УДК 621.791.92

Оценка применимости использования технологии лазерной наплавки для синтеза пористых покрытий

Ларин Максим Васильевич – инженер Научно-исследовательской лаборатории «Лазерные и аддитивные технологии», Санкт-Петербургский политехнический университет Петра Великого

Кузнецов Михаил Валерьевич – кандидат технических наук, заведующий Научно-исследовательской лаборатории «Лазерные и аддитивные технологии», Санкт-Петербургский политехнический университет Петра Великого

Проценко Владимир Георгиевич – инженер Научно-исследовательской лаборатории «Лазерные и аддитивные технологии», Санкт-Петербургский политехнический университет Петра Великого

Аннотация: В статье представлен способ получения пористого покрытия из металлического порошка методом лазерной наплавки. Представлен механизм образования пор и влияние технологических параметров процесса лазерной наплавки на их размер. Проведен планируемый эксперимент для установления влияния значимости и характера влияния технологических параметров лазерной наплавки на размер пор.

Ключевые слова: пористое покрытие, имплант, лазерная наплавка, плазменное напыление, аддитивные технологии.

Введение

В современном мире инженерия поверхностей и разработка новых материалов с пористыми структурами приобретают все большее значение в различных отраслях. Они широко используются в аэрокосмической промышленности, авиации, автомобильном производстве, энергетике и медицине. Эти покрытия обладают уникальными свойствами, такими как легкость, высокая прочность и способность обеспечивать эффективную тепло- и звукоизоляцию. В авиационной и аэрокосмической промышленности пористые покрытия используются для создания легких и прочных компонентов, что способствует снижению веса летательных аппаратов и, как следствие, экономии топливных ресурсов. В автомобильной индустрии они могут применяться для улучшения аэродинамических характеристик и защиты поверхностей от коррозии. В энергетической сфере пористые покрытия могут использоваться для оптимизации теплообмена и увеличения эффективности тепловых процессов.

Исходя из вышеперечисленных применений, исследования, направленные на совершенствование методов синтеза пористых покрытий, представляют значительное научное и практическое значение для широкого спектра индустрий и технологических сфер.

На сегодняшний день коммерчески доступной технологией для нанесения пористого покрытия является плазменное напыление (ПН) [1]. Покрытие, полученное таким способом, обладает низкой степенью сцепления с подложкой, кроме того контролирование размера пор является трудной задачей.

Методы 3D-печати применяются для синтеза пористых покрытий. Технология селективного лазерного плавления позволяет производить пористые изделия сложной формы по заданной модели автоматизированного проектирования (CAD) [2–4]. Таким способом можно с высокой точностью контролировать форму и размер пор. Недостатками данной технологии является ограничение размеров изготавливаемой детали, зависящей от объема бункера построения и невозможность нанесения покрытия на заранее изготовленные заготовки. Высокая стоимость оборудования для данной технологии также является недостатком.

В данной работе рассмотрен метод лазерной наплавки (ЛН) для нанесения пористого покрытия. Благодаря образованию сварочной ванны на поверхности подложки с помощью ЛН можно получать прочные покрытия с металлической связью. За счёт прямого подвода материала, технология ЛН позволяет изготавливать крупногабаритные изделия а также наносить покрытия необходимой толщины и формы на заготовки [5,6].

Целью данного исследования является создание пористого покрытия на поверхности подложки с помощью технологии лазерной наплавки и изучение влияния параметров процесса, таких как мощность лазерного излучения, скорости перемещения и расхода порошка на качество формирования пористого покрытия.

Материалы и методы исследования

Для нанесения пористого покрытия был собран макет оборудования для технологии ЛН. Макет состоит из робота Fanuc LR Mate 200iD, лазерного источника IPG YLR300, лазерной головки IPG FLW D30, сопла для подачи порошка Fraunhofer COAX8 и порошкового питателя Huirui. Общий вид макета представлен на рисунке 1. Для получения пористого покрытия использовалась запрограммированная траектория перемещения робота в форме сетки, продемонстрированная в работе [7]. Шаг сетки составлял 0.7 мм.

Рисунок 1. Общий вид макета.

На подложку из сплава ВТ6 наносился порошок из жаропрочного сплава. Химический состав порошка определялся на растровом электронном микроскопе Carl Zeizz Supra 55vp с приставкой для микроанализа Oxford и представлен в таблице 1.

Таблица 1. Химический состав порошка (%).

Si	Cr	Mn	Fe	Ni	Nb	Mo
0,85	18,14	1,36	47,23	26,39	1,43	4,61

 

Гранулометрический состав порошков определялся на приборе измерения размера частиц методом лазерной дифракции – Analysette 22 NanoTec plus (Fritsch GmbH, Германия) и составил d10 = 49 мкм, d50 = 92.7 мкм, d90 = 163.8 мкм. Частицы порошка имели сферическую форму. Фотографии наплавленных образцов анализировались на оптическом микроскопе оптического микроскопе Leica DMi8.

Для исследования влияния параметров ЛН на формирование пористого покрытия использовался планируемый двухуровневый 4-х факторный эксперимент (таблица 2). Мощность лазера варьировалась в диапазоне 40-70 Вт, скорость 8-16 мм/с, расход порошка 0.5-1 % (4-8 г/мин). Фокус лазерного излучения находился на поверхности подложки. Расход подающего газа на питателе и защитный газ были постоянными и составляли 7 и 10 л/мин соответственно. Статистический анализ проводился в ПО OriginPro 2019b.

При программировании роботов Fanuc существует возможность задания степени точности отработки траектории в зависимости от скорости (параметр CNT). Принцип работы этого параметра показан на рисунке 2. При проведении экспериментов параметр CNT варьировался в диапазоне 0-100.

Рисунок 2. Принцип работы параметра CNT.

Таблица 2. Технологические режимы для ЛН.

№	Мощность лазера, Вт	Скорость перемещения, мм/с	CNT	Расход порошка, г/мин
1	40	8	0	0.5
2	70	8	100	0.5
3	40	16	100	0.5
4	70	16	0	0.5
5	40	8	100	1
6	70	8	0	1
7	40	16	0	1
8	70	16	100	1

Для исследования влияния параметров газопорошковой наплавки на формирование пористого покрытия на подложку наплавлялись прямоугольные области размером 25х15 мм, заполненные зигзагообразными линиями. Внешний вид наплавленных областей представлен на рисунке 3.

Рисунок 3. Внешний вид наплавленных покрытий.

Обсуждение результатов

Из-за закона инерции и криволинейной траектории с маленьким (0.7 мм) шагом металлический порошок (40-200 мкм) распылялся неравномерно, что привело к формированию валиков различной ширины (рисунок 4).

Рисунок 4. Фото полученного покрытия (режим № 1).

Снижение параметра CNT положительно влияло на структуру покрытия и формирования пор. Заданная траектория в форме прямоугольного импульса повторялась с высокой точностью, за счёт этого в углах траектории снижалась скорость, что приводило к образованию более широкого валика, который «срастался» с валиком из соседнего ряда. Это хорошо видно на рисунке 5а. Схематично этот механизм показан на рисунке 5б.

а	б
Рисунок 5. Наплавленное покрытие при CNT=0, а – изображение с микроскопа, б – механизм «срастания» валиков.

При анализе планируемого эксперимента в качестве отклика был выбран средний размер пор. Результаты измерений представлены в таблице 3.

Таблица 3. Результаты измерения размера пор.

№ эксперимента	Среднее значение размера поры, мкм
1	422
2	0
3	240
4	412
5	340
6	0
7	594
8	345

При использовании режима №2 и 6, за счёт высокой погонной энергии и низкой скорости подачи порошка, формируемые валики растекались, образуя сплошное покрытие без образования пор. (рисунок 6).

Рисунок 6. Отсутствие пор на режиме № 2.

С помощью регрессионного анализа была определена значимость каждого фактора на размер пор (рисунок 7) и характер влияния каждого фактора. (рисунок 8).

Рисунок 7. Значимость факторов на размер пор.

Рисунок 8. Характер влияния факторов на размер пор.

Заключение

В работе представлен способ получения пористого покрытия из металлического порошка методом лазерной наплавки. Представлен механизм образования пор и влияние технологических параметров процесса лазерной наплавки на их размер. Выявлено, что наибольшую значимость на размер пор оказывает параметр точности исполнения траектории робота – CNT. Для дальнейшего изучения данной темы требуется проведение металлографических исследований и механических испытаний образцов.

Список литературы

1. Odhiambo J.G. et al. Porosity and its significance in plasma-sprayed coatings // Coatings. MDPI, 2019. Vol. 9, № 7. P. 460.
2. Fousová M. et al. Promising characteristics of gradient porosity Ti-6Al-4V alloy prepared by SLM process // J. Mech. Biomed. Mater. Elsevier, 2017. Vol. 69. P. 368–376.
3. Matena J. et al. SLM produced porous titanium implant improvements for enhanced vascularization and osteoblast seeding // Int. J. Mol. Sci. Multidisciplinary Digital Publishing Institute, 2015. Vol. 16, № 4. P. 7478–7492.
4. Wang D. et al. Study on the designing rules and processability of porous structure based on selective laser melting (SLM) // J. Mater. Process. Technol. Elsevier, 2013. Vol. 213, № 10. P. 1734–1742.
5. Ahsan M.N. et al. Porous structures fabrication by continuous and pulsed laser metal deposition for biomedical applications; modelling and experimental investigation // J. Mater. Technol. Elsevier, 2011. Vol. 211, № 4. P. 602–609.
6. Baino F. et al. Bioactive glass coatings fabricated by laser cladding on ceramic acetabular cups: A proof-of-concept study // J. Mater. Sci. Springer, 2017. Vol. 52. P. 9115–9128.
7. Shin T. et al. A laser-aided direct metal tooling technology for artificial joint surface coating // Int. J. Precis. Manuf. Springer, 2017. Vol. 18. P. 233–238.