BIULETYN WAT VOL. LV, NR 4, 2006 Platerowanie laserowe zaworów wylotowych silnika lotniczego wykonanych ze stali X53CrMnNiN 21-9 ZDZISŁAW BOGDANOWICZ, WOJCIECH NAPADŁEK*, KRZYSZTOF GRZELAK Wojskowa Akademia Techniczna, Wydział Mechaniczny, Katedra Budowy Maszyn, *Katedra Pojazdów Mechanicznych i Transportu, 00-908 Warszawa, ul. S. Kaliskiego 2 Streszczenie. W pracy przedstawiono metodę laserowego napawania stali zaworowej oraz zaworów silnika spalinowego, zbadano morfologię stosowanych proszków do napawania oraz określono podstawowe właściwości użytkowe napawanych warstw. Słowa kluczowe: stal zaworowa X53CrMnNiN 21-9, proszki stellitowe, platerowanie laserowe Symbole UKD: 669.146 1. Wstęp W związku z szybkim rozwojem techniki rośnie zapotrzebowanie na materiały konstrukcyjne, które są stosunkowo tanie, a których właściwości użytkowe są wysokie. W elementach maszyn i urządzeń, w których wymagana jest wysoka jakość warstwy wierzchniej, stosuje się stale relatywnie tanie, w których modyfikuje się jedynie cienką warstwę powierzchniową w taki sposób, aby spełniała wymagane założenia. Do modyfikacji właściwości warstwy wierzchniej, oprócz tradycyjnych technologii takich jak m.in.: obróbka cieplna, cieplno-chemiczna, metody PVD, CVD, metalizacja natryskowa, napawanie itp. Napawanie warstwy wierzchniej może odbywać się różnymi metodami, takimi jak napawanie elektryczne, gazowe, plazmowe bądź laserowe. Do napawania stosuje się różne materiały elektrody otulone, druty proszkowe, druty samoosłonowe i proszki. Do popularnych stopów, wykorzystywanych do napawania, należą stopy na bazie kobaltu, które nazywane są stellitami.
128 Z. Bogdanowicz, W. Napadłek, K. Grzelak W procesie napawania laserowego wykorzystuje się energię wiązki lasera, która stapia materiał dodatkowy w postaci drutów proszkowych lub proszków oraz nadtapia podłoże, tworząc w ten sposób trwałe połączenie metaliczne (metalurgiczne) [1]. W procesie napawania laserowego wykorzystuje się gazy osłonowe do zabezpieczenia ciekłego metalu przed czynnikami zewnętrznymi, jak również jako nośnik materiału dodatkowego (proszku). Często używanymi gazami osłonowymi są Ar, He, CO 2 i ich mieszanki. Do procesu napawania wykorzystuje się lasery stałe Nd:YAG lasery gazowe CO 2 oraz lasery diodowe dużej mocy np. HPDL. Wiązka lasera wytwarzana przez lasery stałe i diodowe może być doprowadzona do głowicy spawalniczej za pomocą światłowodu, a w przypadku laserów gazowych wiązka doprowadzana jest za pomocą zwierciadeł, które muszą być intensywnie chłodzone. Na proces napawania laserowego mają wpływ następujące czynniki: moc wiązki lasera, rozkład ogniska wiązki laserowej, absorpcja promieniowania laserowego napawanych materiałów, prędkość przesuwu, rodzaj i natężenie gazu ochronnego oraz ilość podawanego proszku. Do zalet napawania laserowego można zaliczyć ograniczony wpływ oddziaływania cieplnego wiązki lasera na przedmiot, w wyniku czego uzyskuje się małe naprężenia i odkształcenia spawalnicze. Szybkie odprowadzenie ciepła przez objętość przedmiotu powoduje powstanie bardzo drobnoziarnistej struktury napoiny o dużej czystości metalurgicznej. Dzięki możliwości sterowania procesem możemy ograniczyć udział materiału podłoża w napoinie do ok. 4%, co pozwala na uzyskanie warstwy wierzchniej o określonych właściwościach już w pierwszej warstwie napoiny. Zastosowanie światłowodu w doprowadzaniu wiązki laserowej do głowicy daje możliwość zautomatyzowania i zrobotyzowania procesu spawalniczego. Z uwagi na dość wysoki koszt urządzeń wykorzystywanych w procesie napawania laserowego, jak również wysokie wymagania jakościowe w przygotowaniu powierzchni napawanych, laserowe napawanie stosuje się dla elementów, w których uzyskana warstwa wierzchnia musi spełniać wysokie wymagania jakościowe. Dlatego metoda ta znalazła zastosowanie między innymi w przemyśle samochodowym, energetycznym i lotniczym, w którym niektóre produkowane elementy urządzeń (np. zawory silników spalinowych, łopatki turbin, elementy rurociągów) są narażone na pracę w bardzo ciężkich warunkach termicznych, chemicznych itp. [1-4]. 2. Stellity Stellity są to stopy metali charakteryzujące się dużą zawartością takich składników jak: chrom (do 35%) i wolfram (do 30%). Głównym składnikiem tych stopów jest kobalt (do 65%), który stanowi osnowę. Zawartość węgla z reguły nie przekracza 2%. Dodatkowymi składnikami są: mangan oraz krzem o małym udziale procentowym. Stellity po raz pierwszy zostały opracowane w 1900 roku
Platerowanie laserowe zaworów wylotowych silnika lotniczego... 129 przez Elwooda Haynesa. Warstwy wykonane ze stopów stellitowych odznaczają się dużą odpornością na ścieranie w wysokich temperaturach, aż do 900 C oraz dużą odpornością na działanie korozji w różnych środowiskach, przede wszystkim gazowych, dzięki tworzeniu się złożonych węglików w ilości zależnej od zawartości wolframu i chromu. Zastosowanie stellitów do wytwarzania warstw wierzchnich znalazło miejsce zarówno w produkcji nowych, jak i w regeneracji używanych elementów takich jak: mechanizmy i elementy rozrządów silników spalinowych, wysokoprężna armatura parowa, części robocze maszyn budowlanych, drogowych, rolniczych oraz narzędzi wiertniczych i górniczych, części pomp, ślimaków wytłaczarek tworzyw sztucznych, matryce i stemple do obróbki metali na zimno i na gorąco. Stopy na osnowie kobaltu są jednymi z najdroższych materiałów stosowanych do napawania i natryskiwania cieplnego, ale, pomimo ich wysokiej ceny, są coraz powszechniej stosowane w przemyśle z uwagi na wyjątkowe połączenie odporności na: zużycie w warunkach tarcia, erozję, kawitację, na korozję zarówno w niskich, jak i wysokich temperaturach. Spoiwa stellitowe produkuje się jako elektrody otulone, druty proszkowe, druty samoosłonowe i proszki. Głównymi producentami i dystrybutorami materiałów stellitowych na polskim rynku są m.in.: Castolin-Eutectic Polska, Deloro-Stellite Polska czy Euro-Mat. Podstawowy skład stellitów modyfikowany jest często przez dodanie pierwiastków molibdenu, niklu i żelaza, co powoduje wzrost udarności i stabilność osnowy, a przez dodanie do składu boru i krzemu obniża się temperatura topnienia stopu, co ułatwia nałożenie warstw poprzez natryskiwanie. Przykłady proszków stellitowych przedstawiono w tabeli 1. TABELA1 Skład chemiczny, właściwości i przykłady zastosowań proszków na osnowie kobaltu firmy Castolin Eutectik, stosowanych w napawaniu plazmowym i laserowym Oznaczenie proszku EuTroLoy 16001 EuTroLoy 16006 Skład chemiczny Co+2,5%C+30%Cr+12,5%W Co+1,1%C+28%Cr+4,5%W Właściwości napoiny i przykłady zastosowań TN = 52-56 HRC; odporność na zużycie ścierne, korozję i wysokie temperatury; śruby wytłaczarek tworzyw sztucznych, wały pomp, wirniki i łopatki mieszarek, gumy, zawory TN = ~40 HRC; odporność na korozję i utlenianie w wysokich temperaturach, odporność na ścieranie typu metal-metal; zawory instalacji parowych, olejowych, chemicznych, śruby wytłaczarek tworzyw sztucznych, zawory silników Diesla
130 Z. Bogdanowicz, W. Napadłek, K. Grzelak cd. tabeli 1 EuTroLoy 16008 EuTroLoy 16012 EuTroLoy PG 5218 Co+0,3%C+26%Cr+5,5%Mo+3%Ni Co+1,6%C+29%Cr+8,5%W Co+1,3%C+29%Cr+5%W+1,3%Si TN = 27-30 HRC; odporność na korozję kwasów organicznych i mineralnych, żaroodporność; narzędzia do pracy na gorąco: matryce, ostrza tnące, części pomp i turbin, duże zawory parowe TN = ~46 HRC; duża odporność na korozję i utlenianie, odporność na ścieranie typu metal-metal; śruby wytłaczarek tworzyw sztucznych, zawory w instalacjach parowych TN = 47-50 HRC; odporność na ścieranie typu metal-metal, utlenianie w wysokich temperaturach, odporność na korozję kwasów; części składowe rur i złączek instalacji pary, ropy, wody morskiej i chemikaliów, zawory silników Diesla 3. Badania proszków stellitowych Badaniom poddano dwa proszki stellitowe, 16012 oraz AMI 3901 (odpowiednik stellitu 16006), stosowane powszechnie do napawania przylgni zaworów wydechowych silników spalinowych. Przeanalizowano ich morfologię pod względem mikrobudowy oraz określono skład chemiczny i wielkość ziaren (rys. 1-8). Rys. 1. Widok proszków stellitowych: a) 16012; b) AMI 3901
Platerowanie laserowe zaworów wylotowych silnika lotniczego... 131 Rys. 2. Widok pojedynczych ziaren proszku stellitowego: a) 16012; b) AMI 3901 Rys. 3. Widok defektów ziaren proszku stellitowego: a) 16012; b), c) AMI 3901
132 Z. Bogdanowicz, W. Napadłek, K. Grzelak Rys. 4. Układy dendrytów w poszczególnych ziarnach stellitu: a) 16012; b) AMI 3901; c) powiększenie 2000x; d) powiększenie 10 000x 3.1. Badania mikroskopowe Po analizie mikroskopowej dwóch proszków stellitowych: 16012 i AMI 3901 można stwierdzić, że proszek AMI 3901 jest bardziej drobnoziarnisty niż proszek 16012 (rys. 1). Na zdjęciach możemy zauważyć, że pojedyncze ziarna proszków wykazują wady budowy, odstępstwa od kształtu kulistego (rys. 3). Proszek AMI 3901 wykazuje mniejszą regularność kształtów kulistych, niż proszek 16012, co może być spowodowane technologiczną trudnością wytwarzania proszku o małej ziarnistości (rys. 2). Mikrobudowa pojedynczych cząstek obu proszków jest dendrytyczna (rys. 4). 3.2. Badania składu chemicznego Badanie składu chemicznego przeprowadzono przy użyciu mikroskopu skaningowego Philips XL30. Wyniki badań przedstawiono w formie wykresów zawartości poszczególnych pierwiastków wchodzących w skład proszku (rys. 5 i 6). Skład chemiczny badano dla pojedynczych cząstek, które nie wykazywały defektów budowy, dla wypustek na powierzchni pojedynczych ziaren oraz dla cząstek zniekształconych.
Platerowanie laserowe zaworów wylotowych silnika lotniczego... 133 Rys. 5. Skład chemiczny proszku 16012 Rys. 6. Skład chemiczny proszku AMI 3901
134 Z. Bogdanowicz, W. Napadłek, K. Grzelak 3.3. Badania ziarnistości proszków Badanie ziarnistości opracowano na podstawie pomiarów wielkości ziarna przy użyciu mikroskopu skaningowego, a następnie przeprowadzono analizę statystyczną tych wyników. Średnia wielkość ziaren proszku stellit 16012 wg obliczeń statystycznych wynosi X = 128 µm. Odchylenie standardowe od tej wielkości wynosi s = 40,07 µm. Rozkład wielkości ziaren przebiega wg rozkładu normalnego (rys. 7). Rys. 7. Wykres rozkładu wielkości ziaren proszku stellit 16012 Średnia wielkość ziaren proszku stellit AMI 3901 wg obliczeń statystycznych wynosi X = 46,50 µm. Odchylenie standardowe od tej wielkości wynosi s = 10,84 µm. Rozkład wielkości ziaren przebiega wg rozkładu normalnego (rys. 8). Ziarna zdefektowane badanych proszków były uboższe w swoim składzie chemicznym w kobalt, ale wykazywały zwiększoną zawartość chromu w porównaniu z ziarnami kulistymi, natomiast wypustki i nadlewy na ziarnach przedstawiały pośredni skład chemiczny pomiędzy ziarnami kulistymi a ziarnami zniekształconymi. W składzie proszku AMI 3901 występowały dodatkowo pierwiastki, takie jak żelazo i mangan, których nie stwierdzono w proszku 16012 poprawiają one właściwości napawanych warstw, podwyższając ich udarność i żarowytrzymałość.
Platerowanie laserowe zaworów wylotowych silnika lotniczego... 135 Rys. 8. Wykres rozkładu wielkości ziaren proszku stellit AMI 3901 4. Laserowe platerowanie (napawanie) zaworów wylotowych wykonanych ze stali austenitycznej X53CrMnNiN 21-9 (50H21G9N4) Laserowe platerowanie przeprowadzono na zaworach wylotowych silnika spalinowego przy wykorzystaniu lasera diodowego ROFIN DL 020. Zawory wykonane ze stali austenitycznej X53CrMnNiN 21-9 platerowano (napawano) od strony zewnętrznej grzybka i na przylgni zgodnie z wymogami dokumentacji konstrukcyjnej. Laser ROFIN DL 020 wyposażony był w głowicę z dwoma pakietami diod zasilanych z oddzielnych źródeł prądu, układ sterowania mocą wiązki laserowej oraz układ chłodzenia pakietu diod. Głowicę laserową mocowano na prowadnicy pionowej z układem pozycjonowania sterowanym numerycznie, a zawory w obrotniku na stole obróbczym o dokładności przesuwu 0,2 µm/100 mm (rys. 9a). Stanowisko do platerowania laserowego wyposażone było dodatkowo w układ podawania proszku do miejsca napawanego z płynnie sterowanym natężeniem podawania w zakresie 0,8-25 g/min. Dane techniczne lasera diodowego dużej mocy Rofin DL 020: maksymalna moc wyjściowa wiązki 2500 W, długość fali 808 lub 940 nm, zakres płynnej regulacji mocy wiązki roboczej 100-2500 W, długość ogniska wiązki 82 mm/32 mm, wymiary ogniska wiązki 1,8 6,8 mm/1,8 3,8 mm, zakres gęstości mocy wiązki na powierzchni ogniska 8-365 W/mm 2.
136 Z. Bogdanowicz, W. Napadłek, K. Grzelak W badaniach własnych zawory wylotowe mocowano w uchwycie i platerowano proszkiem stellitowym AMI 3901, wielowarstwowo bez podgrzewania wstępnego przy parametrach podanych w tabeli 2. Parametry laserowego napawania TABELA 2 Moc lasera [KW] Prędkość napawania [m/min] Natężenie podawania proszku [g/min] Grubość napoiny [mm] Szerokość napoiny [mm] 1,2 0,20 5,0 1,0-1,2 6,0 Dodatkowo: natężenie gazu transportującego proszek, argonu 2,0 l/min, natężenie gazu ochronnego, również argonu 6 l/min, średnica dyszy podajnika proszku 1,2 mm, kąt pochylenia dyszy 40, odległość dyszy od jeziorka napawanego materiału 10 mm. Ogólny widok elementów po obróbce laserowej przedstawiono na rysunku 9b, gdzie uwidacznia się regularny kształt napoiny, bardzo mała strefa wpływu ciepła, niepowodująca przegrzewania się materiału. Aby można było uzyskać wymaganą grubość napoiny, łącznie z naddatkami obróbczymi, trzeba było dla zaworu nałożyć Rys. 9. Laserowe platerowanie (napawanie) przylgni zaworów lotniczego silnika spalinowego oraz efekty technologiczne: a) widok ogólny stanowiska laserowego podczas platerowania zaworu; b, c) ogólny widok napawanej przylgni zaworów wylotowych silnika
Platerowanie laserowe zaworów wylotowych silnika lotniczego... 137 kilka warstw. Zawór po platerowaniu laserowym poddano weryfikacji organoleptycznej oraz badaniom rentgenograficznym. Platerowana warstwa nie posiadała żadnych wad, co należy uznać za bardzo korzystny rezultat. Twardość napawanej warstwy wynosiła 42-44 HRC, a rozkład mikrotwardości w głąb warstwy wierzchniej przedstawiono na rysunku 10. Na wykresie tym wyraźnie uwidacznia się układ platerowanych warstw o zróżnicowanej mikrotwardości, świadczący o oddziaływaniu cieplnym kolejno nakładanych warstw (odpuszczanie), co należy uznać za korzystny efekt (łagodne przejście utwardzenia do materiału rodzimego). Największa mikrotwardość występowała przy powierzchni i była równa około 570 HV, a głębokość utwardzenia dla rozpatrywanego przypadku wynosiła 2,6 mm. Mikrostruktura wytworzonej warstwy (rys. 11) cechowała się wysoką drobnoziar- Rys. 10. Rozkład mikrotwardości w głąb platerowanej laserowo warstwy grzybka zaworu Rys. 11. Mikrostruktura platerowanej laserowo warstwy stellitowej na grzybku zaworu
138 Z. Bogdanowicz, W. Napadłek, K. Grzelak nistością, w której nie występowały mikropory typowe dla napawania ręcznego. Strukturę napoiny stanowiły bardzo liczne (udział objętościowy do 90%) płytkowe węgliki w układach dendrytycznych w otoczeniu białych stref dominujących w wolfram. Prezentowana mikrostruktura uwydatnia również cechy mikrobudowy związane z kolejnością nakładania warstw, co wpływa na zróżnicowaną wielkość ziaren na granicy między warstwami. 5. Wnioski 1. Laserowe platerowanie (napawanie) proszkowe jest nowoczesnym zabiegiem technologicznym, pozwalającym uzyskać w napawanych warstwach obrabianych elementów wysokie właściwości użytkowe. 2. Proszek AMI 3901 jest bardziej drobnoziarnisty niż proszek 16012, co sprzyja lepszemu przetopieniu proszku podczas laserowego napawania. Średnia wielkość ziarna proszku 16012 wynosi 128 µm, a proszku AMI 3901 46,5 µm. 3. Wytworzona warstwa wierzchnia grzybków zaworów wylotowych wykonanych ze stali X53CrMnNiN 21-9 poprzez platerowanie laserowe proszkiem AMI 3901 posiadała twardość 42-44 HRC oraz cechowała się wysoką drobnoziarnistością i czystością. Nie występowało również znaczące nagrzewanie obrabianego elementu charakterystyczne przy napawaniu ręcznym czy plazmowym. Artykuł wpłynął do redakcji 24.02.2006 r. Zweryfikowaną wersję po recenzji otrzymano w sierpniu 2006 r. LITERATURA [1] T. BURAKOWSKI, T. WIERZCHOŃ, Inżynieria powierzchni metali, WNT, Warszawa, 1995. [2] Z. BOJAR, W. PRZETAKIEWICZ, H. ZIENCIK, Materiałoznawstwo, t. II. Metaloznawstwo, WAT, Warszawa, 1995. [3] A. KLIMPEL, M. MAZUR, Podręcznik spawalnictwa, Wydawnictwo Politechniki Śląskiej, Gliwice, 2004. [4] A. KLIMPEL, Napawanie i natryskiwanie cieplne, Wydawnictwo Naukowo-Techniczne, Warszawa, 2000. Z. BOGDANOWICZ,W. NAPADŁEK, K. GRZELAK Laser plating of outlet valves of aero-engine made of X53CrMnNiN 21-9 steel Abstract. The paper presents a method of laser pad welding of a valve steel and a combustion engine valves. Morphology of the powders used for plating was examined as well as basic useful properties of the padded layers were determined. Keywords: X53CrMnNiN 21-9 valvular steel, stellit powders, laser plating Universal Decimal Classification: 669.146