CC BY
162
УДК 539.3
ФОРМИРОВАНИЕ СТРУКТУРЫ И СВОЙСТВ ТИТАНА И ЕГО СПЛАВОВ ПРИ ЛАЗЕРНОЙ ТЕРМИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКЕ
© Е.А. Морозова, В.С. Муратов
Самарский государственный технический университет, г. Самара, Россия, e-mail: muratov@sstu.smr.ru
Ключевые слова: сплавы титана; лазерная обработка; структура; свойства.
Статья посвящена упрочнению технически чистого титана ВТІ-0 и титанового сплава ВТ9 при различных режимах лазерной термической обработки.
При реализации лазерной термической обработки (ЛТО) изменение плотности теплового потока осуществлялось путем использования лазеров с различными плотностями мощности (Р! = 160 Вт и Р2 = 650 Вт) при неизменном диаметре пучка лазера (0 = 5,6 мм). Скорость перемещения лазерного излучения (ЛИ) по поверхности образцов изменялась в диапазоне от 0,83 до 7,0 мм/с.
Характер изменения микротвердости по поверхности титана со скоростью прохода лазерного луча - Ул = = 0,83; 3,7 и 7,0 мм/с при Р = 160 Вт и Р = 650 Вт (приведены соответственно на рис. 1, а, б).
Установлено, что при мощности 160 Вт и указанных скоростях перемещения лазерного луча существенного повышения микротвердости не происходит (см. рис. 1, а). Видно, что при увеличении скорости перемещения ЛИ наблюдается возрастание микротвердости в поверхностных слоях до 2400 МПа. Это объясняется уменьшением объема расплавленного металла и увеличением скорости охлаждения. Максимальное значение микротвердость имеет в центре лазерной дорожки.
Из графиков, приведенных на рис. 1, б, следует, что микротвердость поверхностного слоя в зоне оплавления (ЗО) при Р = 650 Вт и максимальной скорости перемещения лазерного луча составляет Н100 = 57005800 МПа. Отдельные высокие значения микротвердости до 6800-7000 МПа, а также образование на поверхности золотистой пленки не исключает возможности формирования тончайшего слоя нитрида титана в процессе лазерного оплавления. Однако основной расплавленный объем имеет микротвердость Н100 = 32003400 МПа, формируемую при средних режимах обработки. Это указывает на то, что этот слой состоит в основном из а-структуры с увеличенным процентным содержанием азота.
Проведенные металлографические исследования ЗО и зоны термического влияния (ЗТВ) показали, что верхний слой с максимальным значением микротвердости, полученный охлаждением из расплавленного состояния, характеризуется повышенной травимостью. Второй слой отличается слабой травимостью и разным строением. На границе с расплавленным слоем его
структура имеет игольчатое строение мартенсита с микротвердостью в пределах Н100 = 1900-2000 МПа. По мере удаления от расплава игольчатая структура переходит в мелкозернистую а-фазу с микротвердостью Н100 = 1800 МПа. Глубина модифицированного слоя при последующих режимах лазерной обработки составляет 15-30 мкм.
Особенностью структурных превращений титана и его сплавов при обычной термической обработке является интенсивный рост зерен при температуре выше а ^ Р-перехода (см. рис. 2). Приведенные на рис. 2, в данные по изменению зернистости титана после лазерного воздействия с минимальной скоростью иллюстрируют значительное увеличение зернистости (в пределах 100-120 мкм по сравнению с исходными 30-40 мкм). Эффект резкого увеличения размера зерен объясняется процессом их рекристаллизации при больших значениях температур и времени воздействия лазерного излучения. Очевидно, что исследуемый режим лазерной обработки (Ул = 0,33 мм/с) является режимом обычной закалки.
Установлено, что при ЛТО со скоростью 3,7 мм/с и выше достигается мелкозернистая структура. Результаты, приведенные на фотографиях (см. рис. 2), показывают, что при достаточно быстрой скорости охлаждения матрицы размеры зерен практически остаются неизменными (см. рис. 2, б).
Влияние режимов обработки на субструктуру титана изучали рентгеноструктурным методом. Выявлено, что фазовый наклеп и мартенситное превращение р ^ ^ а являются причинами упрочнения титана при лазерном воздействии. Это подтверждается изменением ширины рентгеновских линий.
Проведены исследования поверхностного слоя титанового сплава ВТ9 и выявлены характерные особенности формирования его физико-механических характеристик. Результаты изменения микротвердости поверхности титанового сплава при ЛТО с Р = 650 Вт в зависимости от скорости ЛИ приведены в табл. 1.
Из табл. 1 следует, что с ростом скорости лазерного излучения наблюдается увеличение микротвердости на 2000-2300 МПа в зависимости от условий обработки.
Ширина оьрохст облччечср, мл Ширина дорсжки о&н/Ч*ниЯ, мп
а б
Рис. 1. Изменение микротвердости по поверхности титана со скоростями прохода лазерного луча: Ул = 0,83 (I); Ул = 3,7 (2) и Ул = 7,0 мм/с (3), мощностями излучения Р = 160 Вт (а) и Р = 650 Вт (б )
Рис. 2. Изменение величины зерна до облучения (а, б) и после него (в, г): а - сырой образец; б - предварительный отжиг; в - предварительный отжиг + Ул = 0,83 мм/с; г - предварительный отжиг + Ул = 3,7 мм/с
Таблица 1
Микротвердость поверхности титанового сплава ВТ9 после лазерного облучения в центре лазерной дорожки, МПа
Исходная Микротвердость при скорости лазерного луча, мм/с
микротвердость 0,83 3,7 7,0
2500 4500 4700 4800
Рентгеновский фазовый анализ свидетельствует об отсутствии образования новых фаз. Линия (102) значительно уширяется с увеличением скорости лазерной обработки по сравнению с исходной структурой и
сдвигается, что, вероятно, свидетельствует о пересыщении твердого раствора и образовании мартенситной а'-фазы. Увеличение скорости лазерной обработки приводит к росту количества упрочняющей P-фазы с 9 до 18 %.
Поступила в редакцию 15 апреля 2010 г.
Morozova E.A., Muratov V.S. Formation of structure and properties of titanium and its alloys formation at laser heat treatment.
This article is about technical purity titanium VT1-0 and titanium alloy VT9 hardening at various conditions of laser heat treatment.
Key words: titanium alloys; laser treatment, structure, properties.
