PS 06 2017 01 Szwed 15PRZEGLĄD  SPAWALNICTWA Vol. 89 6/2017 Technologia ultraszybkiego napawania laserowego   do nakładania powłok funkcjonalnych Stellite 6   w branży lotniczej  Ultra-High Speed Laser Cladding (UHSLC) technology for Stellite 6 functional coatings deposition in aviation industry Mgr inż. Piotr Koruba, mgr inż. Piotr Jurewicz, dr hab. inż. Jacek Reiner – Politechnika Wrocławska, mgr inż. Adam Dworak,  mgr inż. Janusz Mądry – Polskie Zakłady Lotnicze Mielec. Autor korespondencyjny/Corresponding author: piotr.koruba@pwr.edu.pl Streszczenie Technologia ultraszybkiego napawania laserowego stanowi rozwinięcie metod deponowania powłok funkcjo- nalnych przy użyciu wiązki lasera. Charakteryzuje się ona wysokimi prędkościami procesu, pozwalając uzyskiwać znaczne szybkości chłodzenia oraz niewielkie wymieszanie z podłożem, co prowadzi do dużej czystości materiału po- włoki i lepszych własności nałożonej warstwy w porównaniu z konwencjonalnym napawaniem laserowym. W niniejszym artykule przedstawiono technologię ultraszybkiego napa- wania laserowego w aplikacji dla przemysłu lotniczego. Zaprezentowano opracowane stanowisko do realizacji pro- cesu oraz weryfikację technologii na komponencie podwo- zia samolotu, modyfikowanym w ramach projektu AMpHOra. Uzyskane rezultaty wskazują, że otrzymane tą technologią powłoki mogą stanowić alternatywę względem powłok elek- trolitycznych z twardego chromu. Słowa kluczowe: napawanie laserowe; powłoki funkcjonalne; lotnictwo Abstract Ultra-High-Speed Laser Cladding technology is one of the developments of functional coating deposition meth- ods with usage of laser beam. It is characterized by high cladding velocities, allowing to obtain a significant cooling rates and low dilution, which leads to high purity of the clad and thus increase of properties of the deposited coating in comparison with the conventional laser cladding. In this paper a technology of Ultra-High-Speed Laser Cladding has been shown in case of applications for the aviation indus- try. The developed setup for the process has been presented and verification of the technology on the airplane chas- sis component for AMpHOra project has been discussed. The obtained results shown indicate that the coating re- ceived via this technology may compete with hard chrome plating. Keywords: laser cladding; functional coatings; aviation   Wstęp Od części lotniczych wymaga się wysokich własności mechanicznych, odporności korozyjnej przy zachowaniu niewielkiego ciężaru właściwego komponentu. Wymusza to w wielu wypadkach stosowanie powłok ochronnych, pod- wyższających odporność na zużycie ścierne czy oddziaływa- nie czynników korozyjnych. Powszechnie stosowaną powło- ką jest twardy chrom nakładany elektrolitycznie, który jednak zgodnie z rozporządzeniem Parlamentu Europejskiego nr 1907/2006 (REACH) trafił na listę substancji o ograniczo- nej dystrybucji. Jednym ze sposobów zastąpienia powłoki chromowej jest zastosowanie technologii natryskiwania lub napawania stopów niklu oraz kobaltu z dodatkiem chromu. Piotr Koruba, Piotr Jurewicz, Jacek Reiner, Adam Dworak, Janusz Mądry przeglad Welding Technology Review W przypadku rozpatrywanego w tym artykule stopu Co-Cr-W-C (Stellite 6) wykorzystywanych jest wiele metod nanoszenia powłok tj. natryskiwanie termiczne, plazmowe, HVOF oraz napawanie laserowe. Badania porównawcze przedstawione w pracy [1] pokazują, iż technologia napa- wania laserowego pozwala na uzyskanie powłoki Stellite 6 o największej twardości i odporności na zużycie ścierne w próbie pin-on disc. Napawanie laserowe stanowi jedną z nowoczesnych i wciąż rozwijających się metod wytwarzania powłok funkcjo- nalnych. Pozwala na uzyskiwanie warstw o składzie chemicz- nym i własnościach znacznie różniących się od materiału 16 PRZEGLĄD  SPAWALNICTWA Vol. 89 6/2017 podłoża [2]. Dzięki możliwości wykonywania powłok na- pawanych laserowo o grubości nawet rzędu 50÷100 µm, wysokiej precyzji i niewielkim rozcieńczeniu (5÷10%) [3], technologia ta może stanowić alternatywę do chromowania elektrolitycznego, operacji powszechnej w produkcji części stalowych w branży lotniczej. W przypadku napawania lase- rowego zauważa się jednak negatywny wpływ rozcieńczenia warstwy napawanej przez materiał podłoża na jej własności. Jednym z działań, dzięki któremu można podwyższyć odporność na zużycie ścierne jest wykonanie powłoki kom- pozytowej [5], gdzie Stellite 6 stanowi jedynie osnowę napa- wanej warstwy, natomiast fazą odpowiedzialną za podwyż- szenie własności ściernych jest węglik B4C. Znacznie mniej kosztownym sposobem wpływania na własności warstwy napawanej jest przedstawione w [6] sterowanie rozmiarem mikrostruktury przy pomocy prędkości chłodzenia, na którą wpływa jeden z głównych parametrów procesu tj. prędkość napawania, przy czym istotny jest występujący w materia- le mechanizm umocnienia. W przypadku stopu Stellite 6 zwiększenie prędkości napawania powoduje znaczne roz- drobnienie ziarna [7], co jest spowodowane zmniejszeniem odległości odgałęzień dendrytów drugiego rzędu. Przedstawioną w niniejszej pracy technologię ultra- szybkiego napawania laserowego (UHSLC) należy uznać za rozwinięcie konwencjonalnego napawania laserowego. Po raz pierwszy opisana została ona w pracy [8], gdzie jako materiału dodatkowego użyto stopu Inconel 625. Obecnie ma ona zastosowanie komercyjne, jednakże brak jest wyni- ków badań tego procesu i jego rezultatów. W ramach niniej- szego artykułu przedstawiono wyniki ultraszybkiego napa- wania laserowego do wytwarzania powłok ze stopu Stellite 6. Uzyskane rezultaty wskazują, że UHSLC może stanowić al- ternatywę dla chromowania elektrolitycznego w przypadku komponentów z branży lotniczej. Technologia UHSLC  W przypadku technologii UHSLC główną cechą charakte- rystyczną procesu jest zastosowanie bardzo wysokich pręd- kości względnego ruchu wiązki i przedmiotu napawanego, sięgających nawet 200 m/min [8]. Uzyskanie prawidłowe- go przetopu materiału, przy zmniejszonej energii liniowej, realizowane jest poprzez modyfikację wzajemnego pozy- cjonowania kaustyki strumienia proszku i kaustyki wiązki laserowej, w taki sposób, aby materiał dodatkowy ulegał częściowemu nadtopieniu przed kontaktem z podłożem (rys. 1). Zwiększenie szybkości procesu, poza oczywistym wzrostem wydajności napawania bardzo istotnie wpływa na prędkości chłodzenia nakładanego materiału, co skut- kuje powstawaniem drobniejszej mikrostruktury oraz wzro- stem twardości. Ponadto obserwowane są również mniejsze wartości roz- cieńczenia napoiny sięgające maksymalnie 5%, dzięki cze- mu wzrasta czystość metalurgiczna wytwarzanych powłok. Materiały do badań Wytypowanym elementem do badań procesu UHSLC był uproszczony geometrycznie komponent podwozia samolo- tu w postaci tulei o średnicy zewnętrznej 84 mm, z materiału AISI 4330, wg norm amerykańskich. Jest to stal niskostopo- wa z dodatkiem niklu, chromu oraz wanadu, przeznaczona do ulepszania cieplnego (tabl. I). Rys.  1.  Schemat procesu ultraszybkiego napawania laserowego (UHSLC) Fig. 1. Scheme of Ultra High-Speed Laser Cladding process (UHSLC) Nazwa materiału Skład chemiczny [% wag.] Fe Ni Mn Si Cr Mo C AISI 4330 95,3 ÷98,1 1,0 ÷1,5 ≤ 1,0 ≤ 0,8 0,4 ÷0,6 0,3 ÷0,5 0,2 ÷0,3 Tablica I. Skład chemiczny podłoża – stali AISI 4330 [9] Table  I. The chemical composition of the substrate – steel AISI 4330 [9] Tablica II. Skład chemiczny materiału dodatkowego – proszku Metco- Clad 6F [10] Table II. The chemical composition of additional material – powder MetcoClad 6F [10] Rozpatrywanym materiałem dodatkowym był otrzymy- wany przez atomizację gazową sferoidalny proszek Metco- Clad 6F o składzie chemicznym zbliżonym do stopu Stellite 6 (tabl. II). Oznaczenie 6F wskazuje, że frakcja rozmiaru zia- ren proszku mieści się w zakresie 20÷53 µm. Nazwa materiału Skład chemiczny [% wag.] Co Cr W C Si Fe Inne Metco- Clad 6F 55,0 ÷64,0 26,0 ÷30,0 3,5 ÷5,5 1,0 ÷1,3 1,2 ÷3,0 ≤ 3,0 < 1 Opracowane stanowisko do badań  Stanowisko do ultraszybkiego napawania (UHSLC) opra- cowano jako rozszerzenie zrobotyzowanego stanowiska do napawania laserowego. W jego skład wchodzą następu- jące komponenty (rys. 2): • robot przemysłowy 6-cio osiowy – REIS RV60-40, • tokarka uniwersalna erba Compact 300 (rys. 3), • mikroprocesorowy układ regulacji prędkości obrotowej wrzeciona, • laser półprzewodnikowy Laserline 4000 z głowicą do na- pawania COAXpowerline, • podajnik proszku GTV H-PF2/2. Przewężenie strumienia proszku Jeziorko ciekłego metalu Podłoże Napoina Kierunek obrotu Granica wtopienia 17PRZEGLĄD  SPAWALNICTWA Vol. 89 6/2017 Proces ultraszybkiego napawania na opracowanym sta- nowisku sterowany jest aktualnie poprzez sterownik robota. W pierwszej kolejności zadawana jest prędkość obrotowa wrzeciona tokarki, którą stabilizuje opracowany mikroproce- sorowy układ regulacji. Na podstawie prędkości obrotowej wyznaczana jest prędkość obwodowa elementu napawanego: vobw=πdn/1000 (1) gdzie: vobw – prędkość obwodowa [m/min], d – średnica przedmiotu napawanego [mm], n – prędkość obrotowa wrzeciona [obr/min]. Po osiągnięciu zadanej prędkości obrotowej uruchamia- ny jest najazd głowicy napawającej na pozycję początkową oraz podawanie materiału dodatkowego i gazu osłonowego. Po potwierdzeniu poprawności ustawienia głowicy sterow- nik w trybie automatycznym uruchamia generowanie wiązki laserowej i zaczyna ruch liniowy z zadaną prędkością wzdłuż osi obrotu elementu (oś Z tokarki). Do obliczenia prędkości liniowej głowicy laserowej posłużono się następującym rów- naniem: vlin=((1-o)•dlas•n)/60 (2) gdzie: vlin – prędkość liniowa [mm/s], o – współczynnik nałożenia kolejnych napoin [0-1], dlas – średnica plamki lasera [mm]. Prędkość napawania stanowi wypadkową obu obliczo- nych prędkości, przy czym zwykle vlin<