Восстановление бронзовых деталей методом лазерной порошковой наплавки и оценка коррозии получаемого покрытия | Статья в журнале «Молодой ученый»

Авторы: ,

Рубрика: Химия

Опубликовано в Молодой учёный №16 (150) апрель 2017 г.

Дата публикации: 24.04.2017

Статья просмотрена: 307 раз

Библиографическое описание:

Косовец А. С., Кондриков Н. Б. Восстановление бронзовых деталей методом лазерной порошковой наплавки и оценка коррозии получаемого покрытия // Молодой ученый. — 2017. — №16. — С. 120-124. — URL https://moluch.ru/archive/150/42406/ (дата обращения: 16.12.2018).



Восстановление изношенных деталей и узлов машин для их дальнейшего использования позволяет значительно сократить расходы, связанные с заменой этих частей, а также сократить потери металла при переплавке этих деталей. Для восстановления деталей применяют такие методы как напыление металлов и сплавов, восстановление путем электролитического нанесения, ручная и механизированная наплавка и сварка.

Лазерная порошковая наплавка является перспективным методом для обработки различных деталей, выполненных из разнообразных металлов и сплавов. Сущность метода заключается в образовании ванны расплава на поверхности обрабатываемого материала при воздействии лазерного луча с одновременным добавлением в ванну расплава присадочного материала в виде порошка или проволоки. При использовании этого метода становится возможным восстановление детали и защита детали при помощи нанесения покрытия либо модификации поверхности с целью увеличения механической прочности, коррозионной и химической стойкости, увеличение жаропрочности и т. д. [1]

Среди преимуществ метода лазерной порошковой наплавки стоит особо выделить возможность восстановления крупногабаритных деталей, пришедших в негодность вследствие механических нагрузок и эксплуатации в агрессивных средах, обработка локальных зон (восстановление зубцов, режущих кромок, краевых участков и т. д.), малые зоны термического влияния за счет быстрых циклов нагрева/охлаждения и локального воздействия лазерного луча, а также высокую адгезию материала наплавки к основе при небольшой глубине проплавления материала основы [2].

Покрытия, получаемые методом лазерной порошковой наплавки, характеризуются повышенными по сравнению с материалом основы твердостью, износостойкостью и сопротивлением к коррозии. Основной причиной этого является получение мелкокристаллической микроструктуры покрытия за счет быстрых процессов нагрева и охлаждения при воздействии лазерного луча. Однако, так как процесс наплавки зависит от многих факторов (скорость подачи и состав присадочного материала, мощность излучения, диаметр лазерного луча, скорость движения лазерного луча по материалу и т. д.) не представляется возможным предсказать свойства получаемого покрытия [1–3].

Благодаря высокой коррозионной стойкости в морской воде, многие сплавы на основе меди используются как материал для деталей и узлов судов, контактирующих с морской водой (гребные винты, детали судовых рулей, различные задвижки и клапаны). Валы и гребные винты, выполненные из бронз, являются важными и крайне дорогостоящими деталями.

Во время эксплуатации бронзовых гребных винтов, лопасти винта страдают от коррозии и эрозии материала. Коррозия лопасти достигает 20 мм в глубину, при этом глубина проникновения коррозии всегда выше в местах ремонтной наплавки, а также зоне термического влияния вследствие сварочных напряжений, образующихся в ходе ремонта [4]. Использование метода лазерной порошковой наплавки для ремонта лопастей гребных винтов, теоретически позволит избежать повешенной коррозионной активности в зоне ремонта, а также увеличить срок службы лопастей за счет увеличения коррозионной стойкости и твердости покрытия, что снизит эрозию материала.

Увеличение коррозионной стойкости бронз, используемых в качестве материалов лопастей гребных винтов, при воздействии на поверхность лазерного излучения, было продемонстрированно в работах [5–6]. В качестве материала для исследования использовалась никель-алюминиевая бронза, которая подвергалась лазерному плавлению поверхностного слоя с целью улучшения механических и физико-химических свойств. Так было показано, что после лазерной обработки увеличивается стойкость к кавитационной эрозии и твердость на поверхности [5]. Полученная в ходе исследований структура была более гомогенная, наблюдалось значительное уменьшение зерен до размеров в пределах нескольких микрометров и, как следствие, уменьшение кавитационной эрозии материала в 2,2 раза по сравнению с необработанной поверхностью [6].

Целью работы было исследование коррозионных свойств покрытий из бронзы, полученных методом лазерной порошковой наплавки, в сравнении с материалами основы.

Для исследования коррозионных свойств покрытия из бронзы БрАЖНМц 8.5–4-5–1.5 и бронзы БрАМц 9–2 (данные о химическом составе см. в таблице 1), полученных методом лазерной порошковой наплавки, были изготовлены образцы наплавленного покрытия при помощи комплекса лазерной порошковой наплавки, оснащенного волоконным лазером и коаксиальной подачей порошкового материала в среде аргона, параметры процесса указаны в таблице 2.

Таблица 1

Химический состав наплавляемых порошковых материалов

Марка порошка

Химический состав,%

Cu

Al

Fe

Ni

Mn

Si

C

P

Zn

Pb

Sn

Sb

БрАЖНМц 8.5–4-5–1.5

основа

8.53

3.82

4.85

1.34

0.2

0.0088

0.02

0.23

-

-

-

БрАЖНМц 8.5–1.5–5-1.5

основа

8.5

1.45

5.15

1.43

0.1

0.0034

0.05

0.01

-

-

-

БрАМц 9–2

основа

9.0

0.45

-

1.8

0.1

-

0.05

0.05

0.05

0.05

0.05

В качестве материала подложки, использовались металлические пластины, выполненные из бронз БрОЦ 10–2, БрОЦ 8–4 и БрАМц 9–2.

Коррозионные свойства наплавленного материала и материала основы были исследованы в 3 %-ном мас. растворе NaCl в электрохимической ячейке плоского типа PAR K0235 (Princeton Applied Research, США), вспомогательный электрод был выполнен из платины, электрода сравнения — хлоридсеребряный.

Таблица 2

Параметры лазерной порошковой наплавки взависимости от наплавляемого материала

Марка порошкового материала

Мощность лазерного излучения, (Вт)

Шаг наплавки, (мм)

Скорость наплавки (скорость перемещения лазерного луча), (мм/с)

Характер лазерного излучения

БрАЖНМц 8.5–1,5–5-1.5

1000

0.6

10

непрерывный

БрАЖНМц 8.5–4-5–1.5

1000

0.6

10

непрерывный

БрАМц 9–2

900

0.6

10

непрерывный

Площадь рабочего электрода составляла 1 см2. В ходе экспериментов определялся потенциал коррозии и плотность тока коррозии методом экстраполяции кривой Тафеля. Измерения и расчеты производили используя электрохимический измерительный комплекс Autolab (Metrohm Autolab, Голландия) и программное обеспечение NOVA. Полученные данные были использованы для расчёта скорости коррозии согласно методики ASTM G102–89 [7]. Характерная кривая поляризации показана на рисунке 1.

G:\Кондрашина Александра\Бронза 10,2 наплавка\Хлорид\Наплавка\1_2 Corrosion rate, fit.png

Рис. 1. Поляризационная кривая бронзы с графическим определением наклона прямых Тафеля и построенной кривой согласно уравнению Батлера-Фольмера

В таблице 3 представлены результаты по скорости коррозии наплавленной бронзы БрАЖНМц 8.5–4-5–1.5 и скорости коррозии материала основы, бронз БрОЦ 8–4 и БрОЦ 10–2. Как видно из таблицы, наплавленный слой менее подвержен коррозии, чем материал основы.

Таблица 3

Коррозионные свойства наплавленной бронзы БрАЖНМц 8.5–4-5–1.5 ибронз основы БрОЦ 8–4 иБрОЦ 10–2.

Образец

Среднее значение плотности тока коррозии, µА/см2

Скорость коррозии

БрАЖНМц 8.5–4-5–1.5, наплавленная

6,4569

0,073 мм/год

1,5 г/м2∙сутки

БрОЦ 8–4, основа

7,8215

0,097 мм/год

2,3 г/м2∙сутки

БрОЦ 10–2, основа

7.7266

0,1 мм/год

2,3 г/м2∙сутки

В таблице 4 представлены результаты по скорости коррозии наплавленной бронзы БрАЖНМц 8.5–1.5–5-1.5 и бронзы БрАМц 9–2 и скорости коррозии материала основы, бронзы БрАМц 9–2. Как видно из таблицы, наплавленный слой бронзы БрАМц 9–2 менее подвержен коррозии, чем материал основы. Но использование в качестве присадочного материала бронзы БрАЖНМц 8.5–1.5–5-1.5, демонстрирующего скорость коррозии выше, чем материал основы, приведет к ускоренному разрушению восстановленной зоны.

Таблица 4

Коррозионные свойства наплавленной бронзы БрАЖНМц 8.5–1.5–5-1.5 иБрАМц 9–2 ибронзы основы БрАМц 9–2.

Образец

Среднее значение плотности тока коррозии, µА/см2

Скорость коррозии

БрАЖНМц 8.5–1.5–5-1.5, наплавленная

9,1807

0,95 мм/год

2,13 г/м2∙сутки

БрАМц 9–2, наплавленная

1,09781

0,12 мм/год

0,25 г/м2∙сутки

БрАМц 9–2, основа

6,0911

0,68 мм/год

1,42 г/м2∙сутки

Как видно из полученных данных, лазерная порошковая наплавка алюминиевой бронзы БрАЖНМц 8.5–4-5–1.5 на детали, выполненные из оловянистых бронз БрОЦ 10–2 и БрОЦ 8–4 не приведет к увеличению коррозии наплавленных участков по сравнению с материалом с материалом основы. В случае применения лазерной порошковой наплавки на детали, выполненные из бронзы БрАМц 9–2, нежелательно использование в качестве присадочного материала бронзы БрАЖНМц 8.5–1.5–5-1.5, так как скорость коррозии наплавленного материала превышает скорость коррозии материала основы. Также наблюдается значительное уменьшение скорости коррозии и плотности тока коррозии наплавленной бронзы БрАМц 9–2 по сравнению с литейной бронзой основы БрАМЦ 9–2.

Работа выполнена при финансовой поддержке Министерства образования и науки Российской Федерации (постановление П218, договор № 02.G25.31.0116 от 14.08.2014 г. между Открытым акционерным обществом «Центр судоремонта “Дальзавод”» и Министерством образования и науки Российской Федерации).

Литература:

  1. Leyens, С Innovations in laser cladding and direct laser metal deposition / C. Leyens, E. Beyer // Laser Surface Engineering / Woodhead Publishing; edited by J. R. Lawrence, C. Dowding, D. Waugh and J. B. Griffiths. — Cambridge: Elsevier, 2015. — pp. 181–192.
  2. Nowotny, S Coatings by Laser Cladding / S. Nowotny, L-M. Berger, J. Spatzier // Comprehensive Hard Materials / Woodhead Publishing; edited by V. K. Sarin. — Cambridge: Elsevier, 2014. — pp. 507–525.
  3. Chandler, К. Non-ferrous metals and alloys / K. Chandler // Marine and Offshore Corrosion / Butterwort h & Co — Cambridge: Elsevier, 1985. — pp. 116–140.
  4. ОСТ 5.9782–2004. Винты гребные из сплавов на медной основе. Исправление дефектов и повреждений.
  5. Cottam, R. The role of microstructural characteristics in the cavitation erosion behaviour of laser melted and laser processed Nickel–Aluminium Bronze/ R. Cottam, V. Luzin, H. Moody, D. Edwards, A. Majumdar, Y. C. Wong, J. Wang, M. Brandt // Wear. — 2014. — № 317. — pp. 56–63.
  6. Tang, C. H. Improvement in cavitation erosion resistance of a copper-based propeller alloy by laser surface melting / C. H. Tang, F. T. Cheng, H. C. Man. // Surface and Coatings Technology. — 2004. — № 182. — pp. 300–307.
  7. ASTM G102–89(2015)e1, Standard Practice for Calculation of Corrosion Rates and Related Information from Electrochemical Measurements, ASTM International, West Conshohocken, PA, 2015.
Основные термины (генерируются автоматически): лазерная порошковая наплавка, скорость коррозии, материал основы, наплавленная бронза, скорость коррозии материала основы, бронза, лазерное излучение, деталь, таблица, Российская Федерация.


Похожие статьи

Разработка технологии лазерного восстановления...

При подготовке присaдочного порошкового материала в него добавляются сажа в весовом соотношении 1:50.

Изобретение относится к технологии порошковой лазерной наплавки сталей.

Лазерное поверхностное упрочнение | Статья в журнале...

Прямое лазерное выращивание изделий из порошковых материалов: принцип, оборудование и материалы.

Плазменная наплавка, упрочнение и выбор способа восстановления деталей машин.

Повышение износостойкости подшипникового узла методом...

Перспективным методом технологии упрочнения деталей является лазерное напыление.

Это особенно важно, когда химический состав основного металла значительно отличается от химического состава наплавляемого материала.

Восстановление бронзовых деталей методом лазерной...

Авторы: Кондриков Николай Борисович, Косовец Александра Степановна. Рубрика: Химия. Страницы: 120-124. Библиографическое описание: Косовец А. С., Кондриков Н. Б. Восстановление бронзовых деталей методом лазерной порошковой наплавки и оценка...

Восстановление бронзовых деталей методом лазерной...

Авторы: Кондриков Николай Борисович, Косовец Александра Степановна. Рубрика: Химия. Страницы: 120-124. Библиографическое описание: Косовец А. С., Кондриков Н. Б. Восстановление бронзовых деталей методом лазерной порошковой наплавки и оценка...

Плазменное электролитическое оксидирование как способ...

Основная функция смазочного материала – снижение износа контактирующих элементов.

Наплавка. Невозможность применения для наплавки деталей значительной толщины.

Лужнов Ю.М., Александров В.Д. Основы триботехники: учеб. пособие.

Прямое лазерное выращивание изделий из порошковых...

Ключевые слова: прямое лазерное выращивание, порошковые материалы, комплекс прямого лазерного выращивания. В настоящий момент основой современного машиностроительного производства являются технологии обработки заготовки...

Лазерная обработка как перспективный метод повышения...

металлорежущий инструмент, лазерная обработка, лазерное излучение, фазовый переход, обрабатываемый материал, лазерное легирование, лазерная установка, лазерная наплавка, активная среда, легирующий состав.

Обсуждение

Социальные комментарии Cackle

Похожие статьи

Разработка технологии лазерного восстановления...

При подготовке присaдочного порошкового материала в него добавляются сажа в весовом соотношении 1:50.

Изобретение относится к технологии порошковой лазерной наплавки сталей.

Лазерное поверхностное упрочнение | Статья в журнале...

Прямое лазерное выращивание изделий из порошковых материалов: принцип, оборудование и материалы.

Плазменная наплавка, упрочнение и выбор способа восстановления деталей машин.

Повышение износостойкости подшипникового узла методом...

Перспективным методом технологии упрочнения деталей является лазерное напыление.

Это особенно важно, когда химический состав основного металла значительно отличается от химического состава наплавляемого материала.

Восстановление бронзовых деталей методом лазерной...

Авторы: Кондриков Николай Борисович, Косовец Александра Степановна. Рубрика: Химия. Страницы: 120-124. Библиографическое описание: Косовец А. С., Кондриков Н. Б. Восстановление бронзовых деталей методом лазерной порошковой наплавки и оценка...

Восстановление бронзовых деталей методом лазерной...

Авторы: Кондриков Николай Борисович, Косовец Александра Степановна. Рубрика: Химия. Страницы: 120-124. Библиографическое описание: Косовец А. С., Кондриков Н. Б. Восстановление бронзовых деталей методом лазерной порошковой наплавки и оценка...

Плазменное электролитическое оксидирование как способ...

Основная функция смазочного материала – снижение износа контактирующих элементов.

Наплавка. Невозможность применения для наплавки деталей значительной толщины.

Лужнов Ю.М., Александров В.Д. Основы триботехники: учеб. пособие.

Прямое лазерное выращивание изделий из порошковых...

Ключевые слова: прямое лазерное выращивание, порошковые материалы, комплекс прямого лазерного выращивания. В настоящий момент основой современного машиностроительного производства являются технологии обработки заготовки...

Лазерная обработка как перспективный метод повышения...

металлорежущий инструмент, лазерная обработка, лазерное излучение, фазовый переход, обрабатываемый материал, лазерное легирование, лазерная установка, лазерная наплавка, активная среда, легирующий состав.

Задать вопрос