RTU Research Information System
Latviešu English

Publikācija: Laser Cladded Surface Hardening Coating with Gradient of Mechanical Properties

Publication Type Doctoral Thesis
Funding for basic activity State funding for education
Defending: 15.07.2020 13:00, Rīgas Tehniskās universitātes Mašīnzinību, transporta un aeronautikas fakultātē, Ķīpsalas ielā 6B, 402. auditorijā.
Publication language Latvian (lv)
Title in original language Lāzeruzkausēts virsmu nocietinošs vienslāņa pārklājums ar mehānisko īpašību gradientu
Title in English Laser Cladded Surface Hardening Coating with Gradient of Mechanical Properties
Field of research 2. Engineering and technology
Sub-field of research 2.3 Mechanical engineering
Research platform Materials, Processes, and Technologies
Authors Sergejs Ločs
Keywords Lāzeruzkausēšana, ātrgriezējtērauds, virsmu nocietinošs pārklājums, mehānisko īpašību gradients
Abstract Promocijas darbs “Lāzeruzkausēts virsmu nocietinošs vienslāņa pārklājums ar mehānisko īpašību gradientu” ir veltīts lāzeruzkausēšanas procesa izpētei kvalitatīva virsmas nocietinoša pārklājuma iegūšanai, kurš var tikt izmantots gan mašīnu elementu, gan spiedienapstrādes tehnoloģiskā aprīkojuma virsmu nocietināšanai un atjaunošanai. Promocijas darba mērķis ir izpētīt lāzeruzkausēta vienslāņa virsmu nocietinoša pārklājuma izveides iespēju ar mehānisko īpašību gradientu virzienā pa normāli no virsmas uz pamatmateriālu, lai paaugstinātu pārklājumu plaisizturību un attiecīgi pagarinātu metālizstrādājumu darbspēju mašīnu elementu un instrumentu izgatavošanā un atjaunošanā. Promocijas darbs sastāv no ievada, literatūras analīzes daļas, pētījuma metožu, tehnisko līdzekļu un izejmateriālu apraksta, kā arī eksperimentāli-analītiskām daļām. Pirmajā nodaļā veikta literatūras analīze, kur izskatītas lāzeruzkausēšanas tehnoloģijas un progresīvu pārklājumu ar īpašību gradientu izveides koncepcijas. Izanalizēta esošā situācija virsmas nocietinošo un nodilumizturīgo pārklājumu lāzeruzkausēšanā, tajā skaitā ziņas par lāzeruzkausēšanas procesa parametriem, kā arī sniegta aktuāla informācija par sasniedzamām pārklājumu īpašībām, pārklājuma kvalitātes raksturojumiem un raksturīgākiem defektiem. Otrajā nodaļā izklāstīta informācija par pētījumu metodiku, izmantoto aprīkojumu, metodēm un materiāliem. Darbā padziļināti tika pētīta lāzeruzkausēto valnīšu un pārklājumu metālogrāfija, pārklājumu šķērsgriezumu morfoloģija, ķīmiskais sastāvs, kā arī mehāniskās un tribotehniskās īpašības. Trešajā nodaļā apskatīta ar ātrgriezējtēraudu (AISI M2) atsevišķi lāzeruzkausēta valnīša ar zobenveida caurkausējumu kvalitātes raksturlielumu (formas ģeometriskie parametri, porainība, karbīdus veidojošo elementu daudzums uzkausētajā slānī) formēšanas apstākļu eksperimentālā izpēte atkarībā no procesa tehnoloģiskiem parametriem (uzkausēšanas ātrums un lāzera stara defokusēšana). Ceturtajā nodaļā apskatīta lāzeruzkausēšanas procesa režīmu ietekmes eksperimentālā izpēte uz ātrgriezējtērauda (AISI M2) pārklājumu ar zobenveida caurkausējumiem kvalitātes raksturlielumiem (biezumu, caurkausējuma dziļumu, karbīdus veidojošo elementu daudzumu uzkausētajā slānī), morfoloģiju un mehānisko īpašību (mikrocietības) izmaiņu sistēmā “pārklājums-pamatne”. Piektajā nodaļā ir sniegta lāzeruzkausēšanas procesa parametru (pārklāšanas pakāpe, uzkausēšanas ātrums un lāzera stara defokusēšanas virziens) un anizotropiskās struktūras ietekmes eksperimentālā izpēte uz ātrgriezējtērauda pārklājumu virsmas īpašībām (cietība un berzes koeficients) pēc mehāniskās apstrādes. Sestajā nodaļā ir apskatīts eksperimentālais pētījums, kurā tiek veikta atšķirīgi lāzeruzkausēto ātrgriezējtērauda pārklājumu salīdzinošā analīze, lietojot tradicionālo un jauno lāzeruzkausēšanas metodes. Veikto pētījumu rezultātā noteikti jaunas lāzeruzkausēšanas metodes režīmu apgabali atsevišķa valnīša un pārklājuma uzkausēšanai ar pamatmateriāla zobenveida caurkausējumu. Rezultāti apkopoti attēlos, tabulās un grafikos. Regresijas analīzes pamatā iegūti lāzeruzkausēšanas procesa empīriskie modeļi, kurus var izmantot uzkausēta valnīša un pārklājuma kvalitātes raksturojumu vērtību prognozēšanai. Promocijas darbā izstrādāta jauna lāzeruzkausēšanas metode (attiecībā uz izgudrojumu tika iesniegts Latvijas patenta pieteikums P–19–84, 30.12.2019.), kas ļauj izveidot vienslāņa virsmas nocietinošos pārklājumus ar uzlabotām īpašībām pārklājuma un pamatmateriāla pārejas zonā, kas var labvēlīgi ietekmēt paliekošo spriegumu pārdalīšanu, it sevišķi lietojot materiālus ar atšķirīgiem termiskās izplešanās koeficientiem. Tādējādi šī metode ļauj izslēgt starpslāņu uzklāšanas nepieciešamību nevienveidīgu tēraudu uzkausēšanā. Līdz ar to, tas var veicināt izstrādājumu nogurumizturības palielināšanu, kā arī ilgizturības paaugstināšanu termocikliskuma apstākļos. Promocijas darba pamatā izstrādāta pārklājumu ar zobenveida caurkausējumu lāzeruzkausēšanas tehnoloģiskā instrukcija spiedienapstrādes aprīkojuma virsmu nocietināšanai un atjaunošanai. Darba noslēgumā ir sniegtas ziņas par atjaunoto detaļu ar jaunas lāzeruzkausēšanas metodes pārklājumu ražošanas izmēģinājumiem Latvijā un Baltkrievijā, un rezultātu aprobāciju, kā arī dots ieskats attiecībā uz šīs metodes attīstības perspektīvu turpmāko pētījumu ietvaros.
Abstract in English The present dissertation “Laser Cladded Surface Hardening Coating with Gradient of Mechanical Properties” is devoted to the research of laser cladding process for obtaining high quality surface hardening coating, which can be used for hardening and refurbishment of both machine elements and pressure processing technological equipment. The aim of the research was to investigate the possibility of creating a laser cladded single layer surface hardening coating with a gradient of mechanical properties in the normal direction from the surface to the base material, which would allow increasing the crack resistance of the cladded coating and consequently extend the workability of product in manufacturing and refurbishment of machine elements and tools. The present dissertation contains an introduction, a literature analysis part, a description of research methods, a description of technical facilities and materials, and experimental-analytical parts. Chapter 1 covers literature analysis of laser cladding technologies and concepts for the development of advanced coatings with gradient of properties. The current situation in laser cladding of surface hardening and wear resistant coatings is analysed, including information on the parameters of the laser cladding process, as well as current information on achievable coating properties, coating quality characteristics and typical defects. Chapter 2 provides information on the research methodology, equipment, methods and materials. In this paper, metallography of laser cladded beads and coatings was investigated in detail, as well as the morphology, chemical composition, and mechanical and tribo-technical properties of coatings. Chapter 3 describes the experimental research on forming conditions of the laser cladded high-speed steel (AISI M2) single beads with a keyhole in penetration quality characteristics (shape geometry, porosity and amount of carbide-forming elements) in respect to the technological parameters (cladding speed and laser beam defocusing) of the process. In chapter 4 the experimental research of the influence of laser cladding process regimes on the quality characteristics (thickness, depth of penetration, amount of carbide forming elements in the facing layer), morphology and change in mechanical properties (microhardness) in coating-substrate system of high-speed steel (AISI M2) coatings with keyhole in penetration is reviewed. In chapter 5 experimental study of laser cladding process parameters (overlap ratio, cladding speed and laser beam defocusing direction) and anisotropic structure influence on surface properties (hardness and friction coefficient) of high-speed steel coatings after mechanical treatment is described. Chapter 6 describes the experimental study, in which comparative analysis of differently laser cladded high-speed steel coatings using conventional and the new laser cladding method is carried out. As a result of the research, regime frames of the new laser cladding method for deposition of a single bead and a coating with keyhole penetration in to substrate were determined. The results are summarized in figures, tables and graphs. On the basis of regression analysis empirical models of laser cladding process are obtained, which can be used to predict the values of the cladded bead and coating quality characteristics. In the dissertation a new laser cladding method was developed (Latvian patent application P–19–84, date of filing 30.12.2019.), which allows to create single-layer surface hardening coatings with improved properties in the coating and base material transition zone, which may have a positive influence on the residual stress redistribution, especially when using materials with different coefficients of thermal expansion. Thus, this method eliminates the need for interlayer application in the cladding of dissimilar steels. Consequently, it can contribute to increasing the fatigue resistance of items as well as to increasing the durability under thermocyclic conditions. Technological instruction for hardening and refurbishment of surfaces of pressure shaping equipment by laser cladding of coatings with keyhole in penetration was elaborated as the basis for the present dissertation. At the end of the dissertation information about the trial production of the refurbished parts with coatings obtained by new laser cladding method in Latvia and Belarus; and approbation of the results, as well as an insight regarding the development prospects of this method in further research is given.
Reference Ločs, Sergejs. Laser Cladded Surface Hardening Coating with Gradient of Mechanical Properties. PhD Thesis. Rīga: [RTU], 2020. 175 p.
Summary in English Summary in English
ID 31021