Разработка высокоэффективных технологий легирования поверхностей стальных изделий с применением излучения волоконного лазера тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 00.00.00, кандидат наук Хриптович Евгений Владимирович

• Хриптович Евгений Владимирович
• кандидат наук
• 2025

Оглавление диссертации кандидат наук Хриптович Евгений Владимирович

ВВЕДЕНИЕ

ГЛАВА 1. СПОСОБЫ МОДИФИКАЦИИ ПОВЕРХНОСТЕЙ МЕТАЛЛИЧЕСКИХ ДЕТАЛЕЙ, ИЗГОТОВЛЕННЫХ ИЗ

ИСТРУМЕНТАЛЬНЫХ И КОНСТРУКЦИОННЫХ СТАЛЕЙ

1.1. Области применения лазерной модификации поверхностей сталей

1.2. Модификация поверхностей сталей методом лазерного легирования

1.3. Материалы, применяемые для модификации поверхностей

Выводы к главе

ГЛАВА 2. ОБОРУДОВАНИЕ И ИСПОЛЬЗУЕМЫЕ МАТЕРИАЛЫ

2.1. Состав используемого оборудования

2.2. Формирователь профиля пятна лазерного излучения

2.2Л. Р^раЕютка ф^мирша^ прямоугольн°ГО и к»™™ пр^щш

пятна

2.2.2. Результаты тестирования формирователя линейного пятна

2.3. Высокомощный гальванический сканатор

2.3.1. Описание высокомощного сканатора IPG 2D High Power Scanner

2.3.2. Тестирование высокомощного гальванического сканатора

2.4. Щелевое сопло

2.4.1. Состав и технические характеристики разработанного щелевого ^

сопла

2.4.2. Результаты тестирования прототипа щелевой насадки

2.5. Используемые порошковые материалы и материалы основы

2.6. Оборудование для проведения металлографических исследований и

определения свойств модифицированных поверхностей

Выводы к главе

ГЛАВА 3. МОДЕЛИРОВАНИЕ РАСПРЕДЕЛЕНИЯ ТЕПЛОВЫХ ПОЛЕЙ

И МЕХАНИЗМА ПРОНИКНОВЕНИЯ ЛЕГИРУЮЩИХ ЧАСТИЦ В

ВАННУ РАСПЛАВЛЕННОГО МЕТАЛЛА

3.1. Математическое моделирование температурных полей

3.1.1. Постановка задачи

3.1.2. Свойства материала

3.1.3. Источник нагрева

3.1.4. Результаты моделирования

3.1.5. Аппроксимация интегральной интенсивностью

3.1.6. Расчет технологических параметров моделирования

3.2. Сопряженная задача теплопроводности и гидродинамики ванны ^

расплава при лазерной обработке с плавлением

3.2.1 Поток жидкости в ванне расплава при воздействии Гауссова пятна

3.2.2 Проплавление сканирующим лучом

3.3. Моделирование газопорошкового потока

3.3.1 Поток газа и порошка внутри делителя

3.3.2 Поток газа и порошка внутри и вне щелевой насадки

3.4 Кинетика движения частиц при преодолении границы раздела с

82

ванной расплавленного металла

Выводы к главе

ГЛАВА 4. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ВЛИЯНИЯ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ РЕЖИМОВ ЛАЗЕРНОГО ЛЕГИРОВАНИЯ НА

88

ГЕОМЕТРИЧЕСКИЕ И МЕХАНИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ СЛОЯ

4.1 Метод поверхностного лазерного легирования поверхностей ^

металлов с применением высокочастотного гальванического сканатора

4.1.1 Легирование поверхности Стали 20Х

4.1.2 Регрессионная модель эксперимента

4.2 Метод поверхностного лазерного легирования с применением формирователя линейного профиля пятна

4.3 Метод поверхностного лазерного легирования поверхностей Сталей 40ХН2МА и У16, предварительно нанесенными легирующими частицами.. 4.3.1 Разработка технологии поверхностного лазерного легирования Стали У16А порошками на основе тантала и титана

4.3.2 Оценка использования сухого спирта в качестве связующего

материала

4.3.3 Оценка использования целлюлозы в качестве связующего материала

Выводы к главе

ГЛАВА 5. ИССЛЕДОВАНИЕ МОДИФИЦИРОВАННЫХ ПОВЕРХНОСТЕЙ И ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ РЕКОММЕНДАЦИИ С ПРИМЕРАМИ ПРИМЕНЕНИЯ

5.1 Исследование микроструктуры слоя Стали 20Х, легированной

порошком на основе железа с карбидами ванадия

5.2 Исследование микроструктуры Стали 40ХН2МА, легированной

порошком на основе WC

5.3 Исследование микроструктуры легированного слоя инструментальной

Стали У16

5.3.1 Легирование карбидом тантала № 60 (3)

5.3.2 Легирование диборидом титана № 65 (3)

5.3.3 Лазерное легирование порошком на основе ТЮ № 63 (3)

5.4 Трибологические испытания легированного слоя

5.4.1 Испытания конструкционных видов Сталей 20Х и 40ХН2МА на

абразивный износ

5.4.2 Испытания инструментальной Стали У16 на высокотемпературный

износ

5.5 Технологические рекомендации и примеры применения технологии

146

лазерного легирования

Выводы к главе

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ И ЗАКЛЮЧЕНИЕ

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

Приложение

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Разработка высокоэффективных технологий легирования поверхностей стальных изделий с применением излучения волоконного лазера»

ВВЕДЕНИЕ

Достижения мировой науки после создания первых лазеров, значительно превзошли все ожидания ученых конца двадцатого и начала двадцать первого века. Большое количество типов лазеров, их модификаций и конструкций тяжело поддается анализу и описанию. Выполнен огромный объем исследований по применению лазерных технологий в обработке материалов, сформулированы основополагающие научные направления, а также получены значительные результаты по внедрению лазеров в промышленности. Однако, количество областей применений лазеров и техники на их основе еще более многочисленны. Наиболее широко лазеры применяются для обработки материалов, основанной на тепловом воздействии лазерного излучения различных диапазонов длин волн. Особенно актуально увеличение срока службы изделий, вышедших из строя в процессе эксплуатации [1, 2]. К ним можно отнести валки прокатных станов и посадочные шейки валов. Данного эффекта можно достичь при создании функциональных покрытий методом лазерного легирования поверхностей изделий металлическими и керамическими частицами [3 - 6]. Это направление является одним из наиболее актуальных в развитии отечественных технологий металлообработки поверхностей деталей машин. Создание подобных покрытий существенно увеличивает сроки состояния работоспособности деталей и машины или механизма в целом. Применение новых лазерных технологий повышает эффект упрочнения и износостойкости покрытий в сравнении с другими методами.

Лазерное легирование позволяет получать уникальные свойства на поверхности обрабатываемых деталей, однако высокая стоимость присадочных материалов и лазерного оборудования требует совершенствования существующих и разработки новых технологий модификации поверхностей стальных изделий. До настоящего времени лазерная обработка преимущественно осуществляется круглым профилем пятна. Однако, увеличения производительности и качества процесса возможно добиться при использовании специализированных

сканирующих систем, а также принципиально новых устройств - формирователей профиля пятна прямоугольной или квадратной формы [7 - 10]. Также стоит отметить, что до настоящего времени наиболее распространенным методом подачи порошкового материала в ванну расплавленного металла является преимущественно коаксиальная подача. Однако, при внеосевой подаче возможно добиться увеличения производительности процесса лазерного легирования поверхностей, а также избежать формирования плазменного факела над обрабатываемой поверхностью металла. При этом возможно увеличение ширины зоны обработки с целью увеличения производительности и уменьшения количества зон перекрытия между областями упрочнения, что позволяет улучшить функциональные свойства изделий.

Диссертационная работа посвящена исследованиям закономерностей формирования легированного слоя на поверхности углеродистых и низкоуглеродистых сталей, а также созданию на их основе лазерных технологий обработки посадочных шеек крупногабаритных валов и валков прокатных станов, путем введения легирующих частиц, под воздействием высококонцентрированного лазерного излучения. Ранее подобные технологии широко не использовались для легирования поверхностей стальных изделий, поэтому данная работа является весьма актуальной.

Цель работы: повышение эффективности технологии лазерного легирования поверхностей посадочных шеек валов и валков прокатных станов, с расширенной зоной обработки, за счёт применения специальных оптических систем и устройств.

Объект исследования: высокоэффективные технологии обработки поверхности металла излучением волоконного лазерного источника.

Предмет исследования: технология лазерного легирования поверхностей стальных изделий, повышающая механические свойства.

Для достижения поставленной цели работы были сформулированы и решены следующие задачи:

1. Обзор литературы, характеризующий существующие способы упрочнения поверхностей деталей машин, а также используемые материалы и основные направления их применения.

2. Разработка новых оптических систем и широкополосных щелевых сопел, для подачи легирующего материала в зону воздействия лазерного излучения, расширяющих площадь и повышающих эффективность обработки.

3. Разработка математической модели процесса широкополосного лазерного легирования поверхности с описанием тепловых полей, индуцированных источником лазерного излучения в процессе лазерного легирования поверхностей сталей, гидродинамики ванны расплава и кинетики движения частиц, с целью выбора научно обоснованных условий процесса и технологических режимов.

4. Создание принципиально новой технологии лазерного легирования различных поверхностей стальных деталей с использованием высокомощных источников лазерного излучения, оснащенных оптическими головками с функцией высокочастотных колебаний лазерного луча и широкополосными щелевыми соплами, а также разработка рекомендаций по подбору технологических режимов и легирующих материалов процесса модификации поверхностей посадочных шеек валов и валков прокатных станов.

5. Проведение регрессионного анализа процесса по критериям оценки качества лазерного легирования поверхностей углеродистых металлов и сплавов, а также оптимизация режимов обработки и технологических приемов лазерного легирования поверхности при внедрении металлических, керамических и металлокерамических частиц, с использованием разработанного оборудования.

6. Оценка механических свойств, металлографические исследования и проведение трибологических испытаний нанесённых слоёв.

7. Разработка технологических рекомендаций по легированию поверхностей посадочных шеек валов (Ст. 20Х, 40ХН2МА) и валков прокатных станов (У16).

Научная новизна работы заключается в следующем:

1. На основе полученных в ходе выполнения работы результатов теоретически и экспериментально доказано, что для легирования

приповерхностного слоя стали частицами размером от 40 до 100 мкм необходимо обеспечить их скорость движения от 1 м/с, при расходе газа до 10 л/мин.

2. Теоретически и экспериментально установлено, что при широкополосном лазерном легировании поверхности стали порошками различного состава, за один проход, с применением источников лазерного излучения мощностью до 10 кВт и щелевой насадки, легирование возможно на глубину до 1,5 мм с шириной зоны обработки до 60 мм, что обеспечивает получение микроструктуры, повышающей твёрдость и высокотемпературную износостойкость различных марок сталей до 3 раз.

3. Впервые для упрочнения поверхностей шеек валов и валков прокатных станов из стали 20Х, стали 40ХН2МА и стали У16, установлены закономерности формирования поверхностных композитных слоев лазерным широкополосным легированием с повышенным содержанием карбидов вольфрама (до 26,25 %), тантала (до 5,30%) и ванадия (до 2,35%), равномерно распределенных на глубину от 0,7 до 1 мм.

Практическая значимость работы заключается в следующем:

1. Создана оснастка для высокоэффективного лазерного легирования, состоящая из специальной оптики, расширяющей поле обработки до 60 мм, а также разработан, спроектирован и изготовлен опытный образец широкополосного щелевого сопла для внеосевой подачи порошка.

2. На основании регрессионного анализа выбраны оптимальные режимы лазерного легирования нескольких видов сталей (Ст. 20Х, 40ХН2МА, У16) металлокерамическими частицами (FeVC, TaC, TiB2, ^^ WC) с целью повышения износостойкости легированных поверхностей валков прокатных станов и посадочных шеек валов.

3. Разработана принципиально новая технология, а также получены технологические рекомендации по легированию поверхностей посадочных шеек валов (Ст. 20Х, 40ХН2МА) и валков прокатных станов (У16).

Методы исследования: В работе использовались как экспериментальные так и теоретические методы исследований. При математическом моделировании

процесса лазерного легирования поверхностей, использовано программное обеспечение COMSOL-Multiphysics. Моделирование и расчёт оптической системы выполнялись с использованием ПО Zemax. Подготовку и исследование легированных образцов производили на оборудовании испытательной лаборатории. Химический анализ выполнялся на спектрометре Q8 MAGELLAN. Шлифоподготовку осуществляли при помощи отрезной машины Discotom-6 и шлифовально-полировальной машины Tegramin-30. Микрошлифы образцов подготавливались в специализированном прессе CitoPress-1. Анализ макрошлифов осуществляли с использованием измерительной системы для контроля качества WELDING EXPERT. Микроструктурный анализ выполнялся с использованием микроскопа OLYMPUS GX51. Исследования по определению значений микротвердости легированных слоев выполнялись согласно ГОСТ 9450-76 «Измерение микротвердости вдавливанием алмазных наконечников» на микротвердомере DuraScan-70. Контроль температуры образцов осуществлялся при помощи ручного промышленного тепловизора FLIR T640 и термопар.

Достоверность полученных результатов обеспечивается применением основных положений естественных наук при проведении расчетов, а при создании новых приспособлений выполнением измерений с использованием поверенного оборудования, с применением стандартных методик и проверенных принципов, а также использованием проверенных алгоритмов и современных программ при моделировании процесса. В ходе проведения исследований работа подтверждена экспериментальными данными. Достижение результатов по улучшению эксплуатационных свойств подтверждается заключениями профильных отраслевых лабораторий.

Положения, выносимые на защиту:

1. Разработанный метод моделирования и расчёта оптической системы формирования пятна лазерного излучения прямоугольной и квадратной формы для широкополосного легирования поверхностей стальных изделий, позволяющий определять требуемые размеры, положения и параметры оптических элементов головки.

2. Математическая и физическая модель лазерного легирования поверхности с описанием температурных полей, гидродинамики ванны расплава и кинетики движения в ней твёрдых частиц, позволяющая осуществлять прогнозирование технологических параметров процесса.

3. Принципиально новая технология широкополосного лазерного легирования, повышающая износостойкость поверхностей посадочных шеек валов и валков прокатных станов, с применением специализированных оптических формирователей профиля пятна и внеосевой подачи порошка.

Апробация работы:

1. XII Международная конференция «Лазерные, плазменные исследования и технологии» (Москва, 2021 г.).

2. XIV всероссийская научно-техническая конференция «Будущее машиностроения России» (Москва, 2021 г.).

3. XXVII Международная научная конференция «Ломоносов» (Москва, 2021 г.).

4. Международная научно-техническая конференция «Машиностроительные Технологические системы» METS 21 (Азов, 2021 г.).

5. 19 Международная школа-конференция для молодых ученых и специалистов (Москва, 2021 г.).

6. X международная конференция «Лучевые технологии и применение лазеров» (Санкт-Петербург, 2021 г.).

7. XIII Международная конференция «Лазерные, плазменные исследования и технологии» (Москва, 2022).

8. «Студенческая научная весна: Машиностроительные технологии МГТУ им. Баумана» (Москва, 2023)

9. 15-я Международная научно-техническая конференция «Наукоемкие технологии в машиностроении» (Москва, 2023).

10. XI международная конференция «Лучевые технологии и применение лазеров» (Санкт-Петербург, 2024).

11. Работа доложена на научно-техническом семинаре кафедры «Лазерные технологии в машиностроении (МТ-12)» МГТУ им. Н.Э. Баумана. (Москва, 2024).

Личный вклад:

Выносимые на защиту положения и результаты диссертационной работы, разработаны и получены Хриптовичем Е. В. Автором сформулирована цель и задачи диссертации, выполнен анализ литературных источников с целью определения современного состояния исследуемой области, а также подготовлено экспериментальное оборудование и проведены практические работы, выполнена оценка и обработка полученных результатов и их обобщение, подготовлены доклады и статьи на конференциях.

Публикации

Результаты диссертации опубликованы в 16 научных работах, из них 2 работы опубликованы в журналах, индексируемых в базе данных SCOPUS и 3 работы опубликованы в рецензируемых научных изданиях, входящих в перечень ВАК РФ.

Структура и объем работы

Диссертационная работа изложена на 170 страницах машинописного текста, содержит 101 рисунок и 45 таблиц. Диссертация состоит из введения, пяти глав и общих выводов к каждой главе, заключения и списка литературы из 11 6 наименований.

ГЛАВА 1. СПОСОБЫ МОДИФИКАЦИИ ПОВЕРХНОСТЕЙ МЕТАЛЛИЧЕСКИХ ДЕТАЛЕЙ, ИЗГОТОВЛЕННЫХ ИЗ

ИСТРУМЕНТАЛЬНЫХ И КОНСТРУКЦИОННЫХ СТАЛЕЙ

1.1. Области применения лазерной модификации поверхностей сталей.

Предложенное к изучению направление лазерной модификации поверхности может найти свое применение в различных областях промышленности. Технологии лазерного легирования позволяют осуществлять обработку различных видов изделий. Объем видов инструмента деформации, где могут применяться предложенные к исследованию технологии, огромен. Его можно разделить на инструмент холодной и горячей деформации.

Одним из примеров применения являются валки прокатных станов. Задача заключается в увеличении их стойкости [11, 12]. В среднем, прокатные валки до выхода из строя эксплуатируются на производстве менее 1 смены, далее производится их наплавка или механическая обработка. В случае увеличения износостойкости валков от 2 до 5 раз появляется экономическая эффективность. В прокатке на одной клети может участвовать до 6 и более валков (Рисунок 1.1): наклонные верхний и нижний, два главных валка (слева) и 2 нажимных валка.

Рисунок 1.1. Расположение валков в колесопрокатном стане (а) и область износа валка (б)

На колесопрокатный стан устанавливаются два валка, один верхний и один нижний из Стали У16. Наклонные валки производят раскатку колеса по диаметру. Валки главные формируют геометрию круга катания колеса. Их изготавливают из Стали 40 или Стали 60. Валки нажимные формируют геометрию круга катания колеса и изготавливаются из Стали У16.

Динамика объема рынка прокатных валков в России в 2018 - 2022 гг. показана на Рисунке 1.2.

201В 2019 2020 2С21 2С22

Количество, [тыс. шт.] ~емп роста

Рисунок 1.2. Динамика объема рынка прокатных валков [тыс. шт.]

После просадки в 2021 г. рынок прокатных валков перешел к росту и приблизился к показателям 2018 г. В целях увеличения доли внутреннего производства на основных отечественных предприятиях ищут пути улучшения качества и увеличения объема производства валков. К примеру, в 2018 - 2022 гг. внутреннее производство значительно уступало импорту на российском рынке (Рисунок 1.3).

25000 20000 15000 10000 5000 л ■

■ 1

■ ■ ■ 1 ■

2013 2 га. 9 ■ Импортная продукция 2020 2021 2022 ■ Внутреннее производство

Рисунок 1.3. Сравнение производства и импорта прокатных валков в России [шт.]

Импорт прокатных валков на протяжении исследуемого периода имеет преимущественно положительную динамику. Исключением стал 2021 год, когда поставки сократились на 33%. В целом за 5 лет объем ввозимой продукции уменьшился на 4% [13].

Наибольшие поставки прокатных валков в 2022 г. зафиксированы у ПАО «ММК», ПАО «НЛМК», ПАО «Северсталь», АО «ЕВРАЗ НТМК» (Таблица 1).

Таблица 1 .

Рейтинг российских фирм-импортеров прокатных валков 2022

№ Наименование импортера Объем в 2022 г. шт. Объем в 2022 г. тыс. Средние цены, тыс. долл. /шт.

1 ПАО "ММК" 286 12402,1 43,4

2 ПАО "НЛМК" 293 9659,4 33,0

3 АО "ЕВРАЗ-НТМК" 192 3404,3 17,7

4 АО "ТАГМЕТ" 1834 1858,8 1,0

5 АО "НМЗ ИМ. КУЗЬМИНА" 2062 1490,7 0,7

В России потребляется ежегодно до 20000 прокатных валков. Объем рынка в 2023 г составил до 6,5 млрд. руб. К 2032 году он составит около 12 млрд. руб.

Основным поставщиком прокатных валков в 2022 году стал Китай, его доля составила 72% от общего объема импорта. На протяжении всего исследуемого периода экспорт характеризуется неоднозначной динамикой. В целом объем вывозимой продукции за это время снизился на 29%. Основной спад пришелся на 2022 год, который составил 33%. В 2022 году основными покупателями прокатных валков из России стали Казахстан (38%), Индия (23%) и Турция (13%) [13].

Стоит отметить, что использование широкополосной лазерной модификации поверхности позволяет продлевать срок службы вышедших из строя валков за счет улучшения физических и механических свойств. Повышение качества валков увеличивает их конкурентоспособность на мировом рынке. В качестве присадочного материала целесообразно использовать порошки на основе железа,

вольфрама, тантала и титана. Легирование поверхностных слоев металла, возможно TaC, FeVCr, ^В2 или ТЮ, а также WC [14, 15].

Перспективным направлением также является упрочнение посадочных шеек крупногабаритных валов (Рисунок 1. 4), изготовленных из Стали 20 или Стали 40. Повышение их ресурса приводит к значительному снижению стоимости эксплуатации дорогостоящего оборудования, связанной с остановкой технологического процесса для замены деталей машин, а также с дополнительным приобретением, нередко дорогостоящих комплектующих.

а б

Рисунок 1.4. Валы с указанием посадочных шеек под модификацию поверхности (а) и (б)

Кроме описанных выше задач, возможно применение рассматриваемых технологий и в других областях. К ним можно отнести износостойкие покрытия оборудования энергетического машиностроения, запорную арматуру, насосы, штамповый инструмент, металлургическое оборудование, экструдеры шинных заводов, детали автомобильного, железнодорожного и судового транспорта, лопасти гребных винтов, детали тепловозов, сцепок вагонов и многое другое.

1.2. Модификация поверхностей сталей методом лазерного легирования

Лазерное поверхностное легирование сталей керамическими материалами, металлическими частицами и карбидами является перспективным направлением модификации поверхностей. Данная технология позволяет значительно повысить жаропрочность и износостойкость изделий. Модифицированная поверхность может с легкостью противостоять ударным нагрузкам, кавитации, коррозии и

другим видам износа. Упрочнению могут быть подвергнуты как стальные, так и титановые или алюминиевые изделия [16 - 18].

Основное преимущество лазерного легирования состоит в возможности локального легирования поверхностей. Данная технология позволяет отойти от необходимости нагрева деталей до высоких температур и длительной выдержки при этих температурах. При этом существенно снижаются энергозатраты и не разупрочняется матрица основы детали. К преимуществам легирования следует отнести и тот факт, что на поверхности обрабатываемой детали формируется композиционное покрытие с матрицей из основного материала и внедрёнными в зависимости от цели частицами. Это позволяет расширить эксплуатационные характеристики и, в отличие от наплавки, сохранить практически неизменными размеры обрабатываемой детали, при существенном изменении состава поверхности. Кроме того, полностью отсутствует такой дефект как отслоение покрытий [11].

Лазерное легирование сопровождается взаимосвязанными процессами тепломассопереноса и микрометаллургии. Вследствие высоких градиентов температуры при локальном лазерном нагреве поверхностей сплавов возникают интенсивные гидродинамические потоки [19]. Данный эффект приводит к ускорению процесса массопереноса по всей зоне оплавления, что позволяет осуществлять лазерную модификацию поверхности. Наличие твердого пересыщенного раствора с мелкодисперсными фазами упрочнения при лазерном легировании способствует увеличению твердости, жаростойкости и коррозионной стойкости изделий, а легирование порошковыми материалами поверхности жаропрочных сплавов позволяет повысить не только твердость материала в зоне обработки, но и его термическую стабильность при повышенных температурах.

Зона лазерной модификации имеет строение, аналогичное строению зоны после лазерной закалки с оплавлением. Основное отличие заключается в том, что в расплавленную ванну вводятся легирующие элементы (частицы). Образование зон легирования сопровождается несколькими процессами, которые приводят к перемешиванию легирующих материалов с матрицей расплава: 1) массоперенос на

сотни микрометров в результате конвекционного перемешивания; 2) массоперенос при воздействии термокапиллярных сил; 3) массоперенос при диффузии твердой и жидкой фазы [20]. В результате зона лазерного легирования имеет три основных слоя. Первый характеризуется мелкодисперсным строением и расположен у самой поверхности образца. В нем содержатся легирующие частицы в растворенном или исходном состоянии. Стоит отметить, что достижению хороших эксплуатационных свойств данного слоя способствует мелкодисперсное строение области легирования. Второй слой также содержит легирующие частицы и отличается наличием игольчатой вытянутой морфологии зерен. Третий слой по строению близок к образованному при лазерной закалке слою из жидкого состояния исходного сплава. Включения легирующих частиц в нем отсутствуют [21].

Увеличение линейной скорости процесса приводит к значительному измельчению структуры, однако с сохранением значения мощности лазерного излучения размеры зоны легирования уменьшаются. Максимальная твердость достигается при максимальной скорости. Наилучшие результаты легирования достигнуты при использовании непрерывных лазеров [19].

Процесс лазерного легирования поверхностей сталей имеет ряд преимуществ. К ним относятся: возможность получения уникальных свойств поверхностного слоя обработанной детали; получение особенного химического состава в приповерхностном слое металла; минимальные деформации изделия и минимальная зона термического влияния; отсутствие отслаивания легированного слоя и склонности к растрескиванию; экономия присадочного материала; получение детали с различными механическими и теплофизическими свойствами поверхности; возможность нанесения покрытий особого назначения, получение которых альтернативными способами обработки нецелесообразно.

Недостатками процесса лазерного легирования являются: отсутствие возможности прогнозирования результатов обработки; недостаточная изученность взаимодействия лазерного излучения с веществом; трудности при теоретическом описании процессов плавления и кристаллизации; сложность математического моделирования процесса; высокая стоимость оборудования.

Существуют несколько основных методов введения керамических, металлокерамических и металлических частиц в ванну расплава металла, полученную при воздействии на поверхность лазерным излучением: 1) Нанесение легирующего состава в виде порошка на обрабатываемую поверхность (Рисунок 1.5):

Рисунок 1.5. Порошковый материал, на обрабатываемой поверхности

Метод заключается в предварительном нанесении на обрабатываемую поверхность металлического порошка со связующим веществом и последующей его обработке высококонцентрированным лазерным излучением. В результате чего на поверхности образовывается легированный слой с повышенными свойствами. При этом возможно нанесение легирующих композиций различного состава. Данный способ позволяет повысить коэффициент использования материала (КИМ), а также обеспечивает получение в зоне упрочнения высокой концентрации легирующих элементов, которая легко контролируется высотой слоя порошка, нанесенного на обрабатываемую поверхность до начала воздействия лазерного излучения.

С целью улучшения результатов лазерная модификация выполняется на шероховатой поверхности, так как данный эффект позволяет обеспечивать повышенную адгезию обмазки и более полноценный переход легирующего материала в формируемый расплав [22].

В качестве связующего вещества применяются: 20%-ный раствор клея БФ-2 в ацетоне; 5 %-ный раствор канифоли в этиловом спирте; графитовая паста (ГОСТ

8295-73); 50% раствор клея БФ-2 в ацетоне; клеи и лаки на основе нитроцеллюлозы; цапонлака в количестве 9-33% от массы обмазки; поливиниловый спирт [24].

Несмотря на простоту и универсальность описанного метода легирования, применение данного способа обработки имеет значительные ограничения. Связано это с тем, что при обработке поверхностей сложной геометрической формы нанесение легирующих материалов в виде паст и обмазок не представляется возможным, или же является затруднительным из-за отсутствия подходящего для данной задачи оборудования. Также стоит отметить сложность реализации обработки протяженных поверхностей. В данном случае возникает неравномерность, предварительно нанесенного легирующего материала на границе с легированной областью, из-за неполного сплавления и остатков продуктов легирования. Для решения данной проблемы требуется предварительная механическая очистка краевых участков области обработки.

2) Введение порошка в ванну расплава с внеосевой подачей порошка (Рисунок 1.6):

Рисунок 1.6. Внеосевая подача порошкового материала

Суть процесса состоит в создании на поверхности обрабатываемого изделия расплавленной ванны, размер которой должен быть не меньше диаметра перетяжки порошкового потока, и внедрении в нее легирующих частиц с применением транспортного газа. Подача порошка осуществляется перед лазерным лучом или за ним. При получении легированного слоя на глубину от 1,0 до 2,0 мм, необходимо чтобы под воздействием лазерного луча формировалась ванна расплава соразмерной глубины. Равномерность распределения частиц в ней зависит от угла наклона стенок ванны, что обуславливает более повышенную неоднородность распределения легирующих частиц по ширине, чем по отношению к глубине

Список литературы диссертационного исследования кандидат наук Хриптович Евгений Владимирович, 2025 год

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Тарасова Т. В. Перспективы использования лазерного излучения для повышения износостойкости коррозионно-стойких сталей. // Металловедение и термическая обработка металлов. 2010. № 6. С. 54-59.

2. Экономическая эффективность высоких технологий на примере лазерного производства / Ю. Ф. Назаров, А. В. [и др.] // Сварочное производство. 2010. № 3. С. 48-50.

3. Хаскин В.Ю., Шелягин В.Д., Бернацкий А.В. Современное состояние и перспективы развития технологий лазерной и гибридной наплавки. // Автоматическая сварка. 2015. №5-6 (742). C. 30-33.

4. Евтихиев Н.Н., Очин О.Ф., Бегунов И.А. Лазерные технологии: Учеб-ное пособие. Долгопрудный: Издательский Дом «Интеллект», 2020. 240 с.

5. Шиганов И.Н. Специальные лазерные технологии: учебное пособие. М.: Издательство МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2019. 143 с.

6. Бернацкий, А. В. Лазерное поверхностное легирование стальных изделий (Обзор) // Сварочное производство. 2013. № 12. С. 3-10.

7. Влияние лазерного упрочнения круглым, профилированным и колеблющимся лучом на повышение ресурса работы деталей машин. /Е. В. Хриптович [и др.] // Фотоника. 2017. Т. 63. № 3. С. 28-35.

8. Закалка крупногабаритных деталей с использованием сканирующего излучения оптоволоконного лазера с программным изменением мощности. / О.Г. Девойно [и др.] // Фотоника. 2019. Т. 13. № 6. С. 524-530.

9. Analytical heat conduction modelling for shaped laser beams. / J. Sundqvist [et al.] // Journal of Materials Processing Technology. 2017. Vol. 247. P. 48-54.

10. Klocke F. Optimization of the laser hardening process by adapting the intensity distribution to generate a top-hat temperature distribution using freeform optics. / F. Klocke, M. Schulz, S. Gräfe // Coatings. 2017. Vol. 7. № 6. С. 1-16.

11. Шиганов И. Н. Перспективные промышленные технологии лазерной обработки: учебное пособие / И. Н. Шиганов. - Москва; Вологда: Инфра-

Инженерия, 2023. - 284 с.

12. Малинов Л.С. Ресурсосберегающие экономнолегированные сплавы и упрочняющие технологии, обеспечивающие эффект самозакалки. / Л.С. Малинов, В.Л. Малинов // Мариуполь: изд-во «Рената». 2009. С. 568.

13. URL: https://tebiz.ru/gotovye-issledovaniya (дата обращения 13.07.2024 г.)

14. Нгуен В.В., Балановский А.Е., Астафьева Н.А. Микроструктура и свойства стали после плазменного легирования бором. // Глобальная энергия. 2023. Т. 29, № 4. С. 97-106.

15. Лазерная наплавка композиционных износостойких покрытий на никелевой основе, армированных карбидом вольфрама. / Григорьянц А. Г. [и др.] // Сварочное производство. 2016. № 1. С. 10-15.

16. Chudina, O. Modification of Steel Surface Using the Laser Energy. / O. Chudina // Journal of Surface Engineered Materials and Advanced Technology. 2014. № 4. Р. 181188.

17. Шиганов И.Н., Самарин П.Е. Нанесение композиционного покрытия с частицами SiC на поверхность алюминиевых сплавов методом лазерной инжекции. // Сварочное производство. 2016. № 2. С. 17-20.

18. Муратов В.С., Морозова Е.А. Структура и свойства поверхности титана при лазерном легировании никелем. // Современные наукоемкие технологии. 2008. № 8 С. 67.

19. А. Г. Григорьянц, И. Н. Шиганов, А.И. Мисюров. Технологические процессы лазерной обработки. // Москва. Издательство МГТУ им. Н. Э. Баумана. 2006. C. 345, 330.

20. Акимов О. В., Алла Ф. А. Улучшение эксплуатационных свойств деталей лазерным поверхностным легированием. // Енергетика, машинобудуваня та технологи конструкцшних матерiалiв. 2015. C. 3.

21. Белова С.А. Возможности лазерного легирования при изготовлении быстрорежущего инструмента. // Современные проблемы науки и образования. 2014. № 6. C. 4-7.

22. Бернацкий А.В. Лазерное поверхностное легирование стальных изделий. //

Международная научно-техническая конференция «сварочные материалы» ИЭС им. Е. О. Патона НАНУ. 03680, г. Киев. 2013. а 4.

23. Пересторонин А.В. Технология лазерной поверхностной модификации

бандажных сталей карбидом вольфрама: дис..... канд. техн. наук.: 05.02.07. /

Пересторонин Александр Владимирович. - М.: МГТУ им. Н. Э. Баумана, Москва. 2019. - 173 с.

24. Самарин П.Е. Получение композитных покрытий с внедрением частиц БЮ в

поверхность алюминиевых сплавов лазерным излучением: дис..... канд. техн.

наук.: 05.02.07. / Самарин Петр Евгеньевич. - М.: МГТУ им. Н. Э. Баумана, Москва. 2015. С. 92.

25. Восстановление лазерной наплавкой работоспособности пары трения вал -вкладыш подшипника скольжения. / Бирюков В.П. [и др.] // Проблемы машиностроения и надежности машин. 2013. №5. С. 91- 95.

26. Сравнение коррозионной стойкости покрытий из кобальтовых и никелевых сплавов, наплавленных лазерным излучением. / А.Г. Григорьянц [и др.] // Вестник МГТУ им. Н.Э. Баумана. Сер. "Машиностроение". 2012 г. С. 179-180.

27. К.А. Колесникова, Н.К. Гальченко Особенности структурообразования и свойства покрытий на основе диборида титана, полученных электронно-лучевой наплавкой и газоплазменным напылением. // Физическая мезомеханика. 2006. Спец выпуск, №9. С. 165-168.

28. Смышляева Т.И. Оценка работы разрушения трипстали при абразивном изнашивании. // Трение и износ. № 22, Выпуск 3. 2001. С. 295-298.

29. Медовар Б.И., Медовар Д.Б. Прокатные валки 2000 года (по материалам конференции). // Новости черной металлургии за рубежом. Выпуск 3. 1996. С. 8082.

30. Кожуро Л.М., Фельдштейн Е.В. Износостойкость и усталостная прочность покрытий, полученных электромагнитной наплавкой. // Проблемы машиностроения и надежности машин. 1999. №2. С.53-59.

31. Погодаев Л.И., Ежов Ю.Е. Повышение долговечности рабочих устройств судов технического флота износостойкими наплавками. // Проблемы машиностроения и надежности машин. 2014. №6. С.82-87.

32. Л. С. Лившиц Металловедение сварки и термической обработки сварных соединений. // Машиностроение. 1989. Издание 2. С. 152.

33. Zhou S., Dai X. Laser induction hybrid rapid cladding of WC particles reinforced NiCrBSi composite coatings. // Applied Surface Science. 2010. Vol. 256. P. 4708-4714.

34. Лукьянов М. В., Третьяков Р. С. Получение композиционных материалов с карбидами вольфрама технологией лазерной наплавки. [Электронный ресурс] // Труды Всероссийской научно-технической конференции «Студенческая весна 2014: Машиностроительные технологии». - М.: МГТУ им. Н.Э Баумана. - № гос. регистрации 0321400749. - URL: studvesna.ru?go=articles&id=1030 (дата обращения: 23.10.2024). Загл. с экрана.

35. Мовчан И., Самодурова М. Н., Джигун Н. С. Лазерная наплавка как перспективный метод упрочнения штамповой оснастки. / Бертранд Ф. [и др.] // Технологии обработки материалов. 2016 г. ЮУрГУ. C. 48-50.

36. Инютин В. П., Колесников Ю. В., Жостик Ю. В. Влияние лазерного борирования на контактные деформации стали 45 при ударно-циклическом нагружении. // Электронная техника. Сер.6. Материалы. 1986. Вып. 4. С. 77-78.

37. Шиганов И. Н., Самарин П. Е. Модифицирование поверхности алюминиевых сплавов карбидами кремния методом лазерного оплавления. // Инженерный журнал: наука и инновации. 2012. №6 (6). C. 68.

38. Majumdar J. D. Development of wear resistant composite surface of mild steel by laser surface alloying with silicon and reactive melting. // Mater. Lett. 2008. Vol. 62. P. 4257-4259.

39. Microstructure, microhardness, composition, and corrosive properties of stainles ssteel 304 I. Laser surface alloying with silicon by beam-oscillating method. / Y. Isshiki, J. Shi, H. Nakai, M. Hashimoto // Applied Physics A. 2000. Vol. 70, Issue 4. P. 395-402.

40. Шиганов И. Н., Самарин П.Е. Моделирование процесса формирования на поверхности алюминиевых сплавов композиционного покрытия с частицами SiC мощным лазерным излучением. // Технология материалов. № 12, 2015. С.23-29.

41. Чудина, О. В. и Брежнев, А. А. Поверхностное легирование углеродистых сталей лазерным нагревом. // Упрочняющие технологии и покрытия. № 4. 2010. С. 10-16.

42. Влияние тантала на структуру и прочностные характеристики литейного жаропрочного коррозионностойкого никелевого сплава ЖС3ЛС. / Коваль А. Д. [и др.] // Новые материалы и технологии в металлургии и машиностроении. 2011. №2. C. 46.

43. Сравнительный анализ характеристик бандажей колёсных пар, закалённых с использованием лазерного и плазменного источника тепла. / Е.В. Хриптович [и др.] // Мир транспорта. 2022. Т. 20, № 3(100). С. 6-12.

44. Высокопроизводительное лазерное легирование низкоуглеродистой стали. / Е.В. Хриптович [и др.] // Сварочное производство. №11. 2022. С. 52 - 59.

45. Gapontsev V.P., Samartsev I.E. High-Power Fiber Laser. // OSA Proceedings on Advanced Solid-State Lasers. 1991. Volume 26, Issue 6. P. 258.

46. Хриптович Е. В. Специализированные оптические головки для лазерной модификации поверхностей. // Лучевые технологии и применение лазеров.: Тез. докл. XI международной конференции. СПб. 2024. С. 41.

47. Лазерное упрочнение сталей прямоугольным пятном для повышения ресурса их работы. / Бирюков В.П. [и др.] // Фотоника. Выпуск №6. Т. 13. 2019. С. 532-537.

48. Шмелев С. А. Разработка технологии повышения износостойкости гребней железнодорожных колес путём их упрочнения линейным профилем излучения

волоконного лазера: дис..... канд. техн. наук.: 05.02.07. / Шмелев Сергей

Андреевич. - М.: МГТУ им. Н. Э. Баумана, Москва. 2020. C. 60.

49. Формирователи профиля интенсивности лазерных пучков. / Ласкин А.В. [и др.] // Фотоника. Выпуск №2. том 12. 2018. С. 178-190.

50. Сравнительное исследование спектральных свойств асферических линз. / Хонина С. Н. [и др.] // Компьютерная оптика. 2015. №3. С. 363-369.

51. Устройство перестраиваемый оптический формирователь масштабируемого плоского однородного лазерного пучка. / Соколов В.И. // Патент РФ № 2725685, 03.07.2020 г.

52. Способ формирования масштабируемого квадратного светового пучка. / Хриптович Е. В. [и др.] // Патент РФ № 2834671, 12.02.2025 г.

53. Огоновский М.О., Бурбо Г.Ю. Демонстрационный эксперимент при изучении основ физической оптики. // ФКС XXVI: материалы конференции. Гродно: ГрГУ, 2018. С. 222-223.

54. Weaver, J. S., Heigel, J. C., and Lane, B. M., 2022, "Laser Spot Size and Scaling Laws for Laser Beam Additive Manufacturing," J. Manuf. Process., 73, pp. 26-39.

55. Горячева В. А., Мазаев В. Л. Программа расчета основных характеристик компонентов оптической системы в Zemax. // Известия ТулГУ. Технические науки. 2019. №7. С. 194-199.

56. Бирюков В. П. Лазерное упрочнение и легирование сталей. // Фотоника. Выпуск №3. 2011. С. 34-37.

57. Способ лазерной наплавки металлических покрытий. / Бирюков В.П. // Патент РФ № RU 2618013 C1, 02.05.2017 г.

58. Формирование поверхностных слоёв при лазерной наплавке с использованием мощных волоконных лазеров. / Земляков Е.В [и др.] // Научно-технические ведомости Санкт-Петербургского политехнического университета. 2013. №1. С. 231-236.

59. Повышение эксплуатационных свойств поверхностей металлов с применением высокомощных волоконных лазеров. / Хриптович Е. В. [и др.] // Технология машиностроения. №03. 2023. С. 19-28.

60. Ми Сук Чжун, Вон Дон Чжу, Родионов С. А. Определение размера пятна в лазерных сканирующих системах с бинарной регистрацией изображения. // Оптический журнал. Т. 66. №2. 1998. С. 43-45.

61. Yurevich V., Afoniushkin, A., Gorny S. Optical design and performance of F-Theta lenses for high-power and high-precision applications. // Conference: Optical Systems Design. 2015. Volume: Proc. SPIE 9626. pp. 1-16.

62. Шпилев А. И. Исследование и оптимизация газопорошковых потоков в

головках для лазерной порошковой наплавки: дис.....канд техн. наук.: 01.02.05. /

Шпилев Алексей Иванович. - Казань: КНИТУ КАИ, 2018 - 179. с.

63. Wang, K.; Zhang, Z.; Xiang, D.; Ju, J. Research and Progress of Laser Cladding // Process, Materials and Applications. / Coatings. 2022, Issue 12 (1382). Article number 12101382.

64. Fangping Yao, Lijin Fang, Gao song Li Study on structure and process performance of laser cladding nickel-based coating. // Journal of Materials Research and Technology. Volume 13. July-August 2021, Pages 138-143.

65. Марочник сталей и сплавов. 6-е изд., стереотипное. / Ю.Г. Драгунов, М28 А. С. Зубченко, Ю.В. Каширский и др. Под общей ред. Ю.Г. Драгунова и А.С. Зубченко. - М.: Инновационное машиностроение, 2019. 1216 с.

66. ГОСТ18895-97. Определение химического состава. С. 15.

67. ГОСТ 9450-76. Измерение микротвердости вдавливанием алмазных наконечников. С. 34.

68. Белова С. А., Калашникова М. С., Постников В. С. Формирование структуры поверхностных слоев сталей при лазерном легировании. // Вестник ПНИПУ. Машиностроение, материаловедение. 2010. №2. C. 93-104.

69. Chudina О. Modification of Steel Surface Using the Laser Energy. // Journal of Surface Engineered Materials and Advanced Technology. 2014. Issue 4. Р. 181-188.

70. Вакуленко С.П. [и др.] Новые технологии производства деталей с увеличенными сроками эксплуатационного содержания для железнодорожного транспорта: Сю. Научных докладов / под ред. Федина В.М., Вакуленко С.П. Московский гос. Ун-т путей сообщения. М.: ВИНИТИ РАН, 2016. С. 18-42.

71. Choi, D.; Shin, J. Numerical Investigation of the Effects of the Beam Scanning Pattern and Overlap on the Temperature Distribution during the Laser Dopant Activation Anneal Process. Appl. Sci. 2021, 11, 10748. Р. 1-14.

72. Joonas Pekkarinen, Scanning Optics Enabled Possibilities and Challenges in Laser Cladding. // Physics Procedia,/ 2015. Volume 78, 2015, P. 285-295.

73. Modeling of laser surface modification processes of tool steel to predict the

temperature distribution and modification zone. /E. V. Khriptovich [et al.] // Journal of Physics: Conference Series. 2021. Vol. 2036. Article number 012038.

74. Брыков Н.А. Решение нелинейной нестационарной задачи теплопроводности // Международный научно-исследовательский журнал. 2016. №5 (47). С.52-55.

75. Исследование формы ванны расплава при лазерном воздействии на сталь AISI 316L с учетом конвекции марангони. // С. А. Никифоров [и др.] / Инженерный журнал: наука и образование. №2. (134) 2023. 12 с.

76. Skvarenina, S. and Shin, Y.C. Predictive Modeling and Experimental Results for Laser Hardening of AISI 1536 Steel with Complex Geometric Features by a High Power Diode Laser // Surface and Coatings Technology. 2006. Volume 201, Issue 6. Pp. 22562269.

77. Patwa, R. and Shin, Y.C. Predictive Modeling of Laser Hardening of AISI5150H Steels // International Journal of Machine Tools and Manufacture. 2007. Volume 47, Issue 2. Pp. 307-320.

78. Kou, S., Sun, D. and Le, Y. A Fundamental Study of Laser Transformation Hardening // Metallurgical Transactions A. 1983. Volume 14, Issue March. Pp. 643-653.

79. Ashby, M. and Easterling, K.E. The Transformation Hardening of Steel Surfaces by Laser Beams—I. Hypo-Eutectoid Steels // Acta Metallurgica. Volume 32, Issue 11. Pp. 1935-1948.

80. Determining the Size of the Hardening Zone by Temperature Fields during Laser Processing / E. V. Khriptovich [et al.] // Physics of Atomic Nuclei. 2022. Vol. 85. Issue 12. Pp. 2092-2098.

81. Анализ диаграммы изотермического распада переохлажденного аустенита: метод. указания к практ. и лаб. работам по дисциплинам «Основы термической обработки», «Материаловедение» для студентов всех форм обучения по направлению подготовки 150400 «Металлургия» / НГТУ; шст.: Т.В. Нуждина, М.Н. Чеэрова, Т.В. Комарова. Н. Новгород, 2014. С. 34.

82. Siao Y.-H., Wen C.-D. Examination of molten pool with Marangoni flow and evaporation effect by simulation and experiment in selective laser melting. International

Communications in Heat and Mass Transfer, 2021, vol. 125, paper no. 105325. https://doi.org/10.1016/j.icheatmasstransfer.2021. 105325

83. Le T.-N., Lo Y.-L. Effects of sulfur concentration and Marangoni convection on melt-pool formation in transition mode of selective laser melting process. Materials & Design, 2019, vol. 179, paper no. 107866. https://doi.org/10.1016/j.matdes.2019.107866

84. Лазерные технологии обработки материалов: современные проблемы фундаментальних исследований и прикладных разработок. / Под ред. В. Я. Панченко. М.: Физматлит, 2009. С. 310.

85. Ким Д.П. Теория автоматического управления (в 2-х томах), М.: ФИЗМАТЛИТ, 2003, 2004, 464 с.

86. Корн Г., Корн Т. Справочник по математике (для научных работников и инженеров), М.: 1977, 831 с.

87. Xiao, Bin & Zhang, Yuwen. Marangoni and Buoyancy Effects on Direct Metal Laser Sintering with a Moving Laser Beam. // Numerical Heat Transfer Part A: Applications. 2007. Volume. 51 Issue 8 Pp. 715-733.

88. Гершуни Г.З., Жуховицкий Е.М. Конвективная устойчивость несжимаемой жидкости. М.: Наука, 1972. 392 с.

89. Ландау Л.Д., Лифшиц Е.М. Гидродинамика. М.: Наука, 1986. 736 с. 9. Джалурия Й. Естественная конвекция. М.: Мир, 1983. 400 с.

90. 3D discrete-element model for simulating liquid feeding during dendritic solidification of steel. / Yi Feng A [et al.] // IOP Conference Series: Material Science and Engineering. 2019. Volume 529. Article number 012031.

91. Технологические и эксплуатационные свойства титановых сплавов: учебное пособие / А. Г. Илларионов, А. А. Попов. Екатеринбург : Изд-во Урал. ун-та, 2014. 137 с.

92. Хриптович Е. В., Шиганов И. Н., Грезев Н. В. Моделирование процесса широкополосного лазерного легирования // Технология машиностроения. №2. 2024. С. 26.

93. Дренин А. А. Исследование взаимодействия газопорошкового потока с лазерным излучением при коаксиальной подаче порошковых материалов с

различной формой и размерами частиц в процессе лазерной наплавки // Молодежный научно-технический вестник: электрон. издание. Эл. №2 ФС77-51038. 2014. № 05. URL: http://sntbul.bmstu.ru/doc/721953.html/. p. 315-330. G./

94. Белова С.А., Иванкин Ю.Н., Игнатов М.Н. Лазерное легирование -прогрессивный метод повышения стойкости инструмента. // Инструмент и технологии. 2003. № 11-12. С. 5.

95. Калашникова М. С. Повышение служебных свойств поверхности конструкционных низкоуглеродистых сталей методом лазерного легирования: дис. .... канд. техн. наук.: 05.03.06 / Калашникова Марина Сергеевна - Екатеринбург: Перм. гос. техн. ун-т, 2003. - 132 с.

96. Тарасова Т. В. Перспективы использования лазерного излучения для повышения износостойкости коррозионностойких сталей. // Металловедение и терм. обработка металлов. 2010. № 6. С. 54-58.

97. Ким В. А., Башков О. В., Сатаева И. В. Локальное лазерное легирование нержавеющей стали 12Х18Н10Т. // Ученые записки Комсомольского-на-Амуре государственного технического университета. 2016. Т. 1. №. 2. С. 64-70.

98. Лазерная поверхностная модификация бандажных сталей карбидом вольфрама. / Григорьянц А.Г. [и др.] // Фотоника. №4. 2019. С. 340-247.

99. Жостик Ю. В. Исследование ударного изнашивания разделительных штампов

и повышение их стойкости лазерным легированием: дис.....канд. техн. наук.:

05.01.04 / Жостик Юрий Владимирович - Брянск: Брянская гос. инж.-технологич. Академия. 1998. - С. 18.

100. Dobrzanski L. A., Bonek M., Labisz K. Effect of laser surface alloying on structure of a commercial tool steel. // J. of Microstructure and Materials Properties. 2013. 8, Issue 1/2. P. 27-37.

101. Третьяков Р. С. Технологические особенности процесса лазерной модификации поверхностей с коаксиальной подачей порошковых материалов: дис. ... канд. техн. наук.: 05.02.07 / Третьяков Роман Сергеевич - М.: МГТУ им. Н. Э. Баумана. 2014. - 158 с.

102. Хриптович Е.В., Шиганов И.Н. Лазерное легирование поверхности Ст20Х

широкополосным методом. // Наукоемкие технологии в машиностроении: тез. докл. в 2 т. Междунар. конф. Москва. 2024. Т.2. С. 251-253.

103. Шамов Е. М. Технология и оборудование многослойной лазерной сварки неповоротных стыков труб большого диаметра для магистральных трубопроводов:

дис.....канд. техн. наук.: Шамов Евгений Михайлович - М.: МГТУ им. Н. Э.

Баумана. 2019. C. 92-103.

104. Хартман К., Лецкий Э. К., Шефер В. Планирование экспериментов в исследовании технологических процессов. М.: изд-во Мир. 1977. 552 с.

105. Лазерное легирование поверхности инструментальной стали порошком карбида тантала. / Хриптович Е. В. [и др.] // Будущее машиностроения России: тез. докл. в 2 т. Всерос. конф. Москва. 2021. Т.1. С. 385-390.

106. Marimuthu P (2019) Status of laser transformation hardening of steel and its alloys: A review. Emerg. Mater. Res. 8(2): 188-205. https://doi: 10.1680/jemmr.16.00145.

107. Verwimp J., Rombouts M., Geerinckx E., Motmans F. Applications of Laser Cladded WC-Based Wear Resistant Coatings. // Physics Procedia. 2011. Volume 12, Part A. P. 330-337.

108. Fuquan Li, Zhenzeng Gao, Liqun Li, Yanbin Chen. Microstructural study of MMC layers produced by combining wire and coaxial WC powder feeding in laser direct metal deposition. // Optics & Laser Technology. 2016. Volume 77, March. P. 134-143.

109. Youlu Yuan, Zhuguo Li. Microstructure and Tribology Behaviors of In-situ WC/Fe Carbide Coating Fabricated by Plasma Transferred Arc Metallurgic Reaction. // Applied Surface Science. 2017. Volume 423, November. P. 13-24.

110. Федосеева А. Э., Долженко А. С. Влияние тантала на сопротивление ударным нагрузкам 12% Cr сталей, подвергнутых термомеханической обработке. // Физ. мезомех. 2023. №4. C. 129 - 140.

111. Tkachev E., Belyakov A. Effect of heat treatment on microstructure and mechanical properties of an advanced Ta-alloyed 9%Cr steel. // Proc. EPRI's 9th Int. Conf. on Advances in Materials Technology for Fossil Power Plants and the 2nd Int. 123HiMAT

Conf. on High- Temperature Materials, Oct. 21-24, 2019. Nagasaki, Japan: Elect. Power Res. Inst., 2019. P. 116-122.

112. Fomina, M., Koshuro, V., Papshev, V., Rodionov, I., Fomin, A. Surface morphology data of tantalum coatings obtained by electrospark alloying. Data in Brief. 2018. 20. P.1409-1414

113. Пугачева Н. Б., Быкова Т. М. Влияние элементов основы на состав и свойства диффузионных боридных покрытий. // Обработка металлов: технология, оборудование, инструменты. 2014. №1 (62). C. 46 - 53.

114. Особенности разрушения диффузионного боридного покрытия на малоуглеродистой стали в условиях термоциклирования под нагрузкой. / Пугачева Н.Б. [и др.] // Упрочняющие технологии и покрытия. 2011. № 3. С. 24 - 30.

115. Емельянов Д.В., Гилазов И.Н., Астащенко В.И. О возможности использования борсодержащих диффузионных покрытий на режущих инструментах из быстрорежущих сталей. // ИВД. 2017. №3 (46). С. 15.

116. Влияние легирования титаном на микроструктуру дисперсно-упрочненной оксидами 13.5% хромистой стали. / Рогожкин С. В. [и др.] // Физика металлов и металловедение. 2014. Т. 115, № 12. С. 1328.

Приложение

П. 1

ПРОТОКОЛ

испытаний образцов на износостойкость. наплавленных образцов, представленных организацией:

Общество с ограниченной ответственностью Научно-техническое объединение «ИРЭ - Полюс», ООО ЫГО «ИРЭ-ПОПЮС».

Организация (предприятие), проводящая испытание: Федеральное государственное бирже-гное учреждение науки Институт машиноведения им. A.A. Блатонравова Российской академии наук (ИМАШ РАН). Дата проведения испьпаний: 20.0S.21

Цель испытаний: Опгиыизацм режимов наплавки образцов для повышения износостойкости.

Основание для проведения испытаний: ДоговорУз 02 02-21 о[г 0S февраля 2021г. Краткая характеристика образцов: материал, с покрытиями поверхности: стали 40ХН2МА. 30ХГСА. 20Х см. табл. 1. Дата изготовления: 10.0 В. 21г.

Таблица 1 - Результаты сравнительных испытаний на абразивное изнашивание

Марки сталей № л п У? образца 1 иикт 2 цикл 3 цнкл Среднее значение

Потеря массы осразцов. г.

40ХН2МА 1 44 0.0323 0.02S5 0.0334 0.0315

2 46 0,0216 0:0233 ого:з4 0,0223-

45 0.0270 0.0274 0.0294 0.0279

4 50 0.0114 0.0101 О.ООВ6 0.0100

Л Эталон 0.0349 0.033 7 0.03 75 0.0353

6 Закалка 0.0247 0.0290 0.0315 0.0254

ЗОХГСА 7 55 0.0256 0.0299 0.0253 0.0255

S 62 0.0261 0.0320 0.0230 0.0270

9 64 0.0267 0.0263 0.0232 0.0254

10 67 0.0253 0.0250 0.0192 0.0233

11 70 0.0223 0.0273 0.0237 0.0244

12 Эталон 0.0353 0.0340 0.0419 0.0370

13 Закалка 0.0253 0.0315 0.0276 0.0251

20Х 14 63 0.0262 0.0306 0.0277 0.0252

15 65 0.0133 0.0196 0.0159 0.0164

16 Эталон 0.0454 0:0+б1 0.0421 0.0445

Ответственный исполнитель p&Goi

в,и.о., K.T.Ii. / В.П, инркжок

с л*,

<г

П. 2

«УТВЕРЖДАЮ»

Протокол иснитпннн Лг 1/1 от апреля 2^21 г.

Образцы: сталь У16 с модифицированной поверхностью (образцы №2-1, 22: 3-1, 3-2,4-1,4-2, 5-1, 5-2) н без обработки поверхности (образец №1-1, 1-2).

Метод испытаний: метод «шар-диск» (вращение образца относительно неподвижного - шара из выбранного материала, установленного на

расстоянии относительно оси вращения образца) (АБТМ |Сг99-17).

Таблица 1

Результаты измерения коэффициента трения и величины износа при треннн

ПП Образец Температура испытание. Средний коэффициент трення Ыш Глубина ДЕрОЖКИ износа, мкм Износ образца. Диаметр изнсса шарика, мкм Износ

1 1-1 0,67 24 й.зю-- 1760 3,2 10"5

2 2-1 ШХ15 20 0.56 2,3 3.310"е 1715 2,9 10 5

3 3-1 0,61 2,5 4.310"е 1705 2, В ТО"5

4 4-1 0.59 2Л 2.3-10"6 1650 2.5 10"5

^ 5-1 0.54 3,9 б.бЮ"6 1795 3.5 10"5

б 1-2 0.53 21 4.4-10"- £00 1,3 10"6

7 2-2 АЬОэ 300 0.57 71 2.3-10^ 1345 1,1 105

3-2 0.50 25 7,1-10"- 1105 4,9 10"6

4-2 0.47 1250 1,6 10 2

10 5-2 0.44 67 1,9-104 1045

Примечание-.

* износ определить не удалось из-за значительного количества продуктов износа

образца, запекшихся на поверхности ^^лл^цд.

Старший научный сотрудник

ООО «}1ПО «КИТ-Энерпм>, к.г.м. ^^__Зщювй О С