ChSTU repository
ChSTU repository preserves and enables easy and open access to all types of digital content including text, images, moving images, mpegs and data sets
Learn More
Please use this identifier to cite or link to this item:
https://er.chdtu.edu.ua/handle/ChSTU/7723| Title: | Дослідження процесу лазерного нанесення покриттів на вали |
| Authors: | Гордієнко , Валентин Іванович Прядко, Вікторія Олександрівна |
| Keywords: | Лазерне нанесення покриттів |
| Issue Date: | 2025 |
| Abstract: | АНОТАЦІЯ Тема кваліфікаційної роботи магістра: Дослідження процесу лазерного нанесення покриттів на вали. Виконавець: здобувачка вищої освіти гр. мЗНТ-42 Прядко Вікторія Олександрівна. Керівник: д.т.н. професор Гордієнко Валентин Іванович. Обєм роботи: 109 аркушів формату А4, 38 рисунків, 8 таблиць, літературних джерел - 51. Кваліфікаційна робота магістра присвячена підвищенню зносостійкості валів теплових газотурбінних установок шляхом нанесення зносостійких покриттів методом коаксіальної лазерної наплавки порошком сплаву Stellite 6 на сталь AISI 4340. У роботі проаналізовано сучасні методи відновлення елементів газотурбінних установок, зокрема валів, та обґрунтовано доцільність застосування газопорошкової лазерної технології як високоефективного способу формування зносостійких шарів з мінімальним тепловкладенням і деформаціями деталі. Розроблено методики вибору матеріалів, обладнання та режимів обробки для нанесення покриттів на вали ГТУ; побудовано експериментальний стенд на базі волоконного лазера та коаксіального сопла для подачі порошку; запропоновано методику оптимізації форми й геометрії сопла та параметрів газопорошкового потоку. Виконано експериментальні дослідження твердості, зносостійкості та мікроструктури отриманих покриттів, а також проведено регресійний аналіз залежностей геометричних параметрів валика від режимів лазерного наплавлення. На основі отриманих результатів сформульовано рекомендації щодо вибору оптимальних режимів лазерного нанесення покриттів при ремонті валів теплових установок. Об’єкт дослідження – система подачі порошкових матеріалів через коаксіальне сопло та параметри, що визначають оптимальні розміри сопла, діаметр струменя порошку та відстань між зрізом сопла й оброблюваною поверхнею.Предмет дослідження – параметри зміни фізико-механічних властивостей (твердості, шорсткості, зносостійкості) поверхневого шару сталі AISI 4340 при коаксіальній лазерній наплавці порошку Stellite 6. Мета роботи – створення комплексу методик, що забезпечують оптимізацію вибору матеріалів, обладнання, режимів обробки та випробувань для отримання високоякісних зносостійких покриттів при ремонті валів теплових установок. |
| URI: | https://er.chdtu.edu.ua/handle/ChSTU/7723 |
| Appears in Collections: | 131 Прикладна механіка (Обробка металів за спецтехнологіями) |
Files in This Item:
| File | Description | Size | Format | |
|---|---|---|---|---|
| Прядко.pdf Restricted Access | 3.08 MB | Adobe PDF | View/Open Request a copy |
Items in DSpace are protected by copyright, with all rights reserved, unless otherwise indicated.
Extracted text
Міністерство освіти і науки України
Черкаський державний технологічний університет
Факультет електронних технологій, автотранспорту та машинобудування
Кафедра технології та обладнання машинобудівних виробництв
До захисту допущено:
Завідувач кафедри ТОМВ
Георгій КАНАШЕВИЧ
« » 2025 р.
Пояснювальна записка
до кваліфікаційної роботи магістра
на тему: «Дослідження процесу лазерного нанесення покриттів на вали»
Виконала: здобувачка 2 курсу, групи мЗНТ-42
Спеціальності 131 – «Прикладна механіка»
Освітня програма – «Обробка металів за
спецтехнологіями»
Прядко Вікторія Олександрівна
Керівник: д.т.н., професор Гордієнко Валентин
Іванович
Рецензент: Начальник виробництва ТОВ "МНВК
"Станко-Груп" м.Черкаси
Васильківський Олександр Вікторович
Черкаси 2025 р.
Черкаський державний технологічний університет
Факультет електронних технологій, автотранспорту та машинобудування
Кафедра технології та обладнання машинобудівних виробництв
Освітній рівень магістерський.
Спеціальність 131 «Прикладна механіка».
Освітня програма «Обробка металів за спецтехнологіями»
ЗАТВЕРДЖУЮ:
Завідувач кафедри ТОМВ
Георгій КАНАШЕВИЧ
« » 2025 р.
ЗАВДАННЯ
на кваліфікаційну роботу магістра
_Прядко Вікторії Олександрівні _
(прізвище, ім’я, по батькові)
1. Тема роботи «Дослідження процесу лазерного нанесення покриттів на вали».
Керівник роботи Гордієнко Валентин Іванович, д.т.н., професор
(прізвище, ім’я, по батькові, науковий ступінь, вчене звання)
Затверджена наказом Черкаського державного технологічного університету від
«15» вересня 2025р. №261/03-03
2. Термін подання здобувачем роботи 11. 12. 2025 р.
3. Вихідні дані до роботи: технологія коаксіальної лазерної наплавки;
розрахункові залежності формування газопорошкового струменя; Результати
контролю геометрії валика, мікротвердості, зносостійкості й структури
покриття.
4. Зміст пояснювальної записки: Загальні відомості про енергетичні
газотурбінні установки та їх елементи. Відновлювальний ремонт валів ГТУ.
Лазерні технології нанесення покриттів. Матеріали підкладки та нанесених
покриттів. Стенд для нанесення покриттів. Устаткування і методики для
дослідження мікроструктури. Устаткування і методики механічних
випробувань отриманих покриттів. Характеристика процесу нанесення
покриттів лазерним випромінюванням. Визначення форми газового потоку.
Розрахункове визначення впливу параметрів обробки на газопорошковий потік.
Дослідження твердості отриманих покриттів. Дослідження зносостійкості
покриттів. Дослідження структури отриманих покриттів.. Охорона праці та
безпека в НС
5. Перелік графічного матеріал(з точним зазначенням обов’язкових
креслеників, плакатів, презентацій тощо Тема, мета, задачі, об’єкт
дослідження, предмет дослідження; Обладнання для коаксіальної лазерної
наплавки; Визначення оптимального кута сопла для наплавки; Розрахункове
визначення впливу параметрів обробки на газопорошковий потік; Параметри
коаксіальної лазерної наплавки; Дослідження мікротвердості отриманих
покриттів; Дослідження зносостійкості покриттів; Дослідження структури
отриманих покриттів; Охорона праці та безпека в НС; Загальні висновки
6. Керівники з роботи із зазначенням розділів роботи, що їх стосується
Прізвище, ініціали та посада Підпис, дата
Розділ
консультанта завдання видав завдання прийняв
Розділ 1-4 Гордієнко Валентин Іванович
Розділ 5 Цікановський Володимир Леонідович
7. Дата видачі завдання 16.09.2025 р.
Календарний план
№ Назва етапів дипломного Строк
Примітка
з/п роботи виконання етапів роботи
1 Збір інформації для написання КРМ 16.09. - 01.10.2025
2 Написання І розділу КРМ 02.10.-15.10.2025
3 Написання ІІ розділу КРМ 16.10 – 24.10.2025
4 Написання ІІІ-IV розділів КРМ 25.10 – 2.11.2025
5 Написання розділу з охорони праці 3.11 – 9.11.2025
6 Оформлення пояснювальної записки 10.11 – 25.11.2025
7 Оформлення графічної документації 26.11 – 04.12.2025
8 Захист роботи 19.12.-23.12.2025р.
Здобувачка Вікторія ПРЯДКО
Підпис Власне ім’я, ПРІЗВИЩЕ
Керівник Валентин ГОРДІЄНКО
Підпис Власне ім’я, ПРІЗВИЩЕ
АНОТАЦІЯ
Тема кваліфікаційної роботи магістра: Дослідження процесу лазерного
нанесення покриттів на вали.
Виконавець: здобувачка вищої освіти гр. мЗНТ-42 Прядко Вікторія
Олександрівна.
Керівник: д.т.н. професор Гордієнко Валентин Іванович.
Обєм роботи: 109 аркушів формату А4, 38 рисунків, 8 таблиць, літературних
джерел - 51.
Кваліфікаційна робота магістра присвячена підвищенню зносостійкості валів
теплових газотурбінних установок шляхом нанесення зносостійких покриттів
методом коаксіальної лазерної наплавки порошком сплаву Stellite 6 на сталь AISI
4340. У роботі проаналізовано сучасні методи відновлення елементів
газотурбінних установок, зокрема валів, та обґрунтовано доцільність застосування
газопорошкової лазерної технології як високоефективного способу формування
зносостійких шарів з мінімальним тепловкладенням і деформаціями деталі.
Розроблено методики вибору матеріалів, обладнання та режимів обробки для
нанесення покриттів на вали ГТУ; побудовано експериментальний стенд на базі
волоконного лазера та коаксіального сопла для подачі порошку; запропоновано
методику оптимізації форми й геометрії сопла та параметрів газопорошкового
потоку. Виконано експериментальні дослідження твердості, зносостійкості та
мікроструктури отриманих покриттів, а також проведено регресійний аналіз
залежностей геометричних параметрів валика від режимів лазерного наплавлення.
На основі отриманих результатів сформульовано рекомендації щодо вибору
оптимальних режимів лазерного нанесення покриттів при ремонті валів теплових
установок.
Об’єкт дослідження – система подачі порошкових матеріалів через
коаксіальне сопло та параметри, що визначають оптимальні розміри сопла, діаметр
струменя порошку та відстань між зрізом сопла й оброблюваною поверхнею.
Предмет дослідження – параметри зміни фізико-механічних властивостей
(твердості, шорсткості, зносостійкості) поверхневого шару сталі AISI 4340 при
коаксіальній лазерній наплавці порошку Stellite 6.
Мета роботи – створення комплексу методик, що забезпечують оптимізацію
вибору матеріалів, обладнання, режимів обробки та випробувань для отримання
високоякісних зносостійких покриттів при ремонті валів теплових установок.
ABSTRACT
Master’s qualification thesis topic: “Investigation of the Process of Laser
Deposition of Coatings on Shafts”.
Student: Viktoriia O. Priadko, group mZNT-42.
The thesis consists of 109 A4 pages, contains 38 figures and 8 tables, and includes
51 references.
The explanatory note contains 108 A4 pages, 38 figures, 8 tables and 36 references.
The master’s thesis is devoted to improving the wear resistance of shafts of thermal
gas-turbine units by applying wear-resistant coatings using coaxial laser cladding of
Stellite 6 alloy powder onto AISI 4340 steel. The work summarizes and analyses modern
methods for restoring gas-turbine unit components, in particular shafts, and substantiates
the choice of gas–powder laser cladding as a highly efficient technology for producing
wear-resistant layers with minimal heat input and distortion of the part.
Methodologies for selecting materials, equipment, processing modes and test
conditions for shaft coating have been developed. An experimental stand based on a fibre
laser and a coaxial powder-feeding nozzle has been created. A procedure for optimizing
the shape and geometry of the nozzle and the parameters of the gas–powder stream has
been proposed. Experimental investigations of hardness, wear resistance and
microstructure of the obtained coatings have been carried out, and regression analysis of
the relationships between bead geometry and laser cladding parameters has been
performed. Based on the obtained results, practical recommendations for selecting the
optimal laser cladding modes for the repair of shafts of thermal installations have been
formulated.
Object of research – the powder feeding system through a coaxial nozzle and the
parameters determining the optimal nozzle dimensions, powder jet diameter and the
distance between the nozzle exit and the treated surface.
Subject of research – parameters of variation of the physical and mechanical
properties (hardness, roughness, wear resistance) of the surface layer of AISI 4340 steel
under coaxial laser cladding with Stellite 6 powder.
The aim of the work is to develop a set of methods ensuring optimisation of the
selection of materials, equipment, processing modes and test procedures to obtain high-
quality wear-resistant coatings in the repair of shafts of thermal power units.
Зміст
Вступ ............................................................................................................................. 8
Розділ 1 Методи відновлення елементів газотурбінних установок......................... 11
1.1 Загальні відомості про енергетичні газотурбінних установок і їх елементах
......................................................................................................................................... 12
1.2 Відновлювальний ремонт валів ГТУ ................................................................ 14
1.3 Лазерні технології нанесення покриттів ......................................................... 20
Висновок до розділу 1 ............................................................................................ 22
Розділ 2 Методики, матеріали і обладнання, використані у роботі ....................... 24
2.1 Матеріали підкладки та нанесених покрить ................................................... 25
2.2 Стенд для нанесення покриттів ....................................................................... 27
2.3 Устаткування і методики для дослідження мікроструктури.......................... 33
2.4 Устаткування і методики механічних випробувань отриманих покриттів... 36
Висновок до розділу 2 ............................................................................................ 39
Розділ 3 Методика оптимізації форми і геометрії сопла для подачі порошку при
лазерному нанесення покриттів ................................................................................ 40
3.1. Характеристика процесу нанесення покриттів лазерним випромінюванням
............................................................................................................................. ............ 41
3.2. Методика визначення форми газового потоку .............................................. 46
3.3 Методика розрахунку руху часток порошку .................................................. 47
3.4 Методика вибору конструкції сопла ............................................................... 49
3.5 Розрахункове визначення впливу параметрів обробки на газопорошковий
потік 57
Висновок до розділу 3 ................................................................................................ 60
Розділ 4 Методика оптимізації режимів нанесення зносостійких шарів та їх
дослідження ................................................................................................................ 61
4.1. Методика.......................................................................................................... 62
4.2. Дослідження твердості отриманих покриттів ................................................ 66
6
4.3 Дослідження зносостійкості покриттів ........................................................... 69
4.4 Дослідження структури отриманих покриттів ............................................... 72
Висновки до розділу 4 ............................................................................................... 80
Розділ 5 Охорона праці та безпека в надзвичайних ситуаціях ............................... 81
5.1 Безпека лазерів і лазерних установок .............................................................. 82
5.2 Джерела небезпечних і шкідливих виробничих факторів при використанні
лазерів та лазерних установок ................................................................................... 85
5.3 Механізми дії лазерного випромінювання...................................................... 90
5.4 Вплив лазерного випромінювання на очі........................................................ 97
5.5 Вплив лазерного випромінювання на шкіряний покрив і внутрішні органи . 101
Висновок до розділу 5 .......................................................................................... 104
Загальний висновок.................................................................................................. 105
Список використаної літератури ............................................................................. 107
7
Вступ
Розвиток сучасного машинобудування супроводжується зростанням вимог до
надійності та довговічності деталей, що працюють в умовах інтенсивних
навантажень, високих температур та агресивних середовищ. Особливо це
стосується валів енергетичних газотурбінних установок, від працездатності яких
залежить ефективність і безпека роботи всього обладнання. Одним з
найрезультативніших напрямів підвищення ресурсу таких деталей є нанесення
зносостійких покриттів, що забезпечують потрібний комплекс експлуатаційних
властивостей поверхневого шару.
Серед матеріалів для захисних покриттів значне поширення отримали
кобальтові сплави типу Stellite, яким притаманні висока зносостійкість,
жаростійкість, корозійна та ерозійна стійкість, а також стабільність властивостей
за підвищених температур. Завдяки цьому вони широко застосовуються в
енергетичному та авіаційному машинобудуванні, зокрема для деталей
газотурбінних установок. Водночас висока твердість і наявність великої кількості
карбідів у структурі таких сплавів ускладнюють їх обробку традиційними
методами і висувають додаткові вимоги до технологій нанесення покриттів.
Через значну жорсткість вимог до геометричної точності та балансу валів ГТУ
під час ремонту небажаними є суттєві термічні деформації та необхідність
подальшої правки деталі. Тому оптимальними є технології, що дають змогу
локально формувати зносостійкі шари з мінімальним тепловкладенням,
контрольованою глибиною проплавлення основи та високими швидкостями
охолодження. До таких технологій належить лазерне нанесення покриттів, яке
забезпечує концентроване енергетичне впливання, можливість точного керування
режимами обробки та високий рівень автоматизації процесу.
Перспективним варіантом реалізації цієї технології є коаксіальна лазерна
наплавка, коли порошковий матеріал подається в зону дії лазерного променя через
спеціальне сопло співвісно з ним. Якість сформованого покриття при цьому істотно
залежить від параметрів газопорошкового потоку, геометрії сопла, відстані від його
зрізу до поверхні деталі, а також від режимів лазерного випромінювання.
8
Незважаючи на наявність окремих публікацій, питання комплексної оптимізації
цих параметрів саме для нанесення покриттів зі сплаву Stellite на вали
енергетичного обладнання досліджено ще недостатньо, що зумовлює актуальність
даної роботи.
Метою роботи є створення комплексу методик, що забезпечують оптимізацію
вибору матеріалів, обладнання, режимів обробки та випробувань для отримання
високоякісних зносостійких покриттів при ремонті валів теплових установок
методом коаксіальної лазерної наплавки порошку Stellite 6 на сталь AISI 4340.
Для досягнення поставленої мети в роботі необхідно розв’язати такі завдання:
1. Обґрунтувати вибір виду та складу матеріалу покриття для поверхні
вала ГТУ та проаналізувати вимоги до його експлуатаційних властивостей.
2. Обґрунтувати вибір і склад обладнання, необхідного для лазерного
нанесення покриттів на поверхню валів ГТУ, з урахуванням особливостей їх
конструкції та умов роботи.
3. Розробити методику та вибрати геометрію коаксіального сопла для
подачі порошку в зону нанесення покриттів співвісно з лазерним променем,
визначити раціональні параметри газопорошкового потоку.
4. Визначити та обґрунтувати оптимальні режими лазерної наплавки
порошку Stellite 6 на матеріал вала AISI 4340 для забезпечення необхідних
геометричних та експлуатаційних характеристик покриття.
5. Виконати регресійний аналіз експериментальних даних та отримати
розрахункові залежності основних параметрів формування покриттів від режимів
лазерної наплавки.
6. Провести дослідження механічних властивостей, зносостійкості та
мікроструктури отриманих покриттів на оптимальних режимах і на основі аналізу
результатів обрати найраціональніші режими нанесення.
Об’єкт дослідження – процес лазерного нанесення порошкових покриттів на
вали енергетичних установок (з коаксіальною подачею порошку).
Предмет дослідження – параметри зміни фізико-механічних властивостей
(твердості, шорсткості, зносостійкості) поверхневого шару сталі AISI 4340 при
9
коаксіальній лазерній наплавці порошку Stellite 6 залежно від режимів обробки та
характеристик газопорошкового потоку.
10
Розділ 1
Методи відновлення елементів газотурбінних
установок
1.1 Загальні відомості про енергетичні газотурбінних установок і їх
елементах
Турбіни є високонавантаженими елементами енергетичних газотурбінних
установок (ГТУ), що піддаються значному зносу в процесі експлуатації. У зв’язку
з цим значна увага приділяється їх ремонту в процесі експлуатації [1].
Одним з найбільш навантажених елементів турбіни є ротор. Ротором
називається обертова частина турбіни, що несе на собі робочий лопатковий апарат,
за допомогою якого здійснюється перетворення кінетичної і потенційної енергії
робочого середовища (пара, газу) в механічну роботу шляхом обертання турбіною
приєднаного до неї ротора генератора або будь-який інший робочої машини.
Основними деталями ротора є вали, диски і робочі лопатки. Диски з насадженими
на них лопатками називають також і робочими колесами [2].
В умовах експлуатації турбіни ротор піддається дії відцентрових сил, крутного
і згинального моментів, осьових сил, що розтягують і навантаження від власної
ваги. Лопатки і диски ротора при дії на них сил протидії, як від робочого
середовища (пара, газу), а також і з інших причин, працюють в умовах вібрації зі
знакозмінними навантаженнями [3].
Основний і найбільш навантаженої деталлю ротора є його вал. На вал ротора
турбіни діють: крутний момент, відповідної переданої турбіною потужності;
вигинаючий момент від власної ваги і ваги насаджених на нього деталей; сили
неврівноваженого тиску пари вздовж осі.
Важкі умови роботи валів і велика відповідальність їх, з точки зору
забезпечення надійності роботи всієї турбіни, вимагають особливо ретельного
підходу до вибору матеріалів способів виготовлення заготовок і подальшої
механічної обробки, а також методики і засобів контролю якості оброблюваних
валів на всіх етапах технологічного процесу. Крім цього необхідно розглядати
технології ремонту валів, так як заміна їх на нові вельми дороге завдання.
Вали роторів турбін виготовляють з поковок. Поковки для валів, що працюють
при температурі металу не вище 450 ° С, виготовляють з вуглецевих і легованих
12
сталей шести категорій (по міцності). Рекомендовані марки сталі вказані в Таблиці
1.1.
Таблиця 1.1. Механічні властивості поковок валів і цельнокование роторів
суднових і стаціонарних парових турбін
Механічні властивості поздовжніх зразків Рекомендовані сталі
��В Кут загину (в град) на для роботи при
Категорія �� ψ
2 2 оправці d = 40 мм(не температурах 400-
Н/мм кг/мм % %
менше) 450 ° С
I 520 52 19 40 180 35, 40
II 580 58 17 40 180 34XM1A
III 650 65 15 40 160 34XM1A
IV 720 72 15 40 160 34XM1A, 35XM,
V 820 82 14 40 150 34XH1M, 34XH3M
VI 870 87 13 40 150 34XH1M, 34XH3M
У парових і газових турбінах для валів і цільнокованих роторів, що працюють
при температурах понад 500° С, де потрібен високий рівень жарапроміцних
властивостей матеріалу, застосовують молібденовмісні сталі, наприклад
хромомолібденові, хромомолібденованадієві.. При температурах понад 700° С
застосовують сплави на нікелевій, кобальтовій, молібденовій основі, а також на
змішаних основах [42, 43]. Деякі з марок сталей, найбільш широко застосовуваних
для деталей роторів, що працюють при температурах понад 500°С, наведені в
Таблиці 1.2.
Таблиця 1.2. Механічні властивості поковок валів і цільнокованих роторів
парових і газових турбін
Механінчі властивості Температура
Марка сталі ��В �� ψ робочої
2 2 Термічна обробка
Н/мм кгс/мм % % середовища в °С
Подвійна нормалізація 970-
690 -
Р2МА 69 - 74 15-19 41- 64 990° С и 930-950° С; відпустк 535-540
740
при 680-700° С
Загартування при 1050° С в
20Х3МВФ 800 80 13 40 До 550
масле, отпуск при 700° С
Загартування при 1050° С в
1Х12ВНМФ 750 75 15 45 До 580
масле, відпустк при 680-700° С
Загартування при 1100-1130°
1Х16Н13М2В 580 58 30 35 С у повітрі; старіння при 750° До 600
С - 12 ч
Загартування при 1080° С у
ХН35ВТ 650 65 15 35 воді; старіння при 850° С - 10 До 650
ч; при 700 ° С - 50 ч
13
1.2 Відновлювальний ремонт валів ГТУ
Виникнення аварій, в результаті зносу, ставить перед інженерами завдання
ремонту валів і всієї машини в цілому. Можливо два основні варіанти - це заміна
на новий вал або ремонт шляхом відновлення зношеного. Ці питання вирішуються,
крім технічних проблем, виходячи з фінансових витрат на заміну або ремонт. У
більшості випадків ремонт зношеного вала є більш дешевим процесом, ніж заміна
на новий [8, 44]. Це ще пов’язано з тим, що вже існує достатня кількість
відновлювальних технологій, що дозволяють знижувати витрати на ремонт валів
[9, 36, 37, 41, 52].
Основними завданнями при створенні відновлювальних та ремонтних
технологій є наступні: 1 - вибір матеріалу, що наноситься; 2 вибір технології
нанесення покриття.
Для правильного вибору матеріалу покриття необхідно розглянути їх види та
основні характеристики.
Серед усього різноманіття функціональних покриттів по здатності сприймати
навантаження від навколишнього середовища необхідно виділити наступні:
зносостійкі, антифрикційні, жароміцні, жаростійкі, корозійностійкі, термостійкі,
ерозійностійкі, вібраційностійкі.
Необхідно зауважити, що одине і теж покриття може задовольняти ряду вимог
з перерахованих, а може відповідати одному і абсолютно не задовольняти іншим.
Так, покриття з високим вмістом карбідів можуть бути і термостійкими, і
зносостійкими, проте будуть слабо протистояти вібраційних навантажень. Так як
вали ГТУ піддаються практично всім з перерахованих впливів, необхідно вибирати
композиційні матеріали для покриттів, що задовольняють відразу кількома
параметрами.
При створенні зносостійких покриттів широко використовують такий клас
композиційних матеріалів, як тверді дисперсно-зміцнюючі сплави, при
навантаженнях міцність і твердість таких сплавів зростає, як від термомеханічної
обробки [34]. Даний ефект необхідний, щоб в процесі припрацювання поверхню
прийняла за рахунок деформацій оптимальну форму з максимальною площею
контакту і надалі зберігала цю форму при великих навантаженнях. Для створення
14
зносостійких покриттів такого типу використовують різні карбіди тугоплавких
елементів, таких як вольфрам (WC), хром (Cr23C6, Cr7C3, Cr3C2), титан (TiC), бор
(B12C3), що входять у в’язку пластичну матрицю з менш твердого матеріалу. Так,
карбіди хрому знайшли досить широке застосування в техніці в зв’язку з тим, що
вони мають ряд цінних властивостей: стійкість до окислення у карбідів хрому
майже в 20 разів вище, ніж у карбіду титану і більш ніж в 1500 разів вище, ніж у
карбіду вольфраму, завдяки такому набору властивостей у карбідів хрому
спостерігається висока стійкість проти абразивного зносу і корозії [10].
Серед неметалів для створення зносостійких покриттів активно
використовується марганець. Сталь Гадфілда, що володіє високою твердістю і
зносостійкістю, не піддається механічній обробці. Основний легуючий елемент в
ній - саме марганець (11 ... 15 %). Сталь використовується для виробництва ковшів
екскаваторів, щитів грейдерів - деталей, що працюють при ударно-абразивних
навантаженнях.
Для створення зносостійких покриттів широко використовуються матриці Al і
Ti з впровадженним в них боридів, силіцидів і карбідів різних металів [34]. Була
досліджена зносостійкість наплавлених покриттів систем SiC / Al-8Si, WC / Ti-6Al-
4V і TiB2 / Ti-6Al-4V. Була отримана структура з нерозчинених і розподіленими в
матриці частинками - карбидами алюмінію і карбідами вольфраму і титану, стійка
при зносі і володіє низькими значеннями коефіцієнта тертя.
При відповідних добавках Ti і Al нікелеві і нікельхромовие сплави стають
дисперсно-твердіючими (сплави типу німонік). Використання цих сплавів в
створенні покриттів виправдовується також міцності якостями цих металів.
Крім нітриду титану, в зносостійких сплавах широко використовуються його
борид і силіциди.
Для створення важко навантажених поверхонь також використовують сплави
на основі кобальту.
Жароміцність характеризується комплексом властивостей, що включають
опір повзучості, тривалого руйнування і жаростійкість. Жароміцними є матеріали
з високими механічними характеристиками при значних температурах. Серед
жароміцних сплавів виділяють клас суперсплавів - жароміцних сплавів, що
15
застосовуються в аерокосмічній промисловості для деталей силових установок.
Нікель, завдяки унікальному набору механічних властивостей, є основою для
створення більшості з них.
Кобальт, в свою чергу, також, як і нікель, використовують при створенні
суперсплавів. Основний напрямок використання кобальтових суперсплавів - в
наплавлювальних порошках типу Stellite. В цих сплавах вміст кобальту може
становити більше 50%. Використовуються вони при виробництві ножових виробів,
токарних різців і при відновленні поверхонь [40], схильних до інтенсивного
зношування при високих температурах.
Хром широко застосовується при створенні жароміцних і корозійностійких
сталей в якості легуючого елемента, так як навіть при незначній кількості помітно
змінює властивості сплаву.
Для створення композиційних жароміцних сплавів застосовуються важкі
тугоплавкі метали і їх карбіди, такі як молібден і вольфрам. Завдяки високій
температурі плавлення і високої корозійної стійкості їх широко використовують
при виробництві твердих сплавів, швидкорізальних і броньових сталей і в складі
сумішей для наплавлення. В якості легуючих елементів вольфрам і молібден
застосовують для підвищення жароміцності, корозійної стійкості і міцності
сплавів.
Прикладом матеріалу, використовуваного для покриттів з такими
властивостями, є кобальт. Він є необхідним елементом для створення твердих
сплавів для різального інструменту та швидкорізальних сталей, оскільки проявляє
відмінні механічні властивості при високих температурах. Також його
використовують при виробництві жароміцних сталей. Кобальт не є ні
карбідоутворюючим, ні графітізіруючим елементом, проте він сприяє підвищенню
в’язкості сплавів.
Матеріали для корозійностійких покриттів повинні бути хімічно інертні до
робочого середовища, мати підвищену термодинамічну стабільність, сприяти
гальмуванню катодних і анодних процесів. Одним з таких елементів є хром. При
вмісті хрому до 15% сплави, в результаті утворення щільних (з гарну адгезію) шарів
Cr2O3, стають окалиностійкими до 1200° С і корозійностійкими в окислювальних
16
середовищах [11, 12]. Наприклад, для підвищення корозійної стійкості титану його
легують цілою низкою елементів, що забезпечують необхідні властивості: Cu, Mo,
W, Ni, Pt. Порошки карбіду титану, змішані з оксидом алюмінію успішно
застосовують у вигляді так званої «карбідної кераміки».
Корозійностійкі сплави на основі нікелю застосовуються в авіаційній
промисловості і при виробництві медичних інструментів і обладнання.
Матеріал для термостійких покриттів повинен мати температуру плавлення,
що перевищує температуру експлуатації, високий коефіцієнт теплопровідності і
бути досить пластичним. Для високої теплостійкості функціонального покриття
його коефіцієнт термічного розширення (КТР) повинен мати значення, близьке до
КТР матеріалу підкладки.
Зі збільшенням вмісту нікелю в сплаві його температурний коефіцієнт
лінійного розширення різко зменшується, а при вмісті 36% він досягає
мінімального значення, після чого знову збільшується. Таким чином, змінюючи
вміст нікелю, можна одержувати сплави з різним коефіцієнтом лінійного
розширення і тим самим впливати на якість наплавлення. Крім того, введення 3-5%
цього металу в сплави на основі заліза з вмістом до 1,5% вуглецю дає можливість
отримувати 30-45% аустеніту, що різко підвищує в’язкість сплаву, не знижуючи
його зносостійкості. Жаростійкість нікелю різко зростає при його легуванні
хромом.
При нанесенні покриття з термостійкого матеріалу важливо зберегти його
структуру і не допустити зниження властивостей. Також важливо зберегти
термооброблену структуру підкладки, оскільки в зоні термічного впливу (ЗТВ) при
лазерному наплавленні може виникати знеміцнення і подальше руйнування [50].
Мала щільність магнієвих сплавів в поєднанні з досить високою питомою
густиною і цілим рядом корисних фізико-хімічних властивостей робить їх цінними
для різних областей машинобудівного виробництва. В чистому вигляді магній
майже не застосовується, але магнієві сплави добре поглинають вібрації, що
дозволяє використовувати їх в авіації, космічній техніці, приладобудуванні і т.д.
Питома вібраційна міцність магнієвих сплавів майже в 100 разів більше, ніж у
дуралюміна і в 20 разів більше, ніж у легованої сталі. Крім того, магнієві сплави
17
відмінно обробляються різанням, немагнітні і не дають іскри при ударах і терті.
Механічні властивості сплавів: по питомій жорсткості при згині і крученні магнієві
сплави перевищують алюмінієві на 20%, а сталі - на 50%.
Крім прекрасних антифрикційних властивостей чавуну, у нього проявляється
висока вібраційна стійкість.
Протягом багатьох років досліджувалися і розвивалися відновлювальні
технології нанесенням додаткових матеріалів [13-19]. Порівняльні характеристики
різних методів відновлення зношених поверхонь представлені в Таблиці 1.3. У
Таблиці порівнюються наступні методи: лазерне наплавлення; SMA- дугова
наплавка плавким покритим електродом; MIG дугова наплавка плавким
електродом в захисному газі; SA дугова наплавка під шаром флюсу; TIG - дугова
наплавка вольфрамовим електродом в середовищі інертного газу; HVOF -
високошвидкісне газополум’яне напилення.
Таблиця 1.3. Порівняльні характеристики існуючих методів відновлення
зношених поверхонь
Напилення
SMA MIG SA TIG HVOF
Товщина покриття
0,2-2,0 1,6-10 1-6 2-10 0,5-3,0 0,1-0,2 0,8-0,2 0,3-1,5 1-5
(мм)
Продуктивність
0,2-7 0,5-2,5 2,3-11 5-25 0,5-3,5 0,5-7 0,45-2,7 1-5 2,5-6,5
(кг на годину)
Деформація після
Низька Середня Середня Висока Висока Низька Висока Низька Середня
наплавлення
Точність
Виока Низька Низька Низька Середня Середня Низька Низька Середня
нанесення
Перемішування
нанесеного шару з 1-5 15-25 15-20 10-50 10-20 5-30 1-10 Низьке Середнє
основою (%)
Якість покриття Висока Висока Висока Висока Середня Низька Середня Средня Середня
Найнижчу вартість мають дугові процеси, вони ж більш відпрацьовані і мають
досить широке застосування. Однак їх застосування, в основному, пов’язано з
18
Лазерне
наплавлення
плазмове
Газополум'яне
Плазмова дуга
необхідністю наплавляти великі поверхні з високою продуктивністю на
маловідповідальних деталі, які після наплавлення можна правити і обробляти в
термічних печах.
Також ці технології відрізняє високі значення введення в матеріал тепла від
джерел нагріву. Це призводить до значних деформацій після наплавлення всієї
деталі і викликає необхідність їх виправлення. Крім цього в наплавленному
матеріалі часто виникають кристалізаційні тріщини, появу яких попереджають
супутнім підігрівом, що вимагає додаткового введення енергії [14].
Вали ГТУ відносяться до вельми складним і відповідальним деталей, які
повинні мати строгу геометрію в процесі всього часу експлуатації ГТУ і ремонту.
Тому їх небажано піддавати процесам правки або термічної обробки після
відновлювального наплавлення. Крім того, як правило, ці вали роблять з
високоякісних сталей, тому в процесі наплавлення має бути мінімальне
перемішування наплавленого металу з матеріалом основи, так як це може
призвести до утворення дефектів структури матеріалу вала, що знижує його
механічні характеристики.
З усіх розглянутих в Таблиці 1.3 процесів цим вимоги більшою мірою
відповідають лазерні технології нанесення покриттів [18, 19, 38]. При лазерному
нанесенні покриттів досягається мінімальне тепловкладення і перемішування
шару, що наноситься з основою, висока швидкість обробки. Все це призводить до
мінімальних деформацій відновлюваної деталі після нанесення покриттів і
отримання сприятливих структур з високими механічними властивостями. Можна
легко управляти рухом лазерного променя по поверхні. Таким чином, процес
піддається автоматизації, розподілу енергії та осциляції променя. Промінь можна
направляти в важкодоступні місця, або за допомогою дзеркал або з використанням
оптичного волокна. Різноманітні геометричні форми деталей можуть бути
оброблені шляхом зміни програмного забезпечення для формування оптимального
променя і шляхи. Обладнання автоматичної наплавки були розроблені з світовими
фірмами, що забезпечувати високу продуктивність, стабільна якість, і трудові
заощадження.
19
1.3 Лазерні технології нанесення покриттів
В літературі є відомості з відновлення й ремонту компонентів газової турбіни
[15, 36, 37, 41]. Під час процесу наплавлення, лазерний промінь плавить тонкий шар
основного матеріалу одночасно з матеріалом, що наноситься (у вигляді порошку
або дроту), який подається в наплавоч ванну одночасно з дією променя. Таким
чином, забезпечується перемішування і надійний металургійна зв’язок
пропонованого матеріалу і основного матеріалу. Завдяки високій щільності
потужності лазерного променя і малого його діаметра, а також високій швидкості
переміщення променя по поверхні нагрівання відбувається тільки в локальній зоні,
де необхідно змінити геометричні розміри або поліпшити властивості. Шляхом
нанесення шару на шар можна отримувати покриття досить великої товщини без
перегріву основного матеріалу. Ця технологія була прийнята провідними світових
виробників машин, таких як Дженерал Електрик, Пратт енд Уїтні, Алліед Сигнал,
Роллс-Ройс, Елісон, Пратт енд Уїтні Канада, Солар та інші [7, 20, 21]. Однак в
кожному окремому випадку розглядаються різні варіанти обробки, але не
наводиться їх оптимізація [39, 46].
Є кілька технологій лазерної наплавки, що відрізняються наступними
характеристиками: вид матеріалу, що наплавляється, метод введення матеріалу, що
наплавляється, лазерними джерелами, що застосовуються для наплавлення,
режимами обробки.
Так як лазерне наплавлення полягає в нанесенні на поверхню виробу покриття
шляхом розплавлення основи і матеріалу, що наноситься [14, 53], то важливо
враховувати вид цього матеріалу. В даний час використовується два види
матеріалів - це дріт і порошки. Від того який вид матеріалу застосовується,
залежить конструкція подавальних систем, режими обробки і технологічне
оснащення.
Дріт використовується досить рідко, так як з його допомогою важко управляти
як геометрією наплавленого шару, так і його складом. Основна перевага дроту - ця
значно менша вартість, ніж порошкові матеріали і простота подачі її в зону
обробки.
20
Застосування порошкових матеріалів дозволяє управляти в широких межах
товщиною шару, що наноситься, а також створювати на поверхні різні матеріали,
зокрема композиційні і градієнтні. Крім цього, є можливість застосування
порошків з різним розміром частинок. Для відновлення шийок валів ГТУ краще
використовувати порошкові матеріали. Недоліком порошкових матеріалів є їх
висока вартість і необхідність застосування спеціальних живильників, сопів і
оснастки.
За видами введення наплавляються розрізняють наступні [16, 17, 49]:
нанесення матеріалу перед обробкою;
бічна подача під промінь;
співісна з променем подача.
Метод введення матеріалу, що наплавляється перед обробкою передбачає
укладання дроту, насипання порошку, обмазка суспензією, що містить порошок і
зв’язуючу. Після нанесення матеріалу його розплавляють лазерним променем.
Перевагою такого методу є простота або повна відсутність оснащення для
розміщення матеріалу. Недоліки полягають в неможливості обробки криволінійних
складних поверхонь і негарантованого сплаву матеріалу, що наплавляється з
основою.
Більш поширеним є метод бічної подачі порошку або дроту. При цьому методі
матеріал, що наплавляється подається в зону впливу променя під кутом
спеціальними пристосуваннями подачі дроту або дозаторами порошку. Перевагою
цього методу є висока продуктивність, якість шару, що наноситься і невисока
вартість оснастки. До недоліків слід віднести складність обробки криволінійних
поверхонь і підігріву порошку або дроту перед нанесенням.
Найбільш універсальним є метод коаксіальної подачі порошку в зону обробки.
В цьому випадку порошок через спеціальне сопло від живильника подається в зону
обробки разом з лазерним променем [46]. Така подача дозволяє обробляти поверхні
в будь-якому просторовому положенні і будь-якої конфігурації. Великою
перевагою цього методу є той факт, що під час руху від зрізу сопла до поверхні
21
порошок може додатково підігріватися, що забезпечує попередження цілого ряду
дефектів, таких як тріщини, пори, несплавлення і відшарування [21].
Істотний вплив на вибір методу наплавлення і режимів надає вид лазерного
джерела нагріву. Відомо [22], що можливе застосування як газових CO2 лазерів, так
і твердотільних Nd: YAG [23] лазерів або волоконних іттербіевох лазерів. Вибір
лазерного джерела нагріву впливає на діапазони режимів обробки і
автоматизованих процесів. В даний час найбільшого поширення набувають
волоконні лазери, так як вони дозволяють передавати випромінювання за гнучким
световоду на значні відстані і мають високий коефіцієнт корисної дії.
Кожен з розглянутих методів має свої особливості у виборі режимів обробки.
Процес лазерного нанесення покриттів складний багатофакторний процес,
пов’язаний з виконанням великої кількості взаємопов’язаних параметрів. Крім
вирішення завдання отримання покриття потрібного складу необхідно забезпечити
їх сплавлення з основою не допускаючи значного перемішування. У той же час
необхідно отримати оптимальні розміри валиків, що наносяться, так щоб вони
забезпечили потрібну продуктивність, оптимальна витрата порошків і необхідну
геометрію.
Таким чином, проведений літературний огляд показує, що процес лазерного
нанесення покриттів є вельми універсальним і високотехнологічним методом для
ремонту і відновлення валів ГТУ. Однак цей метод має ряд особливостей його
застосування, пов’язані з обладнанням і режимами обробки відповідно. Для
отримання необхідної якості необхідно пов’язувати велику кількість умов і
параметрів. У розглянутій літературі не виявлено комплексних методик оптимізації
параметрів режимів, особливостей обладнання і матеріалів для відновлення
деталей валів ГТУ. У зв’язку з цим в даній роботі була поставлена актуальне
завдання розробки і створення комплексної методики оптимізації процесу
нанесення зносостійких покриттів на вали ГТУ лазерним методом
Висновок до розділу 1
У першому розділі показано, що одними з найвідповідальніших елементів
газотурбінних установок є вали ротора, які працюють в умовах комплексної дії
високих температур, відцентрових, вібраційних та ударних навантажень, що
22
призводить до інтенсивного зносу поверхні. Порівняльний аналіз існуючих
відновлювальних технологій засвідчив, що заміна зношених валів на нові є
економічно значно дорожчою, ніж їх ремонт із застосуванням зносостійких
покриттів. Розглянуті дугові та газотермічні методи наплавлення забезпечують
прийнятну якість покриттів, але супроводжуються великим тепловкладенням,
значними деформаціями деталі та істотним перемішуванням наплавленого металу
з основою. Показано, що за сукупністю технологічних можливостей і
експлуатаційних переваг саме газопорошкові лазерні технології нанесення
покриттів, зокрема з кобальтових сплавів типу Stellite, є одним із
найперспективніших методів відновлення валів ГТУ. Водночас встановлено
відсутність у літературі комплексних методик оптимізації процесу лазерного
нанесення таких покриттів на вали, що й обумовило постановку завдання даного
дослідження..
23
Розділ 2
Методики, матеріали і обладнання, використані
у роботі
2.1 Матеріали підкладки та нанесених покрить
У даній роботі розглянута технологія нанесення покриттів зі сплаву Stellite 6
коаксіального лазерного наплавленням на вали газотурбінних машин,
виготовлених зі сталі AISI 4340.
Хімічний склад підкладки і порошку, що наноситься представлений у Таблиці
2.1.
Таблиця 2.1 - Хімічний склад матеріалів
Найменування Хімічний склад
Ni Cr Mo C Fe Co W Si Mn S P
AISI4340 2 0,9 0,3 0,43 Основа 0,35 0,8 0,04 0,035
Stellite 6 27-32 0,9-1,4 Основа 4-6
Сплави Stellite на основі кобальту - це найбільш відомі і широко
застосовуються сплави з самими «універсальними» властивостями. Зносостійкі
кобальтові сплави відносяться до системи Co-Cr-W, причому зміст Cr в сплавах цієї
групи є найбільшим у порівнянні з іншими, так як він має ключове значення в
утворенні карбідів з різним співвідношенням Cr / C.
Кобальтові сплави володіють чудовою опірністю до таких видів зносу, як:
абразивний, знос при терті ковзання і ерозійних знос. Майже всі сплави Stellite в
більшій чи меншій мірі володіють такими властивостями в корозійних
середовищах і при підвищених температурах роботи деталей. Низьковуглецеві
сплави рекомендують для використання в умовах кавітації, зносу від тертя
ковзання або помірного стирання. Сплави з більш високим вмістом вуглецю, як
правило, вибирають для використання в умовах абразивного зносу, сильного
стирання або ерозії. Сплави мають чудову опірність кавітації, корозії, ерозії,
абразивного зносу і стирання. Низьковуглецеві сплави, як правило,
рекомендуються для використання в умовах кавітації, зносу від тертя ковзання або
помірного стирання. Зміст вуглецю в таких сплавах може досягати 3,3%. Для
використання високовуглецевого сплаву необхідно ретельно підбирати режими
обробки, так як в деяких випадках можуть утворюватися вторинні карбіди, що
знижують пластичність сплаву при високих температурах (> 650 °С). Сплав Stellite
6 (аналог ПР-К60Х30ВС або В3К) поєднує в собі всі перераховані вище
25
властивості, тому він досить популярний в промислових цілях [47]. Існують різні
модифікації сплаву Stellite 6: LC, HC, PM. Вони відрізняються вмістом вуглецю та
інших елементів, присутніх в сплаві Stellite 6 в невеликій кількості, але мають
важливе значення, а також додаванням інших елементів. Наприклад, сплав Stellite
6PM відрізняється від базового сплаву додаванням бору, який надає сплаву
додаткову міцність, а також додає йому пластичність [11, 45], тим самим
нейтралізуючи негативний вплив вуглецю.
Застосування зносостійких сплавів Stellite досить різноманітне: від
аерокосмічних підшипників до зубів промислових пив [5]. Сплав Stellite 6 добре
вивчений і успішно застосовується для наплавлення деталей запірної арматури
[14], зокрема на поверхні ущільнювачів клапанів [16].
З огляду на вміст в кобальтових сплавах великої кількості легуючих
елементів (> 35%), наявності тугоплавких елементів і утворення складних карбідів
створення покриттів з цих сплавів супроводжується рядом труднощів. Виникнення
тріщин в процесі наплавлення, високий вміст основного матеріалу деталі в
покритті, неоднозначність поведінки покриттів при різних температурах через
зміни атомної структури кобальту - все це часом перекриває переваги кобальтових
сплавів перед виробником, тому необхідні глибокі дослідження структурного
формування покриттів з цих сплавів, а також досліджень покриттів з кобальтових
сплавів в умовах, близьких до реальних умов експлуатації деталей.
Використання лазерного газопорошкового наплавлення дозволить наносити
покриття з кобальтового сплаву не тільки зі збереженням властивостей вихідного
матеріалу, що наноситься, а й поліпшити його властивості за рахунок великих
швидкостей охолодження, а також забезпечити гнучкість процесу.
На підставі поєднання цих властивостей стелліти використовують тільки для
високонавантажених і відповідальних деталей машин, так як вартість їх вище, ніж
інших аналогів наплавлювальних матеріалів. Для відновлення валів газотурбінних
установок в найбільшою мірою підходить саме матеріал Stellite 6.
Для нанесення покриттів був використаний порошок зі сплаву Stellite 6
дисперсностью 60-75 мкм.
26
Вали газотурбінних установок за кордоном виготовляють зі сталі AISI 4340
(аналог - сталь 40ХН2МА) [42, 43]. Дана сталь була використана в якості підкладки
при дослідженні нанесення покриттів лазерним методом. Дана сталь є
конструкційної низьколегованої із середнім вмістом вуглецю. Відрізняється
високою міцністю за рахунок наявності хрому і молібдену. Після термічної
обробки вигляді гартування і відпустку сталь має високі значення міцності на
розтягнення від 930 до 1080 МПа. Сталь AISI 4340 має значення і стійкість до
ударних навантажень, а також зносостійкість і стійкість до стирання. Сталь AISI
4340 має високу пластичність в відпаленому стані, що дозволяє здійснювати
пластичні деформацій у вигляді згинання або штампування. Висока втомна
стійкість робить сталь AISI 4340 ідеальною для застосування в умовах високого
навантаження зі збереженням міцності і твердості при високій температурі. Сталь
також має гарну зварюваність, що дозволяє якісно наносити на неї різні покриття
термічними методами, такими як дугова наплавка, газотермічним наплавка,
лазерне наплавлення, про переваги якої було розглянуто в 1 розділі. Сталь ASTM
4340 часто використовується для сильно навантажених деталей, таких як вали,
турбіни та ін.
Для відпрацювання технології нанесення покриттів лазерним методом були
використані зразки зі сталі ASTM 4340 товщиною 5,0 мм і розміром 100х100 мм.
2.2 Стенд для нанесення покриттів
Експерименти по нанесенню покриттів методом коаксіальної лазерної
наплавки проводили на стенді [34]. Основними елементами стенда є:
- промисловий робот АВВ IRB 2400;
- волоконний лазер ЛС-4-К;
- оптична головка PrecitecYW50;
- газова панель.
- живильник для подачі порошку
Стенд є автоматизованою системою, керованою від ЧПУ промислового
робота. Використання промислового робота дозволяє наносити покриття на вироби
27
складної форми в різних просторових положення. Зовнішній вигляд робота з
технологічної головкою для наплавлення показаний на Рис. 2.1.
Рисунок 2.1 – Промисловий робот ABBIRB 2400 з технологічною
наплавочною голівкою
Технічні характеристики робота ABBIRB 2400 наведені в Таблиці 2.2.
Таблиця 2.2 - Технічні характеристики робота IRB 2400
Робочий діапазон, мм 1850
Кількість осей 6
Повторюваність при позиціонуванні, мм 0,04
Повторюваність при відпрацюванні траєкторії, 0,16
Споживана потужність, квт 0,92
Вага, кг 280
Лазерне випромінювання генерувалось сучасним волоконних лазером марки
ЛС-4. Зовнішній вигляд показаний на Рис. 2.3.
28
Рисунок 2.3 – Волоконний лазер ЛС-4-К
Волоконний лазер обраний з тієї причини, що він перевершує інші типи
лазерів практично за всіма істотними параметрами, важливим з точки зору їх
промислового використання. Волоконні лазери завдяки своїм перевагам займають
найбільший сектор ринку лазерного промислового обладнання. Портативність і
можливість вибору довжини хвилі волоконних лазерів дозволять реалізувати нові
ефективні застосування, недоступні для інших типів нині існуючих лазерів.
Багатомодові волоконні лазери виявляються поза конкуренцією для лазеной
зварювання, наплавлення і різання. Довжина хвилі иттербиевой волоконного
лазера становить 1,07 мкм, що забезпечує більш ефективну взаємодію
випромінювання з металами, ніж випромінювання СО2 лазерів (10,6 мкм).
Досягнута унікальна якість вихідних пучків (для 10 кВт лазера BPP <4,5 мм х мрад)
допускає використання довгофокусних - до 2000 мм - оптичних головок. Волоконні
лазери мають найбільш високі, до 45%, значення ККД. Крім цього, за рахунок
можливість транспортування випромінювання гнучким оптичним світловодом на
великі відстані без втрати якості, існує можливість обробляти деталі в різних
просторових положеннях в поєднанні з роботом. Також даний тип лазера має
відкриту систему управління, що дозволяє без особливих проблем вбудовувати
29
його в виробничі лінії, а також створювати технологічні комплекси на його основі.
Оптичні характеристики лазера ЛС-4-К наведені в Таблиці 2.3.
Таблиця 2.3 - Оптичні характеристики волоконного лазера ЛЗ -4-К
Режим роботи Безперервний, з
Поляризація Випадкова
Вихідна потужність, Вт 4000
Довжина хвилі випромінювання, нм 1070
Частота модуляції вихідної потужності, кгц 5,0
Якість вихідного пучка, мм * мрад 4,5
Робочим інструментом при лазерній обробці є оптична головка. В даному
стенді використовувалася наплавочна головка фірми Precitec YC - 52 з фокусною
відстанню 300 мм. (Рис. 2.4). Дана головка характеризується високою стабільністю
вихідних оптичних характеристик.
Рисунок 2.4 – Голівка для наплавлення Precitec YC - 52
Подача порошку до місця обробки здійснюється спеціальним соплом з
системою шлангів і каналів, за якими порошок разом із захисним газом аргоном
потрапляє в зону переплавки в місці з лазерним променем. Зовнішній вигляд сопла
показаний на рис. 2.5.
30
Рисунок 2.5 – Сопло для подачі порошку співвісно з лазерним променем
У технологічну головку і сопло наплавочний порошок подається примусово
під тиском аргону зі спеціального живильника. Порошкові живильники призначені
для точної дозованої подачі металевих, керамічних, металополімерних порошкових
матеріалів з фракційним складом від 5 до 200 мкм в лазерну наплавочу головку.
Зовнішній вигляд живильника показаний на рис.2.6.
Рисунок 2.6 – Живильник для подачі порошку в наплавоч головку
31
Конструкція порошкового живильника є пересувний базовий блок, на якому
розміщується одна або кілька порошкових колб. Керуючий пристрій і електричні
приводи порошкових колб знаходяться всередині базового блоку. Порошкова
колба є незалежним модулем, який може бути встановлена на різні види базових
блоків. Конструкція колби показана на Рис. 2.7.
Рисунок 2.7 – Конструкція колби для подачі порошку
Порошкову колбу можна умовно розділити на дві частини: контейнер для
порошку і диск подачі порошку. Конструкція контейнера забезпечує нисхідний
потік порошку, і при цьому запобігається ущільнення порошку під дією власної
ваги. Форма контейнера також запобігає роздіенню порошку за фракційним
складом або, в разі механічних порошкових сумішей, на порошки з різною
щільністю. Обертання диска подачі порошку сприяє рівномірному заповненню
паза порошком і його транспортування на радіально протилежний бік, де під дією
транспортуючого газу порошок з паза диска всмоктується через інжекторний блок.
По антистатичним шлангах порошок доставляється в наплавочну головку.
Точна сборка деталей сприяє тому, що паз порошкового диска повністю
спустошується після того, як він проходить через інжекторний блок під час
обертання диска. Подача порошку лінійно пропорційна контрольованій частоті
обертання диска подачі порошку, яка може встановлюватися в межах від 0 до 10
оборотів в хвилину з кроком 0,1 оборотів в хвилину.
32
В процесі роботи порошкового живильника контейнер знаходиться під
надлишковим тиском від 3,5 бар до 15 бар. Газ може вийти з бункера тільки через
ежекторний блок, а кількість транспортуючого газу може бути використано для
регулювання швидкості частинок порошку на виході з живильника.
Порошкові живильники можуть бути укомплектовані різними наборами колб
для легкотекучих порошків, для погано-і нетекучих порошків. Так само можуть
бути обрані різні діапазони подачі порошку в межах від 0,1 г/хв до 300 г/хв з
надзвичайно високою точністю, до 1% по відношенню до максимальної швидкості
подачі. У колбах з об’ємом порошкового контейнера 1,5 л і 5,0 л є міксер, який
вбудований в контейнер і приводиться в рух мотором, який встановлений над
контейнером або в кришці контейнера. Мішалка обертається в просторі між
конусними поверхнями порошкового контейнера на певній відстані від
розподільника, що допомагає забезпечувати безперервну подачу порошків,
знижуючи вплив поганої плинності порошку. Мішалки для порошкових
живильників бувають різних типів для роботи з порошками різної плинності
2.3 Устаткування і методики для дослідження мікроструктури
Для дослідження мікроструктури і визначення геометричних параметрів
отриманих покриттів виготовляли зразки з наплавленням одного валика на різних
оптимізованих режимах.
На цих пластинах проводили зовнішній огляд для виявлення зовнішніх
дефектів типу тріщин, пор, включень, несплавлення і так далі. Для цієї мети
використовували інструментальний мікроскоп зі збільшенням х4 - х7.
Зовнішнім оглядом на валиках, отриманих на оптимальних режимах,
зазначених дефектів не виявлено.
Пластина зі сталі AISI 4340 з валиками, наплавленими лазерним методом
порошку зі сплаву Stellite 6, показана на рис. 2.8.
33
Рисунок 2.8 – Зразок з наплавленими валиками лазерним методом для
мікроструктурних досліджень
Для проведення обміру геометричних параметрів перетину валиків пластину
розрізали в поперечному напрямку.
Виготовлення шлифів для металографічних досліджень здійснювали шляхом
вирізки з валиків проб розміром 5 х 10 мм.
Запресовані і залиті зразки шліфували на шліфувально -полірувальному
верстаті Tegramin - 20, показаному на рис. 2.9.
Рисунок 2.9 – Автоматичний шліфувальний верстат Tegramin -20
Спосіб виготовлення шліфів не повинен впливати на структуру матеріалу і
руйнувати поверхневий валик. Не допускається пошкодження валика і відрив його
від основного матеріалу. При виготовленні металографічного шліфа з поверхні
зразка видаляють всі сліди вирізки. При операціях шліфування та полірування
34
шліфа необхідно стежити за тим, щоб не змінився характер структурно-фазових
складових поверхневого валика. Краї шліфа не повинні мати заокруглень. Кожна
операція шліфування та полірування проводиться до зникнення з поверхні шліфа
слідів попередньої операції. Після кожної операції зразки ретельно протираються
спиртом.
Травлення шліфов здійснюють реактиви, які виявляють межі або фарбують
фази в різні кольори або тони. Для травлення всіх шліфов застосовується розчин
Марбле. Шліф при травленні протирають ватним тампоном до потемніння поверхні
і промивають під струменем води і сушать фільтрувальним папером. Дослідження
мікроструктури поверхневого валика шліфов проводиться при збільшенні х500 і
х1000.
Дослідження мікроструктури проводили на оптичному мікроскопі ММР-2Р.
Зовнішній вигляд мікроскопа показаний на рис. 2.10.
Рисунок 2.10 – Металографічний мікроскоп ММР-2Р
Дослідженнями на оптичному мікроскопі виявляли особливості структур в
залежності від режимів наплавлення.
35
2.4 Устаткування і методики механічних випробувань отриманих
покриттів
У даній роботі в якості механічної характеристики матеріалу вимірювали
твердість отриманого покриття. Під твердістю розуміють здатність поверхневого
шару матеріалу чинити опір пружною і пластичної деформації або руйнуванню при
місцевих контактних впливах з боку іншого, більш твердого і не одержує
залишкової деформації тіла (індентора). Існують різні методи вимірювання
твердості, в нашому випадку ми використовували метод Віккерса.
В цьому випадку за допомогою спеціального приладу в поверхню зразка
вдавлюють алмазний индентор, що вдає із себе чотиригранну піраміду з кутом при
вершині α = 136°. Навантаження на індентор може змінюватися, в залежності від
умов досліду, від 10 до 1000 Н, а тривалість впливу від 10 до 15 с. Після видалення
навантаження Р з під мікроскопом вимірюється діагональ відбитка d, що залишився
на поверхні. Число твердості HV визначають діленням навантаження на площу
бічної поверхні отриманого пірамідального відбитка за формулою:
HV = (2 Р sin α/2) d2 (2.1)
Значення твердості по Віккерсу є усередненими умовним навантаженням в
місці контакту індентор-зразок і характеризує опір матеріалу значній пластичній
деформації.
Об’єктом випробувань за даною методикою були дослідні зразки, виготовлені
зі сталі AISI 4340 з валиком на основі кобальту сплаву Stellite 6. Для вимірювань
використовували ті ж самі залиті шліфи, що і для дослідження мікрострукури.
Мікротвердість заміряли по ширині валика по середині висоти валика і по глибині
валика по середині ширини валика.
Методика призначена для визначення твердості тонких поверхневих шарів і
покриттів при випробувальних навантаженнях від 0,098 до 1,961 Н і відповідає
ДСТУ ISO 6507-1-2007 та ГОСТ 9450-76.
Вимірювання проводяться на плоскій, гладкій, вільній від сторонніх речовин,
забруднень і включень поверхні. Поверхня після остаточної обробки повинна
забезпечувати точне вимірювання довжини діагоналей відбитків. Шорсткість
36
випробуваної поверхні виробу (зразка) не повинна бути грубіше Ra=0,32 мкм, яка
визначається за ГОСТ 2789-73. Місце відбору шліфів з досліджуваного зразка
вибирається на підставі результатів візуального (неозброєним оком або за
допомогою лупи) огляду поверхні.
Вирізка проводиться таким чином, щоб площина шліфа була перпендикулярна
досліджуваній поверхні або перебувала до неї під кутом 45º, а протилежна
поверхня зразка була паралельна поверхні шліфа. Розмір шліфа вибирається таким
чином, щоб при проведенні випробувань виріб не прогинався і не провертався.
Товщина зразка повинна бути не менше 5 мм. Спосіб виготовлення шліфів не
повинен впливати на структуру матеріалу і руйнувати поверхневий шар і кромки
зразка. Для матеріалів з захисними покриттями не допускається пошкодження
покриття і відрив його від основного матеріалу. При підготовці поверхні
випробуваного зразка необхідно вжити заходів обережності, враховуючи можливу
зміну твердості випробуваного валика внаслідок нагрівання або наклепу при
механічній обробці. Для підготовки поверхні використовується полірування. При
виготовленні металографічного шліфа з поверхні зразка видаляють всі сліди
вирізки, наприклад, задирки.
Вимірювання твердості можна проводити при температурі навколишнього
середовища від 11 0С до 36 0С. Щоб отримати найбільш точного результату
вимірювання мікротвердості навантаження повинно бути по можливості
максимальним. На стороні зразка, протилежної випробуваної, після нанесення
відбитка не повинно бути слідів деформації матеріалу, помітних неозброєним
оком.
Спочатку мікротвердість вимірюється паралельно лінії сплавляння з основним
металом в декількох точках в залежності ширини валика наплавлення з кроком 150
мкм, зліва направо від 50 мкм з лівого краю. Вимірювання проводяться з метою
виявлення впливу праметрів поцесу наплавлення на мікротвердість лінії сплаву
валика.
Після вимірювань мікротвердості паралельно лінії сплавляння з основним
металом вимірюється мікротвердість покриттів перпендикулярно лінії сплавляння
37
з основним металом в декількох точках в залежності глибини валика наплавлення
з кроком 150 мкм, зверху вниз від 50 мкм від поверхні, тобто по глибині покриття.
Дослідження зразків проводиться на мікротвердомірі ПМТ-3 зовнішній вигляд
приладу показаний на рис.2.11.
Рис. 2.11 – Зовнішній вигляд мікротвердоміра ПМТ-3М
38
Висновок до розділу 2
У другому розділі обґрунтовано вибір матеріалів, обладнання та
експериментальної бази для дослідження процесу коаксіального лазерного
наплавлення покриттів на вали. Як матеріал підкладки прийнято сталь AISI 4340
(аналог 40ХН2МА), яка завдяки високій міцності, втомній та зносостійкості
широко застосовується для виготовлення валів енергетичного обладнання. Як
наплавлювальний матеріал обрано порошок сплаву Stellite 6 із заданим
гранулометричним складом, що забезпечує високу зносостійкість покриття та
стабільність властивостей при підвищених температурах. Описано конструкцію
експериментального стенду на базі волоконного лазера та системи подачі порошку,
а також комплекс обладнання для дослідження мікроструктури, твердості та
трибологічних властивостей отриманих покриттів. Сформовано та обґрунтовано
методики підготовки зразків, проведення мікроструктурних і механічних
випробувань, що дозволяє надалі коректно оцінювати вплив параметрів процесу
наплавлення на властивості покриття..
39
Розділ 3
Методика оптимізації форми і геометрії сопла
для подачі порошку при лазерному нанесення
покриттів
3.1. Характеристика процесу нанесення покриттів лазерним
випромінюванням
Отримання покриттів із застосуванням лазерного випромінювання це
складний наукомісткий процес, що поєднує безліч чинників. До них відносяться як
чинники технологічного характеру, так і особливості застосовуваного обладнання
та оснащення.
Одним з визначальних чинників застосування даної технології є оптимізація
геометричних розмірів і конструкції сопла, через яке подається порошок в зону
обробки.
У загальному випадку, існує кілька основних методів подачі порошкового
матеріалу в зону лазерного випромінювання [18,44]:
1. Подача порошку збоку через трубку в центр або хвіст ванни розплаву.
2. Багатоструменева подача порошку по декількох каналах.
3. Безперервна співісна з лазерним променем коаксіальна подача порошку. -
створюється газопорошкового конус.
Найбільш простий метод подачі порошку - бічна подача (Рис. 3.1). Цей метод
може використовуватися для того, що б отримати покриття простої форми і, як
правило, по лінійної траєкторії не отримуючи високу якість поверхні. Метод має
такі недоліки: 1 - несиметрична схема подачі порошку; 2 - порівняно низькі
показники якості поверхні: пористість, нерівномірність товщини шару; 3 -
можливість нанесення шарів тільки по прямолінійній траєкторії; 4 - необхідно чітке
дотримання положення сопла відносно напрямку руху.
41
Рисунок 3.1 - Схема процесу з бічною подачею порошку:
1 - деталь; 2 - сопло для подачі порошку; 3 - напрямок подачі порошку; 4 - кут
подачі порошку; 5 - дистанція подачі порошку; 6 - лазерний промінь; 7 - величина
розфокусування; 8 - наплавлений валик
Багатоструменева подача порошку - розвинений метод бічній подачі, який
виключає недоліки класичної бічній подачі завдяки осесиметрична розташуванню
трубок щодо осі лазерного променя, що дозволяє наносити покриття з будь-якої
криволінійної траєкторії і в будь-якому просторовому положенні. Схема процесу
показана на рис. 3.2. Недолік такого технологічного рішення - низький коефіцієнт
використання присадочного матеріалу при створенні покриттів з високими
вимогами і, як наслідок, малими витратами порошку.
Рисунок 3.2. – Схема багатоструменевої подачі порошку при лазерному нанесенні
покриттів: 1 лазерний промінь; 2 потік порошку; 3 підкладка
Найбільш універсальний метод подачі порошкових матеріалів в зону лазерної
дії - коаксіальна (співісна) подача порошку у вигляді сфокусованого конуса на
поверхні зварювальної ванни [20, 23]. Схема процесу показана на рис. 3.3. У цьому
випадку, як правило, порошок подається через порожнину між двома або трьома
конічними поверхнями оснастки. Така конструкція має надзвичайно стабільні
характеристики газопорошкового потоку і дозволяє з високим коефіцієнтом
використання порошкового матеріалу наносити покриття в будь-якому
просторовому положенні. Оснащення дозволяє отримувати покриття з високою
щільністю, стабільної [54] товщини і є осесиметричною, тобто нечутливою до
напрямку руху при нанесенні покриття.
42
Рисунок 3.3 – Схема процесу коаксіальної подачі порошку при лазером
нанесенні покриттів:
1 лазерний промінь; 2 - потік порошку; 3 - стискаючий газ
При коаксіальної подачі порошок транспортується інертним газом через
конічне коаксіальне сопло в зону обробки. Сопла для коаксіальної подачі
порошкових матеріалів - це технологічне пристосування, яке дозволяє формування
стабільного газопорошкового струменя з основними параметрами. При різних
операціях використовуються сопла з різними формами: з великим кутом при
вершині, з гострим кутом при вершині, з великим і малим діаметром плями
променя в зоні лазерної обробки [19].
Параметри газового потоку і порошку повинні бути оптимізовані для
підвищення ефективності процесу нанесення (забезпечення доставки частинок в
відповідне місце поверхні, збільшення коефіцієнта використання порошкового
матеріалу). Оптимізація здійснюється із застосуванням фізико-математичних
моделей, побудовою чисельних алгоритмів розв’язання нестаціонарних задач
механіки суцільних середовищ і їх експериментальною перевіркою [54].
Особливістю коаксіальної подачі порошку є необхідність створення
спеціальних сопел, через які подається порошок. Кожен порошковий матеріал має
ряд своїх специфічних параметрів таких як: розмір фракцій, форму частинок,
насипну щільність порошкового матеріалу і т.д. Всі ці параметри визначають
особливості геометрії сопла і впливають на параметри процесу нанесення
покриттів. У зв’язку з цим вибір типу сопла під найбільш широке коло вирішуваних
завдань і використовуваних матеріалів є одним із завдань оптимізації процесу
отримання якісних зносостійких покриттів.
43
До основних параметрів, пов’язаних із застосуванням тих чи інших сопел для
коаксіальної подачі, відносяться наступні:
1. кут при вершині конуса сопла;
2. діаметр вихідного отвору сопла;
3. відстань від зрізу сопла до фокусної відстані газопорошкового потоку.
4. сформований соплом діаметр перетяжки газопорошкового потоку.
Очевидно, для різних матеріалів всі ці параметри будуть дещо відрізнятися,
тому необхідно розглянути методику їх вибору, для того, щоб можна було
скористатися нею в кожному конкретному випадку.
Параметри сопла істотно впливають на весь технологічний процес отримання
зносостійких і інших покриттів з використанням лазерного випромінювання.
Так, відстань між зрізом сопла і оброблюваної поверхнею повинно бути
мінімальним. В цьому випадку можна домогтися високого коефіцієнта
використання порошкового матеріалу. Діапазон можливих відстаней досить
широкий і знаходиться в діапазоні від від 8 до 20 мм [54].
Інший параметр, кут при вершині конуса, впливає як на час перебування
частинок порошку під лазерним променем, так і на граничний кут нахилу
технологічної оснастки від нормалі до поверхні деталі в процесі отримання
покриття. При збільшенні кута нахилу зростає час перебування порошку під
випромінюванням і зменшується зіткнення частинок зі зміною напрямку руху, що
підвищує використання порошку.
Діаметр перетяжки газопорошкового струменя залежить від фракційного
складу порошку, його витрати, від кута конуса при вершині і від витрат газу, як
захисного, так і транспортуючого. Зазвичай при використанні коаксіального
оснащення діаметр перетяжки варіюється від 0.5 до 3 мм. Схематично ці параметри
показані на Рис. 3.4, 3.5.
44
Лазерний промінь
Дільник
Порошковий
потік
Водяне охолодження
Рисунок 3.4 – Параметри сопла коаксіальної лазерної наплавки:
β – кут сходження порошку, fp - відстань від зрізу сопла до порошкового
фокусу, dp - діаметр порошкового фокуса, l - відстань від сопла до поверхні деталі
Діаметр потоку в Діаметр потоку в Діаметр потоку в
перетяжці 0,7 мм перетяжці 0,7 мм перетяжці 0,7 мм
Рисунок 3.5 – Залежність діаметра потоку в перетяжці від витрати порошку
Оптимальні геометричні розміри сопла під даний матеріал в даний час
визначають чисельним моделюванням процесу витікання газопорошкового
струменя через сопло. Це дозволяє заощадити час і матеріальні витрати, необхідні
для виготовлення і дослідження великої кількості різних сопел. Всі варіанти можна
перевірити і дослідити на одному робочому місці без використання металів, газів,
дорогого порошкового матеріалу.
Для того, щоб вибрати оптимальні розміри конуса сопла проводиться
математичне моделювання руху частинок порошку в каналі до поверхні
наплавлення [35]. Основною метою математичного моделювання являє собою
перевірка працездатності конструкції сопла в процесі лазерної наплавки в умовах
45
реальних діючих факторів процесу та дослідження впливу параметрів на
газопорошкового потік [35]. Фізико-математичний опис процесу прямого
лазерного нанесення матеріалу включає чотири завдання моделювання: газову
динаміку течій захисного, транспортуючого і стискаючого газу; транспортування
частинок порошку в зону обробки; нагрів частинок в газовому потоці під дією
лазерного випромінювання; динамічну теплову взаємодію потоку частинок з
підкладкою і формування валика і шару.
Технологічний процес нанесення покриттів лазерним випромінюванням -
складний комплексний процес, що включає спільне переміщення частинок в
середовищі газу і металевої підкладки по необхідній траєкторії при впливі на них
лазерного променя. Найбільш важливим і складним для опису в даному процесі є
саме переміщення частинок в середовищі газу. Швидкість частинок, траєкторія їх
руху, стабільність подачі, впливають на стійкість процесу і якість наплавленого
шару нарівні з параметрами лазерного випромінювання [35].
Для вирішення подібних завдань проводиться моделювання течії потоку газу
через сопло в відкрите середовище. Оскільки процеси подачі порошку і подачі газу
є стабільними, в розрахунку приймають, що потік є ламінарним, сталим,
стисливим, однорідний за складом і поширюється всередині сопла.
3.2. Методика визначення форми газового потоку
На першому етапі розраховують руху газового середовища. На другому етапі
проводиться розрахунок руху частинок в газовому середовищі. Третій етап є
перевірочним для виконання законів збереження і нерозривності середовища.
Потік газу можна визначити чисельним рішенням рівнянь Нав’є-Стокса
методом кінцевих елементів по неявній схемі за допомогою програми Fluent
(ANSYS Inc.).
Отримана картина дозвукових течій газу для схеми без підкладки та з
підкладкою показана на рис. 3.6. У центральній зоні між соплом і підкладкою
формується майже циліндричний струмінь. Вихрові течії навколо струміня
46
нестаціонарні. Але створювані ними осциляції не роблять значного впливу на
основний потік газу.
Зовнішній потік газу нижче зрізу сопла можна було б вважати нестисливим,
оскільки щільність газу порівнянна з щільністю навколишнього середовища. Однак
у внутрішній області сопла можуть формуватися шари, які можна порівняти за
величиною з мінімальними розмірами каналів. Для забезпечення робочих
характеристик течії газу в каналах сопла підтримується надлишковий тиск. Як
наслідок, щільність газу у внутрішніх каналах змінюється. Хоча максимальне
значення числа Маха на виході з сопла не перевищує 0.1, потік газу вже не можна
розглядати як нестисливий.
Рисунок 3.6 – Поле швидкості і лінії струму газу для схеми:
а - без підкладки; б - з підкладкою
3.3 Методика розрахунку руху часток порошку
Для розрахунку руху часток може бути застосована модель на основі потоку
газопорошкової суспензії [25]. Для осесимметричного, стійкого, турбулентного
суцільного потоку газопорошкового струменя з однорідним хімічним складом і за
відсутності зовнішніх сил, застосовують такий вираз:
(3.1)
де x і r - відповідно осьові і радіальні координати; ux - осьова швидкість; ur -
радіальна швидкість; ρ - щільність суцільного газу.
Розрахунок сопла проводиться чисельним методом з використанням
обчислювальної машини, оптимізованої для обробки груп елементів розбиття.
47
Транспортуючим газом є аргон, кількість якого регулюється витратою. У зв’язку з
цим використовувалися наступні граничні умови для стискання потоку: вхідна
витрата газу, вихідний тиск в дальній зоні. Значення вхіднї витрати було
варійованим параметром, вихідний тиск є наслідком нерозривності
газопорошкового потоку.
Модель заснована на механізмах, які впливають на турбулентну складову
кінетичної енергії на одиницю маси k [23]
(3.2)
(3.3)
де К - основнавя кінетична енергія; k - турбулентна кінетична енергія; u, v, w -
швидкості по осях x, y, z відповідно [35] .
Траєкторії часток розраховуються з використанням функції Лагранжа. Обмін
теплотою, масою і моментом в рамках рівнянь Ейлера для газового середовища.
Частка дискретної фази повинна складати не більше 10% за обсягом. Масова частка
може бути значно більше (до 100%). У розрахунку вважається, що немає взаємодії
між частинками [35] або їх руйнування.
Траєкторія розраховується інтегруванням балансу сил, що діють на частку
[35]. Зміна швидкості частинки може бути викликано силою опору, як функцією
зміни відносної швидкості, силою тяжіння, сторонніми силами, градієнтом тиску,
температурним зміною, силами обертання, Броунівського руху, підйомом від сил
Саффмана і ін. [54].
У загальному випадку баланс сил можна описати таким виразом [54]:
(3.4)
де , сила яка діє на частинку
,сила опору, функція зміни відносної швидкості
48
,сила тяжіння
, градієнт тиску
Найбільш оптимально газопорошкового потік розраховується в пакеті
програм FLUENT. Даний комплекс дозволяє отримати не тільки якісну, але і
кількісну картину розподілу порошкових частинок в польоті [35]. Можливості
програми дуже широкі і дозволяють вибирати самостійно абсолютно будь-які
параметри чисельного розрахунку. У розрахунках потік приймається як
ламінарний для зниження часу розрахунку. Як геометрії елементарного обсягу, при
розбитті, вибрати форму тетраедра. При розрахунку використовується спочатку
пряма схема дискретизації в першому наближенні, а в подальшому, при перевірці -
пряма схема в другому наближенні. В якості головного граничної умови прийнято,
що вхідний витрата газопорошковим струменя є варійованим параметром, а
вихідний тиск є наслідком нерозривності газопорошкового потоку.
3.4 Методика вибору конструкції сопла
З наявних літературних даних можна зробити висновок, що сопла з
мінімальною кількістю дроопрацювань газопорошкового струменя є
оптимальними для стабільності процесу. Розглянемо можливі варіанти конструкції
сопел.
Коаксіальне сопло для подачі порошкових матеріалів, описане в роботі [19],
представляє з себе набір коаксіальних каналів, спрямованих під певним кутом до
зони обробки (Рис.3.7). Порожнина, по якій проходить газопорошковий струмінь -
не є конусом. В даному випадку - це набір окремих канавок, за якими порошок тече
до виходу з сопла. Така форма створена для отримання ламинарного потоку, однак
складна у виробництві і вимагає високої точності виконання елементів конструкції.
Кут при вершині конуса насадки складає в даній конструкції близько 60 градусів.
Канавки для подачі порошку
49
Рисунок 3.7 – Сопло для подачі порошку з набором каналів [27]
Більш проста в реалізації схема сопла запропонована в роботі [28]. Тут
використовується пара коаксіальних конусів, між якими вводиться
газопорошкового потік (Рис.3.8).
Лазерне джерело
Внутрішній конус
Зовнішній конус
Рис. 3.8. Сопло без регулювання положення фокуса [28]
50
Дана конструкція має серйозний недолік для отримання покриттів: процес
оплавлення порошку відбувається практично в фокусі лазерного променя, з
мінімальним діаметром газопорошкового потоку і мінімальною відстанню від зрізу
сопла до оброблюваної поверхні. В результаті отримання широких валиків (більше
1 мм шириною) за один прохід стає неможливим. Схема дозволяє вирощувати тонкі
ділянки, стінки, об’єкти, проте отримання великих за площею покриттів такою
системою є малоефективним і технологічно ускладнено.
Більш досконале сопло запропоновано авторами роботи [25], однак воно
призначене для відновлення геометрії і також, як і попереднє, має мінімальний, що
не настроюється діаметр перетяжки газопорошкового струменя і променя в зоні
обробки. Аналогічне за принципом сопло (Рис. 3.9) запропоновано в патенті [26]
Кут при вершині конуса у сопла становить близько 20 градусів.
Рисунок 3.9 – Сопло для нанесення вузьких покриттів [29]
Складне по конструкції сопло з розвиненим захистом остигаючого валика
представлено в патенті [30] (Рис. 3.10). Необхідність захисту остигаючого валика
інертними газами і стабілізації потоку виникає при нанесенні матеріалів, що
активно окислюються під час процесу. Створення покриттів зазвичай здійснюється
більш технологічними матеріалами: кобальтовими, нікелевими сплавами і
карбідами вольфраму. Кут при вершині конуса становить близько 60 градусів.
51
Рис. 3.10. Сопло з розвиненою захистом остигаючого валика [30]
Найбільш підходящим аналогом сопла для отримання покриттів на валах з
матеріалу Stellite 6 можнавважати сопло, конструкція якого запропонована в
патенті [32] і представлено на рис.3.11.
Рисунок 3.11 – Конструкція сопла з можливістю зміни фокальної площини щодо
струменя порошку [31]:
а - зовнішнє сопло, б - внутрішнє сопло, в - кільце для введення порошку
Коаксіальне сопло даної конструкції має досить просту конструкцію,
віддалену від зрізу зону обробки і, що найважливіше - дозволяє коригувати ширину
валиків переміщенням фокусує лінзи відносно площини обробки. Дане сопло має
кут конуса при вершині - близько 25 градусів. Проведений аналіз показує, що
технологія лазерного нанесення покриттів повинна виконуватися з соплом,
52
налаштованим в широких межах розмірів валиків для нанесення різних матеріалів
зі збереженням оптимальних властивостей.
Найбільшою мірою для отримання покриттів для валів підходить сопло,
запропоноване в роботі [24, 34]. Конструкція сопла показана на Рис. 3.12.
Рисунок 3.12 – Сопло з регулюванням положення лінзи [24]
Конкретні розміри сопла розраховуються за такою методикою.
В першу чергу моделюється газопорошкового потік, щоб визначити розмір
вихідного отвору, кут збіжності потоку, відстань від зрізу сопла до поверхні
обробки.
Розрахунок газопорошкового потоку, найбільш оптимально розраховується в
пакеті програми FLUENT. Мета розрахунку є отримання картини розподілу
порошкових частинок в польоті не тільки якісним чином, але і кількісним.
У робочому вікні програми (Рис. 3.13) послідовно задаються наступні
параметри:
- параметри для розбиття розрахункової області;
- початкові параметри розрахункового методу: точність, змінні і константи,
прийняті для конкретного розрахунку;
- запуск розрахунку: кількість проходів, порядок виводу результатів.
На правій панелі робочого вікна виводиться зображення розрахункової зони з
колірним виділенням областей введення, виведення і стін.
У рядку стану виводиться інформація про дії програми: про хід розрахунку,
завантаження і збереження результату.
53
Рисунок 3.14 – Робочі вікно програми Fluent 14.5:
1 - зображення робочої області, 2 - панель початкових умов, 3 - панель
налаштувань, 4 - рядок стану
Можливості програми дуже широкі і дозволяють вибирати самостійно
абсолютно будь-які параметри чисельного розрахунку. Спочатку в програмі
задаються наступні характеристики потоку: турбулентний, установлений,
стискаємий, однорідний, внутрішній. В результаті моделювання можна
встановити, що потік є ламінарним і при однакових постановках задачі видає
абсолютно однакові кінцеві значення. У зв’язку з цим в подальших розрахунках
потік приймається як ламінарний для зниження часу розрахунку. Як геометрії
елементарного обєму, при розбитті, вибрати форму тетраедра. При розрахунку
використовується спочатку пряма схема дискретизації в першому наближенні, а в
подальшому, при перевірці - пряма схема в другому наближенні. В якості головної
граничної умови приймається вхідний витрата газопорошкового струменя, який є
варійованим параметром, а вихідний тиск є наслідком нерозривності
газопорошкового потоку.
Змодельований газопорошкового потік показаний на Рис. 3.14.
54
Рисунок 3.14 – Математична модель газопорошкового потоку, отримана
розрахунковим шляхом
Характер закінчення порошку на моделі показує, що всі частинки вилітають з
дугоподібними траєкторіями в ламінарному потоці. Отже, газопорошкового потік
залишається ламінарним навіть в більш широких інтервалах швидкостей, ніж
однофазний газовий, завдяки тому, що масивні інертні частки можуть стабілізувати
його і значно знижують ймовірність утворення завихрень.
Як видно з Рис. 3.14, модель дозволяє змінювати параметри перетяжки,
відстань від поверхні, моделювати площу нанесеного порошкового матеріалу. Всі
ці параметри регулюються в залежності від матеріалу порошку, його розмірів,
витрати.
Дана ламінарна модель в подальшому використовується для розрахунку
параметрів сопла. У розрахунках використано сферичний порошок Stellite 6 з
розміром частинок від 53 до 150 мкм. При моделюванні в розрахункове сопло
впорскується саме такі за складом і формою частинки.
При розрахунку спроектованої моделі соплової насадки задавалися наступні
параметри потоку:
- витрата газу - коаксіального з лазерним променем і транспортуючого
порошок;
- розмір часток порошку;
- початкова швидкість уприскування частинок в соплову насадку.
55
Визначалися допустимі параметри сопла. Перетин допустимих параметрів - це
область параметрів режиму, що задовольняють всім вимогам (діаметр
газопорошковим струменя і розподіл часток порошкової плями в «перетяжці»,
відстань від зрізу сопла до центру перетяжки).
Розрахунок проводиться за методом кінцевих елементів, коли протяжне
тривимірне тіло розбивається на елементи у формі тетраедера. Розмір елементарної
комірки становить 0,35 мм. Розбиття об’єму, що знаходиться на відстані від
поверхні, проводиться більше крупніше: розмір елементів становить 1 мм. Перехід
від зони з дрібним розбиттям до об’єму з великим розбиттям проводився з
поступовою зміною розміру елементів, з кратністю збільшення 1,2. Завдяки цьому
не відбувається розриву сітки і не виникає помилок з порожніми точками.
Результат розбиття спроектованої моделі сопла представлений на рис. 3.15.
Рис. 3.16 Розбиття спроектованої моделі сопла
Чисельним розрахунком і математичним моделюванням процесу витікання
газопорошкового потоку з сопла, показаного на Рис. 3.12 з двома конусами
зовнішнім і внутрішнім, можна отримати завершальні геометричні розміри сопла,
що забезпечують діаметр перетяжки потоку від 1 до 5 мм на відстані від зрізу не
менше 10 мм. Кут розкриття конуса повинен становити 65 градусів. Така
конструкція дозволяє регулювати діаметр плями в зоні наплавлення в широких
межах. Це дає можливість отримувати максимальну ширину матеріалу, що
наплавляється, що підвищує продуктивність процесу.
56
3.5 Розрахункове визначення впливу параметрів обробки на
газопорошковий потік
Математичне моделювання шляхом регресійного аналізу дозволяє перевірити
працездатність конструкції сопла в процесі лазерної наплавки в реальних умовах
діючих факторів процесу та визначити вплив параметрів на газопорошкового потік.
Зокрема розрахунковим шляхом можна визначити:
1. Діаметр перетяжки газопорошкового потоку.
2. Зазор між зрізом сопла і центром перетяжки газопорошкового потоку.
3. Швидкість частинок в зоні лазерного впливу при різних параметрах
струменя і частинок.
Як відомо, при ламінарному русі витрата газу найбільш сильно впливає на
швидкість часток, а значить, і на геометричні параметри газопорошкового
струменя. На рис. 3.16 видно, що зміна витрати транспортуйогочо газу суттєво
впливає на швидкість частинок, проте слабо залежить від їх діаметра в
дослідженому діапазоні.
л/хв
л/хв
л/хв
л/хв
Діаметр частинок,мкм
Рисунок 3.16 - Залежність швидкості частинок від розміру і витрати
транспортуючого газу
Розмір частинок і їх форма найбільш значно впливає на параметри
газопорошкового струменя: занадто дрібні частки не фокусуються, великі - не
застосовні з технологічних причин. З літератури відомо, що для будь-яких типів
сопел найбільш застосовними є розміри частинок від 10 до 120 мкм. На рис. 3.17,
3.18 представлені залежності параметрів газопорошкового потоку (діаметр
57
Швидкість частинок м/с
перетяжки і зазор від зрізу сопла до перетяжки) від розмірів частинок при різних
витратах газів.
л/хв
л/хв
л/хв
л/хв
Розмір фракцій порошку, мкм
Рисунок 3.17 – Діаметр перетяжки газопорошкового потоку при різних
витратах газу
З графіків видно, що лише для діапазону розмірів частинок від 20 до 60 мкм
газопорошкового потік, що складається з набору частинок з різними розмірами,
матиме мінімальний діаметр перетяжки, рівний від 2 до 3 мм в широкому діапазоні
витрат транспортуючого газу: від 6 до 15 л / хв.
л/хв
л/хв
л/хв
л/хв
Розмір порошкових частинок, мкм
Рисунок 3.18 – Зазор від зрізу сопла до перетяжки газопорошкового потоку
при різних витратах газу
58
Відстань, мм
Зазор, мм
З графіка (рис. 3.18) видно, що з ростом розміру часток формування перетяжки
газопорошкового потоку відбувається на меншій відстані від зрізу сопла, однак при
цьому діаметр газопорошковим струменя помітно зростає.
Оптимальне поєднання параметрів можна отримати з двох залежностей:
- за графіками (Рис. 3.17) діаметр перетяжки газопорошкового потоку
становить від 2 до 4 мм для частинок розміром 20 - 60 мкм.
- за графіками (Рис. 3.18) для цих же діапазонів розмірів частинок і витрат газу
допустимий зазор становить від 13 до 20 мм.
59
Висновок до розділу 3
У третьому розділі розроблено комплексну методику оптимізації форми та
геометрії коаксіального сопла, а також параметрів газопорошкового потоку при
лазерному нанесенні покриттів. На основі аналізу процесу формування покриття
лазерним випромінюванням виділено ключові чинники, що визначають
стабільність наплавлення: витрата транспортувального газу, швидкість та
просторовий розподіл частинок порошку, відстань від зрізу сопла до поверхні
деталі. Побудовано математичні моделі для опису форми газового потоку та
траєкторій руху частинок порошку, що дало змогу оцінити вплив конструктивних
параметрів сопла (діаметри каналів, кут розкриття, конфігурація вихідного отвору)
на зону їх сходження з лазерним променем і розподіл матеріалу в наплавленій
валику. Запропоновано критерії вибору раціональної конструкції сопла, які
забезпечують фокусування порошкового потоку в області дії променя, мінімальні
втрати порошку та формування рівномірного шару з прогнозованою геометрією.
Сформована методика є основою для подальньої оптимізації режимів лазерного
наплавлення.
60
Розділ 4
Методика оптимізації режимів нанесення
зносостійких шарів та їх дослідження
4.1. Методика
Відпрацювання методики проводили на зразках у вигляді пластин зі сталі AISI
4340 на поверхню яких наносили методом лазерної порошкової наплавки валики з
матеріалу Stellite 6. В ході проведення експериментів змінювалися параметри
нанесення, а потім аналізували їх геометричні характеристики. Для обробки був
використаний роботизований лазерний комплекс для наплавлення з волоконним
лазером моделі ЛС-4К з довжиною хвилі випромінювання 1,07 мкм і потужністю
4,0 кВт, описаний в розділі 2. У всіх дослідах використовували одне і теж сопло для
подачі порошку (Рис. 4.1), оптимізація сопла була виконана за методикою,
представленою в розділі 3. Лазерний промінь проходить через соплоло
коаксиально з потоком порошку.
Рисунок 4.1 - Сопло для подачі порошку
Параметри геометрії сопла наступні: кут розкриття конуса 65 градусів, діаметр
перетяжки потоку від 4 мм, на відстань від зрізу сопла до поверхні 10 мм.
В якості основних параметрів, що визначають якість наплавленого шару, були
прийняті наступні. Потужність лазерного випромінювання (P), швидкість обробки
(V), витрата порошку (F) і діаметр плями сфокусованого променя (D). Ці параметри
варіювалися в процесі експериментів по певній закономірності. Від
співвідношення цих параметрів залежать форма наплавленого валика, його
структура і хімічний склад [4, 5, 6]. Для забезпечення рівномірного і щільного
нанесення порошку потрібно оптимізувати форму валика в залежності від
величини параметрів процесу.
На Рис. 4.2 показана форма наплавленого валика і параметри, що
характеризують його розміри.
62
Рисунок 4.2 – Форма наплавленого валика з характерними параметрами
Параметри, які були визначені для оптимізації, вказані на рис. 4.2. До них
відносяться: ширина валика (L), висота валика (H), глибина проплавлення
підкладки (h), величина зони термічного впливу (ЗТВ), кут змочування валика (α),
площа перетину покриття (Ac) і площа перетину проплавления частини підкладки
(Am). Крім цього, враховувалися розрахункові параметри, такі як коефіцієнт
перемішування «γ» і коефіцієнт форми валика, який дорівнює відношенню висоти
до його ширини H / L.
Для експериментальної частини була використана факторна модель 24 з одним
повторенням і трьох центральних точок, що склало 25 наплавлених валиків на 19
різних режимах [48, 49, 51]. Умови багатофакторного експерименту представлені в
Таблиці 4.1.
Таблиця 4.1 - Умови багатофакторний експерименту
Мета - Оптимізація
Відгуки L, H, h, ЗТВ, α, Ac, Am, γ, HL
Число валиків в факторі 16
Число фактори 4 фактори,
Повторень 1
Цнтральних точок 6
Загальна кількість валиків 25 (валиків)
Варіювання режимів нанесення валиків за обраними параметрами
представлено в Таблиці 4.2.
Таблиця 4.2 - Параметри режимів
Параметри Мінімальна Максимальна Крок зміни
величина величина параметра
Потужність (P), вт 1500 2500 500
Швидкість (V), мм / с 6,0 12,0 3,0
Витрата порошку (F), г / хв 3.0 7,0 2,0
63
Діаметр плями (D), мм 1.0 2,0 0,5
Знаючи кількість необхідних експериментів була складена таблиця параметрів
для кожного експерименту (Таблиця 4.3), в якій вказані значення параметрів,
номери експериментів, проведених в довільному порядку, які в подальшому будуть
використані при селективній обробці.
Таблиця 4.3 – План експериментів
Порядок Потужність Швидкість Витрата
Пляма D (мм)
проведення P (Вт) V (мм/с) F (г/хв)
1 1500 12 7 2
2 1500 12 3 2
3 1500 6 3 1
4 2000 9 5 1,5
5 1500 12 3 1
6 1500 6 3 2
7 1500 6 7 2
8 2500 12 7 1
9 2000 9 5 1,5
10 2500 12 3 2
11 2500 12 7 2
12 2000 9 5 1,5
13 2500 6 7 1
14 2500 6 3 2
15 2500 6 3 1
16 2500 6 7 2
17 1500 6 7 1
18 1500 12 7 1
19 2500 12 3 1
20 1500 6 3 1
21 2500 6 3 1
22 2000 9 5 1,5
23 1500 6 7 2
24 2500 12 7 1
25 2500 12 3 1
Відповідно до режимів Таблиці 4.3 були проведені експерименти по
отриманню одиничних валиків. Для проведення обміру геометричних параметрів
валиків вони були розрізані в поперечному напрямку і для кожного з них були
виготовлені шліфи, як показано на Рис. 4.2. Після обміру всіх шліфів їх значення
були зведені в Таблицю 4.4
64
Таблиця 4.4 - Значення геометричних розмірів отриманих валиків
№ валика L (мм) H (мм) h (мм) ЗТВ (мм) а (°) Ac Am (мм2) Г H/L
1 3,08 1,15 0 0,55 60,07 2,19 0,00 0,00 0,37
2 2,82 0,58 0,03 0,65 42,56 1,10 0,03 0,02 0,20
3 3,38 1,12 0,27 0,78 58,45 2,51 0,51 0,16 0,33
4 2,99 0,63 0,34 0,52 41,31 1,23 0,54 0,30 0,20
5 3,68 1,07 0,10 0,82 52,56 2,58 0,14 0,05 0,29
6 3,62 2,12 0 0,42 78,82 5,37 0,00 0,00 0,58
7 3,49 0,90 0,18 0,54 64,16 2,85 0,33 0,10 0,25
8 3,89 1,13 0,35 0,64 56,99 3,06 0,65 0,17 0,29
9 3,53 1,14 0,15 0,74 56,33 2,83 0,26 0,08 0,32
10 4,02 0,59 0,32 0,79 27,71 1,56 0,67 0,29 0,14
11 3,76 1,21 0,05 0,68 51,37 3,26 0,05 0,01 0,32
12 3,47 1,20 0,11 0,73 65,73 2,99 0,23 0,07 0,34
13 4,34 2,13 0,42 0,83 60,00 6,66 0,79 0,10 0,49
14 4,51 1,12 0,64 1,05 39,55 3,50 1,12 0,24 0,24
15 4,39 1,11 0,73 1,09 41,14 3,39 2,05 0,37 0,25
16 3,13 1,22 0,06 0,66 64,84 2,84 0,07 0,02 0,39
17 2,11 1,25 0,09 0,42 117,5 2,28 0,04 0,01 0,59
18 2,16 1,11 0,22 0,38 97,50 2,11 0,17 0,07 0,51
19 3,12 0,52 0,51 0,61 28,28 1,07 1,11 0,50 0,16
20 3,00 1,13 0,27 0,57 58,98 2,44 0,34 0,12 0,37
21 3,98 1,05 0,70 0,98 38,70 2,74 1,51 0,35 0,26
22 3,17 1,12 0,26 0,67 58,44 2,63 0,35 0,11 0,35
23 3,10 1,78 0 0,60 81,88 4,53 0,00 0,00 0,57
24 2,70 1,90 0,15 0,58 141,4 4,17 0,10 0,02 0,70
25 2,63 0,51 0,76 0,54 35,50 0,92 1,22 0,57 0,19
65
Таблиця 4.5 Оптимальні режими наплавлення
Номер Потужність Швидкість Витрата Діаметр Макроструктура
режиму (Вт) обробки порошку плями валика
(мм/с) (г/хв) (мм)
1 1500 6 7 2
2 2000 9 5 1,5
3 2500 6 7 1
4 2500 6 3 2
Зазначені режими можуть бути використані для виготовлення зразків, які в
подальшому будуть досліджуватися на механічні властивості.
4.2. Дослідження твердості отриманих покриттів
Однією з характеристик, що визначають механічні властивості покриття, є
мікротвердість. Досліджували зміну мікротвердості по глибині і ширині перетину
покриття, як показано на Рис. 4.1.
Рисунок 4.3 - Схема вимірювання твердості по перетину покриття
66
Були досліджені чотири зразки, виготовлених за обраними найбільш
оптимальними режимами. Маркування зразків відповідає маркуванню в Таблиці
4.5
Отримані результати вимірювань були статистично оброблені. Результати
статистичних значень мікротвердості по глибині покриття представлені в таблиці
4.6.
Таблиця 4.6 - Значення статистичних значень мікротвердості по глибині
зразків
Номер зразка
Найменування значення
1 2 3 4
Максимум 522 511 511 464
Мінімум 437 383 464 381
Середнє значення 492,3 470,3 491,6 428,9
Стандартне відхилення 24,7 31,9 13,8 20,2
Стандартна помилка 20,0 29,1 10,2 18,7
Стандартна помилка регресії даних * 14,58 28,03 10,60 12,57
Максимум 603 519 630 549
Мінімум 225 232 244 237
Середнє значення 388,3 372,5 395,9 392,3
Стандартне відхилення 162,0 132,3 159,0 129,6
Стандартна помилка 81,0 58,9 71,5 58,9
Стандартна помилка регресії даних * 59,40 40,91 67,69 32,68
На Рис. 4.4 показані залежності мікротвердості по висоті валика для різних
зразків.
Зразок 1
Зразок 2
Зразок 3
Зразок 4
Глибина від поверхні шліфа , мкм
Рисунок 4.4 – Залежності зміни мікротвердості по глибині валика
Залежності зміни мікротвердості по глибині зони термічного впливу показані
на Рис. 4.5.
67
ЗТВ Наплавка Зона
Мікротвердість (HV 0.1)
Зразок 1_ЗТВ
Зразок 2_ЗТВ
Зразок 3_ЗТВ
Зразок 4_ЗТВ
Глибина від поверхні шліфа, мкм
Рисунок 4.5 – Залежності зміни мікротвердості по глибині зони термічного
впливу
Як видно з графіків рис. 4.4 найбільша твердість досягається на глибині
близько 500 мкм для зразка №1. Дослідження зміни мікротвердості в зоні
термічного впливу до основного матеріалу показало, що покриття на всіх зразках в
середньому в 2,8-3,0 рази твердіше, ніж основний метал.
Результати статистичних значень мікротвердості по ширині покриття на рівні
Н/2 показані в Таблиці 4.7.
Таблиця 4.7 - Результати статистичних значень мікротвердості по ширині
покриття на рівні Н/2
Максимум 566 520 551 486
Мінімум 480 467 417 418
Середнє значення 516,39 495,50 494,89 449,14
Стандартне відхилення 21,46 14,87 35,19 22,36
Стандартна помилка 13,13 11,69 36,21 21,52
Стандартна помилка регресії даних 11,85 10,08 24,68 18,33
На графіках рисунка 4.6 показані залежності зміни мікротвердості по ширині
покриття на рівні Н/2 для всіх досліджених зразків.
68
Наплавлення
Мікротвердість (HV 0.1)
Зразок 1
Зразок 2
Зразок 3
Зразок 4
Відстань від лівого краю, мкм
Рисунок 4.6 – Графіки тенденцій твердості по ширині наплавлення зразків
Як видно з графіків Рис. 4.6 по ширині покриття твердість незначно
змінюється від країв до центру.
4.3 Дослідження зносостійкості покриттів
Однією з основних характеристик робочої зони валів ГТУ є знос поверхні в
процесі роботи. Трибологічні характеристики, що визначають знос є коефіцієнт
тертя і величина зносу.
Коефіцієнт тертя визначали методом вимірювального ковзання на
автоматизованої машині тертя (трибометр) TRIBOMETER фірми CSM Instruments
(Швейцарія).
Мета роботи полягає у визначенні коефіцієнта тертя і зносу зразків при
випробуваннях з контртілом зі сталі. Випробовували 4 зразка з покриттям і один
без покриття зі сталі підкладки. В якості пари тертя використовувався куля
діаметром 6 мм з твердого сплаву ВК8.
На Рис. 4.7 показані графіки зміни коефіцієнта тертя від часу в залежності від
часу проведення випробування.
f f
69
Мікротвердість (HV 0.1)
Час випробування, хв.
Час випробування, хв.
а б
f f
Час випробування, хв. Час випробування, хв.
в г
f f
Час випробування, хв. Час випробування, хв.
д е
Рисунок 4.7 - Графіки зміни коефіцієнта тертя (вісь y) від часу (вісь х).
а - зразок № 1; б - зразок № 2; в - зразок № 3; г - зразок № 4; д, е - контрольний
зразок
70
Обробка графіків дозволила розрахувати середні значення коефіцієнтів тертя
і помилку вимірювань. Отримані значення представлені в Таблиці 4.8.
Таблиця 4.8 - Значення коефіцієнтів тертя покриттів
Режим Коефіцієнт тертя, зворотно-поступальний рух
наплавлення Середнє Стандартне
Максимум
Зразків, № значення відхилення
1 0,88 0,62 0,20
2 0,91 0,53 0,30
3 0,84 0,51 0,21
4 0,65 0,61 0,14
Контрольний 0,745 0,65 0,14
Отримані результати показують, що коефіцієнт тертя покриттів, особливо
зразка №1, близькі до коефіцієнта тертя підкладки. Це говорить про те, що ковзання
по покриттю буде не гірше, ніж у основного металу вала.
Іншим важливим показником є знос отриманих покриттів.
Результати випробувань чотирьох зразків і матеріалу підкладки показані в
Таблиці 4.9.
Таблиця 4.9 – Результати випробувань на знос покриттів і підкладки
Режим
Ширина доріжки, Глибина
наплавлення 3
м·10-3 Пробіг,м Зношення,м /(Н·м)
доріжки, м·10-6
зразків
1 0,5 2,8 218,9 1,15·10-14
2 0,5 5,0 218,9 2,06·10-14
3 0,5 4,7 218,9 1,93·10-14
4 0,6 5,1 218,9 2, 52·10-14
Контрольний 0,6 8,7 218,9 4,29·10-14
На гістограмі рис. 4.8 показані порівняльні значення зносів досліджених
зразків.
Зношення, (10-14м3/(Н*м))
1 2 3 4 контрольний
Рисунок 4.8 – Порівняльні значення зносу випробуваних зразків
71
Як видно з даних Рис. 4.4 найменший знос спостерігався у зразка №1. Інші
зразки так само показали високі характеристики зносу. У порівнянні з матеріалом
підкладки, покриття в середньому мали знос в 1,7-3,7 рази менше, ніж підкладка.
У Таблиці 4.10 наведено в порівнянні максимальні значення зносу і твердості
для всіх досліджених зразків, отриманих на оптимальних режимах.
Таблиця 4.10 – Масимальні значення зносу і мікротвердості для зразків,
отриманих на оптимальних режимах
№ Зразка Зношення, м3/(Н*м) Максимальна мікротвердість валика, (HV 0.1)
1 1,15*10-14 522
2 2,06*10-14 511
3 1,93*10-14 464
4 2,52*10-14 511
Матеріал 4,29*10-14 243
Як видно з Таблиці 4.9, на всіх чотирьох режимах знос в 1,7 - 3,7 разів менше,
ніж у матеріалу підкладки, а твердість в 2,0 - 2,14 рази перевищують значення
матеріалу підкладки. Ці показники говорять про те, що ефективність застосування
лазерного методу нанесення покриттів з Stellite 6 на поверхню стали AISI 4340
досить висока.
Однак, очевидно, що властивості покриттів, отриманих на різних режимах
істотно відрізняються. Наприклад, знос, отриманий на режимі 1 в 2,2 рази менше,
ніж на режимі 4. Мікротвердість на режимі 1 так само вище, ніж на інших режимах.
Для з’ясування причин подібних відмінностей у властивостях необхідно провести
дослідження мікроструктури покриттів і визначити їх фазовий склад.
4.4 Дослідження структури отриманих покриттів
Відомо [33], що властивості наплавлених матеріалів в значній мірі залежать
від сформованої мікроструктури. Для визначення причин розкиду властивостей в
залежності від режимів обробки були проведені дослідження структури
наплавлених шарів його хімічного і фазового складів. Перетин валиків,
наплавлених на різних режимах, було розбито на чотири зони, як показано на рис.
4.9.
72
Рисунок 4.9 - Макроструктура наплавленого валика із зазначенням зон
дослідження:
1 поверхнева зона; 2-зона в центрі валика; 3 зона на рівні поверхні підкладки; 4
зона межі сплаву валика з підкладкою
Зона під номером 1 розташована в самій верхній частині валика і відображає
процеси, які відбуваються при кристалізації близько до його поверхні. Зона 2
розташовується на 1/2 висоти валика, і відображає процеси кристалізації в центрі
нанесеного шару. Зона 3 знаходиться на рівні поверхні підкладки і тому в
формуванні її структури вже бере участь матеріал на який наноситься покриття.
Зона 4 є зоною сплаву розплавленого матеріалу валика і нерозплавленої підкладки,
тому в ній повинні спостерігатися найвищі швидкості охолодження.
Мікроструктура зразків, отриманих методом лазерної наплавки,
досліджувалася за допомогою металографічного аналізу за методикою,
розглянутою в розділі 2. Фотографії мікроструктур в різних зонах і для разных
образцов показаны на рис. 4.10.
73
Зона 1
Зона 2
Зона 3
Зона 4
Рисунок 4.10. Фотографії мікроструктури по областям (х100):
а - зразок 1; б - зразок 2; в - зразок 3; г - зразок 4
При аналізі мікроструктури (Рис. 4.10) наплавленого кобальтового сплаву
встановлено, що при всіх режимах лазерного наплавлення спостерігається
дендритна будова. Як видно з фотографій структури істотно відрізняються за
74
кількістю зерен їх формою і розмірами, причому розміри і напрямок росту
дендритів змінюються як від режиму до режиму, так і по глибині наплавленого
шару.
Для кількісної оцінки мікроструктур була застосована методика кількісної
металографії, яка дозволила оцінювати зміна дендритних структури в залежності
від режиму наплавлення, а так само по глибині наплавленого шару у вигляді
числових значень розмірів дендритів.
Для кількісної оцінки дисперсності структури в кожній з розглянутих областей
перетину валика визначали дендритний параметр, тобто відстань між дендритними
гілками другого порядку (λ2), діаметр дендритних гілок другого порядку (D),
довжину дендритів (L) і їх ширину (S). Розмірні характеристики дендритних
кристалів визначали з похибкою 10%. Приклад схеми вимірювань детриту
показаний на рис. 4.11.
Рисунок 4.11. Схема вимірювання дендритів по мікроструктурі
Виміри проводилися за методикою, розглянутою в розділі 2. Результати
вимірювань відстань між дендритними гілками другого порядку (λ2) для різних
зразків в досліджених областях представлені в таблиці 4.11.
75
Таблиця 4.11 - Результати вимірювання відстань між дендритними гілками
другого порядку (λ2) для різних зразків в досліджених зонах
Зразок 1 Зразок 2 Зразок 3 Зразок 4
1 1,8063 2,4188 2,4114 2,2075
2 1,7373 2,7484 2,0834 2,7215
λ2 по зоні (мкм)
3 1,9703 2,4623 2,0184 2,8385
4 2,1279 2,2599 2,2458 2,7380
Максимун 2,1279 2,7484 2,4114 2,8385
Мінімун 1,7373 2,2599 2,0184 2,2075
Середнє 1,9105 2,4724 2,1897 2,6264
Стандартне відхилення 0,1748 0,2036 0,1760 0,2840
Стандартна помилка 0,0999 0,2182 0,1964 0,2191
На Рис.4.12 ці значення представлені у вигляді графіків.
Відстань між дендритами (λ2)
Зразок 1
Зразок 2
Зразок 3
Зразок 4
Зона зразка
Рисунок 4.12. Графіки залежності λ2 для різних зразків в досліджених областях
Результати вимірювань діаметра дендритних гілок другого порядку (D) для
різних зразків в досліджених областях представлені в Таблиці 4.12.
76
Відстань, мкм
Таблиця 4.12 - Результати вимірювань діаметра дендритних гілок другого
порядку (D) для різних зразків в досліджених областях
Зразок 1 Зразок 2 Зразок 3 Зразок 4
1 1,4301 1,7818 2,0316 1,7164
Ширина дендритів 2 1,4077 2,1598 1,9390 2,2680
по зоні “D” (мкм) 3 1,6402 2,2060 1,8474 2,5698
4 1,7544 2,1053 2,1969 2,6022
Максимун 1,7544 2,2060 2,1969 2,6022
Мінімун 1,4077 1,7818 1,8474 1,7164
Середня ширина 1,5581 2,0632 2,0037 2,2891
Стандартне відхилення 0,1676 0,1921 0,1491 0,4104
Стандартна помилка 0,0762 0,1718 0,1711 0,1836
На рис. 4.13 ці значення представлені у вигляді графіків.
Ширина осей другого порядку дендритів (D)
Зразок 1
Зразок 2
Зразок 3
Зразок 4
Зона зразка
Рисунок 4.13 – Графіки вимірювань діаметра дендритних гілок другого
порядку (D) для різних зразків в досліджених областях
У Таблиці 4.13 наведені розмірні характеристики дендритних структур різних
областей валика, наплавленого по режиму 1, а саме, дендритних параметр λ2,
діаметр гілок другого порядку D.
Таблиця 4.13 – Розмірні характеристики дендритних структури різних
областей валика, наплавленого по режиму 1
Зона зразка 1 λ2 (мкм) D (мкм)
Область 1 1,81 1.43
Область 2 1,74 1.41
Область 3 1,97 1.64
Область 4 2,13 1.75
77
Відстань, мкм
Як видно з таблиці 4.13, дисперсність структури по висоті валика змінюється
незначно.
У Таблиці 4.14 наведені розрахункові значення розмірних характеристик
дендритних структури для всіх досліджених режимів на верхньому рівні.
Таблиця 4.14 - Отримувані різними режимами наплавлення валиків,
наплавлені по зоні 1
№ режима λ2, мкм D, мкм S,мкм L*, мкм
Режим 1 1,8 1,4 11 10/26
Режим 2 2,4 1,8 16 13/29
Режим 3 2,4 2,0 18 15/37
Режим 4 2,2 1,7 14 11/42
*чисельник - довжина дендритів у верхній частині валика, знаменник - у
нижній.
Як видно з таблиці 4.14, значення λ2, D і S по зонах валика в межах похибки
вимірювання не змінювалися, довжина дендрита істотно зростала до нижньої зоні:
це зростання становив 2-4 рази. Характеристики λ2, D і S залежали від режиму
наплавлення. Очевидно, що структура отримана по режиму 1 найбільш дисперсна,
трохи грубіша дендритна структура в разі застосування 4 режиму, в валиках,
отриманих із застосування 2 і 3 режімів, дендрити більші.
Наведені значення вказують на те, що на поверхні валика дендрити мають
менші розміри, ніж в області, прилеглій до підкладки: довжина кристалів L по
глибині збільшується більш, ніж в 3 рази, а діаметр гілок другого порядку D -
приблизно в 2 рази. Аналогічні результати спостерігаються при використанні
режиму 3, при режимах 2 і 4 зміна розмірів дендритів по глибині трохи менше.
У Таблиці 4.15 представлені значення дендритного параметра кристалів, який,
як відомо, визначається швидкістю охолодження при кристалізації, від режиму
наплавлення і від глибини розташування в наплавленного валика.
78
Таблиця 4.15 Зміна дендритного параметра λ2 (мкм) по глибині наплавленого
валика, в залежності від режимів наплавлення
Зона зразка Режим 1 Режим 2 Режим 3 Режим 4
Зона 1 1,81 2,42 2,41 2,21
Зона 2 1,74 2,75 2,08 2,72
Зона 3 1,97 2,46 2,01 2,84
Зона 4 2,13 2,26 2,25 2,74
З даних Таблиці 4.15 видно, що при всіх режимах наплавлення зростання
дендритного параметра λ2 спостерігається зі збільшенням глибини і становить від
25 до 50%. При використанні режиму 1 формується найбільш дисперсная структура
з мінімальним дендритних параметром λ2 рівному 1,4.
79
Висновки до розділу 4
1. У четвертому розділі реалізовано розроблені методики для
експериментальної оптимізації режимів коаксіального лазерного наплавлення
покриттів зі сплаву Stellite 6 на сталь AISI 4340 та проведено комплексне
дослідження властивостей отриманих шарів. На основі планування експерименту
отримано серію зразків при різних поєднаннях потужності лазера, швидкості
переміщення променя, витрати порошку та транспортувального газу. За
результатами вимірювання геометричних параметрів наплавлених валиків
побудовано регресійні залежності, що дозволили виділити області режимів, які
забезпечують необхідну ширину, висоту і глибину проплавлення при мінімальному
перемішуванні з основним металом.
2. Дослідження мікротвердості по ширині і глибині наплавленого шару
показали, що при раціональних режимах забезпечується відносно рівномірний
розподіл твердості по перерізу покриття, без різких градієнтів на межі розділу з
підкладкою. Аналіз зносостійкості за результатами трибологічних випробувань в
парі тертя «покриття – контртiло» показав істотне зниження коефіцієнта тертя та
інтенсивності зносу порівняно з матеріалом підкладки без покриття. Дослідження
мікроструктури підтвердили формування дрібнозернистої структури з рівномірно
розподіленими твердими карбідами у матриці на основі кобальту без критичних
дефектів типу тріщин чи пор при оптимальних режимах. На основі сукупності
отриманих результатів обрано діапазон параметрів процесу, що забезпечує кращий
комплекс геометричних, механічних і трибологічних характеристик покриттів.
80
Розділ 5
Охорона праці та безпека в надзвичайних
ситуаціях
5.1 Безпека лазерів і лазерних установок
Міжнародні стандарти, такі як IEC 60825-1 та серія ANSI Z136, є життєво
важливими для забезпечення безпечного використання лазерів у різних сферах
застосування. Ці стандарти окреслюють класифікацію лазерів відповідно до їхніх
потенційних небезпек та встановлюють вимоги безпеки для мінімізації ризиків.
Суворі правила є важливими для забезпечення безпечного проектування та
використання лазерів.
Стандарт IEC 60825-1 регулює безпеку лазерних виробів на міжнародному
рівні, надаючи рекомендації щодо мінімізації ризиків. Аналогічно, серія ANSI Z136
пропонує рамки для лазерної безпеки, визначаючи необхідні заходи безпеки для
різних застосувань.
Вплив лазерного випромінювання (ЛВ) на обслуговуючий персонал у
залежності від виду установки: установки закриті і відкриті. Технологічні ЛУ в
більшості випадків закритого типу; унікальні і дослідницькі – в основному
відкриті, можуть бути закриті.
Умови експлуатації: стаціонарні і пересувні, у виробничих приміщеннях,
лабораторіях, клініках і польових умовах.
Спосіб відводу тепла: із природним і примусовим охолодженням, повітряним
чи рідинним (вода чи рідина, що містить як правило токсичні речовини).
Призначення: унікальні, дослідницькі, спеціальні, технологічні, медичні.
Потужність випромінювання: надпотужні, потужні, середньої потужності,
малої потужності.
Класи лазерів розроблені для виявлення потенційних небезпек, пов'язаних з
довжина хвилі лазера та потужність. Ці класи визначають необхідні запобіжні
заходи та необхідне обладнання для безпечної експлуатації. Система класифікації
з часом розвивалася, вводячи нові класифікації лазерів, такі як 1M, 2M та 3R, для
вирішення конкретних проблем безпеки.
Лазери класу 1
Лазери класу 1 розроблені таким чином, щоб бути безпечними за будь-яких
умов використання, зазвичай не перевищуючи максимально допустимого
82
випромінювання (MPE). Це робить їх неймовірно безпечними для загального
використання, навіть якщо хтось піддається безпосередньому впливу лазерного
променя. Багато повсякденних пристроїв, таких як лазерні принтери та DVD-
програвачі, використовують лазери класу 1, оскільки вони вбудовані в блоковану
систему, що запобігає впливу лазерного світла.
Вихідна потужність лазерів класу 1 зазвичай менше 0.39 мВт, що гарантує
їхню безпеку за нормальних умов. Лазери вищого класу можна класифікувати як
лазери класу 1, якщо вони належним чином захищені, що демонструє важливість
належного проектування безпеки та вихідної енергії лазера.
Лазери класу 1M
Лазери класу 1M безпечні для спостереження неозброєним оком, але можуть
бути небезпечними при спостереженні за ними через оптичні прилади, такі як
збільшувальні лінзи або телескопи. Це робить їх придатними для застосувань, де
поширене пряме спостереження, але з оптичними пристроями потрібна
обережність.
Ці лазери безпечні для спостереження неозброєним оком за нормальних умов
і не становлять загрози в типових сценаріях використання. Однак ризик значно
зростає, коли використовуються оптичні прилади, що вимагає обережного
поводження, щоб уникнути небезпечного впливу ультрафіолетових лазерів та
лазерів видимого діапазону.
Лазери класу 2
Лазери класу 2 випромінюють видиме світло та, як правило, безпечні за
нормальних умов використання, але вони можуть спричинити пошкодження очей
у разі неправильного використання. Ці лазери видимого світла працюють у
видимому спектрі з довжинами хвиль від 400 нм до 700 нм. Поширеним прикладом
лазера класу 2 є лазерна указка, яка широко використовується в презентаціях та
навчальних закладах.
Видимі дефектоскопи, що використовуються техніками, можна класифікувати
як клас 2 до 1 мВт та клас 2M до 10 мВт, що демонструє універсальність та
практичне застосування цих лазерів. Хоча короткочасне випромінювання загалом
83
безпечне, тривале або неправильне використання може призвести до травм очей,
що підкреслює необхідність обережності.
Лазери класу 2M
Лазери класу 2M подібні до лазерів класу 2, але становлять додаткову
небезпеку при спостереженні за допомогою оптичних приладів. Ці лазери
виробляють видиме світло та безпечні для безпосереднього спостереження за
нормальних умов без збільшення. Однак використання оптичних пристроїв може
концентрувати лазерний промінь, що значно збільшує ризик травмування очей.
Додатковий ризик вимагає додаткової обережності під час роботи з лазерами
класу 2M, особливо в середовищах, де використовуються оптичні прилади. Ця
класифікація підкреслює важливість розуміння того, як різні умови спостереження
можуть впливати на безпеку використання лазера.
Лазери класу 3R
Лазери класу 3R належать до діапазону потужності 1-5 мВт і класифікуються
разом із класом 3B лазери хоча вони становлять менший ризик порівняно з вищими
класами, вони все ж можуть спричинити пошкодження очей при прямому
спогляданні. Необхідні відповідні попереджувальні етикетки, щоб інформувати
користувачів про потенційну небезпеку. Ці лазери безпечніші для застосувань з
низьким рівнем ризику, але все ж вимагають обережності, особливо під час
спостереження за ними через оптичні прилади, що може спричинити негайну
травму ока. Ця класифікація ілюструє делікатний баланс між корисністю та
безпекою в лазерних технологіях.
Лазери класу 3B
Лазери класу 3B становлять значну небезпеку та вимагають суворих захисних
заходів для запобігання травмам. Ці лазери можуть спричинити опіки або
пошкодження очей за неправильного поводження, що робить протоколи безпеки та
засоби індивідуального захисту важливими. Для уникнення нещасних випадків
необхідне ретельне керування їхніми високими рівнями потужності.
84
Дотримання відповідних протоколів безпеки та використання захисних
окулярів є критично важливими під час роботи з лазерами класу 3B. Ці заходи
гарантують ефективне зменшення ризиків, пов'язаних з цими потужними лазерами.
Лазери класу 4
Лазери класу 4 є надзвичайно небезпечними та вимагають суворих протоколів
безпеки для запобігання серйозним травмам та ризику пожежі.
Вони використовуються в промислових застосуваннях, таких як: лазерне
маркування; зварювання; очистка; різання.
Їхній високий рівень потужності може завдати значної шкоди, що підкреслює
необхідність вжиття надійних заходів безпеки.
Захисні бар'єри, захисні корпуси та засоби індивідуального захисту є
важливими під час роботи з лазерами класу 4. Ці запобіжні заходи зменшують
серйозні ризики, пов'язані з потужними інструментами, забезпечуючи безпечну
роботу в різних промислових умовах.
5.2 Джерела небезпечних і шкідливих виробничих факторів при
використанні лазерів та лазерних установок
При експлуатації ЛУ персонал може піддаватися впливу комплексу
небезпечних і шкідливих факторів, кількість і інтенсивність яких залежать від
просторово-енергетичних характеристик ЛВ, лазерних технологій (ЛТ), умов
експлуатації і конструктивних особливостей ЛР. Характерно, що практично
кожному типу ЛР і ЛУ, кожному технологічному процесу відповідає певний
комплекс небезпечних і шкідливих виробничих факторів. Деякі ЛТ вимагають
подачі в робочу зону технологічного середовища (наприклад, при зварюванні
подають інертні гази) чи введення додаткової енергії (механічної, електромагнітної
і т.д.). Прикладами комбінованих методів можуть служити газолазерне різання,
лазерно-електрична обробка отворів і т. д. Тому необхідно в кожнім конкретному
випадку розглядати окремо особливості роботи кожного типу ЛР і ЛУ стосовно до
умов їхньої експлуатації.
85
Небезпечні і шкідливі виробничі фактори розділяють на основні і супутні. До
основних небезпечних і шкідливих факторів відносяться власне монохроматичне,
когерентне ЛВ і паразитне випромінювання (відбите і розсіяне), а до супутніх –
фактори, що виникають у робочій зоні (на лазерних ділянках) при експлуатації ЛР
і інших установок.
Розглянемо механізм утворення супутніх небезпечних і шкідливих факторів.
Монохроматичність, когерентність і мала розбіжність лазерного променя
дозволяють сфокусувати його на надзвичайно малій площі, що прагне до точки,
діаметр якої відповідає порядку довжини хвилі, що дає можливість одержати на
поверхні оброблюваного матеріалу енергію при густинах потужності до 1017
Вт/см2. Однак час існування зазначеної потужності у фокусі імпульсного лазерного
променя мізерно малий: 10-3 – 10-9 с. Проте в подібних умовах дія даного променя
на різні матеріали приводить до їхнього руйнування і випару (метали
випаровуються при щільності потужності випромінювання порядку 1010 Вт/см2).
Пари, що утворилися, розширюються зі швидкістю, порівнянною зі швидкістю
звуку (v=103 м/с), що приводить до механічного ефекту – тілу надається імпульс
віддачі.
При проходженні через середовище ЛВ з діелектричною ε і магнітною μ
проникністю утвориться інтенсивне електричне поле, напруженість якого (В/м) для
плоскої хвилі визначається за формулою
E 2W .
При фокусуванні ЛВ у газі в режимі модульованої добротності виникає так
званий лавинний пробій: у фокусі лінзи утвориться згусток високоіонізованної
високотемпературної плазми, що є джерелом м’якого рентгенівського
випромінювання з довжиною хвилі порядку 1,0 нм.
При нагріванні речовини ЛР до температури 107 - 108 К можливе збудження
ядерних реакцій. При нагріванні дейтрієвої плазми утвориться нейтронне і жорстке
рентгенівське випромінювання.
Турбулентність атмосфери викликає блукання променя, його розсіювання і
сцинтиляцію. При проходженні променя через ділянки з різною температурою, за
86
рахунок зміни показника заломлення, він відхиляється від початкового напрямку.
При великому діаметрі променя різні його ділянки потрапляють у різні турбулентні
області і промінь починає розділятися і розходитися. Блукання і розбіжність
променя зменшуються при збільшенні його діаметра або при великих відстанях від
джерела, де, в основному, спостерігається ефект сцинтиляції, тобто перерозподіл
енергії усередині променя. Було виявлено, що на відстані 1 км від джерела рівень
опромінення перевищував рівень на осі променя поблизу джерела в 4-5 разів, в
інших ділянках перетину рівні опромінення були нижче. Таким чином, небезпека
ЛВ, імовірно, найбільша в таких «гарячих» точках.
З наведеного вище можна зробити висновок, що при використанні ЛР у
залежності від класу їхньої небезпеки, застосовуваної технології й умов
експлуатації можуть існувати групи фізичних, хімічних і психофізіологічних
небезпечних і шкідливих виробничих факторів.
Висока напруга є на зарядних пристроях, що живлять батарею конденсаторів
великої ємності. Після розряду конденсаторів на лампи (спалахи) вони можуть
зберігати залишкову напругу високого потенціалу, є напруга також у ланцюгах
управління. Напруги дотиків і струми, що протікають через тіло людини при
нормальному (неаварійному) і аварійному режимах роботи лазерних установок, не
повинні перевищувати допустимих значень, зазначених у ГОСТ 12.1.038 – 82.
У результаті радіолізу повітря утворюються озон, оксиди азоту й інших газів,
що викликають загазованість повітря робочої зони. Розряди імпульсних ламп
накачування супроводжуються утворенням озону, концентрація якого швидко
зменшується по припиненню розряду ламп у зв’язку з його розпадом. Озон і оксиди
азоту утворяться також у результаті іонізації повітря іонізуючими
випромінюваннями утвореними при експлуатації високовольтних джерел
живлення ЛР. У результаті випару матеріалу мішені при зварюванні, паянні,
свердлінні й інших технологічних процесах утворяться оксид вуглецю, шкідливі
газові домішки і пари летучих органічних сполук, використовуваних у
технологічних процесах (нітробензол, нітротолуол, чотирьох-хлористий вуглець і
т.д.). У результаті термоокислювального розкладання матеріалу мішені і реакції в
87
ЛР утворюється ціаністий водень. Гранично припустимі концентрації (ГДК)
зазначених газів і парів наведені в ГОСТ 12.1.005 – 88.
Оксиди елементів, що входять до складу матеріалу, що руйнується чи
випаровується під впливом лазерного випромінювання (оксиди свинцю, олова,
вісмуту, алюмінію і т.д.), виділяються в повітря і створюють аерозоль дезинтеграцї
і конденсації, вміст якого в повітрі робочої зони не повинен перевищувати
встановлених ГДК згідно ГОСТ 12.1.005-88.
Змінюється іонний склад повітря. Як правило, збільшується вміст негативних
іонів у безпосередній близькості (20-40 см) від імпульсних ламп. Джерелом
іонізації повітря є сфокусоване ЛВ, ультрафіолетове й іонізуюче випромінювання.
Припустимий вміст легких іонів у повітрі виробничих і суспільних приміщень з
кондиціонуванням повітря наведений в табл. 5.1.
Таблиця 5.1 Нормативні величини іонізації повітря виробничих і суспільних
приміщень
Число іонів в 1 см3
Рівень П
п + п -
Мінімально необхідний 400 600 – 0,2
Оптимальний 1000-3000 3000-5000 Від – 0,67 до 0
аксимально допустимий 50 000 50 000 Від – 0,05 до + 0,05
Зауваження: У таблиці прийняті наступні позначення: п + – легкі позитивні
іони; п - – легкі негативні іони; П – показник полярності
П = (п + - п -)/( п + + п -)
- 1< П < + 1, при рівності позитивних і негативних іонів П = 0.
Джерелом іонізуючих випромінювань можуть бути: джерела живлення
(вакуумні випрямні кенотрони і тиратрони, генераторні лампи); активне
середовище (радіонукліди: тритій, радіоактивні матеріали й ін.); пристрої
накачування ЛР (пучками електронів, протонів, зарядженими осколками ядерних
реакцій і рентгенівським випромінюванням); досліджуване середовище (при
взаємодії потужного ЛВ з досліджуваним середовищем може виникати
рентгенівське випромінювання, а також нейтрони, якщо середовище, являє собою
термоядерне паливо: дейтерій, суміш тритію з дейтерієм); комбіновані установки
88
(на яких використовується незалежно один від одного ЛВ й іонізуюче
випромінювання від стороннього джерела) і випромінювання рентгенівських і
гамма-ЛР.
Під час роботи імпульсних ламп і газорозрядних трубок генеруються
ультрафіолетове й інфрачервоне випромінювання, а при роботі імпульсних ламп
накачування — випромінювання видимого діапазону високої інтенсивності.
Найбільш небезпечними є випадки самовільного розряду розекранованих ламп,
тому що при цьому персонал не встигає вжити заходів обережності. Джерелами
інфрачервоного випромінювання є самі ЛУ, нагріті матеріали і т. д. Припустима
густина потоку інфрачервоного й ультрафіолетового випромінювань не повинні
перевершувати допустимі значення наведені у табл. 5.2.
Таблиця 5.2 Допустимі густини потоку інфрачервоного та ультрафіолетового
випромінювання
Довжина хвилі, нм Допустима густина потоку енергії, Вт/м2
Інфрачервоне випромінювання
760 – 1500 100
1500 – 3000 120
3000 – 4500 150
4500 – 10 000 120
Ультрафіолетове випромінювання
400 – 320 10
320 – 280 0,05
280 - 200 0,001
Зауваження: 1. Допустима інтегральна густина потоку інфрачервоного
випромінювання не повинна перевищувати 70 Вт/м2 при користуванні
повсякденним одягом і 140 Вт/м2 при наявності спеціальних засобів захисту. 2. При
ультрафіолетовому випромінюванні обов’язковий захист органів зору та шкіри.
При роботі імпульсних ЛР виникають звукові, ультразвукові та інфразвукові
коливання високої інтенсивності, а при роботі механічних затворів і ротаційних
насосів – шум.
Шкідливим фактором є також електромагнітне випромінювання (поле),
використовуване для накачування.
89
У рідинних ЛР використовуються, як правило, агресивні і токсичні рідини
(наприклад, оксихлорид фосфату), що вимагає застосування спеціальних
запобіжних заходів при виконанні операції заливання, заміни і зливу, а також
заходів для виключення можливості виходу рідини назовні через несправність чи
ушкодження систем трубопроводів.
Якщо для охолодження ЛР використовується рідина, що містить токсичні
речовини, повітря приміщення може забруднюватися газами чи парами, що
виділяються з недостатньо щільних з’єднань у системі судин і трубопроводів.
Використання для охолодження рідкого азоту чи гелію може призвести до
утворення рідкого кисню, що збільшує ймовірність виникнення
вибухонебезпечних ситуацій.
Усі перераховані небезпечні і шкідливі фактори розподіляють за походженням
на дві основні групи. До першої групи відносяться фактори, виникнення яких
зв’язане з власною роботою ЛР, до другої групи – фактори, походження яких є
результатом взаємодії ЛВ з оброблюваними матеріалами чи з різними елементами,
необхідними для виконання маніпуляцій з лазерним променем, табл. 5.3:
5.3 Механізми дії лазерного випромінювання
Механізм біологічної дії ЛВ на оператора складний і різноманітний і залежить
від енергетичної експозиції в імпульсі чи енергетичної освітленості, довжини
хвилі, тривалості імпульсу, частоти повторення імпульсів, тривалості впливу,
площі ділянки, що опромінюється, від біологічних і фізико-хімічних особливостей
опромінюваних тканин і органів.
Під впливом ЛВ в організмі виникають первинні біологічні ефекти, тобто
органічні зміни в опромінюваних тканинах, і вторинні ефекти – неспецифічні
зміни, що виникають в організмі у відповідь на опромінення.
Лазерне випромінювання здійснює на людину наступні впливи:
- термічне (теплове) – при фокусуванні ЛВ виділяється значна кількість тепла
в невеликому об'ємі зa короткий проміжок часу;
90
- енергетичне – великий градієнт електричного поля, обумовлено високою
щільністю потужності; може викликати поляризацію молекул, електрострикцію,
резонансні й інші ефекти;
- утворення у межах клітини мікрохвильового електромагнітного поля;
- фотохімічне;
- механічне проявляється у виникненні коливань типу ультразвукових в
опромінюваному організмі;
- розщеплення білків;
- генетичний розпад молекул РНК та ДНК кислот і поступове відмирання
клітин зі зміненим генетичним кодом;
- гуморальна функція, зв’язана з отруєнням трупною отрутою (вплив
продуктів розкладання).
Найбільш вивченим у даний час є термічний вплив лазерних випромінювань.
Установлено вибірне поглинання лазерної енергії клітинами, що містять певну
речовину. В основі біологічної дії будь-якого випромінювання лежить ступінь
поглинання енергії біологічними структурами, що визначається величиною кванта
( E h ). Таке випромінювання добре поглинається в організмі пігментними
утвореннями, цитохромами клітин, молекулами гемоглобіну й ін.
Ще більша кількість біологічних елементів тканин організму людини і тварин
поглинають інфрачервоне випромінювання. При цьому інфрачервоне
випромінювання ближньої області поглинається тими ж біологічними
структурами, що і випромінювання видимого спектра. Інфрачервоне
випромінювання дальньої області взаємодіє, головним чином, із тканинами, що
містять воду.
Таблиця 5.3 Класифікація небезпечних і шкідливих факторів ЛР і ЛУ за їх
походженням
Небезпечні і шкідливі фактори Джерела (причини) виникнення
Перша група
Пряме лазерне випромінювання Лазер
Імпульсні світлові спалахи Випромінювання імпульсних ламп накачування
91
Ультрафіолетове й інфрачервоне Випромінювання імпульсних ламп накачування;
випромінювання кварцові газорозрядні трубки і кювети
Озон і оксиди азоту Іонізація повітря при розрядці імпульсних ламп
накачування
Шум Робота допоміжних елементів лазерної установки
Рентгенівське випромінювання: Лазер з робочою напругою, кВ:
м'яке 10—60
середньої жорсткості 60—120
жорстке Понад 120
Електромагнітні поля радіочастот ВЧ- і ЗВЧ-накачка
Агресивні і токсичні рідини Активне середовище, охолоджуючі рідини
Іонізуюче випромінювання Накачування ЛР пучками електронів, протонів,
зарядженими осколками ядер-них реакцій і
рентгенівським випромі-нюванням; рентгенівські і
гама -ЛР
Друга група
Дифузно і дзеркально відбите лазерне Взаємодія лазерного променя з різними елементами
випромінювання по ходу променя
Розсіяне лазерне випромінювання Взаємодія лазерного променя з частками повітряного
середовища
Імпульсні світлові спалахи Випромінювання плазменного смолоскипа
Імпульсний шум Звукові імпульси в результаті «удару» лазерного
променя по оброблюваному матеріалу
Забруднення повітряного середовища Продукти деструкції, отримувані при обробці
аерозолями матеріалів лазерним променем
Електричні поля високої інтенсивності Взаємодія особливо потужного ЛВ з речовиною, що
обробляється
Іонізуюче випромінювання Активне середовище
Комбіновані Стороннє джерело
Теплова дія ультрафіолетових випромінювань при високих рівнях енергії
може бути досить вираженою. Ці випромінювання можуть викликати еритему і
пігментацію, хемолюмінесценцію біологічних структур. Вони мають генетичну і
канцерогенну дію.
Термічна дія ЛВ має свою специфіку. Так, при впливі випромінювання
імпульсного ЛР в опромінених тканинах відбувається швидке нагрівання тих
структур, що добре поглинають цю енергію. Причому, якщо це випромінювання
відповідає режиму вільної генерації, то за час імпульсу (який триває в межах 1 мс)
тепло встигає впливати на досить великий об’єм тканин і викликати їхнє
ушкодження, що має характер термічного опіку.
92
При дії випромінювання з укороченим імпульсом (випромінювання ЛР у
режимі модульованої добротності з тривалістю імпульсу τ = 10–7 – 10-12 с) тепло
практично не встигає поширитися в навколишні тканини і рідину. У результаті
цього адсорбувавши енергію структури миттєво нагріваються до дуже високих
температур. Таке миттєве нагрівання викликає подобу вибуху опромінених
тканинних елементів, зокрема, пігментних утворень, наприклад, меланіну. При
впливі на очне дно це випромінювання приводить до важких ушкоджень (розриви,
розшарування сітківки, кровотечі).
Під впливом дії ЛВ відбувається порушення життєдіяльності як окремих
органів, так і організму в цілому. При дії на клітини, тканини й органи в них
виникають гістохімічні та біологічні зміни, а також патофізиологічні ефекти. У дії
випромінювання на складні біологічні структури розрізняють три стадії: фізичну,
фізико-хімічну і хімічну.
На першій стадії (фізичній) відбуваються елементарні взаємодії
випромінювання з речовиною, при цьому речовина нагрівається, спостерігаються
фазові переходи в матеріалі клітини, кавітація у фізіологічних рідинах,
перетворення енергії випромінювання в енергію механічних коливань, іонізація
атомів і молекул, збудження і переведення електронів з валентних рівнів у зону
провідності, рекомбінація збуджених атомів і ін.
При впливі неперервного ЛВ переважає в основному тепловий механізм дії,
наслідком якого є коагуляція (згортання) білка, a при великих потужностях – випар
біотканин. При потужності випромінювання в імпульсі понад 107 Вт і високій
ступені фокусування лазерного променя можливе виникнення іонізуючих
випромінювань.
В міру зменшення інтенсивності випромінювання тепловий механізм
ушкодження тканини, що опромінюється, починає поступатися місцем квантовим
ефектам, що проявляються при поглинанні випромінювання і переносі енергії у
всіх структурах, що входять до складу біологічної тканини.
93
На другій стадії (фізико-хімічній) з іонів і збуджених молекул утворюються
вільні радикали (Н2О2, HO2 і ін.), що володіють високою здатністю до хімічних
реакцій.
На третій стадії (хімічній) вільні радикали реагують з молекулами речовин, що
входять до складу тканини, і при цьому виникають ті молекулярні ушкодження, які
і визначають загальну картину впливу лазерного випромінювання на
опромінювану тканину і організм у цілому.
Енергія квантів ультрафіолетового випромінювання в діапазоні довжин хвиль
0,380-0,006 мкм змінюється в межах 3,26-123 еВ відповідно. Кванти з енергією 12-
15 еВ здатні викликати іонізацію води й атомів кисню, водню, азоту, вуглецю.
Виходячи з того, що вода і перераховані атоми становлять основу живої тканини,
випромінювання з енергією 12 еВ розглядають як нижню межу для біологічних
систем, а при енергії більш 12 еВ можливе ураження тканини, викликане
розкладанням молекулярного кисню з наступним утворенням озону.
Первинною ланкою біологічного ефекту УФ-випромінювання є чисто
фізичний процес поглинання його молекулами біологічних структур. Далі,
внаслідок реакції взаємодії розвиваються фізико-хімічні процеси збудження,
іонізації і дисоціації, що приведуть до тих чи інших кінцевих біологічних ефектів,
і головним у механізмі дії є фотохімічний ефект. При цьому напрямок
фотохімічних реакцій залежить від інтенсивності і дози опромінення. Малі дози
стимулюють процеси біосинтезу тканинних колоїдів, сприяють росту і діленню
клітин. Великі – гнітять ріст і ділення клітин, викликаючи фотоліз, що руйнує
клітини. Зі зменшенням довжини хвилі вражаюча дія УФ-випромінювання зростає,
але одночасно зменшується його проникаюча здатність, а це, у свою чергу,
приводить до того, що ушкодження обмежується поверхневими шарами тканин.
При впливі потужного імпульсу випромінювання на організм в опромінених
тканинах виникає ударна хвиля безпосередньо від «удару» самого імпульсу. Тиск,
що надається лазерним променем на опромінюваний об’єкт визначається за
формулою
p=W(l+ρ)/с,
94
де с – швидкість світла у вакуумі; W – інтенсивність випромінювання в
площині об’єкта; ρ – коефіцієнт відбивання даного випромінювання від поверхні
опромінюваного об’єкта. При W = 3∙109 Вт/см2 і ρ = 0,5 р ≈ 1,5∙105 Па.
Механічна дія ЛВ. Поява ударної хвилі обумовлена виникненням градієнтів
тиску усередині опромінюваної системи за рахунок об’ємного розширення (як зі
зміною фазового стану, так і без нього), викликаного короткочасним локальним
нагріванням тканини, а також імпульсом віддачі при випарі біотканин з поверхні.
Теплове розширення може виникнути на поверхні або у внутрішній зоні
опромінюваної тканини, механічні навантаження при цьому характеризуються
величинами порядку десятків Паскалей.
Висока інтенсивність потоку ЛВ супроводжується ударною хвилею такої
сили, при якій ушкоджуються і внутрішні органи. Наприклад, опромінення
поверхонь грудної клітки, черевної стінки, голови викликає ушкодження печінки,
кишечнику й інших органів черевної порожнини, а також внутрішньоклітинні і
внутрімозкові крововиливи.
Механічний ефект випромінювань лазерів, що працюють в імпульсному
режимі, містить у собі не тільки дію ударної хвилі, але й інші механічні явища.
Важливим ефектом є реактивна дія на тканину, що виникає внаслідок викиду
речовини з поверхні об’єкта, що опромінюється.
При опроміненні шкірних покривів імпульсними ЛВ з щільністю потоку
енергії 40 Дж/см2 і більше над поверхнею шкіри виникає короткочасне
(вулканоподібне) здуття, а потім і викид дрібних часток у вигляді «султана». При
впливі на очі чи шкіру імпульс випромінювання суб’єктивно відчувається як
короткий точковий удар.
Тому що біологічні тканини дуже неоднорідні за своєю анатомо-фізіологічною
структурою, у зоні опромінення термічний і механічний впливи супроводжуються
вторинними ефектами: гідродинамічним стиском і розрідженням середовища,
появою негативного тиску у певних ділянках середовища й іншими, котрі можуть
приводити до більш виражених патоло-гічних змін у зоні опромінення і
збільшувати площу ушкодження.
95
Зі збільшенням енергії в імпульсі випромінювання ударна хвиля може досягти
таких значень, при яких струс розподіляється в більш глибоко залягаючі тканини
організму, а частина енергії проникає через шкірні покриви, підшкірну клітковину,
кісткову тканину і досягає внутрішніх органів.
Електрострикція – деформація молекул в електричному полі ЛВ, пропорційна
квадрату напруженості електричного поля Е і проявляється як зміна густини
ΔV/V = AE2,
де ΔV/V – відносна об’ємна деформація; А – постійна електрострикції;
А = β∙ρ∙(∂ε ⁄ ∂ρ) ⁄ 2π;
β – стискаємість; ρ – густина; ε – діелектрична проникність середовища.
Ушкодження внутрішніх органів виникають у результаті не тільки механічної
дії випромінювання, але й як наслідок безпосереднього впливу енергії ЛВ на
тканини внутрішніх органів. При експлуатації потужних ЛР збільшується
небезпека ушкодження внутрішніх органів і головного мозку при впливі прямого
ЛВ чи дзеркально відбитого.
До числа специфічних ефектів біологічної дії ЛВ відносяться зміни
генетичних, ферментативних і інших властивостей тканин, а також деяких
властивостей крові, зрушення біохімічних показників. В основі специфічної дії
випромінювань лежать складні процеси, спричинені вибірним поглинанням
електромагнітної енергії тканинами, а також електричними і фотохімічними
ефектами.
Високий градієнт електричного поля, обумовлений великою щільністю енергії
ЛВ, може викликати поляризацію молекул, резонансні й інші явища. При
потужностях ЛВ, що доходять до сотень мегаватів, можливі процеси іонізації
біомолекул, генерація гармонік, багатофотонні процеси й ін. Так, наприклад, при
впливі рубінового випромінювання (λ = 0,69 мкм) можна отримати ефект,
аналогічний ефекту випромінювання УФ-лазера. Ця можливість заснована на
процесі поглинання, коли внаслідок високої енергетичної щільності енергії ЛВ два
окремих фотони беруть участь у єдиному процесі поглинання. Ефект двофотонного
96
поглинання може виявлятися у вигляді органічних змін патологічного характеру й
у вигляді функціональних зорових реакцій.
У механізмі дії ЛР, що працюють у режимі неперервного випромінювання,
ведуче місце займає термічна чи специфічна дія, а механічні ефекти (ударні хвилі
й ін.) не мають істотного значення. Значення механічних ефектів зростає в міру
укорочення імпульсу і підвищення потужності випромінювання (імпульсно-
модульований режим).
Під впливом енергії ЛВ невеликої інтенсивності виникають різні
функціональні зміни, при цьому найбільш «реактивними» є зоровий аналізатор,
центральна нервова, ендокринна і серцево-судинна системи. Характер і виразність
функціональних змін залежить від параметрів ЛВ (довжина хвилі, експозиція,
тривалість і частота повторення імпульсу, чи рівень інтенсивності випромінювання
і частота впливу), а також від реактивності організму, характеру і локалізації
впливу (пряме чи дифузійно відбите випромінювання, опромінюються очі чи інші
частини організму). Функціональні зрушення більш виражені при комбінованій дії
на організм ЛВ і інших факторів (шум, мікроклімат, освітленість, кисневе
голодування, підвищена стомлюваність, вітамінне голодування й ін.).
Випромінювання ЛР великої потужності викликає гормональні зрушення.
5.4 Вплив лазерного випромінювання на очі
Прямий вплив високоенергетичних лазерних променів може призвести до
незворотного пошкодження очей, тому захист очей є головним пріоритетом.
Лазери класу 2 випромінюють видиме світло та, як правило, безпечні для
короткочасного впливу, але неправильне використання може спричинити травму
очей. Лазери класу 2M безпечні для спостереження неозброєним оком, але
становлять ризик під час спостереження за допомогою оптичних приладів.
Лазери класу 3R несуть підвищений ризик і повинні поводитися з ними
обережно, оскільки вони можуть пошкодити очі при прямому впливі. Захисні
окуляри мають вирішальне значення для захисту як від відбитого або розсіяного
97
лазерного світла, так і від прямого впливу. Забезпечення належного захисту очей
може запобігти серйозним травмам і забезпечити безпечні умови праці.
Око людини розрізняє випромінювання у видимій області спектра 0,4-0,76 мкм.
Однак середовище ока здатне пропускати випромінювання в більш широких межах
спектра – 0,4-1,4
Рисунок 5.1 - Залежність пропускної здатності Тλ середовища ока (а) і поглинаючої
здатності Кλ тканин дна ока (б) від довжини випромінювання
Найкраща пропускна здатність ока знаходиться в області 0,5-0,9 мкм (рис. 5.1,
а). Отже, у залежності від довжини хвилі випромінювання відбуваються зміни в
тканинах очного дна або в передньому відділі ока. Таким чином, ефект впливу,
лазерного випромінювання на орган зору в значній мірі залежить від спектрального
діапазону випромінювання.
Ушкодження сітчастої оболонки виникає переважно при впливі ЛВ видимого і
ближнього інфрачервоного діапазонів спектра, що проходять через око майже без
втрат і фокусуються на сітківці. У результаті цього на сітківці створюється
локальна щільність енергії, у 105 раз більша у порівнянні з щільністю енергії на
роговиці. Тому влучення ЛВ зазначених довжин хвиль небезпечно для зору, воно
викликає опіки і розриви, приводить до ушкодження сітківки і судинної оболонки
ока і є причиною сліпоти.
Щільність енергії (потужність) на сітківці ока зростає при збільшенні діаметра
зіниці, тому імовірність ушкодження ока, адаптованого до темряви, більша, ніж
імовірність ушкодження в умовах яскравого освітлення.
98
Для випромінювань з довжинами хвиль менше 0,4 мкм і більше 1,4 мкм оптичні
середовища ока є непрозорими, і тому фокусуюча дія відсутня.
Спектральний інтервал УФ з погляду характеру біологічних ефектів
поділяється на три області: ультрафіолет А – UV – A (0,315-0,4 мкм), В – UV – В
(0,28-0,315 мкм) і С – UV – С (0,1-0,28 мкм). Випромінювання з довжиною хвилі λ
< 0,2 мкм поглинається киснем повітря з утворенням озону і тому істотної
біологічної ролі не грає.
Вплив УФ на орган зору в основному приводить до враження роговиці
(кератит). Найбільшою фотокератичною дією володіє випромінювання з довжиною
хвилі 0,288 мкм.
Ультрафіолетове випромінювання з довжиною хвилі λ ≤ 0,32 мкм практично
цілком поглинається у роговій оболонці та кон’юнктиві і викликає їхнє
ушкодження – різного ступеня враженості кон’юнктивіт і фотокератит, які
супроводжуються світлобоязню, блефароспазмом, сльозотечею і болючими
відчуттями. У важких випадках може виникнути виразка рогової оболонки, аж до
її перфорації. Випромінювання у цій області спектра характеризується
кумулятивною дією, причому реакція організму, відома як відчуття «піску в очах»,
виявляється не відразу, а опісля від 30 хв до 1 доби.
Ультрафіолетове випромінювання з довжиною хвилі λ ≤ 0,38 мкм приводить
також до ушкодження переднього відділу ока. Механізм ушкодження обумовлений
як тепловим, так і специфічною фотобіохімічною дією цього випромінювання, яке
викликає абіотичні ушкодження. При високій інтенсивності опромінення
з’являються пухирі, іноді невеликі крововиливи. Після гострої реакції поверхневі
шари епідерми відриваються, а в глибоких шарах з’являється пігментація. При
важких ушкодженнях утворюються тромби в судинах шкіри, що викликає
дегенерацію і некроз епітелію. Ультрафіолетове випромінювання області А
відповідає невидимому інтервалу спектра, і його патологічний ефект виражається
в утворенні катаракти.
У видимому діапазоні випромінювання проходить без особливих реакцій через
оптичні середовища ока і впливає головним чином на світлочутливі клітки сітківки,
99
викликаючи чи тимчасове осліплення, чи опік з наступними рубцюваннями, що
приводить до втрати зору в даній області зорового простору. Випромінювання
цього діапазону можуть викликати дефект тканини, злипаюче запалення,
ущільнення тканини і механічне руйнування тканини з викидом крові.
Інфрачервоне випромінювання (ІФ) підрозділяється на наступні три області:
діапазон IR – А (0,78-1,4 мкм), IR – B (1,4-3 мкм) і IR – С (3 мкм - 1 мм).
Установлено, що при λ ≥ 1,4 мкм практично всі попадаючі на око
випромінювання поглинають роговиця ока і волога передньої камери, а при λ ≥ 1,9
мкм випромінювання поглинає тільки роговиця. Інфрачервоне випромінювання
помірної інтенсивності приводить до нагрівання біологічних структур, для яких
можливе настання режиму теплової рівноваги.
Випромінювання в діапазоні IR – А поглинається райдужною оболон-кою,
кришталиком і склоподібним тілом. Багата пігментом райдужна обо-лонка ока
нагрівається, і за рахунок теплопровідності виникає коагуляція білка кришталика.
Ураження очей при цьому відбувається через тривалий проміжок часу. Нагрівання
райдужної оболонки викликає дратівне відчуття і мигальний рефлекс. При великих
густинах енергії осліплення необоротне внаслідок температурного помутніння
кришталика.
Інфрачервоне випромінювання з λ = 1-1,64 мкм поглинається переваж-но
роговою оболонкою. Цей діапазон вважається найменш небезпечним для ока, тому
що ураження виникають поверхневі, тимчасового характеру і тіль-ки при великих
густинах енергії випромінювання.
Високоінтенсивне випромінювання IR – А поглинається пігментними
утвореннями очного дна, викликаючи їх нагрів. Перегрів клітин до температури
вище 37 °С призводить до різкого перевантаження механізмів клітини,
відповідальних за очищення від речовин продуктів обміну, що утрудняє її
функціонування. Нагрів до температури вище 45 °С викликає переродження
клітинних ферментів і загибель клітини. Якщо ж клітина нагрівається до
температури вище 100 °С, то внаслідок пароутворення, яке має при високій
швидкості нагрівання характер вибуху, можуть спостерігатися механічні
100
руйнування тканин ока, які опромінюються. Подібні процеси обумовлюють
ушкодження тих тканин ока, які на довжині хвилі випромінювання інтенсивно її
поглинають.
Випромінювання з λ = 10,6 мкм добре поглинається і нагріває ті тканини, що
містять велику кількість води (рогова оболонка, кон’юнктива). Граничні зміни в
роговій оболонці (вміст води 70 %) спостерігаються при щільності потоку
випромінювання порядку десятих часток вата на квадратний сантиметр. При
великих рівнях випромінювання (20 Вт/см2) виникає стійке помутніння рогової
оболонки.
Як бачимо у залежності від довжини ЛВ різною є і локалізація ушкодження
органа зору.
Імпульсне ЛВ з λ = 0,4-1,4 мкм становить більшу небезпеку, ніж неперервне,
тому що в цьому випадку ушкодження очного дна викликається комбінованою
дією – термічною і механічною. Механічна дія випромінювання виявляється у
вигляді «вибуху» зерен меланіну (високомолекулярні водонерозчинні пігменти), у
результаті чого зерна пігменту викидаються у склоподібне тіло.
Мимовільні рухи очного яблука приводять до того, що окремі ділянки сітківки
змінюють своє положення щодо падаючого випромінювання багато разів у
секунду. Тому неперервне й імпульсно-періодичне випромінювання викликають
ушкодження сітківки в області, значно більшій, ніж площа сфокусованого на ній
зображення, навіть у тому випадку, якщо під час опромінення пучок не
відхиляється від прямої лінії бачення.
Таким чином, лазерне випромінювання здійснює шкідливу дію на всі структури
органів зору. У міру збільшення щільності енергії випромінювання ступінь
ураження та зміни тканин ока зростає. Основний механізм ушкоджень – теплова
дія.
5.5 Вплив лазерного випромінювання на шкіряний покрив і внутрішні
органи
101
Опромінення шкіри ЛВ може викликати в ній патологічні зміни, при цьому
можливо виникнення як легких функціональних змін (почервоніння), так і важких
(некроз – омертвіння, карцинома шкіри – злоякісна пухлина).
При впливі потужного ЛВ на шкірі виникає термічний опік. Вплив більш
високих енергій приводить до більш глибоких некротичних змін. При впливі ЛВ з
енергією понад 100 Дж/см2 на шкірі виникає ділянка некрозу з кратероподібною
деформацією.
Малі рівні також впливають на організм. Однократний імпульс
випромінювання здійснює більшу дію, ніж серія імпульсів. Так, неодимове ЛВ
викликає такі ж видимі зміни на шкірі при рівні енергії 20-25 Дж/см2, як і
багаторазове (5 імпульсів протягом 2 с) при енергії в одиницях Дж/см2. Слабкий
вплив випромінювання на шкіру супроводжується змінами функціонального
характеру. Ефект впливу на шкірні покриви визначається, з одного боку,
параметрами ЛВ, з іншого, – ступенем пігментації шкіри і станом кровообігу. За
інших рівних умов опромінення темнопігментована шкіра (особливо родимі
плями) поглинає лазерне випромінювання значно більше, ніж світла шкіра. У той
же час відсутність достатньо вираженої пігментації створює умови для більш
глибокого проникнення випромінювання у шкіру і навіть під шкіру, унаслідок чого
можуть уражатися і підшкірні тканини. Мало пігментована шкіра пропускає від 45
до 60 % випромінювання рубінового ЛР, а шкіра разом з підшкірними м’язами –
від 25 до 30 %.
Найбільший біологічний вплив здійснює ЛВ з довжинами хвиль 0,28-0,32 мкм.
Воно більш глибоко проникає в шкіру і має виражену, канцерогенну дію. Біологічні
ефекти, що виникають при опроміненні шкіри ЛВ у значній мірі залежать від
довжини його хвилі. Так при дії УФЛВ найбільш характерними ураженнями є: різні
фотохімічні реакції, еритема, розриви хімічних зв’язків у більшості молекул, що
входять до складу живої тканини, різні переродження, стимулювання появи
новоутворень, утворення вільних радикалів, дія на внутрішні органи. При дії ЛВ
видимого діапазону в основному проявляється його термічна дія. А при дії ЛВ ІЧ-
області спектра найбільш характерними проявами є: виражені деструктивні зміни
102
термічного характеру (опіки різного ступеня), мікроскопічні (гістологічні і
гістохімічні) зміни, ураження внутрішніх органів. Зазначимо, що як наслідок дії ЛВ
можуть виникати зміни в органах дихання, серцево-судинній та ендокринній
системах, порушення обміну речовин.
Зокрема при однократному впливі ЛВ з довжиною хвиль 1,06 мкм і щільністю
енергії до 10 Дж/см2 видимих змін на шкірі не виявляється, однак в епідермісі
виникає гіперкератоз і паракератоз, а в дермі –гіперемія і проліферація гістоцитів.
Уже при щільності енергії 20 Дж/см2 з’являються видимі ознаки ушкодження –
некротичні зміни; при 50 Дж/см2 – дрібні крововиливи і некроз усієї дерми, у центрі
впливу руйнувалися придатки шкіри; при 150 Дж/см2 – некроз поширюється за
межі зони опромінення, а при 250-400 Дж/см2 – некроз захоплював усю товщу
шкіри і підшкірної клітковини, аж до м’язів.
Одним з найбільш часто зустрічаємих ознак ушкодження шкіри є набрякання
жирових клітин у глибоких шарах сполучної тканини. Існує різка границя між
ушкодженими і неушкодженими тканинами. Пузир лазерного опіку, на відміну від
звичайного термічного, локалізується глибше. Сфокусований лазерний промінь
викликає більш виражені по глибині і тяжкості ураження, ніж не сфокусований, три
цьому характер і тяжкість ушкодження шкіри залежать від параметрів ЛВ, а також
від абсорбційної і відбивної здатності шкіри, ступеня її гетерогенності, вмісту води
і теплопровідності.
У деяких випадках відзначається підвищена чутливість шкіри обличчя людини
до випромінювань видимого спектра (синьо-зелена область). Реакція шкіри на ЛВ
виявляється в почервоніннях, набряклості, почутті сверблячки і печіння, болючих
відчуттях.
При впливі на шкіру ЛВ невеликої інтенсивності в організмі виникають загальні
функціональні біохімічні зміни: підвищення вмісту цукру і холестерину в крові,
зменшення кількості еритроцитів, гемоглобіну, збільшення кількості лейкоцитів і
тромбоцитів, зрушення в системі згортання крові, коливання артеріального тиску,
загальна слабість, сонливість, нездужання, зміна частоти скорочення серця, тупий
головний біль у лобово-скроневих і потиличних областях, запаморочення, колючі
103
болі і неприємні відчуття в області серця, пригнічення сухожильних рефлексів,
тремтіння пальців рук і вік, розлад діяльності зорових і інших аналізаторів,
гноблення функції органів слуху, порушення функцій вестибулярного апарата,
функціональні розлади в діяльності нервової і серцево-судинної систем, зменшення
частоти пульсу.
При великих інтенсивностях опромінення можливі ушкодження внутрішніх
органів, які мають характер набряків, крововиливу, кровотечі, омертвіння тканин і
ін. Вплив на кров виражається в деформації червоних кров’яних тілець, руйнуванні
оболонки еритроцитів.
Важливою особливістю впливу ЛВ на внутрішні органи є чергування
ушкоджених і неушкоджених шарів тканин. Це зв’язано з ефектом стоячих хвиль,
що утворюються в результаті відбиття падаючого випромінювання від кісткових
поверхонь чи границь між різними т тканинами. Ушкоджені ділянки тканини
збігаються з пучностями, де щільність потоку енергії багаторазово зростає в
порівнянні з щільністю потоку енергії падаючого випромінювання.
Висновок до розділу 5
У п’ятому розділі розглянуто питання охорони праці та безпеки в
надзвичайних ситуаціях при виконанні робіт із використанням лазерних технологій
нанесення покриттів. Проаналізовано небезпечні та шкідливі виробничі фактори,
пов’язані з дією лазерного випромінювання, продуктів плавлення матеріалів,
інтенсивного світлового та теплового випромінювання, а також можливими
електротравмами та ураженням очей. Узагальнено вимоги нормативних
документів щодо класифікації лазерів за рівнем небезпеки, зон можливого
ураження та необхідних технічних і організаційних заходів безпеки.
Сформульовано рекомендації щодо екранування зони обробки, застосування
індивідуальних засобів захисту (захисні окуляри, спецодяг, рукавиці), вентиляції,
заземлення обладнання та організації робочого місця оператора. Показано, що
дотримання розроблених вимог і регламентів дозволяє забезпечити безпечні умови
праці персоналу та знизити ризики виникнення надзвичайних ситуацій при
проведенні лазерних наплавлювальних робіт.
104
Загальний висновок
1. У кваліфікаційній роботі магістра вирішено науково-практичне
завдання підвищення зносостійкості валів газотурбінних установок шляхом
розроблення та експериментальної перевірки комплексної методики коаксіального
лазерного нанесення покриттів зі сплаву Stellite 6 на сталь AISI 4340. На підставі
проведеного літературного огляду встановлено, що лазерне наплавлення є одним із
найбільш перспективних методів відновлення валів, оскільки забезпечує
мінімальне тепловкладення, невеликі деформації деталі та можливість точного
керування геометрією і властивостями покриття.
2. Обґрунтовано вибір матеріалів системи «покриття – підкладка» Stellite
6 / AISI 4340 та сформовано вимоги до їх експлуатаційних характеристик з
урахуванням умов роботи валів ГТУ. Розроблено та реалізовано
експериментальний стенд на базі волоконного лазера і коаксіального сопла для
подачі порошку, а також комплекс методик дослідження мікроструктури,
твердості, зносостійкості та трибологічних характеристик наплавлених шарів.
3. Створено методику оптимізації форми і геометрії коаксіального сопла
та параметрів газопорошкового потоку, що дозволяє прогнозувати область
сходження порошкового потоку з лазерним променем і забезпечувати рівномірний
розподіл матеріалу по перерізу валика. На основі планування експерименту
отримано регресійні залежності, які пов’язують геометричні параметри
наплавлених валиків з основними режимами лазерного наплавлення та
параметрами подачі порошку; це дає можливість цілеспрямовано обирати режими
для формування покриттів із заданими розмірами.
4. Комплексні експериментальні дослідження показали, що при раціональних
значеннях потужності лазера, швидкості переміщення променя, витрати порошку
та транспортувального газу забезпечується стабільне формування покриттів зі
сплаву Stellite 6 з рівномірним профілем твердості, відсутністю критичних дефектів
і істотним підвищенням зносостійкості поверхні вала порівняно з незміцненою
сталлю AISI 4340. Це підтверджує ефективність запропонованої методики
105
коаксіального лазерного наплавлення для відновлення та зміцнення валів
газотурбінних установок і дає підстави рекомендувати її для практичного
використання на підприємствах енергетичного машинобудування.
106
Список використаної літератури
1. Budinski K.G. Surface Engineering for Wear Resistance. Englewood Cliffs, NJ:
Prentice Hall, 1988. 420 p.
2. Burakowski T., Wierzchon T. Surface Engineering of Metals: Principles,
Equipment, Technologies. Boca Raton: CRC Press, 1998. 608 p.
3. Lawrence J. (ed.). Laser Surface Engineering: Processes and Applications.
Cambridge: Woodhead Publishing, 2014. 848 p.
4. Sun Y. (ed.). Laser Surface Engineering for Tribology. Basel: MDPI, 2024.
5. Stachowiak G., Batchelor A. Engineering Tribology. 5th ed. Oxford: Butterworth-
Heinemann, 2021.
6. Ludema K.C. Friction, Wear, Lubrication: A Textbook in Tribology. Boca Raton:
CRC Press, 1996.
7. Menezes P.L., Kishore K.K., Lovell M.R., Kailas S.V. Tribology for Scientists
and Engineers. New York: Springer, 2013.
8. Ющенко К.А., Борисов Ю.С., Кузнецов В.Д., Корж В.М. Інженерія
поверхні: підручник. Київ: Наукова думка, 2007. 559 с.
9. Кіндрачук М.В., Лабунець В.Ф., Пашечко М.І., Корбут Є.В. Трибологія:
підручник. Київ: НАУ-друк, 2009. 391 с.
10. Пупань Л.І. Лазерні технології у машинобудуванні: навчальний посібник.
Харків: НТУ «ХПІ», 2020. 109 с.
11. Кіндрачук М.В., Черненко В.С., Дудка О.І. Променеві методи обробки:
навчальний посібник. Київ: Кондор, 2004.
12. Закалов О.В., Закалов І.О. Основи тертя і зношування в машинах:
навчальний посібник. Київ: НТУУ «КПІ», 2011.
13. Yang Z. et al. Microstructure, hardness and slurry erosion-wear behaviors of
high-speed laser cladding Stellite 6 coatings prepared by inside-beam powder feeding.
Surface and Coatings Technology, 2022.
14. Félix-Martínez C. et al. Microstructure, hardness and wear resistance at room
and high temperature of Stellite-6/WC-6Co coatings deposited by laser cladding. Int. J.
Advanced Manufacturing Technology, 2024.
107
15. Li T. et al. Extreme high-speed laser material deposition (EHLA) of AISI 4340
steel. Coatings, 2019.
16. Hutasoit N., Brandt M., Yellup J. Evaluation of microstructure and mechanical
properties at the interface of Stellite 6 alloy and AISI 4130 steel formed by laser cladding.
Journal of Materials Engineering and Performance, 2013.
17. Kiehl M. et al. Coaxial laser cladding of cobalt-base alloy Stellite 6: analysis of
process parameters. Dissertation, 2021.
18. Harati E. Microstructural analysis of laser cladding of Stellite 6 on ductile iron.
MSc Thesis. 2014.
19. Bartkowski D., Bartkowska A. Wear resistance in the soil of Stellite-6/WC
coatings produced using laser cladding method. Int. J. Refractory Metals and Hard
Materials, 2017.
20. Xia K. et al. Effect of Y₂O₃ content on microstructure and wear resistance of
Stellite-6 laser cladding coatings on high-speed steel. Processes, 2024.
21. Gradzik A. et al. Influence of high-temperature substrate preheating on laser
cladding of Stellite 6 + WC coatings. Materials, 2025.
22. Cui B. et al. Research progress in and defect improvement measures for laser
cladding composite coatings. Materials, 2025.
23. Raja D. et al. A study on laser cladding of Stellite 6 by conventional and pulsed
modes. Optik, 2025.
24. Le Toan T. et al. Evaluation of the mechanical properties and the corrosion
resistance of the cobalt-base alloy Stellite 6 on 1045 steel by laser cladding. Engineering,
Technology & Applied Science Research, 2025.
25. So H. Wear behaviour of laser-clad Stellite alloy 6 rubbed with AISI 4140 and
4340 steels. Wear, 1996.
26. Brandt M. et al. Laser cladding repair of turbine blades in power plants: from
research to commercialisation. International Heat Treatment and Surface Engineering,
2009.
27. Eboo G.M., Strutt J.E. Laser cladding of gas turbine components. In: ASME
Turbo Expo, 1986.
108
28. Chen C. et al. Laser cladding in repair of IN738 turbine blades. Surface
Engineering, 2008.
29. Tukov S. et al. Development of a laser cladding technology for repairing first-
stage high-pressure turbine blades in gas turbine engines. Metals, 2025.
30. Petrat T. et al. Laser metal deposition as repair technology for a gas turbine
burner of Inconel 718. Procedia CIRP, 2016.
31. Sun S. et al. Microstructure and mechanical properties of laser cladding repair
of AISI 4340 steel. In: Proceedings of the 28th International Congress of the Aeronautical
Sciences, 2012.
32. Aditya Y.N. et al. Laser cladding of ultra-high strength AerMet-100 alloy
powder on AISI 4340 steel for repair and refurbishment. Materials Science in
Semiconductor Processing, 2021.
33. Pasarkar A., Sethuraman B. Development on fatigue testing of hardfaced
components in sodium cooled fast reactors. Engineering Failure Analysis, 2022.
34. Nellian A.S. et al. Laser metal deposition characterization study of Stellite 6 on
R350HT rail steel. Surface Engineering, 2023.
35. Karmakar D.P. et al. Investigation of wear and corrosion characteristics of
Stellite-6 and Stellite-21 layers deposited by co-axial laser cladding. In: ASME MSEC
Proceedings, 2017.
36. Melnyk V.L. Обґрунтування режимів нанесення покриттів стійких до
абразивного зносу. Кваліфікаційна робота магістра. Житомирська політехніка,
2020.
37. Навозняк Р.П. Дослідження технології лазерного наплавлення
зносостійких покриттів. Магістерська кваліфікаційна робота. ТНТУ, 2022.
38. Кіндрачук М.В. Хімічна корозія та захист металів: навчальний посібник.
Київ: НТУУ «КПІ», 2010.
39. Ковальчук Ю.О., Пушка О.С., Войтік А.В. Застосування легуючих
матеріалів та поглинаючих покриттів при лазерному зміцненні деталей
автомобільного транспорту. Сільськогосподарські машини, 2023, вип. 49, с. 99–
104.
109
40. Bernatskyi A. et al. Development of a laser cladding head for agricultural
machinery tools. Сільськогосподарське машинобудування, 2023.
41. Lupoi R. et al. Hardfacing steel with nanostructured coatings of Stellite-6
deposited by supersonic laser deposition. Light: Science & Applications, 2012.
42. Zhang W. et al. Microstructure and corrosion-wear behaviors for laser cladding
Inconel 625 coatings with different heat treatments. Results in Surfaces and Interfaces,
2023.
43. Engström H. Theoretical and Practical Aspects of Laser Cladding. Licentiate
thesis, Luleå University of Technology, 1996.
44. Kusmoko A. Measuring dilution and wear for laser cladding of Stellite 6 on P91
and P22 steels using Nd:YAG laser. MATEC Web of Conferences, 2016.
45. Wang K. et al. Research and progress of laser cladding on engineering alloys: a
review. Coatings, 2022.
46. Zhu L. et al. Recent research and development status of laser cladding: a review.
Optics & Laser Technology, 2021.
47. John M. et al. Laser cladding-based surface modification of carbon steel: a
review. Coatings, 2022.
48. Alam M.S. et al. A critical review of laser cladding on AISI 1045 steel. AIP
Conference Proceedings, 2023.
49. Navas C. et al. Tribological properties of laser clad Stellite 6 coatings on steel.
Surface Engineering, 2006.
50. Vilar R. Laser cladding. Journal of Laser Applications, 1999.
51. Методичні рекомендації до підготовки кваліфікаційної роботи для
здобувачів освітнього ступеня «магістр» зі спеціальності 131 Прикладна механіка
усіх форм навчання [Електронний ресурс] / [упоряд.: Г.В. Канашевич, Є.Я. Губар,
О.О. Коваленко, Є.В. Хижняк ; М-во освіти і науки України, Черкас. держ. технол.
ун-т. – Черкаси : ЧДТУ, 2023. – 34 с.
110