Научная статья на тему 'РАЗРАБОТКА ТЕХНОЛОГИИ ТОНКОСЛОЙНОГО ЛАЗЕРНОГО МОДИФИЦИРОВАНИЯ ХРОМОНИКЕЛЕВОЙ СТАЛИ 12Х18Н10Т'

РАЗРАБОТКА ТЕХНОЛОГИИ ТОНКОСЛОЙНОГО ЛАЗЕРНОГО МОДИФИЦИРОВАНИЯ ХРОМОНИКЕЛЕВОЙ СТАЛИ 12Х18Н10Т Текст научной статьи по специальности «Технологии материалов»

CC BY
67
20
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.
Ключевые слова
НЕРЖАВЕЮЩАЯ СТАЛЬ / ЛАЗЕРНОЕ ЛЕГИРОВАНИЕ / МОРФОЛОГИЯ / ЭЛЕМЕНТНЫЙ СОСТАВ / РЕНТГЕНОФАЗОВЫЙ АНАЛИЗ / МИКРОТВЕРДОСТЬ

Аннотация научной статьи по технологиям материалов, автор научной работы — Проскуряков Виталий Игоревич, Родионов Игорь Владимирович

Актуальность и цели . Описаны технология обработки и результаты исследования морфологии, элементного состава, рентгенофазового анализа и микротвердости поверхности образцов нержавеющей стали, подвергнутых предварительной воздушно-абразивной обработке и последующему лазерному импульсному легированию в слое двухкомпонентной обмазки, состоящей из графитовой пасты и порошка диоксида титана (анатаза). Целью данной работы было выявление наиболее рациональных режимов лазерного импульсного легирования нержавеющей стали 12Х18Н10Т с заранее нанесенной на обрабатываемую поверхность легирующей обмазкой. Материалы и методы . Опытными образцами являлись пластины из нержавеющей хромоникелевой стали 12Х18Н10Т. Экспериментальные исследования выполнялись с использованием аппарата абразивноструйной обработки, ультразвуковой ванны, автоматизированной установки для термофизической когерентной модификации поверхности «LRS-50A». Результаты. Установлен и экспериментально подтвержден механизм повышения микротвердости поверхности опытных образцов, изготовленных из нержавеющей хромоникелевой стали, заключающийся в диффузии легирующих элементов обмазки, насыщении ими поверхностного слоя стали в процессе оплавления при лазерном воздействии, что в свою очередь приводит к образованию новых фаз. Выводы. Разработана технология тонкослойного модифицирования поверхности нержавеющей хромоникелевой стали методом лазерного импульсного легирования с использованием специальной обмазки. Результаты работы могут с высокой эффективностью использоваться на предприятиях машиностроения, разрабатывающих и выпускающих ответственные детали и механизмы, эксплуатируемые в условиях интенсивного газо- и гидроабразивного изнашивания.

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

Похожие темы научных работ по технологиям материалов , автор научной работы — Проскуряков Виталий Игоревич, Родионов Игорь Владимирович

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

THE DEVELOPMENT OF TECHNOLOGY FOR THIN-LAYER LASER MODIFICATION OF CHROMIUM-NICKEL STEEL 12KH18N10T

Background. The article describes the processing technology and the results of studying the morphology, elemental composition, X-ray phase analysis and microhardness of the surface of stainless steel samples subjected to preliminary air-abrasive treatment and subsequent laser pulse alloying in a two-component coating layer consisting of graphite paste and titanium dioxide (anatase) powder. The purpose of this work is to identify the most rational modes of laser pulsed alloying of stainless steel 12Cr18Ni10Ti with an alloying coating pre-applied to the treated surface. Materials and methods. The prototypes were plates made of stainless chromium-nickel steel 12Cr18Ni10Ti. Experimental studies were carried out using an abrasive blasting apparatus, an ultrasonic bath, an automated installation for thermophysical coherent surface modification “LRS-50A”. Results. A mechanism for increasing the microhardness of the surface of prototypes made of stainless chromium-nickel steel has been established and experimentally confirmed, which consists in the diffusion of alloying elements of the coating, saturation of the surface layer of steel with them during reflow under laser exposure, which in turn leads to the formation of new phases. Conclusions. A technology has been developed for thin-layer modification of the surface of stainless chromium-nickel steel by laser pulsed alloying using a special coating. The results of the work can be used with high efficiency at engineering enterprises that develop and produce critical parts and mechanisms that operate under conditions of intense gas and hydroabrasive wear.

Текст научной работы на тему «РАЗРАБОТКА ТЕХНОЛОГИИ ТОНКОСЛОЙНОГО ЛАЗЕРНОГО МОДИФИЦИРОВАНИЯ ХРОМОНИКЕЛЕВОЙ СТАЛИ 12Х18Н10Т»

УДК 621.78

doi:10.21685/2072-3059-2022-3-9

Разработка технологии тонкослойного лазерного модифицирования хромоникелевой стали 12Х18Н10Т

В. И. Проскуряков1, И. В. Родионов2

:ООО Завод «Газпроммаш», Саратов, Россия 2Саратовский государственный технический университет имени Гагарина Ю. А., Саратов, Россия 1prosku.94@mail.ru, 2iv.rodionov@mail.ru

Аннотация. Актуальность и цели. Описаны технология обработки и результаты исследования морфологии, элементного состава, рентгенофазового анализа и микротвердости поверхности образцов нержавеющей стали, подвергнутых предварительной воздушно-абразивной обработке и последующему лазерному импульсному легированию в слое двухкомпонентной обмазки, состоящей из графитовой пасты и порошка диоксида титана (анатаза). Целью данной работы было выявление наиболее рациональных режимов лазерного импульсного легирования нержавеющей стали 12Х18Н10Т с заранее нанесенной на обрабатываемую поверхность легирующей обмазкой. Материалы и методы. Опытными образцами являлись пластины из нержавеющей хромоникелевой стали 12Х18Н10Т. Экспериментальные исследования выполнялись с использованием аппарата абразивноструйной обработки, ультразвуковой ванны, автоматизированной установки для термофизической когерентной модификации поверхности «LRS-50A». Результаты. Установлен и экспериментально подтвержден механизм повышения микротвердости поверхности опытных образцов, изготовленных из нержавеющей хромо-никелевой стали, заключающийся в диффузии легирующих элементов обмазки, насыщении ими поверхностного слоя стали в процессе оплавления при лазерном воздействии, что в свою очередь приводит к образованию новых фаз. Выводы. Разработана технология тонкослойного модифицирования поверхности нержавеющей хромонике-левой стали методом лазерного импульсного легирования с использованием специальной обмазки. Результаты работы могут с высокой эффективностью использоваться на предприятиях машиностроения, разрабатывающих и выпускающих ответственные детали и механизмы, эксплуатируемые в условиях интенсивного газо- и гидроабразивного изнашивания.

Ключевые слова: нержавеющая сталь, лазерное легирование, морфология, элементный состав, рентгенофазовый анализ, микротвердость

Финансирование: исследования выполнены в рамках гранта РФФИ (конкурс на лучшие проекты фундаментальных научных исследований, выполняемые молодыми учеными, обучающимися в аспирантуре - «Аспиранты»), проект № 19-33-90101.

Для цитирования: Проскуряков В. И., Родионов И. В. Разработка технологии тонкослойного лазерного модифицирования хромоникелевой стали 12Х18Н10Т // Известия высших учебных заведений. Поволжский регион. Технические науки. 2022. № 3. С. 85-96. doi:10.21685/2072-3059-2022-3-9

The development of technology for thin-layer laser modification of chromium-nickel steel 12Kh18N10T

V.I. Proskuryakov1, I.V. Rodionov2

© Проскуряков В. И., Родионов И. В., 2022. Контент доступен по лицензии Creative Commons Attribution 4.0 License / This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.

1LLC "Gazprommash" plant, Saratov, Russia 2Yuri Gagarin State Technical University of Saratov, Saratov, Russia

1prosku.94@mail.ru, 2iv.rodionov@mail.ru

Abstract. Background. The article describes the processing technology and the results of studying the morphology, elemental composition, X-ray phase analysis and microhardness of the surface of stainless steel samples subjected to preliminary air-abrasive treatment and subsequent laser pulse alloying in a two-component coating layer consisting of graphite paste and titanium dioxide (anatase) powder. The purpose of this work is to identify the most rational modes of laser pulsed alloying of stainless steel 12Cr18Ni10Ti with an alloying coating pre-applied to the treated surface. Materials and methods. The prototypes were plates made of stainless chromium-nickel steel 12Cr18Ni10Ti. Experimental studies were carried out using an abrasive blasting apparatus, an ultrasonic bath, an automated installation for thermophysi-cal coherent surface modification "LRS-50A". Results. A mechanism for increasing the mi-crohardness of the surface of prototypes made of stainless chromium-nickel steel has been established and experimentally confirmed, which consists in the diffusion of alloying elements of the coating, saturation of the surface layer of steel with them during reflow under laser exposure, which in turn leads to the formation of new phases. Conclusions. A technology has been developed for thin-layer modification of the surface of stainless chromium-nickel steel by laser pulsed alloying using a special coating. The results of the work can be used with high efficiency at engineering enterprises that develop and produce critical parts and mechanisms that operate under conditions of intense gas and hydroabrasive wear. Keywords: stainless steel, laser alloying, morphology, elemental composition, X-ray phase analysis, microhardness

Acknowledgments: the work was performed by the RFBR within the project No. 19-3390101 (competition for the best projects of fundamental scientific research carried out by young scientists studying in postgraduate programme - "Aspiranty").

For citation: Proskuryakov V.I., Rodionov I.V. The development of technology for thin-layer laser modification of chromium-nickel steel 12Kh18N10T. Izvestiya vysshikh uchebnykh zavedeniy. Povolzhskiy region. Tekhnicheskie nauki = University proceedings. Volga region. Engineering sciences. 2022;(3):85-96. (In Russ.). doi:10.21685/2072-3059-2022-3-9

Введение

Сегодня в России и многих других странах развитие рыночной экономики немыслимо без отрасли машиностроения, отвечающей за производственную мощь государства. Ввиду сложившейся ситуации в мировом сообществе, а конкретно блокады Российской Федерации в научно-технической сфере, как никогда актуальной становится задача развития новых технологий отечественного производства [1].

Большую популярность набирает вектор исследований новых способов и методов модификации поверхностей различных металлических изделий. В первую очередь это обусловлено возможностью увеличения срока службы обработанных металлоизделий, повышения их эксплуатационной надежности и уменьшения себестоимости. Особенно такая задача актуальна для тяжелой, нефтеперерабатывающей, химической и газодобывающей промышленности, где ответственные детали и узлы механизмов в ходе эксплуатации в непосредственном контакте с агрессивными средами подвержены преждевременному износу [2, 3].

Анализ научно-технической литературы показал, что все более широкое применение в машиностроении при изготовлении различных металлоизделий находят хромоникелевые сплавы, в частности нержавеющая хромони-келевая сталь 12Х18Н10Т. Популярность стали объясняется комплексом ее физико-механических характеристик: высокая свариваемость, повышенная пластичность и ударная вязкость, стойкость к коррозии. При этом известно, что в ходе эксплуатации сварные соединения данной марки стали и поверхность изделий в целом могут быть подвержены межкристаллитной коррозии и усталостному разрушению. Предприятия, занимающиеся изготовлением таких узлов и деталей, эти недостатки компенсируют увеличением толщины конструктивных элементов. Однако зачастую достаточно термической обработки или легирования рабочей поверхности [4, 5].

На сегодня одной из самых актуальных и перспективных технологий обработки поверхности можно считать лазерное импульсное легирование. Интерес к ней проявился ввиду ряда уникальных преимуществ, из которых следует выделить локальность, снижение неоправданного расхода дополнительного материала, возможность обработки деталей любой номенклатуры материалов, геометрии и формы.

Широкое распространение получил метод лазерного импульсного легирования с использованием специальных паст. Выбор основного легирующего компонента обмазки проводится в соответствии с требованиями конечного результата. Для удержания паст или обмазок на поверхности обрабатываемой детали в качестве связующего вещества зачастую используют различные лаки (пековый, бакелитовый, каменноугольный и т. д.). В состав пасты в ряде случаев входит добавочный компонент, активирующий процесс диффузии легирующих элементов в глубь обрабатываемого материала, например, бура, хлорид аммония и т.д. [6].

Известны случаи лазерного легирования с использованием порошковых материалов, в основе которых присутствует карбид вольфрама. Обработанные поверхности в данном случае характеризуются повышенной износостойкостью, зависящей от скорости сканирования и мощности лазерного импульса [7]. Другими авторами установлено повышение микротвердости и ударной вязкости стали в 1,5 раза в результате лазерной наплавки порошков карбида вольфрама WC-Ni [8].

В результате лазерного легирования нитридом титана ТК нержавеющей стали АК1 321 было выявлено увеличение коррозионной стойкости обработанного изделия [9]. Отмечают повышенную стойкость к межкристал-литной коррозии в результате лазерной обработки и другие исследователи [10], объясняя этот факт недостаточным растворением карбидов титана в аустените и отсутствием образований карбида хрома по границам зерен из-за высоких скоростей нагрева и охлаждения обработанных участков.

Однако несмотря на научный интерес к данному методу, не до конца изучено влияние компонентного состава и режимов лазерной обработки на изменение качественных и физико-механических характеристик.

Таким образом, целью данной работы было выявление наиболее рациональных режимов лазерного импульсного легирования нержавеющей стали 12Х18Н10Т с заранее нанесенной на обрабатываемую поверхность легирующей обмазкой, состоящей из графитовой пасты и порошка диоксида титана (анатаза).

Материалы и методы

В качестве исследуемых образцов использовались нарезанные пластины из нержавеющей хромоникелевой стали 12Х18Н10Т. Пластины имели форму квадрата размером 10*10 мм и толщиной 3 мм.

Перед лазерным импульсным легированием поверхность образцов особым образом подготавливалась в несколько этапов. На первом этапе проводили абразивноструйную обработку порошком электрокорунда дисперсностью 150-250 мкм при давлении воздуха 0,4-0,6 МПа в течение 30 с при помощи установки «СОРОКИН». Такая операция повысила химическую активность металлической поверхности за счет формирования энергетически неоднородного слоя в процессе деформации поверхности частицами абразива, а также исходную шероховатость поверхности, обеспечивающую высокую адгезию основного металла и модифицированного поверхностного слоя. Кроме того, данная обработка создавала энергетически неоднородные участки поверхности, которые в результате лазерного импульсного легирования являлись центрами кристаллизации модифицированного слоя. Затем, вторым этапом, для удаления технологических загрязнений в виде остатков микрочастиц абразива, а также жировых загрязнений, органического и минерального происхождения, предлагается использовать ультразвуковую очистку (УЗО) при частоте колебаний 22 кГц в ванне «Кристалл-2.5». Следующим этапом подготовки поверхности являлась промывка и сушка на воздухе опытных образцов. Такая комбинация операций необходима для удаления компонентов моющего раствора из микронеровностей поверхности.

Лазерную обработку проводили с использованием установки LRS-50A с длиной волны излучения 1,064 мкм при напряжении лампы накачки 250, 300, 350, 400, 450 В. Объем тепловыделения изменялся за счет регулирования диаметра пятна лазерного импульса Гауссовой формы. Таким образом, для каждого режима напряжения лампы накачки диаметр сфокусированного в пятно лазерного импульса составлял 0,5 и 1 мм. Для упрощения дальнейшего текста введено условное обозначение применяемых режимов, например: 0,5_400, где 0,5 - диаметр пятна, 400 - напряжение лампы накачки. Постоянными величинами в ходе эксперимента были следующие: длительность воздействия импульса на обрабатываемую поверхность (0,5 мс), частота следования импульсов (20 Гц), шаг импульсов (0,2 мм).

В качестве легирующей обмазки использовался двухкомпонентный состав, основой которого являлась графитовая паста (ГОСТ 8295-73), а дополнительным компонентом - порошок диоксида титана (анатаз), дисперсностью 25 нм. Обмазку получали смешиванием компонентов в массовом соотношении 4:1 (графитовая паста / анатаз) соответственно. Полученную массу наносили на поверхность образца тонким слоем - толщиной 250 ± 50 мкм.

Заключительными операциями применяемой технологии являлись УЗО поверхности от фрагментов отработавшей обмазки с последующей промывкой в растворе поверхностно-активных веществ и оптико-микроскопический контроль качества.

Исследование морфологии и элементного состава обработанной поверхности проводили методом растровой электронной микроскопии при помощи электронного микроскопа MIRA 2 LMU с детектором INCA PentaFETx3.

Рентгенофазовый анализ (РФА) выполнен на дифрактометре ARL X'TRA (Thermo Fisher Scientific) ЦКП «НОЦ нанотехнологий и наномате-риалов» Саратовского государственного технического университета им. Гагарина Ю. А. с использованием Cu-Ka-излучения (X = 0,15412 нм) в диапазоне углов 20 (5-90 deg.). Построение рентгеновских дифрактограмм проводилось в программе Match Version 1.11 при помощи библиотеки международной электронной базы дифракционных стандартов COD-Inorg Rev248644 от 03.03.2020.

Микротвердость модифицированной поверхности определялась методом Виккерса с использованием микротвердомера ПМТ-3М при нагрузке на индентор 0,9807 Н (ГОСТ 9450-76).

Результаты исследований и их анализ

Результаты исследования морфологии показали, что при различных режимах лазерной обработки (ЛО) происходит изменение цвета поверхности и характера формирования пятен (размера и формы). Так, например, ЛО поверхности при напряжении импульса 250 В характеризуется множеством микронеровностей, которые распределены по поверхности разнородно, т.е. гетерогенно. Упорядоченная ячеистая структура обработанной поверхности начинает проявляться при напряжении импульса 300 В и диаметре пятна лазерного импульса 1 мм, что хорошо видно при увеличении под растровым электронным микроскопом (РЭМ) (рис. 1).

Рис. 1. РЭМ-изображения поверхности образцов, ><200

Следует отметить, что при обработке импульсами диаметром 0,5 мм границы пятен отчетливо визуализируются. Сильное оплавление поверхности при данном способе ЛО зафиксировано в результате обработки лазерным импульсом, сфокусированным в пятно диаметром 0,5 мм с напряжением лампы накачки 450 В.

Изображения поверхности ближе к периферии пятна, полученные при увеличении 1000 крат, показали происхождение квазипериодического волнового рельефа в данной области. Волнообразный микрорельеф является следствием движения расплава в радиальном направлении от центра к краю, вызванном ударно-волновым эффектом лазерного импульса. Такое явление

присуще всем подобным участкам обработанной поверхности опытных образцов (рис. 2).

Рис. 2. РЭМ-изображения поверхности образцов, ><1000

Исследование модифицированной поверхности у периферии пятна при увеличении 50000 крат показало, что основной составляющей данной области являются нанометровые кристаллические зерна (вкрапления), средний размер которых варьирует в диапазоне 70-110 нм (рис. 3).

= 133.50 пт

ОЗ = 111.89 пт

02 = 120.70 пт

50 /лт

Рис. 3. РЭМ-изображения поверхности образцов, ><50000

Полученные результаты показали возможность существования двух основных типов морфологии для каждого опытного образца. Отмечена разница структурообразования у центра сформированного пятна (вблизи кратера) и у зоны периферии, которой характерно появление квазипериодического рельефа.

Увеличение в 100000 крат позволило выявить образование на модифицированной поверхности нанокристаллов, размер которых варьирует в диапазоне 20-50 нм у центра пятна (вблизи кратера) и по мере удаления к периферии незначительно возрастает до 50-70 нм. Согласно анализу научно-технической литературы сформированные наноразмерные кристаллы имеют не только высокую термическую стабильность, но и могут способствовать

повышению прочности, ударной вязкости и других характеристик модифицированной поверхности.

Элементный состав модифицированной поверхности образцов характеризовался повышенным процентным содержанием кислорода, который не превышал 8,5 ат.% ввиду того, что диффузия кислорода в поверхность образцов под слоем обмазки была сильно затруднена и реакционные окислительные процессы замедлялись (рис. 4, табл. 1). Основной вклад в содержание кислорода на поверхности вносили частицы ТЮ2, присутствующие в составе легирующей обмазки. Кроме того, выявлено повышенное содержание углерода, количество которого достигало уровня 1 ± 0,5 ат.% и являлось следствием его диффузии в поверхность из графита с формированием цементирующего слоя.

Спектр 21

í I

к А

Л

Спектр i

V it

I >

Спестр17

_J_ - i

\ f I

I I ^Спектр 19 ' I

4 f

Рис. 4. РЭМ-изображение поверхности образца 0,5_400 с цифровыми метками (спектрами), по которым проводился анализ элементного состава

Таблица 1

Химический состав поверхности образца 0,5_400 ат.%

Метка спектра Спектр 16 Спектр 17 Спектр 18 Спектр 19 Спектр 20 Спектр 21

O 5,55 3,75 4,46 5,00 8,52 7,30

С 0,81 0,76 0,84 0,93 1,05 1,01

Al 0,69 0,25 0,34 0,43 0,80 0,76

Si 1,05 0,99 0,80 0,84 1,20 1,06

Ti 0,53 0,32 0,41 0,62 1,08 1,12

Cr 17,58 18,18 18,00 17,74 17,17 17,37

Mn 0,62 0,56 0,64 0,59 0,59 0,59

Fe 65,26 67,05 66,65 66,05 62,1 63,15

Ni 7,91 8,14 7,86 7,80 7,49 7,64

Всего 100,00 100,00 100,00 100,00 100,00 100,00

Проведенный рентгенофазовый анализ показал, что после предварительной воздушно-абразивной обработки и последующей ЛО в приповерхностном слое стали 12Х18Н10Т содержится аустенит (y-Fe) и феррит (a-Fe), что соответствует составу исходной стали.

В результате обработки сформировалась фаза карбида железа Fe2C, что является показателем термической обработки. Установлено наличие фазы графита и зафиксировано наличие оксида железа FeзO4, оксида хрома &2О3 и рутила (ТО), что косвенно говорит о нагреве металла в среде с содержанием кислорода, т.е. о протекании процесса оксидирования. При этом рутил - это высокотемпературный оксид, который образуется после нагрева титана на воздухе при температуре 850 °С, следовательно, поверхность образца нагревалась свыше указанной температуры. При этом отмечено образование фазы анатаза (ТЮ2) (рис. 5).

Рис. 5. Дифрактограмма поверхностного слоя образца стали 12Х18Н10Т при режиме обработки 0,5_400

По интенсивности пиков с учетом энергодисперсионного рентгенофлу-оресцентного анализа (ЭДРФА) содержания в модифицированной поверхности выявленных фаз установлено, что основную его долю составляют оксид хрома &2O3 и a-Fe. Вероятно наличие фаз карбида и оксида кремния в следовых количествах, что объясняется присутствием малого процентного объема кремния в графитовой пасте. Следует отметить образование фазы графита (С).

Результаты измерения микротвердости показали, что предложенный способ лазерной обработки стали позволяет упрочнить обрабатываемую поверхность в 1,5 раза и более в зависимости от используемого режима (табл. 2).

Таблица 2

Значения микротвердости образцов стали 12Х18Н10Т

Режимы ЛО Микротве рдость поверхности

0, мм U, В HV H, ГПа (±0,1)

0,5 250 309 3,03

300 465 4,61

350 491 4,83

400 921 9,03

450 - -

1 250 509 4,99

300 343 3,36

350 409 4,01

400 261 2,56

450 273 2,39

В среднем значение микротвердости модифицированных участков поверхности достигает 350-400 НУ, а максимальное значение (921 НУ) характерно для режима 0,5_400. Следует отметить, что микротвердость поверхности контрольного образца составляла 178 НУ. Измерения микротвердости поверхности, обработанной лазерными импульсами, сфокусированными в пятно диаметром 0 0,5 тт при напряжении 450 У, не представлялось возможным ввиду сильного оплавления поверхности с образованием на ней грубой высокопористой текстуры.

В результате проведения экспериментальных исследований разработана технология тонкослойного модифицирования поверхности нержавеющей хромоникелевой стали методом лазерного импульсного легирования с использованием специальной обмазки. Технологический процесс включает операции предварительной подготовки поверхности, операцию лазерной обработки и заключительные операции по очистке модифицированной поверхности от фрагментов отработанной обмазки с последующим контролем качества (рис. 6).

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.

Рис. 6. Схема технологии лазерной обработки

В разработанном маршруте технологии тонкослойного лазерного модифицирования операции предварительной обработки включают четыре технологических процесса, направленные на подготовку поверхности для проведения основной операции по лазерному модифицированию:

1. Абразивноструйная обработка позволяет повысить микроструктурную неоднородность обрабатываемой поверхности с созданием исходной микрошероховатости для улучшения удержания легирующей обмазки на образце. Кроме того, за счет микродеформирования тонкого поверхностного слоя глубиной порядка 50-70 мкм частицами электрокорундового абразива возникает явление наклепа с предварительным упрочнением поверхности стальных образцов и повышением величины его микротвердости.

2. Очистка от частиц абразива, механических и жировых загрязнений проводится в ультразвуковой ванне со спиртовым моющим раствором и служит для удаления с поверхности загрязнений разной породы.

3. Промывка и сушка на воздухе опытных образцов предназначены для удаления компонентов моющего раствора из микронеровностей поверхности.

4. Подготовка и нанесение легирующей обмазки на поверхность образцов осуществляется приготовлением компонентного состава обмазки и распределением ее равномерным тонким слоем толщиной 250 ± 50 мкм.

Операция лазерной обработки поверхности с нанесенным слоем легирующей обмазки проводится при установленных рациональных режимах, включающих изменение напряжения лампы накачки в диапазоне 250-450 В, диаметра пятна лазерного импульса Гауссовой формы (от 0,5 до 1 мм) и постоянные значения длительности импульсного воздействия (0,5 мс), частоты сканирования (20 Гц) и шага импульса (0,2 мм).

После модифицирования образцов с технологической обмазкой проводятся заключительные операции, предусматривающие ультразвуковую очистку поверхности от фрагментов отработавшей обмазки с последующей промывкой в растворе поверхностно-активных веществ и оптико-микроскопическим контролем качества.

Заключение

Согласно проведенным исследованиям образцов нержавеющей стали, легированных в слое обмазки лазерными импульсами, можно сделать следующие выводы:

1. Диаметр сфокусированного в пятно лазерного импульса и напряжение лампы накачки оказывают влияние на морфологию обрабатываемой поверхности. Так, например, упорядоченная структура пятен начинает проявляться при напряжении импульса 300 В и диаметре пятна лазерного импульса 1 мм.

2. Изменяется элементный состав модифицированной поверхности. Главным образом эти изменения описываются насыщением поверхности кислородом в количестве 3,75-8,52 ат.%, что является результатом протекания окислительных процессов при лазерной обработке и диффузией частиц диоксида титана TÍO2 (анатаза). Кроме того, выявлено повышенное содержание углерода в количестве 1 ± 0,5 ат.%, который в результате диффузии из графитовой пасты создавал цементирующий слой поверхности образцов.

3. Установлено что в результате лазерной обработки поверхности стальных образцов ее состав характеризуется наличием аустенита (y-Fe), феррита (a-Fe), графита, карбида железа Fe2C и смеси металлооксидных соединений Fe3O4, СГ2О3 и TÍO2 рутила и диоксид титана.

4. Отмечено повышение микротвердости легированной поверхности, максимальное значение которой достигает 921 HV при режиме обработки

0.5_400. Опираясь на результаты исследования элементного состава и РФА, такой метод модификации можно сопоставить с традиционными методами цементации и термического упрочнения.

Список литературы

1. Краснова Е. В., Моргунов Ю. А., Саушкин Б. П., Шандров Б. В. Развитие прикладных научных исследований в машиностроении России // Экономика в промышленности. 2021. Т. 14, № 3. С. 274-287.

2. Костыгова Л. А., Токарева В. В. Анализ состояния и перспектив развития машиностроения (часть 1) // Экономика и управление в машиностроении. 2021. № 2. С. 58-64.

3. Шефер Е. В. Приоритет развития энергетического машиностроения в реализации импортозамещения в России // Актуальные проблемы управления. Н. Новгород,

2021. С. 108-112.

4. Чуманов И. В., Матвеева М. А., Аникеев А. Н. Ожидается направление модифицирующих карбидов WC, B4C при производстве стали марки 12Х18Н10Т, применяемой в энергетическом машиностроении // Электрометаллургия. 2020. № 6. С. 8-13.

5. Коломийцев Е. В. Коррозионно-усталостная стойкость тавровых соединений стали 12Х18Н10Т и методы ее вызова // Автоматическая сварка. 2012. № 12. С. 41-43.

6. Проскуряков В. И., Родионов И. В. Формирование состава и характеристик поверхности хромоникелевой стали 12Х18Н10Т при лазерном модифицировании в слое экспериментальной легирующей обмазки // Журнал технической физики.

2022. Т. 92, № 1. С. 84-91.

7. Afzal M. et al. Effect of laser melting on plasma sprayed WC-12 wt.% Co coatings // Surface and Coatings Technology. 2015. Vol. 266. P. 22-30.

8. Tehrani H. M. [et al.]. Evaluation of the mechanical properties of WC-Ni composite coating on an AISI 321 steel substrate // Optics & Laser Technology. 2020. Vol. 127. P. 106138.

9. Leban M. B., Tisu R. The effect of TiN inclusions and deformation-induced martensite on the corrosion properties of AISI 321 stainless steel // Engineering Failure Analysis. 2013. Vol. 33. P. 430-438.

10. Kuryntsev S. V. Effect of heat treatment on the phase composition and corrosion resistance of 321 SS welded j oints produced by a defocused laser beam // Materials. 2019. Vol. 12, № 22. P. 3720.

References

1. Krasnova E.V., Morgunov Yu.A., Saushkin B.P., Shandrov B.V. Development of applied scientific research in mechanical engineering in Russia. Ekonomika v promyshlen-nosti = Economics in industry. 2021;14(3):274-287. (In Russ.)

2. Kostygova L.A., Tokareva V.V. Analysis of the state and prospects for the development of mechanical engineering (part 1). Ekonomika i upravlenie v mashinostroenii = Economics and management in mechanical engineering. 2021;(2):58-64. (In Russ.)

3. Shefer E.V. The priority of the development of power engineering in the implementation of import substitution in Russia. Aktual'nye problemy upravleniya = Actual issues of management. Nizhny Novgorod, 2021:108-112. (In Russ.)

4. Chumanov I.V., Matveeva M.A., Anikeev A.N. The direction of modifying carbides WS, B4C is expected in the production of steel grade 12Kh18N10T, used in power engineering. Elektrometallurgiya = Electrometallurgy. 2020;(6):8-13. (In Russ.)

5. Kolomiytsev E.V. Corrosion-fatigue resistance of tee joints of steel 12Kh18N10T and methods for its challenge. Avtomaticheskaya svarka = Automatic welding. 2012;(12): 41-43. (In Russ.)

6. Proskuryakov V.I., Rodionov I.V. Formation of the composition and characteristics of the surface of chromium-nickel steel 12Kh18N10T during laser modification in a layer of experimental alloying coating. Zhurnal tekhnicheskoy fiziki = Journal of technical physics. 2022;92(1):84-91. (In Russ.)

7. Afzal M. et al. Effect of laser melting on plasma sprayed WC-12 wt.% Co coatings. Surface and Coatings Technology. 2015;266:22-30.

8. Tehrani H.M. et al. Evaluation of the mechanical properties of WC-Ni composite coating on an AISI 321 steel substrate. Optics & Laser Technology. 2020;127:106138.

9. Leban M.B., Tisu R. The effect of TiN inclusions and deformation-induced martensite on the corrosion properties of AISI 321 stainless steel. Engineering Failure Analysis. 2013;33:430-438.

10. Kuryntsev S.V. Effect of heat treatment on the phase composition and corrosion resistance of 321 SS welded joints produced by a defocused laser beam. Materials. 2019;12(22):3720.

Информация об авторах / Information about the authors

Виталий Игоревич Проскуряков

инженер по качеству и технологии, ООО Завод «Газпроммаш» (Россия, г. Саратов, ул. Московская, 44)

Vitaliy I. Proskuryakov Quality and technology engineer, LLC "Gazprommash" plant (44 Moskovskaya street, Saratov, Russia)

E-mail: prosku.94@mail.ru

Игорь Владимирович Родионов

доктор технических наук, доцент, заведующий кафедрой сварки и металлургии, Саратовский государственный технический университет имени Гагарина Ю. А. (Россия, г. Саратов, ул. Политехническая, 77)

E-mail: iv.rodionov@mail.ru

Igor' V. Rodionov

Doctor of engineering sciences, associate professor, head of the sub-department of welding and metallurgy, Yuri Gagarin State Technical University of Saratov (77 Politekhnicheskaya street, Saratov, Russia)

Поступила в редакцию / Received 15.06.2022

Поступила после рецензирования и доработки / Revised 09.08.2022 Принята к публикации / Accepted 10.10.2022

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.