Tribotechnické listy

 

 

Navařování korozně odolných vrstev laserovým paprskem

V této práci je sledována závislost parametrů laserového navařování na korozní chování povrchu. Navařeny byly práškové materiály Inconel 625 a austenitická ocel Metco 41C na ocelovou matrici. Bylo ověřené, že stupeň promíchání (dilution) má na korozní odolnost zásadní vliv a promíchání musí být minimalizováno. Ke změnám chemického složení vrstvy však dochází i v průběhu navařování, což souvisí s růstem teploty substrátu. Je optimalizován postup navaření pro dosažení maximální korozní odolnosti, výsledky jsou ověřeny a korelovány pomocí mikroskopie, chemické analýzy a korozních zkoušek.

 

Povrch můžeme považovat za nejdůležitější místo každé součásti. Oproti zbylému objemu je to místo, kde dochází k otěru, na povrchu iniciuje většina trhlin, zde začíná koroze. Zatímco atomy uvnitř materiálu mají symetrické okolí  a vazby se sousedními atomy, na povrchu jsou atomy vázány jen směrem dovnitř. Asi nejsilnějším konkurentem laserového navařování jsou plazmové a žárové nástřiky (HVOF). Zásadní rozdíly vyplývají z principů zmíněných technologií. Laserové návary jsou metalurgicky propojeny s podkladem, tzn. dosahujeme zde určité míry promíšení podkladového a přídavného materiálu. Tím je zajištěna vysoká míra přilnavosti. Vrstvy nanesené metodou HVOF promíšení nevykazují, dochází pouze k částečnému difuznímu propojení obou materiálů. Výhodou této technologie je, že poskytuje na rozdíl od všech ostatních metod žárových nástřiků povlaky v tlakovém pnutí. Plazma transfer arc patří mezi nejčastěji používané technologie navařování. I poměrně vysoká výkonová hustota však vede k ovlivnění navařovaného povrchu v hloubkách několika milimetrů. Při laserovém navařování působí energie laserového svazku i v okamžiku přilnutí roztaveného prášku k podkladu. Vytvářejí se tak celistvé vrstvy s prakticky nulovou pórovitostí. Naproti tomu HVOF nástřiky jsou vysoce porézní a ztrácí funkci korozní ochrany. Po dopadu nataveného prášku na deponovaný povrch totiž není přiváděna energie, která by umožnila dokonalé propojení jednotlivých natavených zrn s podkladem. Často se provádí následné přetavení pro odstranění pórů, což ovšem technologii prodražuje a zdržuje.
Během posledních čtyř let klesla cena laserového navařování na polovinu a je stále častěji aplikována v praxi. Promíchání roste s rostoucí teplotou tavné lázně. V souvislosti s tím se mění struktura návaru, tvrdost vrstvy, otěruvzdornost  i korozní odolnost. Za hlavní faktor ovlivňující stupeň promíchání je považován výkon laseru. Právě stupeň promíchání je klíčem k dosažení krozní odolnosti, jak vyplývá z výsledků v tomto příspěvku.

V experimentech popsaných v tomto článku je jako substrát použitý ocelový plech S355 s tloušťkou stěny 20 mm a navařenou plochou o rozměrech 200 x 200 mm. Pro experimenty byly použity práškové materiály běžně používané pro korozní prostředí - Inconel 625 a austenitická ocel Metco 41C. Korozní odolnost navařených vrstev je srovnávána s ocelí 316L a s ocelí 316L opatřenou vrstvou tvrdého chromu. Zkouška byla provedena v solné komoře na Západočeské univerzitě v  Plzni. Materiál byl vystaven solné mlze po dobu 48 h při teplotě 35 °C. Základním parametrem je stupeň promíchání navařovaného prášku s podkladovou matricí. Promíchání je definováno jako poměr výšky navařeného prášku nad původní povrch vůči celkové výšce (přetavená matrice + návar nad povrchem). Pokud bude navařená vrstva bez promíchání, je promíchání 0 %, pokud bude navařená výška stejná jako hloubka přetavení, bude promíchání 50 %. Pro experimenty byl používán diodový laser o výkonu 5,5 kW. Stopa paprsku je čtvercová s rozměrem 5 x 5 mm. V prvním experimetu byly navařeny s vysokým stupněm promíchání okolo 50 % z niklové slitiny Inconel 625 (značeny In1) a austenitické oceli Metco 41C (dale značeny M1). Po odladění parametrů navařování byly připraveny finální vzorky s minimálním promícháním In2 a M2 do 5 %.
Z makrosnímků příčných řezů je vidět větší promíchání u vzorků In1 a M1 z první série. O promíchání rozhodovalo množství přivedeného prášku. Vzorky s větším promícháním (In1 a M1) měly tenší vrstvu a méně podávaného prášku. Energie laserového paprsku se tedy více přerozdělila do základního materiálu než u druhé série vzorků, obr. 1.



Díky vysokému stupni promíšení byl u niklového vzorku In1 obsah železa až kolem 46 %, zatímco výchozí prášek obsahoval pouze 0,75 % Fe. Ve vzorcích s minimálním promíšením (In2) vzrostl obsah pouze nepatrně na 1,36 %, viz. tab. 1.

 

Také u ocelového prášku došlo při větším promíchání  k obohacení vrstvy o železo na úkor ostatních legur, jejichž podíl se snížil. Na počátku navařování byl  podkladový materiál studený, energie laserového paprsku je rozdělena částečně do prášku a částečně do navařovaného povrchu. Tím je promíchání menší než u následujících housenek což se projevuje menším podílem některých prvků, především železa, viz tab. 2.

 

Největší promíchání je ve středu desky. Také s postupem doby navařování se předehřívá  vzorek a původní parametry vedou k vyššímu stupni  promíchání. Výsledkem je rostoucí podíl promíchání a ztráta korozní odolnosti, jak dokládá obr. 2 pro oba typy materiálů po vyndání z komory po korozních zkouškách. V levé části navařované desky (označeno start) je koroze minimální, naopak na konci navařování (ozn. end) je koroze již velmi zřetelná. Při bližší analýze tuhý roztok niklové slitiny obsahuje martenzitické oblasti bohaté na železo, obr. 2. Koroze začíná v mezihousenkových oblastech na překryvu sousedících housenek, kudy je nejvíce promícháno železo z podkladové desky (obr. 3).




Mikrostrukturní analýza také potvrdila, že se v niklové vrstvě (s austenitickou mřížkou) objevují martenzitické oblasti bohaté na železo, obr. 3 vlevo. Chemické leptání používané pro optickou metalografii také zvýrazňuje chemické heterogenity. Na překryvu dvou sousedních housenek při velkém promíchání u vzorku In1 je patrné promíchání s podkladovým materiálem ovlivňující dendritickou stavbu vrstvy,  obr. 3 vpravo.
Promíchání potvrzují take průběhy tvrdosti na příčném řezu návarem např. u návaru M1, obr. 4. Kladné hodnoty na ose x vyznačují výšku vrstvy, záporné hodnoty naopak vedou pod původní povrch do tepelně ovlivněné oblasti (HAZ). Na obr. 4 je tedy v levé části HAZ, v prvé části vyšší tvrdosti odpovídají návaru. Je jednoznačně vidět nižší tvrdost HAZ na konci navařování (end - corrosion) oproti začátku (start - no corrosion) a středu desky. HAZ na začátku navařování má tvrdost vyšší asi o 70 HV, což je způsobeno rychlejším odvodem tepla do studeného podkladu. Tvrdost návaru je na začátku a konci desky zhruba shodná kolem 400 HV. Rozdíly jsou z části způsobné chemickou heterogenitou. Oproti tomu je návar ve středu desky o přibližně 70 Hv měkčí, protože z této oblasti návaru je teplo odváděno nejpomaleji - je obklopeno okolním návarem. Proběhlé korozní zkoušky v solné komoře na vzorcích s minimálním stupněm promíšení a optimalizovanými parametry navařování nevykazují stopy koroze ani po několikadenní exploataci a jsou k prostředí rezistentní.
Byly nalezeny a optimalizovány parametry navařování korozivzdorných vrstev austenitické oceli Metco 41C a niklové slitiny Inconel 625. Výsledné korozní zkoušky prokázaly dostatečnou korozní odolnost srovnatelnou s tvářenými materiály 316L a chromovaným povrchem. Podmínkou je maximální promíšení do cca 5 %. Nad touto hranicí se vrstva obohacuje o železo ze základového materiálu a oxiduje. Další vliv hraje i teplota navařovaného povrchu. Na relativně malém vzorku je každá další stopa navařena na teplejší substrát než u předchozí stopy. Následkem toho se u několika prvních stop liší jak geometrie návaru, tak obsah železa. Po určité době se proces ustálí a obsah železa přestane kolísat. Tvrdost HAZ se bude lišit v závislosti na aktuální teplotě navařované součásti. Velkou roli tedy sehrává konkrétní aplikace navařování - tloušťka stěny a masivnost kusu. Laserové navařování je tedy možné použít jako alternativní postup ke chromování nebo navařování protikorozních vrstev konvenčními technologiemi.

 


Text: Stanislav Němeček, Pavla Fišerová

 

 

Späť

 

Pridať komentár

* :
* :
* :
1 + 2 =
Odoslanie formulára

TriboTechnika 4/2019

TriboTechnika_4_2019 by TechPark Vydavatelstvo on Scribd