CC BY
16
УДК621.791.957.55: 621.89
ФОРМИРОВАНИЕ УПРОЧНЕННОГО СЛОЯ В ХРОМИСТЫХ СТАЛЯХ ПРИ ОБРАБОТКЕ КОРОТКОИМПУЛЬСНЫМ ЛАЗЕРНЫМ ИЗЛУЧЕНИЕМ
© 2018 В.А. Путилин, А.В. Камашев
Самарский государственный технический университет
Статья поступила в редакцию 25.06.2018
Работа посвящена анализу возможностей упрочнения поверхностного слоя хромистых сталей с использованием короткоимпульсного лазерного излучения. Экспериментально показана возможность использования лазера с наносекундной длительностью импульсов для создания микроскопических областей с заданным концентрационным распределением легирующих элементов по глубине зоны воздействия.
Ключевые слова: короткоимпульсное лазерное воздействие, упрочняющая обработка, хромистые стали, концентрационное распределение легирующих элементов.
Одним из направлений в технологии поверхностной упрочняющей обработки металлов и сплавов является лазерное упрочнение [1-4]. Достоинством этого вида обработки является возможность создавать в поверхностных слоях локальных областей упрочненного материала, обладающих заданным комплексом физико-механических и химических свойств. Использование с этой целью коротких (порядка наносекунд) лазерных импульсов значительно расширяет возможности данного вида обработки, поскольку наряду с чисто термическим воздействием возникает механическое воздействие на обрабатываемый материал. При определенных плотностях мощности излучения воздействия происходит генерация ударных волн высокого давления, что позволяет осуществлять массопе-ренос легирующих элементов вглубь обрабатываемого материала на расстояния, значительно превышающие глубину их проникновения при обычной диффузии.
В более ранних работах [5-6] нами было теоретически доказано, что массоперенос в металлах при воздействии коротких лазерных импульсов осуществляется путем увлечения межузельных атомов фронтом лазерно-индуци-рованной ударной волны. В настоящей работе обосновывается возможность использования этого вида легирования металлов для создания микроскопических областей на поверхности обрабатываемого материала с измененным химическим составом, и обладающим другим набором физико-механических свойств.
Путилин Владислав Алексеевич, старший преподаватель кафедры «Общая физика и физика нефтегазового производства».
Камашев Андрей Владимирович, кандидат технических наук, доцент кафедры «Общая физика и физика нефтегазового производства». E-mail: physics@samgtu.ru
МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДИКА ИССЛЕДОВАНИЯ
Образцы из хромистых сталей ШХ15 9ХС и 9Х14 толщиной 8 мм механически полировали и отжигали при температуре 1200оС в течение двух часов вакууме 1,35*10-2 Па. Приготовленные образцы обрабатывались короткими импульсами излучения рубинового лазера (длина волны излучения Хшл = 0,687 мкм) в режиме модулированной добротности. Длительность импульсов составляла тимп ~ 30 нс. Диаметр пятна излучения на поверхности мишени составлял величину порядка 3,5 мм. Поэтому плотность мощности лазерного излучения оценивалась как I ~ 109Вт/см2. Воз-
J ' max
никновение лазерно-индуцированных ударных волн при таких параметрах импульсного лазерного воздействия было теоретически обосновано и экспериментально изучено авторами работ [1-6]. Механизм возникновения ударной волны в металлической мишени обусловлен импульсом отдачи испаряющегося тонкого (~ 0,1 мкм) поверхностного слоя металла. Давление в такой ударной волне рассчитанное согласно методике, разработанной авторами работы [6] по эмпирической формуле (1):
/ / - ч1""
f> =28,561-—-г х
\2- 1011кВт/см2/
) -OOS6
\0.438мкм/ \0.8нс/
-0.138
(1)
Pmax составило величину порядка 20 ГПа, скорость механического нагружения оценивалось нами как ~107с-1.
Электронно-микроскопические исследования поверхности зоны воздействия, проводились на растровом электронном микроскопе PHILIPS. Затем был проведен послойный по глубине зоны лазерного воздействия микрорентгеноспектраль-ный анализ на установке "SUPERPROB-739".
Машиностроение и машиноведение
ОБСУЖДЕНИЕ ПОЛУЧЕННЫХ РЕЗУЛЬТАТОВ
В результате проведенных исследований обнаружено появление на обрабатываемой поверхности следов эрозии (см. рис. 1).
• // г*-*Р/л
11«! м*4/м СУ-М1
Рис. 1. Электронная растровая микрофотография поверхности никеля с нанесенным слоем меди после короткоимпульсного лазерного воздействия. Увеличение 2000х
На микрофотографии имеются следы эрозии поверхности в результате абляции, свидетельствующих о мощных гидродинамических процессах в зоне лазерного воздействия.
В более ранних работах [5, 6] нами аналитически было получено решение уравнения массо-переноса в ударных волнах.
При определенных допущениях и ограничениях лазерно-индуцированную ударную волну можно считать плоской. Рассмотрим процесс транспорта атомов вещества из поверхностного слоя в обьем полубесконечного твердого тела под действием поля напряжения плоской ударной волны и градиентом температуры.
Зависимости массопереноса с учетом баро-диффузии и термодиффузии можно записать в виде
DT = DQ/kT, (2)
Dp =DV/kT, (3)
где С - концентрация, D -коэффициент массопереноса, Р - давление, Кр1 D - коэффициент баро-диффузии , К*D - коэффициент термодиффузии.
При этом, импульс давления принимался в виде солитона, а тепловая волна описывалась ступенчатой функцией Хевисайда:
Р (х, г) = Р сЬ-2(х - уг - х) /х , (4)
Т(х, г) = т0©(V т.г - х), 0 (5)
где Р - давление, Т - температура, V - скорость распространения ударной волны, хо - полуширина ударного импульса, © - ступенчатая функция Хевисайда.
Исследованиями установлено, что распределение концентрации легирующих элементов и углерода по глубине от поверхности образца на-
поминает характер затухающих колебаний. Период такой «волны концентрации» различных элементов составляет от 60 до 90 мкм. Полагая значение продольной скорости звука для железа и сталей равной 6-103 м/с, то при длительности лазерного импульса т = 30 нс в пересчёте на частоту колебаний, получаем значение порядка 108 Гц, что соответствует границе ультразвуков и гиперзвуковых диапазонов длин волн. Известно, что граница гиперзвуковых и ультразвуковых колебаний соответствует переходу от тепловых колебаний к механическим (т.е. звуковым) колебаниям. Это можно рассматривать как переход от термической активации процесса массопереноса (т.е. диффузии) к безактива-ционному (т.е. сдвиговому) движению атомов. Объект массопереноса в этом случае будет - кооперативно движущаяся сверхструктура атомов (кластер), обладающая всеми признаками макроскопического тела. Причина движения такого образования - макроскопические динамические внешние силы (интенсивные внешние воздействия). Понятно, что при таком движении объект массопереноса (кластер) будет зависеть от макроскопических свойств среды, а именно: от сил вязкого сопротивления.
Характер затухания такой волны должен быть связан со сдвиговой динамической вязкостью металла-матрицы (железа или стали). По уменьшению амплитуды можно определить логарифмический декремент затухания Ь такой концентрационн волны. Из полученных экспериментальных данных следует, что уменьшение амплитуды «волны концентрации» до значения, указанного соответствующим ГОСТом для различных марок сталей происходит примерно через три периода. Пользуясь известной зависимостью: Ь = рТ = 1/Ы, (6)
где р - коэффициент затухания, Т - период колебаний, N - число колебаний, когда амплитуда колебаний уменьшается в е раз, можно вычислить основные вязкие свойства среды.
Отсюда
в
1
N1
(7)
Так, используя зкспериментальные данные т.е. N = 3 и Т = //сзв = 6*10-5/6*103 = 10-8 с можно определить коэффициент затухания р, который при указанных данных будет равен р = 0,33*108с-1.
По коэффициенту затухания можно определить коэффициент сопротивления движению точечного дефекта
Я = 2тр, (8)
где т - масса межузельного атома (т ~ 10-26 кг).
Сила сопротивления пропорциональна скорости движения дефекта. Если считать, что сопротивление вызвано сдвиговой вязкостью, то используя закон внутреннего трения Ньютона,
а также выражение (7), можно приближенно записать
2 ЛПсде
ß
Т "pel
(9)
где Псдв - коэффициент динамической сдвиговой вязкости среды. Тогда из экспериментальных данных можно определить этот коэффициент как
п ~ . (10)
2е
Из полученных экспериментальных данных он имеет порядок величины ~ 150 Па-с.
Коэффициент кинематической сдвиговой вязкости (фактически коэффициент массопере-носа при сдвиговых процессах) Усдв = "Лсдв/р для железа и сталей на основании полученных экспериментальных данных ~ 0,02 м2/с.
ВЫВОДЫ
1. На основании данного исследования, а также теоретических исследований, проведенных ранее, установлено, что массоперенос в металлах при короткоимпульсном лазерном воздействии осуществляется путем увлечения межузельных атомов в поле лазерно-инду-цированной ударной волны. Об образовании ударных волн свидетельствует появление на обрабатываемой поверхности следов мощных гидродинамических процессов.
2. Одной из возможных причин ускоренного массопереноса является каналирование поверхностных слоев обрабатываемого материала и создание условий для экструзирования расплавленного легирующего материала вглубь образца.
3. Продемонстрирована техническая возможность создания в приповерхностных областях обрабатываемого материала слоев с из-
мененным содержанием элементов, а также чередования слоев с повышенным и пониженным содержанием легирующего материала.
4. Массоперенос углерода и легирующих элементов по глубине зоны лазерного воздействия при прохождении лазерно-индуцированной ударной волны носит характер затухающих колебаний концентрации.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Криштал М.А., Жуков А.А., Кокора А.Н. Структура и свойства сплавов, обработанных излучением лазера. М.: Металлургия. 1973. 192 с. 2 Рыкалин Н.Н., Углов А.А., Зуев И.В., Кокора А.Н. Лазерная и электронно-лучевая обработка материалов. Справочник. М.: Машиностроение. 1985. 496 с.
3. Гуреев Д.М., Ямщиков С.В. Основы физики лазеров и лазерной обработки материалов. Самара: Изд. Самарского университета, 2001. 392 с.
4. Путилин В.А., Камашев А.В. Анализ кинетического уравнения массопереноса, инициируемого короткими импульсами лазера // Письма в ЖТФ,
1997, Т.23, В.5, С.84-87.
5. Динамика межузельного атома в поле плоской лазерно-индуцированной ударной волны / В.А. Путилин, А.М. Штеренберг, А.В., А.И. Крестелев // Вестник СамГТУ, 2000, №9, С.190-191. Камашев
6. Лебо А.И., Лебо И.Г., Батани Дж. Зависимость давления в сжатом конденсированном веществе от параметров мощных лазерных импульсов // Квантовая электроника. 2008. Т. 38. № 8, С. 749754.
7. Яковлев М.А. Особенности взаимодействия пико-секундных лазерных импульсов средней мощности с конденсированным веществом // Квантовая электроника. 2009. Т. 39. № 1, С. 442-448.
8. ГОСТ 5632-72 Стали высоколегированные и сплавы коррозионно-стойкие, жаростойкие и жаропрочные.
9. Физическая энциклопедия в 5-ти томах [под ред. А.М.Прохорова], М.: Российская энциклопедия,
1998.
FORMATION OF SURFACE OF CR-STEELS UNDER APPLICATION OF SHORT PALSE LASER
© 2018 V.A. Putilin, A.V. Kamashev
Samara State Technical University
The work is devoted to the analysis of surface alloying of metals and alloys using short pulse laser radiation. Experimentally the possibility of using nanosecond laser pulse duration to create microscopic fields with the given concentration distribution of alloying elements in depth treatment zones Keywords: Short palse laser influence, strngthening process, concentrational distribution, processing layer, melting
Vladislav Putilin, Senior Lecturer at the General Physics and the Physics of Oil and Gas Production Department Andrey Kamashev, Candidate ofTechnics, Associate Professor at the General Physics and the Physics of Oil and Gas Production Department. E-mail: physics@samgtu.ru
