Investigation of the Effect of Laser Remelting Parameters on the Adhesion Strength of Plasma Coatings to the Substrate

Abstract

У роботі розглянуто особливості формування плазмових покриттів за умови подальшого оплавлення лазерним променем, які, порівняно з плазмовими покриттями без оплавлення, характеризуються підвищеною міцністю зчеплення з основою.
Проблему утворення міцного з’єднання між покриттям і основою вирішено шляхом дослідження адгезійної взаємодії, оскільки саме вона визначає експлуатаційні властивості поверхонь деталей. Визначення кількісних закономірностей та оцінювання фізико-хімічних процесів, що відбуваються в зоні контакту покриття з підкладкою і приводять до досягнення необхідної адгезійної міцності, з метою розроблення теоретично обґрунтованих рекомендацій щодо технології її формування можливе з використанням положень квантової механіки. Обґрунтовано, що мірою міжатомного зчеплення у твердому тілі є енергія зв’язку, яка адекватно описує адгезійну міцність. Розрахунок енергії адгезії виконано на основі енергетичного підходу до оцінювання металевих, ковалентних та іонних зв’язків між атомами основи і покриття. При розгляді окремих атомів і молекул домінуючу роль відіграє обмінна взаємодія, зумовлена енергією, що виникає між розплавленими атомами покриття та атомами металу основи і є визначальною складовою сумарної енергії зв’язку двох силових центрів.
Теоретичні дослідження та отримані експериментальні значення адгезійної міцності дали змогу визначити оптимальні режими лазерної обробки, за яких відбувається повне приварювання плазмового покриття до основи внаслідок повної дисоціації оксидних плівок на підкладці. Максимальне значення міцності зчеплення σзч = 180 МПа (для плазмових покриттів із лазерним оплавленням) досягнуто за мінімальної швидкості лазерного променя 0,8•10⁻³ м/с, діаметра променя в зоні контакту з поверхнею 1•10⁻³ м та коефіцієнта перекриття лазерних доріжок 0,9. За підвищення швидкості лазерного променя до 6•10⁻³ м/с при сталих значеннях діаметра променя та коефіцієнта перекриття лазерних доріжок міцність зчеплення зменшується до σзч = 100 МПа, що пов’язано зі скороченням часу дії лазерного оплавлення.
Досліджено теоретичну модель взаємодії в системі «покриття – основа», аналіз якої дозволяє оцінити процес формування міцного металевого зв’язку, обґрунтувати доцільність застосування покриттів із самофлюсівних порошків сплавів на основі заліза, а також здійснювати прогнозування міцності зчеплення з урахуванням розрахунку енергії адгезії.