Исследование упрочненного многослойного покрытия, полученного методом холодного газодинамического напыления с использованием лазера

При воссоздании изделий, полученных с помощью аддитивных технологий, основанных на послойном плавлении металлического порошка концентрированными потоками энергии, используют методы, минимизирующие плавление исходного порошка и снижающие структурную неоднородность в материале. Один из таких методов — холодное газодинамическое напыление с интенсификацией процесса лазерным излучением (ХГНЛ). Многослойные ХГНЛ-покрытия имеют гомогенную структуру металла. Вместе с тем значительная шероховатость поверхности обусловлена размером частиц исходного порошка. В работе представлен способ постобработки многослойных ХГНЛ-покрытий, позволяющий получать упрочненный слой на их поверхности. Упрочненный слой формируется путем внедрения порошковых частиц карбида бора ВС в расплавленную лазером область на поверхности покрытия (использовали нержавеющую сталь 316L). Акустическая волна, вызванная «микровзрывом», инициированным лазерным импульсом над поверхностью, толкает частицы карбида в различных направлениях. Часть из них внедряется в «ванну» расплава на поверхности покрытия. Таким образом осуществляется лазерное микродетонационное шаржирование поверхности ХГНЛ-покрытия. В результате исследования упрочненного слоя установлено высокое содержание в нем таких элементов, как B, C, Cr, Fe, Ni. Кроме того, в структуре слоя формируются твердые карбиды ромбической формы. Химический и элементный анализы показали, что ромбообразные карбиды — карбиды типа (Fe, Cr)_xB_y — содержат высокую концентрацию Cr, Fe и относительно небольшой процент С. Вероятно, они формируются за счет взаимодействия хрома, входящего в состав исходного упрочняемого покрытия, с бором, который высвобождается с поверхности частиц BC при взаимодействии с лазером. При упрочнении поверхности ХГНЛ-покрытия предложенным способом осуществляется плавление поверхности покрытия лазером с одновременной подачей частиц BC, что обеспечивает высокую твердость получаемого упрочненного слоя. Представленный способ упрочнения может быть использован с применением различных порошковых материалов.

1. Bagherifard S., Monti S., Zuccoli M., et al. Cold spray deposition for additive manufacturing of freeform structural components compared to selective laser melting / Materials Science and Engineering. 2018. Vol. 721. P. 339 – 350.

2. Bandar AL-Mangour, Phuong Vo, Rosaire Mongrain, Eric Irissou, Stephen Yue. Effect of heat treatment on the microstructure and mechanical properties of stainless steel 316L coatings produced by cold spray for biomedical applications / Thermal spray technology. 2014. N 23(4). P. 641.

3. Coddet P., Verdy C., Coddet C., Debray F., Lecouturier F. Mechanical properties of thick 304L stainless steel deposits processed by He cold spray / Surface & Coatings Technology. 2015. Vol. 277. P. 74 – 80.

4. Gorunov A. I. Features of Coatings Obtained by Supersonic Laser Deposition / Thermal spray technology. 2018. Vol. 27. Issue 7. P. 1194 – 1203.

5. Jianhua Yao, Zhihong Li, Bo Li, Lijing Yang, Jianhua Yaoet. Characteristics and bonding behavior of Stellite 6 alloy coating processed with supersonic laser deposition / Journal of Alloys and Compounds. 2016. Vol. 661. P. 526 – 534.

6. Lupoi R., Sparkes M., Cockburn A., O’Neill W. High speed titanium coatings by supersonic laser deposition / Materials Letters. 2011. Vol. 65. P. 3205 – 3207.

7. Singh R., Rauwald K.-H., Wessel E., et al. Effects of substrate roughness and spray-angle on deposition behavior of cold-sprayed Inconel 718 / Surface & Coatings Technology. 2017. Vol. 319. P. 249 – 259.

8. Yuan Lin-jiang, Luo Fang, Yao Jian-hua, et al. Deposition behavior at different substrate temperatures by using supersonic laser deposition / Journal of Iron and Steel Research International. 2013. Vol. 20. N 10. P. 87 – 93.

9. Jianhua Yao, Lijing Yang, Bo Li, et al. Characteristics and performance of hard Ni60 alloy coating produced with supersonic laser deposition technique / Materials & Design. 2015. Vol. 83. P. 26 – 35.

10. Bo Li, Yan Jin, Jianhua Yao, et al. Solid-state fabrication of WCp-reinforced Stellite-6 composite coatings with supersonic laser deposition / Surface and Coatings Technology. 2017. Vol. 321. P. 386 – 396.

11. Bo Li, Yan Jin, Jianhua Yao, Zhihong Li, et al. Influence of laser irradiation on deposition characteristics of cold sprayed Stellite-6 coatings / Optics and Laser Technology. 2018. Vol. 100. P. 27 – 39.

12. Горунов А. И. Формирование износостойких покрытий на основе никеля методом сверхзвуковой лазерной наплавки / Физика и химия обработки материалов. 2016. ¹ 5. С. 59 – 64.

13. Sova A., Grigoriev S., Okunkova A., Smurov I. Cold spray deposition of 316L stainless steel coatings on an aluminum surface with the following laser post-treatment / Surface and Coatings Technology. 2013. Vol. 235. P. 283 – 289.

14. Ivannikov A. Yu., Kalita V. I., Komlev D. I., et al. Investigation into improving microstructure and properties of plasma sprayed Ni coating via electromechanical treatment / Journal of Materials Processing Technology. 2019. Vol. 266. P. 442 – 449.

15. Горунов А. И. Исследование структуры и механических свойств покрытия из коррозионностойкой стали, сформированного методом газодинамического напыления с активацией процесса лазерным излучением / Деформация и разрушение материалов. 2016. № 9. С. 2 – 7.

16. Макаров А. В., Соболева Н. Н., Малыгина И. Ю., Осинцева А. Л. Формирование износостойкого хромоникелевого покрытия с особо высоким уровнем теплостойкости комбинированной лазерно-термической обработкой / Металловедение и термическая обработка металлов. 2015. № 3(717). С. 39 – 46.

17. Калита В. И., Яркин В. В., Багмутов В. П. и др. Формирование покрытий с аморфной и наноструктурой / Металлы. 2007. ¹ 6. С. 95 – 101.

18. Gorunov A. I. Investigation microstructure of carbon fibers reinforced composite on Fe and Ni-based obtained by laser metal deposition / Surface and Coatings Technology. 2019. Vol. 364. P. 279 – 288.