CC BY
70
УДК 621.9.048.7
О МОДИФИКАЦИИ ЛАЗЕРНЫМ ИЗЛУЧЕНИЕМ ПОВЕРХНОСТИ МЕТАЛЛИЧЕСКИХ МАТЕРИАЛОВ С ДИФФУЗИОННЫМИ И ЭЛЕКТРОИСКРОВЫМИ ПОКРЫТИЯМИ
БЕСОГОНОВ В В., БУРНЫШЕВ И.Н., ЛЫС В.Ф.
Институт механики Уральского отделения РАН, 426067, г. Ижевск, ул. Т. Барамзиной, 34
Аннотация: В работе описывается способ модификации лазерным излучением поверхностных слоев металлических материалов с предварительно нанесенными на поверхность термодиффузионными и электроискровыми покрытиями. Приводятся результаты исследования изменений свойств и структуры поверхностных слоев после воздействия лазерного излучения различной мощности.
Ключевые слова: лазерное воздействие, модифицирование поверхности, химико-термическая обработка, микроструктура поверхности.
ВВЕДЕНИЕ
Воздействие лазерного излучения на поверхность металлов широко используется в технологии обработки изделий. Одной из целей лазерной обработки является желание технологов получить на поверхности детали модифицированный слой металла, имеющий специфические свойства, например, повышенную жаростойкость, твердость, измененные фрикционные, антикоррозионные свойства и т.д. [1]. Для этого чаще всего используют методы предварительного формирования на поверхности металлов слоя порошков, обдув поверхности струей газового потока с порошками, обмазки поверхности разными составами и другие. Учитывая, что составы и свойства вводимых порошковых материалов и обмазок существенно отличаются от свойств металла детали, режимы лазерного воздействия, как правило, невозможно подобрать такими, чтобы они подходили для плавления как металла детали, так и поверхностных добавок. В некоторых случаях поверхностные слои из предварительно нанесенных порошковых композиций при лазерном оплавлении разрушаются и частично удаляются, поскольку плотность мощности лазерного воздействия, необходимая для плавления поверхностного слоя упрочняемого металла, велика.
Для устранения эффекта удаления легирующих элементов с поверхности при лазерном воздействии предлагается на поверхность детали нанести легирующие химические элементы, прочно связанные с материалом детали. В качестве методов предварительного легирования исходной поверхности в настоящей работе выбраны химико-термическая обработка и электроискровое легирование, которые обеспечивают высокую адгезию наносимого покрытия к основному металлу.
ПРЕДВАРИТЕЛЬНОЕ ПОЛУЧЕНИЕ ПОКРЫТИЙ
МЕТОДОМ ХИМИКО-ТЕРМИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКИ ПОВЕРХНОСТИ
В подавляющем большинстве случаев химико-термическую обработку проводят с целью обогащения поверхностных слоев изделий определенными элементами (металлическими или неметаллическими) из внешней среды. Недостатком процесса диффузионного алитирования традиционным способом, то есть в порошковой засыпке в контейнерах, является большая длительность процесса. По нашему мнению применение динамической насыщающей среды позволит значительно сократить время обработки изделий и получать слои одинаковой толщины по всей поверхности изделия. Динамическая насыщающая среда представляет собой гетерогенную систему, в которой путём соответствующей организации движения создаётся интенсивное перемешивание частиц мелкозернистого материала, что позволяет сократить время нагрева до температур насыщения, активизировать доставку галогенидов насыщающих элементов к упрочняемому
металлу и удалять побочные продукты реакций обмена и диспропорционирования с насыщаемой поверхности. Существуют различные способы создания динамических насыщающих сред: газовым потоком (так называемый «псевдокипящий слой»), вибрациями («виброкипящий слой»), вращением контейнера с насыщающей средой и др. [2].
Нами реализован способ создания динамической насыщающей среды путем вращения барабана-контейнера. С этой целью была создана специальная лабораторная установка (рис. 1).
3 1 2
6
1 - печь; 2 - цилиндрический барабан; 3 - насыщающая смесь; 4 - образцы; 5 - диск охлаждения; 6 - вода; 7 - подшипники; 8 - ремень; 9 - герметичная крышка; 10 - двигатель; 11 - регулятор температуры (ТРМ1); 12 - термопара
Рис. 1. Схема лабораторной печи для химико-термической обработки в динамических насыщающих средах [3]
Установка позволяет проводить процессы химико-термической обработки в диапазоне температур 100^1100 °С при скорости вращения барабана в пределах 0^1000 об/мин. На этой установке были получены термодиффузионные покрытия для дальнейшей их обработки лазерным излучением. Диффузионное насыщение проводилось на образцах из стали 20, стали 45, меди марки М1 и технического титана ВТ1-0. Алитирование проводилось при температуре 850^1000 °С в течение 1^4 ч. Скорость вращения барабана ю варьировалась в интервале 0^300 об/мин. Реакционная смесь для алитирования состояла из следующих компонентов: насыщающий элемент, инертная добавка, активная добавка (активизатор). Инертные добавки (прокаленный оксид алюминия, белый корунд) добавляли с целью предотвращения спекания смеси и налипания порошков на обрабатываемые изделия. Активные добавки (МН4С1, А1Б3) добавляли для активизации процесса. Источником алюминия служили порошок алюминия, алюминиевая стружка или алюминиевая пудра.
Процесс азотонауглероживания проводился при температуре 800^950 °С в течение 1^8 ч. Скорость вращения барабана варьировалась от 0 до 180 об/мин. В качестве источника азота была выбрана желтая кровяная соль (ЖКС), а источником углерода служили стандартный карбюризатор, графит или активированный уголь.
Закалку образцов после азотонауглероживания проводили с температуры 870 °С для стали 20 и 850 °С для стали 45 после выдержки в течение 15 мин с последующим охлаждением в воду, а отпуск при 200 °С в течение 1 ч.
Охлаждение барабана после диффузионного насыщения осуществлялось вместе с печью. Извлеченные из барабана, промытые и просушенные образцы исследовали методами металлографии и дюрометрии.
Дюрометрический анализ проводился на приборе ПМТ-3 на поперечных микрошлифах образцов при нагрузке 1 Н и 0,5 Н для стали и меди, соответственно. Рентгеноструктурный анализ фазового состава покрытий проводили в медном излучении Ка на рентгеновских дифрактометрах ДРОН 6 и D2 PHASER. Химический состав и распределение элементов в покрытии исследовали на растровом электронном микроскопе SEM 515 фирмы Philips с энергодисперсионным анализатором GENESIS 2000XME.
ВОЗДЕЙСТВИЕ ЛАЗЕРНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ НА ПОВЕРХНОСТЬ С ЦЕЛЬЮ МОДИФИКАЦИИ СТРУКТУРЫ ПОКРЫТИЯ
На следующем этапе работы покрытия, полученные методами диффузионной обработки и электроискрового легирования, были обработаны лазерным излучением. Влияние лазерного излучения на структуру и свойства предварительно полученных нами алитированных покрытий показано на рис. 2 и 3. Из рис. 2 видно, что после обработки лазером микротвердость покрытия значительно повышается. Толщина слоя под действием лазерного излучения увеличилась практически в 2 раза (рис. 3).
сч 450
м
5 L; 400
к
,и 350
т
с о 300
ч
р е 250
в
т
о р 200
к
и м 150
я и 100
н
е У 50
а
н
П
-50
-♦—до обработки лазером -■— после обработки лазером
50 150 250 350 450 Расстояние от поверхности, мкм
550
Рис.
2. Микротвердость покрытия на стали 20 до и после обработки лазером, Т = 900 °С, ю = 60 об/мин, т = 2 ч
Изменение структуры под действием лазерного излучения в стали 20 с диффузионным алюминидным покрытием представлено на рис. 3. Толщина диффузионного слоя, полученного в динамической насыщающей среде, составляла 150 мкм (рис. 3, а). Основной фазой в покрытии является соединение Fe2Al5, на поверхности слоя присутствует оксид алюминия Al2Oз. В структуре обработанного лазером участка, как обычно, выделяется две зоны: зона оплавления и зона термического влияния. Зона оплавления в свою очередь состоит из двух слоев: внешний чечевидный слой представляет переплавленный алюминид железа Fe2Al5, второй слой, прилегающий к матрице, представлен нетравящимися столбчатыми зернами, ориентированными по нормали к границе раздела между зоной оплавления и матрицей (рис. 3, в). Переплавление алюминида легко осуществляется из-за невысокой температуры плавления, которая значительно ниже температуры плавления чистого железа (1171 и 1539 оС, соответственно). Повышенная травимость этой зоны, возможно, связана с загрязнением оксидами железа и алюминия. Зона столбчатых кристаллов представляет собой твердый раствор алюминия в а-железе с широкой областью гомогенности. При медленном охлаждении из раствора возможно выделение фазы Fe3Al. В некоторых случаях в зоне оплавления наблюдались мелкие трещины, расположенные перпендикулярно обрабатываемой поверхности. При малой плотности мощности импульса иногда происходило разрушение наружной зоны алюминидного слоя.
а) х250 б) х250 в) х250
а) - исходный образец; после лазерной обработки импульсом с плотностью мощности 390 Вт/мм2:
б) - без травления, в) - после травления
Рис. 3. Микроструктура алитированного слоя на стали 20 после обработки лазерным излучением
На рис. 4 представлена структура обработанных лазером участков стали 20 с предварительно нанесенным электро-искровым легированием (ЭИЛ) слоем алюминия толщиной 10^15 мкм. В обработанных местах ярко выражена слоистая структура. Верхний слой представляет малоуглеродистый мартенсит, обогащенный алюминием, затем расположен слой малоуглеродистого мартенсита, полученного при нагреве выше точки Ас3. Следующий слой представляет смесь феррита и мартенсита, формирующийся при закалке из промежуточной области.
а) х250 б) х500
а), б) - после лазерной обработки импульсом с плотностью мощности 360 Вт/мм2 (с перекрытием зон обработки)
Рис. 4. Микроструктура стали 20 с алюминиевым покрытием, полученным методом электроискрового легирования
При обработке лазером стали, алюминированной методом ЭИЛ, вероятно, не весь алюминий диффундирует в сталь, а часть его из-за низкой температуры плавления испаряется или свертывается в каплю, находящуюся на границе зоны термического влияния с матрицей.
Интересные результаты получены при обработке стали 20, предварительно науглероженной в динамической насыщающей среде. После цементации внешняя зона диффузионного слоя представляет собой перлит с утолщенной цементитной сеткой по границам перлитных зерен. Общая толщина диффузионного слоя составляет 1,5 мм, что значительно больше глубины лазерного воздействия. В центре пятна, полученного лазерным нагревом, выявляется нетравящаяся зона толщиной 20^30 мкм. Затем следует вторая нетравящаяся зона с игольчатыми выделениями. Эта зона представляет собой остаточный аустенит с иглами мартенсита. Часто в этой зоне встречаются включения округлой формы
диаметром 10^20 мкм, вероятно, это могут быть включения графита, образовавшиеся из цементита. Следует отметить, что такие включения образуются только при больших плотностях мощности лазерного излучения.
После лазерной обработки титана ВТ1-0 в исходном состоянии, т. е. без предварительного нанесения покрытий, в месте лазерного воздействия формируется пятно, в котором можно выделить две зоны: зону оплавления и зону термического влияния. Размер пятна зависит от мощности лазерного импульса. Микроструктурным анализом установлено в структуре пятна три зоны, различающиеся по степени травимости: внешняя светлая зона с неровной поверхностью толщиной до 25 мкм, средняя зона повышенной травимости и плохо травящаяся зона, примыкающая к матрице. Первая зона сформировалась в процессе кристаллизации расплава, вторая и третья - представляют зону термического влияния. Зона повышенной травимости имеет мартенситную структуру, образовавшуюся после охлаждения от температур, превышающих конец полиморфного превращения, т. е. из Р-области. Третья зона представляет собой светлый слабо травящийся слой с неполностью растворившимися при нагреве зернами Р-фазы. В этом случае нагрев происходил в интервале температур от критической до конца полиморфного превращения. При закалке от таких температур образуются фазы: а', а" и р. На границе с исходной структурой нагрев происходил до температур ниже критической, поэтому в структуре наблюдались укрупненные зерна а- и Р-фаз полиэдрической формы.
Лазерная обработка титана с предварительно нанесенным электроискровым легированием слоем алюминия толщиной 10 - 15 мкм существенным образом не изменила строения зоны лазерного воздействия (рис. 5). При расфокусированном лазерном луче получено пятно небольшой толщины без ярко выраженной зоны оплавления. При сфокусированном излучении во всем диапазоне применяемых плотностей мощности лазерного импульса в месте лазерного воздействия образуется кратер. В зоне оплавления наблюдаются вихреподобные слои различной травимости. Зона термического влияния не имеет четкого разделения на две подзоны, как в случае обработки чистого титана, и травится более однородно.
а) х250 в) х150
а) - после лазерной обработки импульсом с плотностью мощности 160 Вт/мм2;
б) - после лазерной обработки импульсом с плотностью мощности 330 Вт/мм2
Рис. 5. Микроструктура титанового сплава ВТ1-0 с электроискровым алюминиевым покрытием
после обработки лазерным излучением
При лазерной обработке образцов из меди в исходном состоянии зону оплавления и соответственно аморфную структуру зафиксировать не удалось. Это связано с высокой теплопроводностью меди и нехваткой мощности излучения лазера для плавления поверхности. Микротвердость в зоне лазерного воздействия заметно не изменилась и составляла 1050^1150 МПа.
В результате диффузионного алитирования на поверхности образуется диффузионный слой, состоящий, как отмечалось выше, из нескольких зон: верхняя - хрупкая у2-фаза (AI4CU9), под ней располагалась зона продуктов эвтектоидного распада высокотемпературной ß-фазы и к матрице примыкала зона твердого раствора алюминия в меди. Общая толщина диффузионного слоя в зависимости от температуры и времени обработки составляла 0,5 - 1,2 мм. При лазерном воздействии в зоне облучения образовывался кратер, глубина которого была соизмерима с толщиной зоны у2-фазы. Остальная часть диффузионного слоя под действием лазерного излучения приобретает клиновидную форму и проникает вглубь металла на глубину до 1,5 мм. Внешняя зона этого участка практически не травится. Под нетравящейся зоной расположена зона с крупными столбчатыми зернами, а под ней зона термического влияния с крупными зернами а и у2 фаз, полученных при эвтектоидном распаде ß-фазы. Микротвердость облученного участка повысилась до 700 МПа.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Предложена последовательность получения модифицированных легированных слоев на поверхности металлов.
Приведены структура и свойства полученных покрытий до и после лазерного облучения поверхности металлов с покрытиями.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Верезуб О.Н., Каптаи Д., Буза Г., Верезуб Н. В. Модификация поверхностного слоя материалов методом лазерного легирования. Ч. I. Подходы и проблемы // Журнал функциональных материалов. 2008. Т. 2, № 3. С. 82-91.
2. Заваров А.С., Баскаков А.П., Грачев С.В. Химико-термическая обработка в кипящем слое. М. : Машиностроение, 1985. 160 с.
3. Бурнышев И.Н., Порываев Д.А. Диффузионное азотонауглероживание сталей в динамических насыщающих средах // Химическая физика и мезоскопия. 2009. Т. 11, №4. С. 476-482.
ON THE MODIFICATION BY LASER RADIATION OF METALLIC MATERIALS SURFACE WITH DIFFUSIVE AND ELECTROSPARK COATINGS.
Besogonov V.V., Burnyshev I.N., Lis V.F.
Institute of Mechanics, Ural Branch of the Russian Academy of Sciences, Izhevsk, Russia
SUMMARY. In this his work modification method by laser radiation of the metallic materials surface layers with previously applied termodiffusive and electrospark coatings on the surface is described. The research results of properties and structure modification of the surface layers after laser radiation effect of different power.
KEYWORDS: Laser effect, surface modification, chemical-thermal processing, surface microstructure.
Бесогонов Валерий Валентинович, кандидат технических наук, доцент, старший научный сотрудник ИМ УрО РАН, тел. 8-909-715-87-18, e-mail: vbesos@mail.ru
Бурнышев Иван Николаевич, кандидат технических наук, ведущий научный сотрудник ИМ УрО РАН, e-mail: inburn@udman. ru
Лыс Василий Федорович, ведущий инженер ИМ УрО РАН
