Особенности нанесения керамических покрытий из диоксида циркония методом лазерной наплавки

Язык труда и переводы:
УДК:
621.1
Дата публикации:
12 января 2022, 22:15
Категория:
Секция 11. Наукоемкие технологии в ракетно-космической технике
Авторы
Аннотация:
В настоящее время для повышения ресурса и надежности теплонагруженных конструкционных элементов широкое распространение получили различные жаростойкие и коррозионностойкие покрытия. Для получения теплозащитных покрытий используют в основном оксид циркония, стабилизированный оксидом иттрия. Однако проблемой остается разработка надежной и актуальной технологии нанесения таких покрытий на металлические и особенно алюминиевые подложки ввиду слабой адгезии и склонности к трещинообразованию. В данной работе исследованы свойства керамического порошка из диоксида циркония, проанализированы тепловые условия процесса наплавки его на алюминиевую подложку и предложен способ повысить адгезию наплавляемого покрытия. Для этого уравниваются теплофизические свойства порошка и подложки за счёт переходного композиционного слоя.
Ключевые слова:
лазер, лазерная наплавка, диоксид циркония, термостойкое покрытие
Основной текст труда

В настоящее время для повышения ресурса и надежности теплонагруженных конструкционных элементов широкое распространение получили различные жаростойкие и коррозионностойкие покрытия [1]. Для получения теплозащитных покрытий используют в основном оксид циркония, стабилизированный оксидом иттрия (6...9 %). Материалы, используемые для создания керамического слоя, обладают высокой температурой плавления и низким коэффициентом теплопроводности. Помимо этого, они не разрушаются под воздействием смазочных материалов, топлива и химикатов, защищают от износа и коррозии, выдерживают воздействие высоких и очень высоких нагрузок.

Среди методов нанесения термостойких покрытий особый интерес представляет лазерная наплавка благодаря легкости автоматизации, производительности, возможностью одновременного создания промежуточных переходных слоев, а также управления термическими циклами [2]. Однако нанесение прочного покрытия с минимальным количество пор и трещин на сегодняшний день еще не является решенным вопросом.  Если наплавлять покрытие из диоксида циркония на алюминиевый сплав, то из-за разнородности покрытий могут образоваться трещины. Для снижения внутренних напряжений и, соответственно, трещинообразования был предложен способ, который заключается в предварительном создании переходного (композитного) слоя и только после этого наплавки самого керамическое покрытия. Композитный слой создается путем подплавления поверхностного слоя алюминиевой подложки и «вдувания» в него некоторого количества порошка диоксида циркония. Таким образом удается приблизить коэффициенты линейного расширения переходного слоя и керамического покрытия, что влечет за собой меньшее образование трещин, а также лучшую адгезию покрытия.

Данная работа посвящена разработке актуальной технологии создания термостойких керамических покрытий на алюминиевой подложке. В ходе работы над исследованием порошка диоксида циркония был проведен его анализ на электронном микроскопе. С помощью встроенной программы в микроскопе были вычислены и приведены некоторые характеристики формы частиц и проведен анализ распределения частиц по размерам исходя из выбранного участка исследуемого порошка. Всего проанализировано 188 частиц. Был проведен эксперимент по пропусканию лазерного излучения порошком диоксида циркония. Для этого использовался твердотельный лазер с диодной накачкой, генерирующий узконаправленный пучок зеленого света мощностью 100 мВт и длиной волны 532 нм.

Литературное исследование показало, что керамические покрытия из диоксида циркония, наплавленные на алюминиевый сплав, на виде сверху характеризуются сплошной сеткой трещин [3, 4]. При низкой скорости перемещения и высокой скорости подачи порошка приводит к увеличение толщины покрытия, что влечет за собой сильное горизонтальное растрескивание и отслаивание покрытий.

В дополнение к грубым первичным вертикальным трещинам в слоях оболочки наблюдаются мелкие вторичные вертикальные трещины и горизонтальные трещины, которые, вероятно, приводят к частичному отслаиванию покрытия. Растрескивание, несомненно, происходит из-за термических напряжений, возникающих при быстром затвердевании, хотя некоторые трещины могут возникнуть во время резки или полировки. Для решения этой проблемы было предложено предварительное создание переходного композиционного слоя, содержащего нерасплавленные частицы диоксида циркония в алюминиевой подложке. Для этого был проведен оценочных расчет режима наплавки такого слоя и подготовлены валики на типовых режимах.

В итоге работы получен ряд результатов, позволяющий перейти к полноценному планированию и проведению исследований по разработке актуальной технологии создания термостойких керамических покрытий на подложке из алюминиевых сплавов.

Литература
  1. Балкевич В.Л. Техническая керамика. М.: Стройиздат, 1984. 256 с.
  2. Скрипченко А.И., Попов В.О., Кондратьев С. Ю. Возможности лазерного поверхностного модифицирования деталей машиностроения // РИТМ. 2010. № 6. С. 23–29.
  3. Ouyang J.H., Nowotny S., Richter A., Beyer E. Laser cladding of yttria partially stabilized ZrO2 (YPSZ) ceramic coatings on aluminum alloys // Ceramics International. 2001. № 27 (1). Pp. 15–24. DOI: 10.1108/RPJ-11-2015-0178
  4. Sing S.L., Yeong W.Y., Wiria F.E. et al. Direct selective laser sintering and melting of ceramics: A review // Rapid Prototyping Journal. 2017. Vol. 23, no. 3. Pp. 611–623. DOI: 10.1108/RPJ-11-2015-0178
Ваш браузер устарел и не обеспечивает полноценную и безопасную работу с сайтом.
Установите актуальную версию вашего браузера или одну из современных альтернатив.