ФОРМИРОВАНИЕ ГРАДИЕНТНЫХ ПОВЕРХНОСТНЫХ СЛОЕВ НЕОДНОКРАТНЫМ ЛАЗЕРНЫМ ЛЕГИРОВАНИЕМ

The capability of deriving laser alloying layers with a smoothly varying gradient of properties was investigated. It was reached by conducting of repeated alloying with a series of lower depth of a melting zone. Obtained nature of allocation structural component and gradient of properties through the thickness, as well as general morphology of the hardened layer have proved a high level of its operation properties in conditions of high contact loading.Исследовали возможность получения лазерно-легированных слоев с плавным градиентом свойств. Это достигалось проведением неоднократного легирования с последовательным уменьшением глубины зоны переплава. Полученный характер распределения структурных составляющих и градиента свойств по глубине, а также общая морфология упрочненного слоя заставляют ожидать высокого уровня его эксплуатационных свойств в условиях высоких контактных нагрузок

ПЛАЗМЕННЫЕ ТЕПЛОЗАЩИТНЫЕ ПОКРЫТИЯ НА ОСНОВЕ ДИОКСИДА ЦИРКОНИЯ С ПОВЫШЕННОЙ ТЕРМОСТОЙКОСТЬЮ

The paper presents optimization of  processes for obtaining maximum content of tetragonal phase in the initial material and thermal barrier coatings (TBC) based on zirconium dioxide and hafnium oxide.  Results of the investigations on phase composition of oxide HfO2 – ZrO2 – Y2O3  system have been given in the paper. The system represents  a microstructure which is similar to  zirconia dioxide and  transformed for its application at 1300 °C. The paper explains a mechanism of hafnium oxide influence on formation of the given microstructure. The research methodology has been based on complex metallography, X – ray diffraction and electron microscopic investigations of  structural elements of the composite plasma coating HfO2 – ZrO2 – Y2O system.In order to stabilize zirconium dioxide  dopant oxide should not only have an appropriate size of  metal ion, but also form a solid solution with the zirconia. This condition severely limits the number of possible stabilizers. In fact, such stabilization is possible only with the help of rare earth oxides (Y2O3, Yb2O3, CeO2, HfO2). Chemical purity of the applied materials plays a significant role for obtaining high-quality thermal barrier coatings. Hafnium oxide has been selected as powder for thermal barrier coatings instead of zirconium dioxide due to their similarities in structural modification, grating, chemical and physical properties and its high temperature structural transformations. It has been established that plasma thermal barrier HfO2 – ZrO2 – Y2O3 coatings consist of  one tetragonal phase. This phase is equivalent to a non-equilibrium tetragonal t' phase in the “zirconium dioxide stabilized with yttrium oxide” system. Affinity of  Hf+4 and Zr+4 cations leads to the formation of identical metastable phases during rapid quenching.В статье изложена оптимизация процессов получения максимального содержания тетрагональной фазы в исходном материале и в теплозащитных покрытиях на основе диоксида циркония и оксида гафния. Приведены результаты исследования фазового состава оксидной системы HfO2 – ZrO2 – Y2О3, которая представляет собой микроструктуру, похожую на диоксид циркония, трансформированную для использования при температуре 1300 °C, объяснен механизма влияния оксида гафния на формирование данной микроструктуры. Методика исследования основана на комплексных металлографических, рентгеноструктурных и электронно-микроскопических исследованиях структурных элементов композиционных плазменных покрытий системы HfO2 – ZrO2 – Y2О.Для стабилизации диоксида циркония легирующий оксид должен не только иметь соответствующий размер иона металла, но и образовывать твердый раствор с диоксидом циркония. Это условие резко ограничивает число возможных стабилизаторов. Фактически такая стабилизация возможна только оксидами редкоземельных металлов (Y2O3, Yb2O3, CeO2, HfO2). Важное значение для получения качественных теплозащитных покрытий имеет химическая чистота применяемых материалов. Оксид гафния был выбран для использования в качестве порошка для теплозащитных покрытий вместо диоксида циркония ввиду их сходства в структурной модификации, решетке, химических и физических свойствах и его повышенной температуры структурных преобразований. Установлено, что плазменные теплозащитные покрытия HfO2 – ZrO2 – Y2О3 состоят из одной тетрагональной фазы. Эта фаза эквивалентна неравновесной тетрагональной t'-фазе в системе «диоксид циркония, стабилизированный оксидом иттрия». Сходство Hf+4 и Zr+4 катионов приводит к образованию одинаковых метастабильных фаз при быстрой закалке

ИССЛЕДОВАНИЕ ИЗНОСОСТОЙКИХ ПОКРЫТИЙ ИЗ ДИФФУЗИОННО-ЛЕГИРОВАННОЙ АУСТЕНИТНОЙ СТАЛИ, ПОЛУЧЕННЫХ ПЛАЗМЕННЫМ НАПЫЛЕНИЕМ И ПОСЛЕДУЮЩЕЙ ЛАЗЕРНОЙ ОБРАБОТКОЙ

The paper describes investigations on wear-resistant coatings from diffusion-alloyed austenitic steel obtained while using plasma spraying and subsequent laser processing. It is common knowledge that majority of machine parts and equipment has been out of service due to wear of surface layer. Application of diffusion-alloyed powder ПР-Х18Н9 based on austenitic steel while using combined technology including plasma spraying and laser infusion makes it possible to obtain qualitative coatings with high operational characteristics. The coating has a homogeneous structure with characteristic dispersive finely-dendrite formation. While using various powder boronizing modes and laser processing it is possible to control a porosity  (0,23–4,70 %) because the given factor is considered as an inherited parameter and it is influenced not only by laser processing characteristics but by powder boronizing time. It has been established that  the least deformations and internal stresses are formed in the coating in the case when self-fluxing diffusion-alloyed powder has been applied for 3 hours.  It has been revealed that there is a sharp increase in micro-hardness at the depth of 150-400 µm from the surface for a specific energy of 100-300 J/mm2 regardless of boronizing time. Coatings can be successfully applied in industry because after laser infusion the required mechanical processing of parts will not worsen operational characteristics when less hard coating layer is removed. Tests of parts under conditions of dry sliding friction without lubrication  have shown an increase of wear-resistance by 3.0-3.2-fold while preserving corrosion-resistance.Проведено исследование износостойких покрытий из диффузионно-легированной аустенитной стали, полученных плазменным напылением и последующей лазерной обработкой. Общеизвестно, что большинство деталей машин и оборудования выходит из строя в результате изнашивания поверхностного слоя. Применение диффузионно-легированного порошка ПР-Х18Н9 на основе аустенитной стали при использовании комбинированной технологии, включающей плазменное напыление и лазерное оплавление, позволяет получать качественные покрытия с высокими эксплуатационными характеристиками. Покрытие обладает гомогенной структурой с характерным дисперсным, мелкодендритным строением. При использовании различных режимов борирования порошка и лазерной обработки возможно управление пористостью (0,23–4,70 %), так как данный фактор является «наследуемым» параметром и на него влияют не только характеристики лазерной обработки, но и время борирования порошка. Установлено, что наименьшие деформации, а значит и внутренние напряжения, образуются в покрытии в случае применения самофлюсующегося диффузионно-легированного в течение 3 ч порошка. Выявлено, что для удельной энергии 100–300 Дж/мм2 вне зависимости от времени борирования наблюдается резкое увеличение микротвердости на глубине 150–400 мкм от поверхности. Покрытия могут быть успешно применены в промышленности, так как требуемая после лазерного оплавления механическая обработка деталей не ухудшит эксплуатационные характеристики при снятии менее твердого слоя покрытия. Испытания деталей в условиях сухого трения скольжения без смазки показали рост износостойкости в 3–3,2 раза при сохранении коррозионной стойкост

РАСЧЕТ ТЕМПЕРАТУРЫ ПОТОКА ЧАСТИЦ ПРИ ПЛАЗМЕННОМ НАПЫЛЕНИИ СМЕСИ САМОФЛЮСУЮЩЕГОСЯ ПОРОШКА И КЕРАМИКИ

Plasma spraying is one of the most effective methods allowing both to restore worn surfaces of parts and create wearresistant coatings on new parts aiming the increase of their service life. Properties of the produced coatings depend on number of parameters, such as a plasma temperature, a chemical and fractional composition of the sprayed mixture, a distance from a plasma torch to the surface of a part, etc. Mathematical modeling of the process can significantly reduce the cost of processing of technological modes and is widely used at present for a calculation of technological parameters. The paper is devoted to mathematical simulation aiming to determine an effect of the injected ceramics content on the change in a temperature of a particles flow, as well as finding the modes in which the particles of high-temperature ceramics will be in the liquid state when they are deposited on the surface of a product. A mathematical model of particles heating in plasma has been formulated and a system of equations has been compiled. The system of equations has been solved numerically in Mathcad by a standard procedure using the Rkadapt function. Calculations have been carried out for a volume concentration of Al2O3 ceramics in a mixture from 5 to 50 % and for a plasma temperature at the exit from the plasma torch in the range from 6000 to 10000 K. Calculations have shown that the concentration of ceramics does not significantly affect the temperature of a mixture. The temperature of the particles depends to a large extent on the temperature of the plasma and the diameter of particles. It has been determined that for the entire range of calculated values the temperature of the self-fluxing powder in contact with the substrate exceeds a melting point. Fractional particle size has a strong effect on the temperature of particles at the moment of contact with the substrate. The dependences of a temperature of the ceramic phase on the particle size at different concentrations and plasma temperature have been determined. Analysis of the coatings microstructures has shown a good correlation with the results of the calculation.Плазменное напыление является одним из эффективных методов, позволяющих как восстанавливать изношенные поверхности деталей, так и создавать износостойкие покрытия на новых деталях с целью увеличения срока их службы. Свойства создаваемых покрытий зависят от ряда параметров, таких как температура плазмы, химический и фракционный составы напыляемой смеси, расстояние от плазмотрона до поверхности и др. Математическое моделирование процесса позволяет значительно снизить стоимость отработки технологических режимов и широко используется в настоящее время для расчета технологических параметров. В настоящей работе была поставлена цель проведения математического моделирования для определения влияния содержания вводимой керамики на изменение температуры потока частиц, а также нахождения режима, при котором частицы высокотемпературной керамики будут в жидком состоянии при осаждении на поверхность изделия. Сформулирована математическая модель нагрева частиц в плазме и составлена система уравнений, которая решалась численно в пакете MathCad стандартной процедурой с использованием функции Rkadapt. Расчеты проводились для объемной концентрации керамики Al2O3 в смеси от 5 до 50 % и для температуры плазмы на выходе из плазмотрона в интервале от 6000 до 10000 К. Вычисления показали, что концентрация керамики не влияет значительно на температуру смеси. Температура частиц в большей мере зависит от температуры плазмы. Определено, что для всего диапазона расчетных величин температура самофлюсующегося порошка при контакте с подложкой превышает температуру плавления. Фракционный размер частиц оказывает сильное влияние на температуру частиц в момент соприкосновения с подложкой. Определены зависимости температуры керамической фазы от размера частиц при различных концентрациях и температуре плазмы. Анализ микроструктур покрытий показал хорошую корреляцию с результатами расчета

Определение возможности модернизации системы на основе дугового плазмотрона для газотермического напыления керамических материалов с использованием топливного вихревого интенсификатора. Часть II: Теплотехническая оценка и экспериментальное тестирование

The main trends in the field of improving thermal spraying processes for ceramic coatings formation is, along with enhancement of coating properties, also the reducing the energy consumption for the process. In this regard, one of the important directions for improving these technologies with plasma is the development of their new versions, using the principle of adding inexpensive fuel-oxidizing mixtures based on hydrocarbons (natural gas, liquefied gas) with air. This type of plasma-fuel type of spraying will be promising for application at the present time, first of all, in order to obtain refractory functional coatings. For this purpose, the opportunity for upgrading an industrial unit/system for plasma spraying of powder materials with arc plasma torch of 25–40 kW power was investigated with the use of experimental variant of a fuel gas-vortex intensifier. Herewith the thermal engineering assessment for possible parameters of the generated high-temperature flow from the torch with this intensifier was carried out to compare these with established thermodynamic characteristics on the applicability range of this system for optimization of the oxide and carbide coating spraying process (using the examples of Al2O3, Cr3C2 and other powders); and gas dynamic and heat transfer calculations of the intensifier operating regimes in this model unit was also performed. New regimes, which were analyzed in our research as the simulants of Al2O3 spraying, have the advantage over the N2-plasma regimes from the point of view of such kinetic parameter of powder processing as ability of heating factor of hot gas medium. Taking into account the calculated data, the experimental system was developed based on the standard spraying unit UPU-3D with a fuel intensifier of the selected design and the preliminary testing of its operation was carried out at the power of 30±2 kW under the following combination of gases in the torch: nitrogen and mixture of liquefied petroleum gas with air. This system has shown the stable operation in certain range of parameters and, according to the zonal calorimetrical measurement and photo-registration of jets, it provides 30–35 % more energy emission from torch generated jet (with attached fuel vortex chamber) in atmospheric conditions, in a comparison with the torch regime with pure N2-plasma with the same power on the arc of plasma heater. Use of the system creates an opportunity to spray carbide powders as well as oxide ones at improved intensity of coating producing in a comparison with standard regimes of commercial spraying units with N2 or Ar plasmas.К основным тенденциям в технологиях газотермического напыления керамических покрытий, наряду с оптимизацией их свойств, относится и снижение энергоемкости процесса. При этом одно из направлений в данных процессах с плазмой – это разработка новых их вариантов с использованием введения в теплоноситель недорогих смесей углеводородов с окислителем. Для решения этой задачи рассмотрена возможность модернизации промышленной системы для напыления порошковых материалов на основе дугового плазмотрона на 25–40 кВт путем применения пробного варианта топливного газо-вихревого интенсификатора. При этом сделана упрощенная теплотехническая оценка возможных параметров генерируемой высокотемпературной струи плазмотрона с данным интенсификатором для сравнения с термодинамическими данными по применимости данных систем с целью формирования оксидных и карбидных покрытий (на примере Al2O3, Cr3C2 и других порошков), а также газодинамический и тепловой расчет режимов плазменно-топливного интенсификатора в такой системе. Изученные новые режимы – имитаторы напыления Al2O3, имеют преимущество над азотно-плазменными режимами с точки зрения кинетического параметра нагрева порошков – фактора нагревательной способности (ability of heating factor, AHF) газовой среды. С учетом полученных данных выполнена разработка экспериментальной системы на базе стандартной установки напыления УПУ-3Д с интенсификатором выбранной конструкции и проведено тестирование ее работы при мощности 30 ±2 кВт и сочетании газов: азота и смеси сжиженного газа (пропан-бутана) с воздухом. Система показала стабильную работу в определенном интервале параметров и, согласно результатам предварительных калориметрических измерений и фоторегистрации струй, обеспечивает внешнее энерговыделение от выходящей из плазмотрона с топливной насадкой струи больше на 30–35 % по сравнению с вариантом работы данного нагревателя с азотной плазмой при той же мощности на дуге. Использование системы открывает возможность для напыления как карбидных, так и оксидных порошков при повышенной производительности получения покрытий в сравнении с традиционными режимами промышленных установок на азотной или аргоновой плазме

Термодинамическая оценка параметров систем C–H–O–N–Me как имитаторов рабочей среды в новых процессах газотермического напыления и сфероидизации порошков

Over the past few years, a group of new processes was developed for high-temperature, including plasma electric arc spraying (at ambient pressure) and spheroidizing of some ceramic and metal powder materials with the use of gaseous hydrocarbons in the heat carriers as well as with feeding of organic additions into a high-temperature jet, in particular, polymeric ones, to control porosity of sprayed metallic functional coatings. The paper considers the possibility to modify such technological processes by introducing solid fuel additions of a polymer type into the operating fluid of an apparatus for gasthermal (plasma or other) treatment, which provides melting of metal or oxide powders. For this, with the help of thermodynamic analysis, the processes have been evaluated at temperatures (300–3000) K for the set of such reacting five component systems as C–H–O–N–Me (at ambient pressure 0.101 MPa) with five variants of Ме – aluminum, titanium, chrome, copper, nickel. This makes it possible to consider these systems as simulants for potential technologies for the treatment of oxide powders (Al2O3, TiO2, Cr2O3) as well as metallic ones (Cu, Ni and their alloys). In order to obtain high exothermic contribution to the heating of powders, the combination “air + polymeric addition (polyethylene) of LDPE grade” was chosen as mixed heat carrier (operating fluid) for the basic version of simulated process. During the analysis of equilibria for the considered multicomponent systems (17 variants), a set of following parameters has been used to characterize the energy intensity of the target powder heating process: the equivalence ratio for reacting mixture and its adiabatic temperature; the energy efficiency of material heating with and without taking into account the effect of fuel addition; specific energy consumption for the powder melting; autothermicity degree of the process during the combined heating (electrothermal heating by the arc of plasma torch and heat flux from the “air + solid fuel additions” mixture) of refractory powders. As a result of the assessment, the preferred (from thermodynamic standpoint) regimes of the considered processes have been found and the possibility to realize an energy-efficient heating of these oxide and metal materials (without oxidation of the latter to CuOx, NiO) with a reduced part of the electric channel of energy transfer, resulted from the carrying out of appreciable effect of the fuel-initiated mechanism of heating in the analyzed C–H–O–N–Mesystems, has been shown in the paper.В последнее время ведется разработка группы новых технологий высокотемпературного, в том числе плазменного электродугового, напыления (при атмосферном давлении) и сфероидизации некоторых керамических и металлических порошковых материалов как с использованием углеводородных газов в качестве теплоносителей, так и с внесением в высокотемпературную струю органических добавок (в частности, полимерных) для регулирования пористости напыляемых металлических покрытий. В статье рассмотрена возможность модификации процессов данной группы за счет ввода твердотопливных добавок полимерного типа в рабочую среду аппарата для газотермической (плазменной или другой) обработки, обеспечивающей плавление металлических или оксидных порошков. Для этого с помощью термодинамического анализа проведена оценка процессов при температурах (300–3000) К для набора реагирующих пятикомпонентных систем типа C–H–O–N–Me (при давлении 0,101 МПа) с пятью вариантами Ме – алюминий, титан, хром, медь, никель. Это позволяет рассматривать данные системы как имитаторы для потенциальных технологий обработки как оксидных (Al2O3, TiO2, Cr2O3), так и металлических (Cu, Ni и их сплавы) порошков. С целью получения высокого экзотермического вклада в нагрев порошков в качестве смесевого теплоносителя для базового варианта моделируемого процесса выбрано сочетание «воздух + полимерная добавка (полиэтилен марки LDPE)». В ходе анализа равновесий в рассмотренных многокомпонентных системах (17 вариантов) для характеристики энергоемкости целевого процесса нагрева порошков использовали набор параметров: фактор эквивалентности реакционной смеси и ее адиабатическую температуру, энергетический КПД нагрева материала с учетом и без учета вклада топливной добавки, удельные энергозатраты на плавление порошка, степень автотермичности процесса при комбинированном нагреве (электротермическое нагревание через дугу плазмотрона и тепловыделение от смеси «воздух + твердотопливная добавка») тугоплавких порошков. В результате проведенной оценки найдены предпочтительные (с термодинамических позиций) режимы рассмотренных процессов и показана возможность реализации энергоэффективного нагрева данных оксидных и металлических материалов (без окисления последних до CuOx, NiO) с пониженной долей электрического канала энергопереноса за счет существенного вклада топливного механизма нагрева в C–H–O–N–Me-системах

Оценка испарительной деградации катодов плазмотронов с CxHy-содержащими плазмами для напыления, тестирования теплозащиты и смежных технологий

Design of non-transferred DC electric arc plasma torches (EAPTs) operated with plasma gases containing alkane hydrocarbons, as a promising type of heaters for a number of technologies (thermal spraying, surface hardening, testing of thermal protection systems, etc.), requires taking into account the evaporation rate of surface cathode material (as one of the channels of its ablative degradation). For this procedure, as the first stage, thermodynamic methods can be used to simulate the composition and properties of reactive C–H–O–N–Ar–Me-systems with variable set of such input parameters as the ratio of components of plasma-forming mixture, its pressure and temperature. We theoretically estimated the evaporative degradation of the material for three variants of EAPT cathode with alkane-containing plasmas (“hot” thermochemical zirconium and thermionic tungsten, and “cold” copper) in equilibrium and quasi-equilibrium modes of “plasma gas + surface cathode material”-mixture, with use of generalized thermodynamic properties of the materials. The calculation for conditions with pressure, which is characteristic for EAPT discharge chamber, showed that when varying the initial composition of the plasma-forming mixture (from oxidizers (air or combustion products of alkanes) to reducing gases based on the products of combined partial oxidation and pyrolysis of alkanes), the effect of a difference in the cathode evaporation rate EAI was observed in systems based on (air + alkane)-mixtures near the melting point of surface cathode substances, in a comparison with the case of EAPTs with more conventional gases (commercial N2, air) and, importantly, for two variants of the analyzed cathodes (with the exception of copper). In addition, the electrode erosion value was compared for simulated zirconium cathode (in terms of erosion evaporative component) when operating on the combustion products of alkanes from “air + CH4”-mixture, and for some known EAPTs with similar cathodes in other gases. Using the case of earlier tested DC plasma torch with rod Zr-cathode (with microheterogeneous surface) as an example, it was found that our calculation indicates non-monotonic dynamics of EAI value and fractions of Zr-containing vapors as a result of the change of the fuel-air equivalence ratio f of initial reactive mixture. This effect is inconsistent with measured cathode composition, which shows a probability of nonequilibrium character of thermal and diffusion processes in near-electrode plasma and surface layer (~1 mm) of the electrode, at least in the modes with arc current in the torch near 300 A. Besides this, it should be noted that obtained modeling data on the behavior of zirconium compounds (ZrO2, ZrC) in C–H–O–N–Ar–Zr-system can be used not only for improvement of the torch cathodes, but also for design of new Zr-containing thermal protection systems to predict preliminary their ablation rate in a flow of products of combustion (including incomplete one) of engine-, rocket- and other fuels. Similarly, the results on the copper compounds behavior near the metal evaporation temperature can be useful for optimizing the process of plasma spraying of copper alloy coatings.Разработка электродуговых плазмотронов (ЭДП) на плазмообразующих газах с алкановыми углеводородами (АУВ) как перспективной разновидности плазмотронов косвенного действия для ряда технологий (в том числе напыления покрытий, тестирования теплозащитных материалов и др.) требует учета скорости испарения материала катодов (как одного из каналов их абляционной деградации). Для этой процедуры в качестве первой стадии может быть использовано моделирование состава и свойств реагирующей системы типа C–H–O–N–Ar–Me термодинамическим методом при варьируемых входных параметрах – соотношении компонентов в плазмообразующей смеси, ее давлении и температуре. Авторы теоретически оценивали испарительную деградацию материалов в трех вариантах катода ЭДП с АУВ-содержащими плазмами («холодный» из меди и тугоплавкие «горячие» – термохимический из циркония и термоэмиссионный из вольфрама) в квазиравновесном и равновесном режимах смеси «плазмообразователь + материал поверхности катода» с учетом обобщенных данных по фазовым переходам в данных материалах. Расчет для условий с характерным для разрядной камеры ЭДП давлением показал, что изменение состава плазмы (от окислителя (смесь продуктов сгорания АУВ) до восстановителя из продуктов комбинации частичного окисления и пиролиза АУВ) дает явный эффект отличия интенсивности испарения катода EAI вблизи точки плавления вещества его поверхности в воздушно-алкановых средах по сравнению с вариантом ЭДП на более простых газах (техническом N2, воздухе), причем для двух вариантов катода (за исключением меди). Сопоставлен уровень эрозии (рассчитанный по испарительной составляющей) циркониевого катода в среде продуктов сгорания АУВ (из смеси «воздух + CH4») и этот же параметр, но в опытах с известными ЭДП со сходными катодами в других газах. На примере ранее изученного ЭДП со стержневым катодом из Zr с гетерогенной поверхностью показано, что термохимический расчет дает немонотонное изменение параметра EAI и концентраций Zr-содержащих паров при сдвиге фактора эквивалентности f плазмообразующей смеси. Такой эффект не согласуется с найденным в эксперименте составом катода, что указывает на вероятность неравновесного характера тепловых процессов и диффузии в приэлектродной плазме и в поверхностном слое (~1 мм) катода, по крайней мере, в режимах с силой постоянного тока в дуге ЭДП около 300 А. Полученные в расчете данные о поведении соединений ZrO2 и ZrC в системе C–H–O–N–Ar–Zr можно применять не только для оптимизации катодов плазмотронов, но и в разработке новых Zr-содержащих керамических теплозащитных систем, в том числе для прогноза темпа их разрушения в потоках продуктов сгорания (в том числе неполного) моторных, ракетных и иных топлив. Сходным образом результаты по поведению меди вблизи температуры ее испарения могут быть полезны для совершенствования процессов газотермического напыления покрытий из сплавов меди

УПРОЧНЕНИЕ СТАЛЕЙ ПРИ ДИФФУЗИОННОМ НАСЫЩЕНИИ КАРБИДООБРАЗУЮЩИМИ МЕТАЛЛАМИ

The structure and properties of steels subjected to thermochemical heat treatment in multi-carbide forming media are studied. As a result, two types of composite structures are formed. Regularities in the formation of diffusion multi-carbide coatings are established. New models of complex diffusion saturation of steel by transition metals is proposed on the basis of thermodynamics and kinetics.Исследованы структура и свойства сталей, подвергнутых химико-термической обработке в многокомпонентных карбидообразующих средах. В результате в насыщаемой стали формируются 2 типа композиционных структур. Установлены закономерности формирования поликарбидных диффузионных покрытий. На основе термодинамики и кинетики смоделированы процессы комплексного диффузионного насыщения стали переходными металлами

Моделирование поверхностной закалки с использованием сканирующего оптоволоконного лазера

An analysis of process of scanning laser processing is made. The possibility of use of program and changeable power of a laser radiation in the course of scanning is shown. A mathematical model of process of training is developed by the scanning laser radiation. The model considers parameters of reciprocation of a laser beam and headway of a detail. Calculation of the temperature profile arising at laser training with a constant power and with change of power of a laser radiation depending on the provision of a laser beam at its relative movement is executed. Implementation of laser training with a program and changeable power of radiation in the course of scanning allows lowering a metabolic cost by 25 % with preservation of the given geometry of a zone of hardening. Results of laser training of a surface of steel 45 with the gas laser and the process unit on the basis of the fiberoptic laser with power up to 2 kW are presented. The volume, hardened in unit of time, was taken for an indicator of efficiency. Use of radiation of the fiber-optic laser provides increase in efficiency of training by 3–5 times in comparison with use of radiation of CO2 laser of the same power. The gained effect is explained by change of conditions of interaction of radiation with the surface of metal at change by an order of a radiation wavelength and also by change of balance distribution of heat in a zone of influence of a laser beam. Taking into account higher efficiency of fiber-optic lasers in comparison with gas, the energy efficiency of use of fiber-optic lasers for the surface strengthening is 9–15 times higher than when using CO2 lasers.Показана возможность управления температурными полями в процессе сканирующей лазерной обработки оптоволоконным лазером. Разработана математическая модель процесса закалки сканирующим лазерным излучением при возвратно-поступательном движении лазерного луча и поступательном движении детали. Выполнен расчет температурного поля, возникающего при лазерной закалке с постоянной мощностью и с изменением мощности лазерного излучения в зависимости от положения лазерного луча при его относительном перемещении. В результате математического моделирования процесса лазерной закалки при изменении мощности лазерного излучения в зависимости от положения лазерного луча установлено, что применение сканирующей системы с программноизменяемой мощностью излучения позволяет снизить на 25 % энергетические затраты с сохранением заданной геометрии зоны упрочнения. Представлены результаты лазерной закалки поверхности стали 45 на газовом лазере 1,2 кВт и технологической установке на базе оптоволоконного лазера мощностью до 2 кВт, оснащенной сканирующей системой. За показатель производительности был принят объем закаленного материала в единицу времени. Анализ полученных результатов показывает, что использование излучения оптоволоконного лазера обеспечивает повышение производительности закалки в 3–5 раз по сравнению с применением излучения СО2 -лазера той же мощности. Полученный эффект объясняется изменением условий взаимодействия излучения с поверхностью металла при изменении длины волны излучения, а также изменением баланса распределения тепла в зоне воздействия лазерного луча. С учетом более высокого КПД энергоэффективность использования оптоволоконных лазеров для поверхностного упрочнения в 9–15 раз выше, чем при использовании СО2 -лазеров

УПРОЧНЕНИЕ БЫСТРОРЕЖУЩИХ И ШТАМПОВЫХ СТАЛЕЙ МЕТОДОМ ТЕРМОЦИКЛИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКИ

The composite structure, mechanisms and nature of strengthening of tool steels subjected to strengthening thermo-cycling treatment are presented (STCT). The influence of the STCT process on the structure and mechanical properties of tool steels are examined. The developed technology permits increasing the wear resistance of steel tools by a factor of 1.4–12 in comparison with traditionally heat-treated ones.Исследованы композиционная структура, механизмы и характер упрочнения инструментальных сталей, подвергнутых термоциклической обработке (УТЦО). Изучено влияние процесса УТЦО на структуру и механические свойства инструментальных сталей. Разработанная технология повышает стойкость стальных инструментов в 1,4–12 раз, по сравнению с традиционно термообработанными