CC BY
5
МЕТАЛЛУРГИЯ И МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ
УДК 621.785.527, 620.192.424
В.А. Кошуро, Е.О. Осипова, М.А. Фомина, А.А. Фомин
СТРУКТУРА И МИКРОТВЕРДОСТЬ УПРОЧНЕННЫХ СЛОЕВ, ФОРМИРУЕМЫХ НА ТИТАНЕ ПРИ ЛАЗЕРНОЙ ОБРАБОТКЕ В СРЕДЕ ГРАФИТА
Аннотация. В работе приводились исследования структуры, глубины и микротвердости слоев, сформированных на титане при лазерной обработке в графитовой среде. Энергия и длительность лазерного импульса варьировались от 0,76 до 10,17 Дж и от 0,5 до 3 мс соответственно. В результате обработки происходило формирование слоев с дендритной структурой на глубину до 800 мкм. Упрочненные слои характеризовались высокими, до 28,01 ГПа, значениями микротвердости. На основании полученных результатов построены регрессионные модели, описывающие влияние условий лазерной обработки на указанные характеристики. Установлено, что наибольшее влияние на глубину и микротвердость закаленного титана оказывает энергия импульса.
Ключевые слова: титан, порошковый графит, лазерная обработка, диффузионные слои
V.A. Koshuro, E.O. Osipova, M.A. Fomina, A.A. Fomin
STRUCTURE AND MICROHARDNESS OF REINFORCED
LAYERS FORMED ON TITANIUM SURFACES UNDER LASER TREATMENT IN THE GRAPHITE MEDIUM
Abstract. This work investigates the structure, depth, and microhardness of the layers formed on titanium surfaces during laser treatment in the graphite medium. The energy and duration of the laser pulse ranged from 0,76 to 10,17 J and from 0,5 to 3 ms, respectively. The treatment resulted in forming the layers with a dendritic structure to the depth of 800 цm. The hardened layers were characterized by high microhardness values up to 28,01 GPa. Based on 80
obtained results, the authors designed the regression models which describe effects of laser treatment conditions on the given characteristics. It was found that pulse energy has the greatest effect on the depth and microhardness of the hardened titanium.
Keywords: titanium, powdered graphite, laser treatment, diffusion layers
ВВЕДЕНИЕ
Сплавы на основе титана широко применяются при производстве деталей, работающих при высоких нагрузках, например лопастей и лопаток турбин [1]. При этом титановые сплавы характеризуются склонностью к фреттингу и низкой износостойкостью [2].
В настоящее время для упрочнения поверхности титана широко используются технологии науглероживания с использованием газовых и твердых углеродсодержащих сред. Свойства формируемых слоев зависят от состава реакционной среды, например, цементация в газовой атмосфере при температуре 1150° С позволяет снизить коэффициент трения поверхности титана [3].
При использовании твердых углеродсодержащих сред цементация осуществляется путем прессования титановой основы с графитовым порошком и последующим нагревом. Метод нагрева выбирается исходя из требований к формируемым слоям. В основном применяется оборудование, позволяющее проводить нагрев всего изделия или контейнера с изделием. Известны работы посвященные исследованию упрочненных слоев, формируемых на титане при контактном нагреве в среде графита до 800° С в течение 20 минут. В результате образуются слои карбида титана с содержанием углерода до 36 ат. % и твердостью 6,53 ГПа [4]. Для ускорения процесса применяется высокочастотный индукционный нагрев (Knoop, 100 гс). В этом случае титановое изделие помещается в огнеупорный контейнер, заполненный графитом. При нагреве основное тепло выделяется в контейнере, но, согласно известным данным, изделие прогревается до температуры, сравнимой с температурой контейнера [5]. В результате подобной обработки формируются слои TiC толщиной до 14 мкм и твердостью до 20 ГПа [6].
Проведение цементации крупногабаритного титанового изделия при использовании индукционного или печного нагрева является технологически сложным процессом. Поэтому рациональнее проводить локальное упрочнение, используя точечные источники нагрева, например лазерное излучение. Известны работы, посвященные лазерной обработке титана в порошковой смеси, состоящей из титана с дисперсностью 20-30 мкм и углеродных нано-трубок. При мощности излучения мощностью до 700 Вт формируются карбидные слои с твердостью до 1125 HV0,5 (11 ГПа) [7]. В качестве углеродосодержащей среды применяется и порошок графита. Для фиксации графита на обрабатываемой поверхности применяется жидкое стекло. После лазерной обработки нанесенной пасты в импульсном режиме с длительностью импульса от 4 до 12 мс и мощностью 250 Вт формируются слои, характеризуемые твердостью до 934 HV (9,2 ГПа) и дендритной структурой [8]. Помимо жидкого стекла,
81
для фиксации графита на поверхности металлического изделия возможно применение графитовой смазки [9, 10].
Несмотря на наличие работ по лазерной цементации титана, влияние условий лазерной обработки на толщину упрочненных слоев и их микротвердость изучено недостаточно. Поэтому цель работы заключалась в исследовании влияния энергии импульса и его длительности на структуру и микротвердость диффузионных слоев, формируемых на титане при лазерной обработке в среде графита.
МЕТОДОЛОГИЯ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ РАБОТ
В исследованиях использовались образцы в виде пластин из титана ВТ1 размером 10^10x1 мм. На поверхности пластин формировался насыпной слой толщиной 100-300 мкм из порошка графита с дисперсностью 10-35 мкм. Обработка участка поверхности диаметром 8 мм с перекрытием 50 % производилась на установке «LRS-50А». Лазерное излучение фокусировалось на поверхности графита в пятно диаметром 0,75 мм (рис. 1). Энергия и длительность лазерного импульса варьировались от 0,76 до 10,17 Дж и от 0,5 до 3 мс соответственно.
Рис. 1. Лазерная обработка титана в среде порошкового графита
Структура слоев исследовалась методами оптической и растровой электронной микроскопии с использованием оптической системы микротвердомера «ПМТ-3» и электронного микроскопа «MIRA II LMU». Глубина структурных изменений измерялась по изображениям шлифов согласно известной методике [11]. Твердость покрытий оценивалась методом микроиндентирования на «ПМТ-3М» при нагрузке на индентор Виккерса равной 0,98 Н. Построение регрессионных моделей проводилось в программе «Data Fit 9».
РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЙ
Лазерная обработка в среде графита позволила сформировать на титане слоистую систему, состоящую из тонкого покрытия толщиной 0,5-6 мкм и диффузионных слоев глубиной 8,3-800 мкм (рис. 2а). Эти структурные области характеризовались наличием мелкозернистой (от 0,1 мкм) дендритной структуры (рис. 2Ь). Размер и форма дендритных образова-
ний зависели от длительности импульса. С увеличением длительности лазерного импульса элементы структуры сливались, следовательно, размер отдельных зерен увеличился. Дендритная структура визуально похожа на структуры, образованные лазерной обработкой в аналогичных работах [7, 8].
Рис. 2. Микроструктура титана (а) после лазерной обработки при энергии импульса 1,5 Дж и его длительности 2 мс, где выделены покрытие 1 и диффузионный слой 2 с дендритной микроструктурой (Ь)
Помимо покрытия и диффузионного слоя, микроструктура отличалась наличием переходного слоя и, соответственно, границ между ними, а также границы теплового воздействия на металл (рис. 3).
Рис. 3. Граница диффузионного слоя
Согласно регрессионным моделям существенное влияние на толщину (к, мкм) диффузионных слоев при обработке оказывала энергия импульса (Е, Дж). Диффузионные слои,
83
сформированные при энергии и длительности импульса 10,17 Дж и 3 мс соответственно, отличались максимальной глубиной (до 800 мкм) (рис. 4).
Длительность импульса влияла не только на форму дендритных образований, но и на микротвердость диффузионного слоя (Н, ГПа). Слои, полученные с длительностью импульса (т, мс) 3 мс и средними значениями энергии, различались максимальной микротвердостью, составляющей примерно 28 ГПа (рис. 5).
Лазерная обработка титана в среде, состоящей из порошка графита, позволила получить слоистую структуру, состоящую из покрытия, диффузионного слоя и переходного слоя. Покрытия имели толщину до 6 мкм. Диффузионный слой имел дендритную структуру и высокую, до 28 ГПа, микротвердость. На размер структурных элементов и твердость больше всего влияла длительность импульса. Глубина упрочненного слоя достигала 800 мкм и зависела от энергии импульса.
Значительная толщина формируемых конструкций позволяет проводить финишную обработку поверхности титана после лазерного упрочнения. Установленные зависимости позволяют выбирать режимы лазерной обработки для формирования на титане структур с заданными свойствами.
Рис. 4. Влияние энергии и длительности лазерного импульса на глубину диффузионных слоев
ВЫВОДЫ
Рис. 5. Влияние энергии и длительности лазерного импульса на микротвердость диффузионных слоев
Работа поддержана стипендией Президента РФ, проект СП-2631.2019.1.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Rajendran R. Gas turbine coatings - An overview // Engineering Failure Analysis. 2012. V. 26. P. 355-369.
2. Tang C.B., Liu D.X., Li F.Q., Tang B., Qin L. Improvement in wear and corrosive wear resistance of Ti6Al4V alloy by double glow plasma surface alloying with W-Mo and W-Mo-N // Materials Science Forum. Trans. Tech. Publications. 2011. V. 675. P. 1253-1257.
3. Ajikumar P.K., Vijayakumar M., Kamruddin M., Kalavathi S., Kumar N., Ravindran T.R., Tyagi A.K. Effect of reactive gas composition on the microstructure, growth mechanism and friction coefficient of TiC over layers // International Journal of Refractory Metals and Hard Materials. 2012. V. 31. P. 62-70.
4. Boonruang C., Thongtem S. Fast processing technique for TiC coatings on titanium // Chiangmai J. Sci. 2010. V. 37. P. 206-212.
5. Voyko A., Fomina M., Shumilin A., Rodionov I., Kalganova S., Artyukhov I., Fomin A. Numerical simulation of induction heating of a carburizing container with a titanium sample // Journal of Physics: Conference Series. 2018. V. 1124 (7). P. 071021.
6. Morphology and microhardness of TiC coatings on titanium treated with high-frequency currents / A.V. Voyko, M.A. Fomina, V.A. Koshuro, A.A. Fomin, I.V. Rodionov, V.S. Atkin, V.V. Galushka, A.M. Zakharevich, A.A. Skaptsov // Progress in Biomedical Optics and Imaging. Proceedings of SPIE. 2018. V. 10716. P. 107161L.
7. Savalani M.M., Ng C.C., Li Q.H., Man H.C. In situ formation of titanium carbide using titanium and carbon-nanotube powders by laser cladding // Applied Surface Science. 2012. V. 258. № 7. P. 3173-3177.
8. Hamedi M.J., Torkamany M.J., Sabbaghzadeh J. Effect of pulsed laser parameters on in-situ TiC synthesis in laser surface treatment // Optics and Lasers in Engineering. 2011. V. 49. № 4. P. 557-563.
9. Структура и твердость стали Х12МФ после электроискрового легирования цирконием и цементации в графитовой пасте / М.Е. Федосеев, В.А. Кошуро, А.С. Аман, А.А. Фомин // Вестник Саратовского государственного технического университета. 2020. № 2(85). С. 85-90.
10. Родионов И.В., Проскуряков В.И. Лазерная модификация поверхности нержавеющей хромоникелевой стали 12Х18Н10Т в слое смеси графитовой пасты и нанодисперсного порошка анатаза // Вестник Саратовского государственного технического университета. 2020. № 2(85). С. 79-84.
11. Surface morphology data of tantalum coatings obtained by electrospark alloying / M. Fomina, V. Koshuro, V. Papshev, I. Rodionov, A. Fomin // Data in brief. 2018. V. 20. P. 1409-1414.
СВЕДЕНИЯ ОБ АВТОРАХ
Кошуро Владимир Александрович -
кандидат технических наук, доцент каф «Материаловедение и биомедицинская инженерия» Саратовского государственного технического университета имени Гагарина Ю. А.
Осипова Елена Олеговна -
аспирант, ассистент кафедры «Материаловедение и биомедицинская инженерия» Саратовского государственного технического университета имени Гагарина Ю.А.
Vladimir A. Koshuro -
mi Ph.D (Technical Sciences), Associate Professor, Department of Materials Science and Biomedical Engineering, Yuri Gagarin State Technical University of Saratov
Elena O. Osipova -
Postgraduate, Assistant Lecturer, Department of Materials Science and Biomedical Engineering, Yuri Gagarin State Technical University of Saratov
Фомина Марина Алексеевна -
научный сотрудник учебно-научной лаборатории «Электрофизические процессы и технологии» Саратовского государственного технического университета имени Гагарина Ю.А.
Фомин Александр Александрович -
доктор технических наук, заведующий кафедрой «Материаловедение и биомедицинская инженерия» Саратовского государственного технического университета имени Гагарина Ю.А.
Marina A. Fomina -
Research Fellow, Educational and Scientific Laboratory «Electrophysical Processes and Technologies», Yuri Gagarin State Technical University of Saratov
Aleksander A. Fomin -
Dr. Sci. (Tech.), Head: Department of Materials Science and Biomedical Engineering, Yuri Gagarin State Technical University of Saratov
Статья поступила в редакцию 03.07.21, принята к опубликованию 17.09.21
