1 RU2759102 C1 RU 2759102C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- surfacing
- powder
- product
- metal
- bead
- Prior art date
Links
Images
Classifications
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- B23K—SOLDERING OR UNSOLDERING; WELDING; CLADDING OR PLATING BY SOLDERING OR WELDING; CUTTING BY APPLYING HEAT LOCALLY, e.g. FLAME CUTTING; WORKING BY LASER BEAM
- B23K26/00—Working by laser beam, e.g. welding, cutting or boring
- B23K26/34—Laser welding for purposes other than joining
- B23K26/342—Build-up welding
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C23—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; CHEMICAL SURFACE TREATMENT; DIFFUSION TREATMENT OF METALLIC MATERIAL; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL; INHIBITING CORROSION OF METALLIC MATERIAL OR INCRUSTATION IN GENERAL
- C23C—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; SURFACE TREATMENT OF METALLIC MATERIAL BY DIFFUSION INTO THE SURFACE, BY CHEMICAL CONVERSION OR SUBSTITUTION; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL
- C23C26/00—Coating not provided for in groups C23C2/00 - C23C24/00
- C23C26/02—Coating not provided for in groups C23C2/00 - C23C24/00 applying molten material to the substrate
Landscapes
- Chemical & Material Sciences (AREA)
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Mechanical Engineering (AREA)
- Physics & Mathematics (AREA)
- Optics & Photonics (AREA)
- Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
- Materials Engineering (AREA)
- Metallurgy (AREA)
- Organic Chemistry (AREA)
- Plasma & Fusion (AREA)
- Other Surface Treatments For Metallic Materials (AREA)
- Application Of Or Painting With Fluid Materials (AREA)
Abstract
Description
Изобретение относится к технологии нанесения износостойких и коррозионностойких порошковых материалов на подложку с использованием лазерного излучения для увеличения коррозионной стойкости и износостойкости деталей и узлов запорной арматуры.The invention relates to a technology for applying wear-resistant and corrosion-resistant powder materials to a substrate using laser radiation to increase the corrosion resistance and wear resistance of parts and assemblies of valves.
Цель изобретения обеспечить равномерную высоту нанесенного покрытия, что повышает качество наплавляемого слоя, повысить равномерность сплавления с основным металлом изделия и обеспечить повышение эрозионной стойкости металла детали в условиях кавитационной эрозии.The purpose of the invention is to provide a uniform height of the applied coating, which improves the quality of the deposited layer, to increase the uniformity of fusion with the base metal of the product and to ensure an increase in the erosion resistance of the metal of the part under conditions of cavitation erosion.
Известен способ нанесения наплавки лучом лазера (патент RU 2297310 C2), он включает предварительный нагрев детали, формирование подслоя, получение слоя наплавки путем подачи порошка на обрабатываемую поверхность и облучения ее лучом лазера в течение 0,005-2,0 с. Предварительный нагрев детали проводят до 300-400°С. Последующее облучение проводят лучом лазера с плотностью мощности излучения 104-106 Вт/см2 таким образом, чтобы глубина проплавления подслоя составляла 0,3-0,7 его толщины, при этом отношение толщины слоя наплавки к толщине подслоя выдерживают в пределах (1-3):1. Отпуск осуществляют при температуре 300±20°C с выдержкой в течение 1±0,2 часа с последующим охлаждением на воздухе. Техническим результатом изобретения является нанесение бездефектной износостойкой наплавки лазерным лучом на чугун и высокоуглеродистые стали.There is a known method of deposition of surfacing with a laser beam (patent RU 2297310 C2), it includes preliminary heating of the part, the formation of an underlayer, obtaining a surfacing layer by supplying a powder to the surface to be treated and irradiating it with a laser beam for 0.005-2.0 s. The part is preheated to 300-400 ° C. Subsequent irradiation is carried out with a laser beam with a radiation power density of 104-106 W / cm 2 so that the penetration depth of the sublayer is 0.3-0.7 of its thickness, while the ratio of the thickness of the surfacing layer to the thickness of the sublayer is maintained within (1-3 ):1. Vacation is carried out at a temperature of 300 ± 20 ° C with exposure for 1 ± 0.2 hours, followed by cooling in air. The technical result of the invention is the application of a defect-free wear-resistant surfacing with a laser beam on cast iron and high-carbon steels.
Недостатком данного способа является неопределенности в выборе шага второго и последующих валиков, что не допускается при изготовлении деталей и узлов запорной арматуры в энергетических установках и тепловых электростанциях.The disadvantage of this method is the uncertainty in the choice of the step of the second and subsequent rollers, which is not allowed in the manufacture of parts and assemblies of valves in power plants and thermal power plants.
Известен способ и устройство для лазерной наплавки с контролем в режиме реального времени процесса наплавки и размеров слоя (патент РФ № 2228243). Способ реализуется с применением средства оптического детектирования с оптоэлектрическим чувствительным элементом для выдачи электрического сигнала как функции высоты слоя наплавленного материала и регулятора с обратной связью для регулирования скорости наплавки. При изготовлении изделия оптически отслеживается высота слоя наплавленного материала. Изобретение позволяет регулировать размеры и свойства покрытия.The known method and device for laser surfacing with real-time control of the surfacing process and the size of the layer (RF patent No. 2228243). The method is implemented using an optical detection means with an optoelectric sensing element for generating an electrical signal as a function of the height of the deposited material layer and a feedback controller for regulating the deposition rate. During the manufacture of the product, the height of the deposited material layer is optically tracked. The invention makes it possible to regulate the dimensions and properties of the coating.
Недостатками данного способа является необходимость корректировки системы определения высоты под каждый материал из-за разной чувствительности используемых в способе фототранзисторов и масок, а также отсутствие способа выбора шага последующих валиков при обеспечении равномерной высоты наплавки.The disadvantages of this method are the need to adjust the height determination system for each material due to the different sensitivity of the phototransistors and masks used in the method, as well as the lack of a method for selecting the pitch of subsequent rollers while ensuring a uniform surfacing height.
Наиболее близким к заявленному техническому решению и выбранным в качестве прототипа является способ наплавки коррозионно-эрозионного порошка присадочного материала на стальную поверхность детали (патент RU 2478028 C2), он включает предварительное просеивание и прокаливание коррозионно-эрозионностойкого самофлюсующегося присадочного порошкового материала, создание на поверхности детали зоны нагрева непрерывным лазерным лучом и подачу в нее коррозионно-эрозионностойкого самофлюсующегося присадочного порошкового материала с обеспечением его расплавления и смешивания с подплавленным основным металлом изделия. Наплавку производят при перемещении лазерного луча с постоянной скоростью и неизменным положением фокуса линзы относительно наплавляемой поверхности при плотности мощности излучения q, варьируемой в пределах 5⋅108≥q≥3⋅108 Вт/см2, с соотношением подплавленного основного металла ко всему наплавленному металлу в пределах γ=5…15%.The closest to the claimed technical solution and selected as a prototype is a method of surfacing a corrosion-erosion powder of a filler material on the steel surface of a part (patent RU 2478028 C2), it includes preliminary screening and annealing of a corrosion-erosion-resistant self-fluxing filler powder material, creating a zone on the surface of a part heating with a continuous laser beam and feeding into it a corrosion-erosion-resistant self-fluxing filler powder material, ensuring its melting and mixing with the submelted base metal of the product. Surfacing is carried out when the laser beam moves at a constant speed and a constant position of the lens focus relative to the surface to be welded at the radiation power density q, varying within 5⋅10 8 ≥q≥3⋅10 8 W / cm 2 , with the ratio of the submelted base metal to the total deposited metal within γ = 5 ... 15%.
Существенным недостатком данного способа является также неопределенность в выборе шага для последующей наплавки, постоянство параметров наплавки, что при продолжительном режиме работы сказывается на изменении геометрических размеров наплавляемого покрытия, нарушению баланса энергии в зоне наплавки за счет повышения температуры подложки и увеличению внутренних дефектов в наплавляемом слое.A significant disadvantage of this method is also the uncertainty in the choice of the step for the subsequent surfacing, the constancy of the surfacing parameters, which, in a continuous mode of operation, affects the change in the geometric dimensions of the deposited coating, the disturbance of the energy balance in the surfacing zone due to an increase in the substrate temperature and an increase in internal defects in the deposited layer.
Цель изобретения - обоснование при лазерной газопорошковой наплавке шага последующих валиков для повышения качества покрытия и стабильности процесса наплавки.The purpose of the invention is to justify the step of subsequent beads in laser gas-powder surfacing to improve the quality of the coating and the stability of the surfacing process.
На фиг. 1 в системе координат x-y условно показан первый валик, на который с некоторым перекрытием будет накладываться соседний валик таких же размеров. После наплавки второго валика высота покрытия в сечении перекрытия должна быть одинаковой.FIG. 1, in the xy coordinate system, the first roller is conventionally shown, on which an adjacent roller of the same dimensions will be superimposed with some overlap. After surfacing the second bead, the height of the coating in the section of the overlap should be the same.
В способе газопорошковой лазерной наплавки поставленная задача достигается тем, что, на металлическую поверхность изделия предварительно подогретой зоны наплавки, коаксиально лазерному излучению подается в защитной среде аргона коррозионно-эрозионностойкий, самофлюсующийся присадочный порошок, происходит его расплавление и смешивание в диффузионной расплавленной ванне с подплавленным основным металлом изделия, и после нанесения единичного валика, в отличие от прототипа, с целью повышения качества поверхности наплавки и обеспечения постоянной высоты слоя, выбирают центр каждого последующего валика в зависимости от центра первого единичного валика на расстоянии где b - ширина первого единичного валика; α - коэффициент, зависящий от режима наплавки и имеющий пределы изменения 0,5< α < 0,6 с поддержанием температуры наплавляемого валика сопутствующим увеличением выходной мощности лазерного излучения на 5…7%.In the method of gas-powder laser surfacing, the task is achieved by the fact that a corrosion-erosion-resistant, self-fluxing filler powder is supplied to the metal surface of the article of the preheated surfacing zone coaxially with laser radiation in a protective medium of argon, it is melted and mixed in a diffusion molten bath with the submelted base metal products, and after applying a single bead, unlike the prototype, in order to improve the quality of the surfacing surface and ensure a constant layer height, the center of each subsequent bead is selected depending on the center of the first single bead at a distance where b is the width of the first single bead; α is a coefficient that depends on the surfacing mode and has a variation range of 0.5 <α <0.6 while maintaining the temperature of the bead being deposited with a concomitant increase in the output power of laser radiation by 5 ... 7%.
Способ осуществляется следующим образом. При выбранном режиме газопорошковой лазерной наплавки: мощности лазерного излучения, скорости наплавки, массового расхода порошка наносят единичный валик, у которого определяют ширину валика b и его высоту h по поперечному сечению центра валика.The method is carried out as follows. In the selected mode of gas-powder laser surfacing: laser radiation power, deposition rate, powder mass flow rate, a single bead is applied, in which the width of the bead b and its height h are determined along the cross section of the bead center.
Если проанализировать микрошлифы поперечных сечений лабораторных образцов после наплавки порошкового материала, то можно заметить, что поперечное сечение правильно сформированного единичного валика имеет форму, близкую к полуэллипсу, если принять за меньшую полуось эллипса высоту валика h, а меньшую полуось - половину его ширины b/2 при любых соотношениях h к b. Описание модели формы первого единичного валика позволяет определить, на каком расстоянии от центра его первого валика должен располагаться центр последующего валика при условии, что после остывания проплавленных слоев совместная высота покрытия при сложении двух валиков была неизменной, т.е. равной h.If we analyze the microsections of the cross-sections of laboratory specimens after surfacing of the powder material, we can see that the cross-section of a correctly formed single bead has a shape close to a semi-ellipse, if we take the height of the bead h as the smaller semi-axis of the ellipse, and half of its width b / 2 for the smaller semi-axis. for any ratios of h to b . The description of the model of the shape of the first single bead makes it possible to determine at what distance from the center of its first bead the center of the subsequent bead should be located, provided that after cooling of the melted layers, the joint height of the coating was unchanged when the two beads were added, i.e. equal to h .
Примем, что расстояние между центрами двух валиков равно x1 (фиг. 1). Перекрытие их происходит на расстоянии 0,5 x1 от центра каждого валика.Let us assume that the distance between the centers of the two rollers is equal to x 1 (Fig. 1). They are overlapped at a distance of 0.5 x 1 from the center of each roller.
Найдем при поставленных условиях величину x1. Поскольку уравнение эллипса в принятых нами обозначениях (см. фиг. 1) имеет видLet us find, under the stated conditions, the value x 1. Since the equation of the ellipse in our notation (see Fig. 1) has the form
Примем, что на расстоянии x =0,5x1 от центра первого валика ордината y = y1=αh. Коэффициент α учитывает, что точная форма наплавленного валика может частично отличаться от зависимости (1). При точном соответствии формы α=0,5, поправка на величину α можно получить при наплавке с помощью управляющей программы. Таким образом, при принятых условиях величину x1 - расстояние между центрами двух валиков определим из уравнения (1):Let us assume that at a distance x = 0.5 x 1 from the center of the first roller, the ordinate is y = y 1 = α h . The coefficient α takes into account that the exact shape of the deposited bead may partially differ from dependence (1). With an exact correspondence of the shape α = 0.5, the correction for the value of α can be obtained during surfacing using the control program. Thus, under the accepted conditions, the value x 1 - the distance between the centers of the two rollers, is determined from equation (1):
откудаwhere
Тогда центр последующего валика должен располагаться на расстоянии, определяемом соотношением (2).Then the center of the subsequent roller should be located at a distance determined by the relationship (2).
Эти координаты последующего валика можно указать в управляющую программу для лазерной порошковой наплавки.These coordinates of the subsequent bead can be specified in the control program for laser powder cladding.
При определении положения центра последующего валика следует учесть, что при его наплавке лазерный луч в этом случае будет направлен под некоторым углом к поверхности валика, а, кроме того, действительное уравнение поверхности наплавляемого валика может отличаться от уравнения эллипса. Поэтому после выбора режима наплавки мощность лазерного излучения последующего валика должна быть увеличена в пределах 5…7 %. Это увеличение также определяется на основе экспериментальных исследований.When determining the position of the center of the subsequent bead, it should be taken into account that when it is deposited, the laser beam in this case will be directed at a certain angle to the surface of the bead, and, in addition, the actual equation of the surface of the bead being deposited may differ from the equation of the ellipse. Therefore, after selecting the surfacing mode, the power of the laser radiation of the subsequent bead should be increased within 5 ... 7%. This increase is also determined on the basis of experimental studies.
Claims (1)
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2020131465A RU2759102C1 (en) | 2020-10-28 | 2020-10-28 | Method for laser gas-powder surfacing of protective coatings |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2020131465A RU2759102C1 (en) | 2020-10-28 | 2020-10-28 | Method for laser gas-powder surfacing of protective coatings |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU2759102C1 true RU2759102C1 (en) | 2021-11-09 |
Family
ID=78466937
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
RU2020131465A RU2759102C1 (en) | 2020-10-28 | 2020-10-28 | Method for laser gas-powder surfacing of protective coatings |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
RU (1) | RU2759102C1 (en) |
Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2789635C1 (en) * | 2022-01-21 | 2023-02-06 | Общество с ограниченной ответственностью "Технологический центр "Лазарт" (ООО "ТЦЛ") | Method for laser processing of metal materials |
Citations (5)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2107598C1 (en) * | 1996-01-29 | 1998-03-27 | Владимир Сергеевич Глазков | Method for recovery of worn-out surfaces of axle journals of car wheel pairs by means of laser fusing |
RU2123418C1 (en) * | 1997-11-25 | 1998-12-20 | Закрытое акционерное общество "ТехноЛазер" | Method of powder laser surfacing of angle pieces |
RU2478028C2 (en) * | 2010-11-18 | 2013-03-27 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования Иркутский государственный университет путей сообщения (ФГБОУ ВПО ИрГУПС) | Method of depositing filler corrosion-erosion powder on part steel surface |
RU2545877C2 (en) * | 2013-05-16 | 2015-04-10 | Фонд поддержки научной, научно-технической и инновационной деятельности "Энергия без границ" (Фонд "Энергия без границ") | Hard-facing of power plant blades |
US10478921B2 (en) * | 2014-04-01 | 2019-11-19 | Siemens Aktiengesellschaft | Laser build-up welding of high heat resistant super alloys by means of oscillating beam guidance |
-
2020
- 2020-10-28 RU RU2020131465A patent/RU2759102C1/en active
Patent Citations (5)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2107598C1 (en) * | 1996-01-29 | 1998-03-27 | Владимир Сергеевич Глазков | Method for recovery of worn-out surfaces of axle journals of car wheel pairs by means of laser fusing |
RU2123418C1 (en) * | 1997-11-25 | 1998-12-20 | Закрытое акционерное общество "ТехноЛазер" | Method of powder laser surfacing of angle pieces |
RU2478028C2 (en) * | 2010-11-18 | 2013-03-27 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования Иркутский государственный университет путей сообщения (ФГБОУ ВПО ИрГУПС) | Method of depositing filler corrosion-erosion powder on part steel surface |
RU2545877C2 (en) * | 2013-05-16 | 2015-04-10 | Фонд поддержки научной, научно-технической и инновационной деятельности "Энергия без границ" (Фонд "Энергия без границ") | Hard-facing of power plant blades |
US10478921B2 (en) * | 2014-04-01 | 2019-11-19 | Siemens Aktiengesellschaft | Laser build-up welding of high heat resistant super alloys by means of oscillating beam guidance |
Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2789635C1 (en) * | 2022-01-21 | 2023-02-06 | Общество с ограниченной ответственностью "Технологический центр "Лазарт" (ООО "ТЦЛ") | Method for laser processing of metal materials |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
Bax et al. | Systematic evaluation of process parameter maps for laser cladding and directed energy deposition | |
Shim et al. | Effect of layer thickness setting on deposition characteristics in direct energy deposition (DED) process | |
Liu et al. | Geometry modeling of single track cladding deposited by high power diode laser with rectangular beam spot | |
Xi et al. | Geometry and dilution rate analysis and prediction of laser cladding | |
De Oliveira et al. | Analysis of coaxial laser cladding processing conditions | |
Choudhary et al. | Experimental investigation and optimization of weld bead characteristics during submerged arc welding of AISI 1023 steel. | |
Li et al. | The influence of substrate tilt angle on the morphology of laser cladding layer | |
Zhang et al. | Laser hot-wire cladding of Co-Cr-W metal cored wire | |
Geng et al. | Formation and improvement of surface waviness for additive manufacturing 5A06 aluminium alloy component with GTAW system | |
Xu et al. | Multi-track alternated overlapping model suitable for variable laser cladding process parameters | |
Lee et al. | Study of the effects of process parameters on deposited single track of M4 powder based direct energy deposition | |
Ilanlou et al. | Prediction of the geometric characteristics of the laser cladding of Inconel 718 on the Inconel 738 substrate via genetic algorithm and linear regression | |
Angelastro et al. | Statistical analysis and optimization of direct metal laser deposition of 227-F Colmonoy nickel alloy | |
Ermurat et al. | Process parameters investigation of a laser-generated single clad for minimum size using design of experiments | |
Lian et al. | Control and prediction of forming quality in curved surface multi-track laser cladding with curve paths | |
Lakshminarayanan et al. | Predicting the dilution of plasma transferred arc hardfacing of stellite on carbon steel using response surface methodology | |
Su et al. | Effect of closed-loop controlled melt pool width on microstructure and tensile property for Fe-Ni-Cr alloy in directed energy deposition | |
Vinod et al. | A novel technique for reducing lead-time and energy consumption in fabrication of Inconel-625 parts by laser-based metal deposition process | |
Manoj et al. | State of art on wire feed additive manufacturing of Ti-6Al-4V alloy | |
RU2759102C1 (en) | Method for laser gas-powder surfacing of protective coatings | |
Jiang et al. | Effects of Heat Input on Morphology of Thin‐Wall Components Fabricated by Wire and Arc Additive Manufacturing | |
Kumar et al. | Development of theoretical models for dimensions of single-layer multi-track and multi-layer multi-track depositions by μ-PTA additive manufacturing process | |
Deshmukh et al. | Analysis of deposition efficiency and distortion during multitrack overlay by plasma transferred arc welding of Co–Cr alloy on 316L stainless steel | |
Nankali et al. | Effect of laser additive manufacturing parameters on hardness and geometry of Inconel 625 parts manufactured by direct laser metal deposition | |
Barroi et al. | Influence of laser power on the shape of single tracks in scanner based laser wire cladding |