XXI. Nemzetközi Gépészeti Találkozó - OGÉT 2013 Termikus szórással készült NiCrBSi rétegek utókezelése lézersugaras újraolvasztással Molnár András PhD hallgató témavezetők: Dr. Balogh András egyetemi docens Dr. Búza Gábor egyetemi tanár 1
Az újraolvasztás célja és értelme CÉL: Olyan alkatrészek gyártása, amelyek kifáradási tulajdonságai megegyeznek és a tribológiai tulajdonságaik jobbak az eredeti alapanyagból készültekénél és a bevonat teljes keresztmetszetében érvényesülnek a megolvasztott bevonat anyagának kedvezőbb tulajdonságai 2
Termikus szórás Eljárások Kis sebességű lángszórás (LV Flame spraying) Nagysebességű lángszórás (HVOF Thermal spraying) Plazmaszórás (Plasma spraying) Hideg szórás (Cold Gas Dynamic spraying) 3
Termikus szórással készült NiCrBSi bevonatok Termikus szórással készült bevonat szerkezete Kissebességű (LV) eljárással készült bevonat Nagysebességű (HVOF) eljárással készült bevonat 4
Termikus szórással készült bevonatok kötésszilárdság és keménység térképe 5
A NiCrBSi anyagú szórt réteg minőségének javítása Hogyan tudom javítani a szórt réteg tulajdonságait A szórási művelet alatt Olyan szórási módszert választok, amely nagyobb kötésszilárdságú és tömörebb réteget ad: plazmaszórás, nagysebességű szórás, robbantó szórás, esetleg kombinált eljárás (nagysebességű robbantó szórás), hideg szórás (CGS). A szórt réteg újraolvasztása: a réteg megolvasztása lánggal védőgázas kemencében, vákuum kemencében olvasztás nagyfrekvenciás árammal megolvasztás koncentrált fény-nyalábbal, megolvasztás lézersugárral Melyek ezek előnyei hátrányai 6
Lézersugárral végzett újra olvasztás CO 2 lézer NdYag lézer Dióda lézer (HPDDL) 7
Lézersugárral végzett újra olvasztás 8
Lézersugárral újra olvasztott NiCrBSi bevonat HVOF termikus szórással készült réteg Lézersugárral megolvasztott réteg 9
Milyen hátrányokkal jár a réteg megolvasztása Maradó feszültségek létrejötte A kezelt alkatrész beépítési méretei megváltoznak (deformáció) Az alapfém hőkezelési állapota megváltozik, A szórt réteg összetétele megváltozik (ötvözők kiégése, keményfázis csökkenése) A megolvasztott réteg alapanyaggal való felhígulása (keveredése) ezáltal csökken a réteg használhatósága. Hogyan lehet ezeket a hátrányokat mérsékelni 10
A megolvasztott réteg felhígulása (keveredése) az alapfémmel 11
Keménységmérések eredményinek személtetése A mikro-keménységmérés eredményei a szórt rétegben 12
Keménységmérések eredményinek személtetése A mikro-keménységmérés eredményei a megolvasztott rétegben 13
Elektronmikroszkópos (SEM) vizsgálatok Cél: A felhígulás ellenőrzése, az egyes ötvözők kiégése, Pontbeli, vonal-menti és felületi elemzések Nagysebességű (HVOF) szórással készült és lézersugárral megolvasztott réteg SEM elemzése 14
Feltevések (Hipotézisek) 1. hipotézis Az alkatrész, vagy szerszám élettartama azért rövidebb (olykor a felére is csökken az élettartam), mert a bevonat elkészítésekor (szórás, olvasztás) a jelentős hő-bevitel maradó feszültséget idéz elő Alapanyagban (főleg a hőhatás övezetben), Az alapanyag-réteg határ zónájában (keveredési, hígulási övezet), Magában a rétegben. 2. hipotézis A maradó feszültségek - elsősorban húzó feszültségek különösen rontják a fáradási jellemzőket. 3. hipotézis Amennyiben a maradó húzó feszültséget megszüntetjük, vagy nyomó feszültségekké alakítjuk akkor a kifáradási jellemzők javulni fognak 4. hipotézis A NiCrBSi rétegben kialakuló maradó feszültséget célszerű még annak meleg állapotában valamilyen mechanikus módszerrel (pl. görgőzés, sörétszórás), csökkenteni. 15
Feltevések (Hipotézisek) 5. hipotézis Célszerű az megolvasztott bevonattal ellátott munkadarabot eredeti állapotának megfelelő hőkezelési állapotba hozni úgy, hogy a réteg kötése az alapfémhez metallurgiai jellegű (hegesztett) legyen kvázi 0 felhígulás, 0 porozitás és lehetőleg nyomó maradó feszültségek mellet. 6. hipotézis Amennyiben a bevonatban olyan nyomó maradó feszültségek vannak, amelyek az üzemi igénybevétel során keletkező húzófeszültségek következtében 0-ra csökkennek akkor feltehetően optimális lesz az alkatrész kifáradási határa. 7. hipotézis Egy alkatrész gyártása szempontjából nem elegendő a klasszikus technológia alkalmazása, mely szerint: adott hőfokra való előmelegítés, felszórás, a réteg megolvasztása, majd lassú lehűtése. A gyártás során szükséges a maradó feszültségek csökkentésére irányuló valamilyen módszer alkalmazása és az alaptest anyagára jellemző hőkezelés alkalmazása. 8. hipotézis A réteg lézersugaras megolvasztása során alkalmazott lézersugár jelentős kinetikus energiája a réteg alapanyaggal való felhígulását okozza ezt kerülni kell. 16
A maradó feszültségek csökkentése Lézersugár impulzusokkal való kezelés (Laser shock peening) Szemcseszórás (Ball shooting) Hengerlés (Deep rolling) 17
A maradó feszültségek csökkentése utáni fárasztó vizsgálatok eredménye 18
Az eredmények hasznosítása a gyakorlatban Jármű alkatrészek gyártása és javítása Mezőgazdasági alkatrészek gyártása 19
A kutató munka helyei Miskolci Egyetem Pécsi Egyetem Fizikai Tanszék Miskolci Egyetem Anyagtudományi Intézet Coherent Inc. USA Bay Zoltán Anyagtudományi Intézet Böhler Magyarország Kft. GMR Group GmBH. Svájc DVK Kft. MÁV Szolnoki Járműjavító 20
Várható eredmények A NiCrBSi alapú rétegek megolvasztási technológiáinak optimalizálása az eredeti alkatrész élettartamának megtartása, vagy növelése mellett. A réteg alapanyaggal való felkeveredésének minimalizálása, A maradó feszültségek csökkentési lehetőségének kidolgozása a kifáradási jellemzők javítása érdekében. A termikus szórást követő megolvasztási technológia optimalizálása A modellezési és kísérleti eredmények matematikai összefüggésekkel való leírása A kidolgozott technológia alkalmazásának elősegítése 21
Köszönetnyilvánítás A bemutatott kutatómunka a TÁMOP-4.2.2.B-10/1-2010-0008 jelű projekt részeként, az Új Magyarország Fejlesztési Terv keretében, az Európai Unió támogatásával és az Európai Szociális Alap társfinanszírozásával valósul meg. 22
Köszönöm a figyelmet! 23