В настоящее время широкое внимание стали уделять одной из новых технологий, используемых для снижения стоимости и сокращения сроков изготовления новых изделий — объемному формообразованию путем лазерного переплава дополнительного присадочного материала.

 

Этот процесс разработан на основе лазерной наплавки с подачей присадочного порошка в зону воздействия лазерного луча.

 

Построение объекта осуществляется послойно, что позволяет производить изготовление деталей из различных материалов.

 

Фото. Установка низкотемпературного порошкового наплавления.

Каждая установка HC-205 имеет встроенную программу Auto CLAD Laser Vision Software, позволяющую контролировать мощность лазера, положение лазерного фокуса, скорость егодвижения и параметры подачи металлического порошка.
 

1. массовый поток порошка – 5.5–6 г/мин;
2. давление аргона – 2 атм., поток аргона – 3 л/мин;
3. порошок ПР-7Х5М4ФГБР (ПР-Х5), фракция 80–315 мкм.

 

Фото. Пятиосная лазерная установка.

 

Рис. 1. Зависимость ширины наплавленного валика от мощности и скорости наплавки
 

Одновременно при увеличении скорости ширина валика падает из-за меньшего количества порошка на длину валика и меньшего подогрева основы, следовательно, меньшего прилипания расплавленных капель порошка к поверхности подложки.
 

Из рисунка видно, что наплавка в сечении имеет каплевидную форму.
По длине она представляет собой полосу любой длины в зависимости от поставленной задачи.
Наплавка имеет резкую границу с подложкой.
Материал наплавки не проникает глубоко, но имеет хорошее сцепление с пластиной.
В материале пластины видна зона термического влияния полукруглой формы размером ~100 мкм.

 

а  

 

б 
Рис. 2. Общий вид с торца лазерной наплавки из порошка стали 15Х11МФ на пластину из технического Fe (а) и микроструктура наплавки (б).
 

Из приведенного рисунка видно, что после штатной термической обработки (отжиг при 550–600 °С в течение 30 мин + охлаждение с печью) исходная структура пластины состоит из ферритных зерен полиэдрической формы с характерным размером 15–20 мкм, на границах и в стыках которых встречаются включения цементита, имеющие в отраженных электронах более темный фазовый контраст (рис. 3,а).

 

 а

 б

 в
Рис. 3. Торцевая микроструктура наплавок из порошка стали 15Х11МФ на пластину из технического Fe: а – микроструктура пластины, б – место соединения наплавки с пластиной, в – микроструктура наплавки.

На границе наплавки образуется переходная область толщиной 2–4 мкм, представляющая собой столбчатые мелкодисперсные, вытянутые  исключительно вдоль направления теплового потока, зерна (рис. 3,б).
Микроструктура остальной области наплавки – столбчатые кристаллиты с характерными размерами в сечении 4–5 мкм и в длину до 30 мкм с мелкодисперсными выделениями первичных фаз, вероятно, исходя из химического состава наплавки, (Mo, V)_X (C, N)_Y (рис. 3,в).
 

Смещение алмазного индентора проводилось с шагом 50 мкм  от зоны наплавленной стали в сторону исходной пластины.
Как видно из приведенной зависимости, значение микротвердости наплавки достигает максимального значения (8000–10000 МПа).
В переходной зоне на стыке пластины и наплавки (L ~ 200–350 мкм) наблюдается снижение микротвердости (6000–8000 МПа), что соответствует зоне термического влияния.
Далее (L ~ 350–450 мкм) наблюдается резкое снижение микротвердости до значения ~ 1000 МПа, что соответствует микротвердости материала пластины. Полученные результаты хорошо согласуются с исследованиями микроструктуры наплавки.

 

Рис. 4. График зависимости изменения микротвердости по сечению лазерной наплавки из порошка стали 15Х11МФ на пластину из технического Fe.
  В данном эксперименте были измерены геометрические параметры готовых валиков, а также микротвердость каждого валика.

Исходные технологические параметры были выбраны следующим образом:

1. поток порошка – 2–8 г/мин (варьировался);
2. порошок ПН55Т45 фракция 40–100 мкм;
3. давление аргона – 2 атм., поток аргона 2.5 л/мин.

Данные на рис. 5 соответствуют наплавке одного валика в расфокусе +25 мм при дальнейшем отскоке на 1.25 мм  на каждый последующий слой.
Хорошо видно, что валик становится тоньше с высотой, стремясь к размерам пятна (2 мм), при этом внутренние слои закалены сильнее (большее количество воздействий на слой).

 

а          б
Рис. 5. Зависимость ширины и высоты наплавленного валика от мощности лазерного излучения (а) и от скорости обработки (б).

Рис. 6. Зависимость микротвердости налавленного валика от скорости обработки.
  Также стоит отметить, что выбор режима позволяет менять твердость наплавки в довольно широком диапазоне (40–75 HRC) (рис. 6), что позволяет соблюсти любые требования потенциального заказчика.
 

В данном случае получается большая ширина валика (4–5 мм), высота каждого слоя – порядка одного миллиметра.
Особый интерес представляет распределение твердости по высоте и номеру наплавленного валика (рис. 7).

 

Рис. 7. Распределение микротвердости по номеру наплавленного валика.
  Затем опускается до значения 72 HRC и уже не меняется.
Связано это с тем, что на 2-й слой оказывается максимальное тепловое воздействие (4 раза), в дальнейшем каждый слой закаляется только 3 раза.
Этот факт стоит учитывать при создании многослойных валиков и объемном формообразовании.