Способ наплавки жаропрочных высоколегированных сплавов

Авторы патента:

B23K26/34 - сварка для иных целей, чем соединение, например с целью наплавки

B23K26/14 - с использованием потока, например струи газа, направленного в место обработки, в сочетании с лазерным лучом (B23K 26/12 имеет преимущество)

Владельцы патента RU 2257285:

ОТКРЫТОЕ АКЦИОНЕРНОЕ ОБЩЕСТВО "ПЕРМСКИЙ МОТОРНЫЙ ЗАВОД" (RU)

Изобретение может быть использовано для наплавки деталей, работающих в условиях высоких температур и при воздействии значительных нагрузок. Наплавочный материал содержит от 99,3 до 99,9 мас.% порошка жаропрочного высоколегированного сплава на никелевой или кобальтовой основе сферической формы фракцией от 30 до 200 мкм и от 0,1 до 0,7 мас.% диоксида циркония, стабилизированного 7% окиси иттрия, фракцией от 1 до 20 мкм. Материал подают струей транспортирующего газа в сопло лазерной установки соосно с лазерным лучом. Лазерную установку настраивают так, что фокус лазерного пучка заключен в сопле на расстоянии 3-7 мм от торца сопла, а фокус потока порошкового наплавочного материала находится вне сопла на расстоянии 6-10 мм. Частицы диоксида циркония "замуровываются" в расплаве жаропрочного высоколегированного сплава и равномерно распределяются по объему наплавленного металла. Способ обеспечивает повышение жаропрочности и жаростойкости наплавленного на жаростойкий высоколегированный сплав металла. 1 з.п. ф-лы.

Изобретение относится к сварочному производству и может быть использовано для наплавки деталей, работающих в условиях высоких температур и при воздействии значительных нагрузок.

Недостатком известного способа является сложность наплавки на торцы лопаток из-за переменного профиля лопатки.

Известен способ наплавки, при котором порошковый наплавочный материал подается в сопло плазмотрона струей транспортирующего газа, нагревается плазмой и с ускорением переносится на поверхность основного материала. Данный способ позволяет наносить на поверхность основного материала металлы, керамику, органические материалы (Хасуи А., Моригвки О. Наплавка и напыление, М.: Машиностроение, 1985, с. 142-145).

Недостатками известного способа являются возможность несплавления с наплавляемой поверхностью, пористость, низкая прочность сцепления с основой.

Наиболее близким по технической сущности является способ наплавки, при котором порошковый наплавочный материал подается струей транспортирующего газа, нагревается лазерным излучением и переносится на поверхность основного материала. Данный способ позволяет наносить на поверхность основного материала металлы, керамику (D.Schuoecker. Laser augmented 3-D shaping // Лазерные технологии и средства реализации. Материалы III Международной научно-технической конференции, С-Пб, Издательство СПбГТУ, 2000, с. 3-15).

Недостатком известного способа является значительный расход порошкового наплавочного материала. Состав наплавочного материала не приводится.

Задачей изобретения является повышение жаропрочности и жаростойкости наплавленного на жаростойкий высоколегированный сплав металла.

Поставленная цель достигается тем, что порошковый наплавочный материал подают струей транспортирующего газа, нагревают лазерным излучением и переносят на поверхность основного материала, при этом порошковый наплавочный материал подают в сопло соосно лазерному лучу, порошковый наплавочный материал содержит порошок сферической формы жаропрочного высоколегированного сплава фракцией от 30 до 200 мкм и диоксид циркония, стабилизированный семью процентами окиси иттрия, фракцией от 1 до 20 мкм при следующем соотношении, мас.%:

Жаропрочный высоколегированный сплав 99,3-99,9

Диоксид циркония, стабилизированный 7%

окиси иттрия 0,7-0,1

Фокус лазерного пучка заключен в сопле на расстоянии 3-7 мм от торца сопла, а фокус потока порошкового наплавочного материала находится вне сопла на расстоянии 6-10 мм.

Известен способ наплавки контактных площадок лопаток газотурбинного двигателя, изготовленных из жаропрочных высоколегированных сплавов на основе никеля, при котором аргоно-дуговой сваркой наплавляют мерные пластины, изготовленные из металла одинакового химического состава с основным металлом лопатки или металла на основе кобальта. В состав металла на основе кобальта входит гафний или цирконий 1,25-1,75 мас.% (сплав №492) (Основы технологии создания газотурбинных двигателей для магистральных самолетов, под редакцией Братухина А.Г., Решетникова Ю.Е., Иноземцева А.А., М.: Авиатехинформ, 1999, с.502-507).

Способы повышения жаропрочности и жаростойкости литых сплавов на никелевой или кобальтовой основе за счет увеличения степени легирования практически исчерпаны. Обеспечить жаропрочность и жаростойкость сплавов можно порошковой металлургией с введением в порошок нитридов, карбидов и оксидов с последующим их спеканием, прессованием и экструзией. Изготовление таких сплавов литьем невозможно из-за активного взаимодействия расплава с нитридами, карбидами и оксидами в процессе выплавки сплава. Для получения таких сплавов наплавкой необходимо решить проблему химического взаимодействия добавок с расплавом, выбрать приемлемую технологию, обеспечивающую равномерное распределение добавок в расплаве. Наиболее устойчивым к температуре и химическому взаимодействию с элементами жаропрочных сплавов из нитридов, карбидов и оксидов является диоксид циркония, стабилизированный иттрием.

Способ реализуется следующим образом.

Из жаропрочного высоколегированного сплава на никелевой или кобальтовой основе, например ЖС6, ЖС26, ЖС32, ЖС36, НС21, Х40, Х63, получают порошок сферической формы фракцией от 30 до 200 мкм. Диоксид циркония, стабилизированный 7% окиси иттрия, используют в виде порошка фракцией от 1 до 20 мкм. Порошковый наплавочный материал содержит порошок жаропрочного высоколегированного сплава от 99,3 до 99,9 мас.% и диоксид циркония, стабилизированный 7% окиси иттрия, от 0,1 до 0,7 мас.%. Порошковый наплавочный материал подают струей транспортирующего газа в сопло лазерной установки соосно с лазерным лучом. Лазерную установку настраивают так, что фокус лазерного пучка заключен в сопле на расстоянии 3-7 мм от торца сопла, а фокус потока порошкового наплавочного материала находится вне сопла на расстоянии 6-10 мм. Порошковый наплавочный материал нагревают лазерным излучением и переносят на поверхность жаропрочного высоколегированного сплава на основе никеля или кобальта. Частицы диоксида циркония “замуровываются” в расплаве жаропрочного высоколегированного сплава и равномерно распределяются по объему наплавленного металла.

Установлено, что при содержании диоксида циркония, стабилизированного 7% окиси иттрия, в порошковом наплавочном материале свыше 0,7 мас.% повышение жаропрочности наплавленного металла незначительно. Если содержание диоксида циркония, стабилизированного 7% окиси иттрия, в порошковом наплавочном материале меньше 0,1 мас.%, то жаропрочность и жаростойкость наплавленного металла мало отличается от жаропрочности и жаростойкости основного материала.

Пример конкретного выполнения.

На лазерном комплексе ТЛ-3 наплавляют торец пера лопатки из сплава ЖС26. Порошковый наплавочный материал содержит порошок ЖС26 фракцией от 60 до 120 мкм и ZrO₂·7%Y₂O₃ фракцией от 1 до 20 мкм. Содержание ZrO₂·7%Y₂O₃ в наплавочном материале - 0,4 мас.%. Мощность излучения Р=700-800 Вт, фокус лазерного пучка расположен на расстоянии 5 мм от торца сопла, скорость наплавки 10 м/ч, расход транспортирующего газа - аргона - 2-4 л/мин. За пять проходов высота наплавленного металла составляет 3 мм. После наплавки лопатку обработали до геометрических размеров по чертежу.

Сравнительные испытания образцов показали увеличение износостойкости при температурах до 1400° С (серийные образцы - до 1150° С).

1. Способ наплавки жаропрочных высоколегированных сплавов, при котором порошковый наплавочный материал подают струей транспортирующего газа, нагревают лазерным излучением и переносят на поверхность основного материала, отличающийся тем, что порошковый наплавочный материал подают в сопло соосно лазерному лучу, порошковый наплавочный материал содержит порошок сферической формы жаропрочного высоколегированного сплава фракцией от 30 до 200 мкм и диоксид циркония, стабилизированный семью процентами окиси иттрия, фракцией от 1 до 20 мкм при следующем соотношении, мас.%:

Жаропрочный высоколегированный сплав -99,3-99,9

Диоксид циркония, стабилизированный 7%

окиси иттрия -0,7-0,1

2. Способ наплавки жаропрочных высоколегированных сплавов по п.1, отличающийся тем, что фокус лазерного пучка заключен в сопле на расстоянии 3-7 мм от торца сопла, а фокус потока порошкового наплавочного материала находится вне сопла на расстоянии 6-10 мм.

Изобретение относится к обработке металла лазерным лучом. .

Способ ремонта дефектов литья // 2194603

Изобретение относится к технологии ремонта дефектов литья типа газовых раковин и пор в деталях из железоуглеродистых сталей и сплавов с помощью концентрированных источников энергии и может найти применение в различных отраслях машиностроения.

Способ обработки поверхностей трения // 1615222

Изобретение относится к металлургии, в частности к способам обработки поверхностей трения. .

Сопло для лазерной обработки // 2230640

Изобретение относится к оборудованию для лазерной обработки. .

Способ лазерного синтеза объемных изделий (варианты) // 2212982

Изобретение относится к технологии лазерного синтеза объемных изделий (ЛСОИ) из порошковых композиций. .

Способ поддержания заданного расстояния между соплом и обрабатываемой поверхностью при лазерной обработке и устройство для его осуществления // 2205096

Способ и устройство для резки материалов лазерным лучом // 2172233

Изобретение относится к области резки, в частности к способу и устройству для резки материалов лазерным лучом с использованием вспомогательного газа, удаляющего из реза продукты разрушения, и может найти применение в различных отраслях машиностроения.

Лазернообрабатывающая головка и способ лазерной обработки деталей // 2143964

Изобретение относится к лазернообрабатывающим технологиям, конкретнее - к усовершенствованной лазернообрабатывающей головке и способу лазерной обработки, пригодным для использования при разрушении, резании или сверлении с большой производительностью таких материалов, как пластмасса и металл.

Устройство для лазерной резки // 2139783

Изобретение относится к области обработки материалов, а более конкретно к области лазерной резки, и может быть использовано в лазерных станках для раскроя листовых материалов в различных отраслях машиностроения.

Устройство для лазерной обработки // 2127179

Изобретение относится к обработке металлов и может найти применение при гравировке и резке листовых деталей в различных отраслях машиностроения. .

Устройство формирования струи для лазерной резки // 2121912

Изобретение относится к области лазерной техники, а более конкретно к области лазерной резки материалов. .

Способ лазерной обработки и устройство для его осуществления // 2112636

Изобретение относится к машиностроению и может быть использовано для лазерной резки различных материалов. .

Устройство очистки поверхности материала от оксидной пленки // 2112078

Изобретение относится к области лазерной технологии и может быть использовано при восстановлении чистоты поверхности материалов за счет удаления коррозии, масляных пленок и пр., а также при дезактивации радиационно-загрязненных материалов за счет испарения поверхностной оксидной пленки, концентрирующей основную массу нуклидов.

Способ газолазерной резки титана и его сплавов // 2307726

Изобретение относится к способу газолазерной резки титана и его сплавов и может найти применение в различных отраслях энерго- и машиностроения

Ручная питаемая порошком горелка для лазерной сварки плавлением // 2317183

Изобретение относится к сварке плавлением, в частности к ручной питаемой порошком горелке для лазерной сварки, и может найти применение для ремонта сопел турбины

Способ поддержания заданного расстояния между соплом и обрабатываемой поверхностью при лазерной обработке материалов и устройство для его осуществления // 2320463

Изобретение относится к области лазерной обработки материалов и может быть использовано в устройствах лазерной резки, сварки, гравировки, маркировки и т.п

Устройство для лазерной обработки поверхностей // 2328364

Изобретение относится к области лазерной техники, в частности к устройству для лазерной обработке поверхностей, и может быть использовано для лазерной очистки от загрязнений поверхностей различных объектов, например колесных пар подвижного состава на железнодорожном транспорте

Лазерная микрообработка и способы ее осуществления // 2365477

Изобретение относится к способу формирования элемента на подложке путем удаления материала на поверхности подложки лазерным лучом (варианты) и устройству для его осуществления

Устройство для газолазерной резки материалов // 2368479

Изобретение относится к устройству для газолазерной резки и может быть использовано для лазерного раскроя листового металла мощным лазерным излучением

Камера обработки и способ обработки материала посредством направленного пучка электромагнитного излучения, в частности, для устройства лазерного спекания // 2378094

Изобретение относится к камере обработки, устройству лазерного спекания и способу обработки материала посредством направленного пучка электромагнитного излучения

Способ газолазерной резки композиционных материалов // 2382693

Изобретение относится к способу газолазерной резки композиционных материалов