Influence of laser and TIG cladding methods on microstructure morphology and hardness of Stellite 694 overlay deposited onto DS200+Hf alloy substrate

Wpływ metody napawania laserowego oraz TIG na mikrostrukturę i twardość napoiny Stellite 694 na podłożu z nadstopu DS200+Hf *

Natalia Gancarczyk, Andrzej Gradzik, Barbara Kościelniak, Kamil Gancarczyk, Marek Góral | 28-06-2023

Mechanik nr 07/2023 - Inżynieria materiałowa

ABSTRACT: In this paper the influence of cladding method – laser and TIG – on microstructure and properties of Stellite 694 coatings deposited onto DS200+Hf nickel based alloy substrate is presented. Manual TIG cladding process were carried out using LORCH V24 DC, laser cladding process was carried out using Yb:YAG, TruDisk 1000 TRUMPF. Cobalt alloy – Stellite 694 was used as a filler material. Effect of different cladding methods was examined based on chemical composition and microstructure analysis as well as hardness measurements of the deposited layers.

KEYWORDS: laser cladding, TIG cladding, DS200+Hf alloy, Stellite 694, microstructure, hardness

STRESZCZENIE: W niniejszej pracy prowadzono ocenę morfologii składników fazowych mikrostruktury i właściwości warstwy ochronnej Stellite 694 na podłożu z żarowytrzymałego nadstopu niklu DS200+Hf, wytworzonej w procesach napawania elektrycznego (TIG) i laserowego. Napawanie elektryczne metodą TIG przeprowadzono z użyciem spawarki LORCH V24 DC, natomiast laserowe – za pomocą lasera dyskowego Yb:YAG, TruDisk 1000 firmy TRUMPF. Materiałem dodatkowym był stop kobaltu Stellite 694. Określono stopień oddziaływania źródła ciepła i warunków procesu na skład chemiczny napoiny, jej mikrostrukturę oraz twardość w mikroobszarach.

SŁOWA KLUCZOWE: napawanie laserowe, napawanie TIG, nadstop DS200+Hf, napoina Stellite 694, morfologia mikrostruktury, twardość napoiny

BIBLIOGRAFIA / BIBLIOGRAPHY:

[1] Sieniawski J. „Kryteria i sposoby oceny materiałów na elementy lotniczych silników turbinowych”. Rzeszów: Oficyna Wydawnicza Politechniki Rzeszowskiej (1995).

[2] Falęcki J., Jachimowicz J., Karliński W., Szachnowski W. „Analiza przyczyn zniszczenia łopatek turbiny lotniczej”. Zeszyty Naukowe Politechniki Białostockiej. Mechanika. 25 (2003): 15–23.

[3] Adamiec J., Łyczkowska K. „Przetapianie laserowe i łukiem plazmowym odlewów precyzyjnych ze stopu Inconel 713C”. Przegląd Spawalnictwa. 89, 5 (2017): 11–16, bwmeta1.element.baztech-de895f78-b184-401e-86b0-514245d4a2cc.

[4] Vennard J. “Aircraft Gas Turbine Engines – Operation, Components & Systems (Jet Propulsion)”. Wexford: Wexford College Press (2008).

[5] Reed C.R. “The Superalloys Fundamentals and Applications”. Cambridge: Cambridge University Press (2006).

[6] Tamarin Y. „Protective coatings for turbine blades”. Ohio: ASM International (2002).

[7] Żurek Z.H., Jasiński T. „Identyfikacja zakresu rozrzutu fizycznych parametrów eksploatacyjnych łopatek wirnikaturbiny stopnia WP ze stali X22CrMoV12-1+QT2”. Materiały 20. Konferencji Energetyki i Innowacji dla Energetyki(wrzesień, 2017).

[8] Tobota K., Chmielewski T. „Napawanie laserowe powłokochronnych na powierzchniach roboczych łopatek turbinparowych”. Przegląd Spawalnictwa. 88, 12 (2016): 38–42, bwmeta1.element.baztech-171693d9-babe-4422-a22e-abdbe51edcfd.

[9] Witek L., Bednarz A. „Wpływ prędkości obrotowej naczęstotliwości i postacie drgań własnych łopatki sprężarki silnika lotniczego”. Logistyka. 4 (2015): 6689–6698, bwmeta1.element.baztech-129f7a92-1ebb-4b27-a0a6-05716ad172d6.

[10] Davis J.R. “ASM Specialty Handbook – Nickel, Cobalt and their Alloys”. Ohio: ASM International (2000).

[11] Pandey V.S., Lee C.P., Wadia A.R., Clements J.D. “Patent US 2012/005193: Shrouded turbine blade with contoured platform and axial dovetail” (2012).

[12] Szczepankowski A., Szymczak J. „Uszkodzenia eksploatacyjne lotniczych silników turbinowych (LST)”. Przegląd Spawalnictwa. 86, 10 (2014): 40–44, bwmeta1.element.baztech-5290b97e-7250-4c03-9979-a0d8ca1cdcbe.

[13] Szczepankowski A., Szymczak J. „Identification of operational damages of Air-Turbine Engines using visualdiagnostics”. Solid State Phenomena. 199 (2013): 33–42, https://doi.org/10.4028/www.scientific.net/SSP.199.33.

[14] Gradzik A., Mrówka-Nowotnik G., Nawrocki J., Sieniawski J. „Wpływ warunków procesu napawania laserowego na mikrostrukturę i twardość napoiny Stellite 694 na podłożu z nadstopu niklu Inconel 738LC”. Mechanik.4 (2016): 276–281, http://dx.doi.org/10.17814/mechanik.2016.4.36.

[15] „Poradnik inżyniera. 2 Spawalnictwo”. Pilarczyk J. (ed.). Warszawa: Wydawnictwo WNT (2021).

[16] Toyserkani E., Khajepour A., Corbin S. „Laser Cladding”. Boca Raton: CRC Press LLC (2005).

[17] Klimpel A. „Technologie laserowe – spawanie, napawanie, stopowanie, obróbka cieplna i cięcie”. Gliwice: Wydawnictwo Politechniki Śląskiej (2012).

[18] Ion J.C. „Laser Processing of Engineering Materials”. Oxford: Elsevier (2005).

[19] Nowotny S., Scharek S., Beyer E., Richter K.H. „Laser BeamBuild-Up Welding: Precision in Repair, Surface Cladding,and Direct 3D Metal Deposition”. Journal of Thermal Spray Technology. 16, 3 (2007): 345–348, https://doi.org/10.1007/s11666-007-9028-5.

[20] Hugel H., Graf T. “Laser in der Fertigung. Strahlquellen, Systeme, Fertigungsverfahren 3 Auflage”. GWV Fachverlage GmbH, Springer Vieweg (2014).

[21] Godzimirski J. „Nowe technologie lotniczych silnikówturbinowych”. Prace Instytutu Lotnictwa. 213 (2011): s. 22–36.

[22] Gradzik A., Nawrocki J., Mrówka-Nowotnik G., Sieniawski J. „Napawanie laserowe stopu Stellite 694 na podłożu nadstopu Inconel 738LC – wady napoiny”. Biuletyn Instytutu Spawalnictwa. 61, 4 (2017): 12–15, https://biuletyn.instytutu.spawalnictwa.pl/biuletyn/napawanie-laserowe-stopu-stellite-694-na-podlozu-nadstopu-inconel-738lc-wady-napoiny.

[23] Koruba P., Boratyński T., Jurewicz P., Koenig G., Szaroleta M., Reiner J., Chlebus E., Dworak A. „Projektowanie i analiza zastosowań technologii napawania laserowego dlabranży lotniczej”. Zeszyty Naukowe Politechniki Rzeszowskiej. Mechanika. 35 (2018): 309–321, https://doi.org/ 10.7862/rm.2018.26.

[24] Gradzik A., Gancarczyk K., Mrówka-Nowotnik G., Sieniawski J. „Morfologia mikrostruktury napoiny Stellite 694 napodłożu nadstopu Inconel 713C wytworzonej w procesie napawania laserowego”. Materiały XVII Międzynarodowej Konferencji Naukowej Nowe Technologie i Osiągnięcia w Metalurgii, Inżynierii Materiałowej i Inżynierii Produkcji.Wydawnictwo Wydziału Inżynierii Produkcji i Technologii Materiałów. 56 (2016): 386–395.

[25] Bayraktar E., Hashmi M.S.J. “Comprehensive materials processing. Vol. 6: Welding and bonding technologies”. Amsterdam: Elsevier (2014).

[26] Steen W.M. “Laser material processing”. London: Springer-Verlag (1991).

[27] Szeliga D., Kubiak K., Burbelko A., Motyka M., Sieniawski J.“Modeling of directional solidification of columnar grain structure in CMSX-4 nickel-based superalloy castings”. Journal of Materials Engineering and Performance. 23, 3 (2014): 1088–1095, https://doi.org/10.1007/s11665-013-0820-8.

[28] Martin G.M., Mitonneau A., Mircea A. “Electron traps inbulk and epitaxial GaAs crystals”. Electronics Letters. 13, 7 (1977): 191–193, https://doi.org/10.1049/el:19770140.

[29] El-Batahgry A-M. “Effect of laser welding parameters onfusion zone shape and solidification structure of austenitic stainless steels”. Material Letters. 32 (1997): 155–163, https://doi.org/10.1016/S0167-577X(97)00023-2.

[30] Fernández M.R., García A., Cuetos J.M., González R., Noriega A., Cadenas M. “Effect of actual WC content on the reciprocating wear of a laser cladding NiCrBSi alloy reinforced with WC”. Wear. 324, 15 (2015): 80–89, https://doi.org/10.1016/j.wear.2014.12.021.

[31] Weng Z., Wang A., Wu X., Wang Y., Yang Z. “Wear resistance of diode laser-clad Ni/WC composite coatings at different temperatures”. Surface and Coatings Technology. 304, 21 (2016): 283–292, https://doi.org/10.1016/j.surfcoat.2016.06.081.

DOI: https://doi.org/10.17814/mechanik.2023.7.13

* Artykuł recenzowany