способ электронно-лучевой наплавки

Формула изобретения

1. Способ электронно-лучевой наплавки, при котором на поверхности наплавляемого изделия создают зону расплава электронным лучом, наплавляемый порошковый материал подают в зону расплава, наплавляемому изделию сообщают перемещение, а наплавляемому порошковому материалу сообщают направление подачи, перпендикулярное относительно перемещения наплавляемого изделия, отличающийся тем, что одновременно с наплавляемым порошковым материалом в направлении перемещения изделия подают наплавочный материал в виде проволоки или ленты на расстоянии по вертикали от наплавляемой поверхности в зону прохождения электронного луча с плотностью энергии, достаточной для плавления материала.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что наплавочный материал в виде проволоки или ленты подают на расстоянии не менее 1 см по вертикали.

3. Способ по п.1, отличающийся тем, что наплавочный материал в виде проволоки или ленты выполнен из металла или сплава, соответствующего материалу наплавляемого изделия.

4. Способ по п.1, отличающийся тем, что порошковый материал содержит легирующие элементы.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к области наплавки, а именно к способам электронно-лучевой наплавки плоских и цилиндрических поверхностей, и может быть использовано для изготовления новых и восстановления с одновременным упрочнением изношенных деталей типа вал, ось, плунжер, шток, ножи для рубки, резки и грануляции материалов и т.д.

Известен способ электронно-лучевой наплавки (Щенников Д.В., Качалов В.М. Электронно-лучевая наплавка металлов // Сварочное, производство, 1984, 3, с. 16-17), при котором на поверхности обрабатываемого изделия создают зону оплавления с помощью электронного луча и подают в эту зону расходуемый материал в виде проволоки или ленты.

Недостатком этого способа является то, что использование проволоки и ленты из нелегированных или низколегированных материалов не позволяет решить проблем упрочнения изделий, а также трудности, связанные с подачей проволоки и ленты из высоколегированных сплавов, обладающих низкой пластичностью.

Известен способ электронно-лучевой наплавки тел вращения (Материалы XI Всесоюзной научно-технической конференции по электронно-лучевой сварке. - Л. : Судостроение, 1991, с.58-59), при котором на поверхности тела вращения создают зону оплавления с помощью электронного луча, развернутого в линию по участку образующей, подают порошковый материал в зону оплавления и придают обрабатываемому изделию вращательно-поступательное перемещение.

Недостатком указанного способа является нерациональное использование порошкового материала и энергии электронного луча.

Наиболее близким способом того же назначения к заявляемому изобретению по совокупности признаков является способ электронно-лучевой наплавки (патент РФ 2156321, кл. 7 С 23 С 24/10, 1997), при котором на поверхности наплавляемого изделия создают зону расплава электронным лучом с линейной разверткой в виде нескольких параллельных линий, наплавляемый материал подают в зону расплава, а наплавляемому изделию сообщают перемещение, при этом наплавляемый порошковый материал подают в промежуток между линиями развертки, а порошковому материалу сообщают направление подачи, перпендикулярное относительно перемещения наплавляемого изделия.

Недостатком данного известного способа является то, что при формировании наплавки из порошкового материала дисперсного состава (до 40 мкм) и особенно легких сплавов, в частности, на основе алюминия, часть порошка разлетается под действием электростатических сил, возникающих вследствие заряда порошинок рассеянными и отраженными электронами, и реактивных сил, возникающих в результате разрыва прочной окисной оболочки (пленки) частиц порошка вследствие роста внутреннего давления из-за разогрева и расширения материала частиц при их попадании под электронный пучок. В результате этого снижаются производительность и экономичность процесса наплавки.

Основной технической задачей предлагаемого изобретения является повышение производительности и экономичности способа электронно-лучевой наплавки вследствие повышения коэффициента использования наплавляемого материала при улучшении качества наплавляемого слоя на поверхности изделия.

Поставленная задача достигается тем, что в способе электронно-лучевой наплавки на поверхности наплавляемого изделия создают зону расплава электронным лучом, наплавляемый порошковый материал подают в зону расплава, наплавляемому изделию сообщают перемещение, а наплавляемому порошковому материалу сообщают направление подачи, перпендикулярное относительно перемещения наплавляемого изделия.

Новым является то, что одновременно с наплавляемым порошковым материалом в направлении перемещения изделия подают наплавочный материал в виде проволоки или ленты на расстоянии по вертикали от наплавляемой поверхности в зону прохождения электронного луча с плотностью энергии, достаточной для плавления материала.

Оптимальным является подача наплавочного материала на расстоянии не менее 1 см по вертикали.

При этом в зависимости от решаемых задач по защите изделий от износа, упрочнению и восстановлению изношенных поверхностей наплавочный материал в виде проволоки или ленты может быть выполнен из металла или сплава, соответствующего материалу наплавляемого изделия, а порошковый материал из того же сплава или сплава, содержащего легирующие элементы.

Одновременная с порошковым материалом подача наплавочного материала в направлении перемещения изделия на расстоянии не менее 1 см по вертикали от наплавляемой поверхности в зону прохождения электронного луча с плотностью энергии, достаточной для плавления материала, повышает производительность и экономичность предложенного способа электронно-лучевой наплавки вследствие повышения коэффициента использования наплавляемого материала, т.к. позволяет полностью предотвратить разлет легких порошковых материалов, покрытых прочной окисной пленкой.

Диапазон расстояний не менее 1 см между поверхностью наплавляемого изделия и подаваемой наплавочной проволокой или лентой объясняется следующими обстоятельствами:

- во-первых, при использовании такого диапазона обеспечивается одновременный прогрев поверхности наплавляемого изделия до высоких температур, ее очистка и создание так называемой ювенильной ("абсолютно чистой") поверхности с подготовкой материала (путем перевода атомов этой поверхности в сильно возбужденное состояние) и взаимодействию с наплавляемым материалом, а также расплавление наплавочного материала (порошкового, проволоки или ленты);

- во-вторых, при использовании указанного диапазона обеспечивается высокая скорость подачи наплавочного материала (проволоки или ленты), его интенсивное и полное расплавление с образованием однородных по размеру капель. При этом реализуются условия попадания капель расплавленного наплавляемого материала в жидкую ванну расплава, образованную на поверхности наплавляемого изделия из ранее наплавленной проволоки или ленты и порошка, без разбрызгивания, что значительно снижает потери материала;

- в-третьих, при указанном диапазоне исключается необходимость строгого регулирования зазора между поверхностью наплавляемого изделия и торцом проволоки или ленты при нарастании слоев наплавляемого материала (покрытия), что позволяет наносить покрытия большой толщины (до 10 мм), например, из алюминиевых (силуминовых) сплавов, однородные по строению с плотной дисперсной структурой и высокими физико-механическими свойствами (прочность при растяжении и изгибе, твердость и др.) и эксплуатационными свойствами (износостойкость, антифрикционность, ударная вязкость и т.д.).

При использовании расстояния ниже указанного диапазона не будет обеспечиваться высокая скорость подачи наплавочного материала вследствие недостаточности зазора между поверхностью наплавляемого изделия и торцом проволоки или ленты и невозможности нанесения покрытия большой толщины, а также сложности технической реализации.

Верхняя граница указанного расстояния определяется плотностью энергии электронного луча, создающего зону расплава.

Способ электронно-лучевой наплавки реализован на базе сварочной электронно-лучевой установки ЭЛУ-5, дополнительно оборудованной устройством подачи проволоки, порошковым питателем и блоком развертки луча.

Для наплавки используется промышленно выпускаемая алюминиевая проволока и порошковые материалы из алюминиевых сплавов СвАК-5, СвАК10, СвАК12, СвАМг6, СвАМг7, а также материалы, содержащие Si, Mg, Cu, Ni, Mn. Наплавка происходит путем подачи проволоки в зону прохождения электронного луча на расстоянии не менее 1 см по вертикали от поверхности зоны расплава и подачи порошкового материала с помощью порошкового питателя в зону расплава, создаваемую электронным лучом из материалов изделия и проволоки.

Производилась наплавка поршней из сплава АЛ-25. Проведенные физико-механические испытания наплавленных изделий показали, что использование предложенного способа позволяет при сохранении значений твердости, плотности и прочности покрытий повысить на 15-20% коэффициент использования порошкового материала и на 30-40% производительность процесса наплавки изделий.

Таким образом, предлагаемый способ электронно-лучевой наплавки повышает производительность и экономичность предложенного способа электронно-лучевой наплавки вследствие повышения коэффициента использования наплавочного материала при улучшении качества наплавляемого слоя на поверхности изделия.