Исследование процессов лазерного легирования поверхности алюминиевых сплавов

Научная библиотека Комментариев к записи Исследование процессов лазерного легирования поверхности алюминиевых сплавов нет

Тарасова Т. В., Гвоздева Г. О. // Журнал: Наука и образование: научное издание МГТУ им. Н.Э. Баумана, Номер: 3, Год: 2012, Страницы: 48, УДК: 621.9.048

Лазерная обработка поверхностей металлов и сплавов относится к локальным методам термической обработки. Благодаря высокой плотности мощности обеспечиваются высокие скорости нагрева и охлаждения (104-108 °С/c) и малое время воздействия излучения на обрабатываемую поверхность, поэтому при лазерной обработке наблюдается минимальное тепловое воздействие на обрабатываемую деталь и минимальное коробление детали. Отличительные особенности лазерного луча от других высококонцентрированных источников, таких как электронный луч или плазменная струя — это возможность его транспортировки на значительные расстояния и подвода в труднодоступные места, а также отсутствие динамического воздействия на обрабатываемую поверхность, что позволяет значительно расширить круг технологических операций по обработке различных деталей машин.

Тепловое воздействие при лазерной термообработке реализуется в широких пределах за счет изменения параметров лазерного излучения и режимов обработки. Это обеспечивает регулирование скоростей нагрева и охлаждения металла, время пребывания металла при высоких температурах, что позволяет получить требуемую структуру поверхностного участка и соответствующие свойства.

Технологические возможности лазерной обработки позволяют использовать этот процесс в качестве заключительной операции без последующей механической обработки. Причем, лазерное термоупрочнение отдельных участков можно проводить после сборки конструкции или узла машины.

В настоящее время цветные сплавы (алюминиевые, медные, никелевые) широко используются в различных отраслях промышленности. Требования к технологическим свойствам этих сплавов (износостойкости, термостабильности, прочности, коррозионной стойкости и др.) постоянно растет. Одним из методов повышения таких свойств является лазерное упрочнение поверхности материала. Наиболее широкое распространение в лазерном поверхностном упрочнении получили два процесса: термическая обработка и легирование.

Об исследовании процессов лазерного легирования поверхности алюминиевых сплавов сообщается во многих публикациях [1-19], однако, в большинстве из них результаты анализируются при насыщении одним компонентом в достаточно узком интервале режимов обработки.

Цель данной статьи – анализ научной информации о проведенных экспериментах в области лазерного легирования поверхности алюминиевых сплавов различными компонентами в широком интервале режимов обработки лазерами разных типов.

Алюминий и сплавы на его основе обладают такими важными для лазерной обработки особенностями как высокая теплопроводность, большая отражательная способность поверхности, относительно низкие температуры плавления. Поэтому особенностью лазерной обработки алюминия и сплавов на его основе является повышенная критическая плотность мощности лазерного излучения (при фиксированном диаметре лазерного пятна — критическая мощность), при которой начинается оплавление поверхности. В некоторых экспериментальных работах для непрерывных СО2-лазеров для чистых металлов эта критическая мощность оценивается на уровне 1-1,2 кВт, для сплавов она несколько ниже. Практика показала, что при оплавлении непрерывными СО2-лазерами мощностью менее 1 кВт поверхности алюминиевых сплавов с нанесенной обмазкой, содержащей порошки чистых металлов, не удается осуществить легирование и наплавку, отдельные частицы могут внедряться в расплавленную ванну, однако качество легированных полос неудовлетворительное.

Вторая особенность легирования алюминиевых сплавов вытекает из большого различия в температурах плавления подложки и большинства легирующих компонентов. В связи с этим при легировании порошками с высокой температурой плавления при невысоком энерговкладе довольно часто имеет место неполное растворение и неполное перемешивание присадочных компонентов в легированных зонах.

Алюминиевые сплавы обычно легируют отдельными неметаллическими (Si, B) и металлическими (Fe, Ni, Cr, Co и др.) компонентами, сплавами и смесями этих компонентов, а также различными соединениями [1-8].

Лазерное легирование алюминиевых сплавов неметаллическими компонентами.

Чаще всего в качестве неметаллического компонента для легирования алюминиевых сплавов выбирается кремний, при этом насыщение поверхности идет достаточно интенсивно, тогда как при легировании бором процесс не отличается достаточной стабильностью. При легировании кремнием представляется возможным на поверхности доэвтектических сплавов получить заэвтектическую структуру, что сопровождается появлением первичных выделений кремния и повышением твердости поверхности. В работе [9] такие структурные изменения наблюдали на ковочном сплаве АК-4 после обработки его непрерывным СО2-лазером, где глубина легированных зон составляла 0,71-1,5 мм, ширина 2,3-3 мм, а микротвердость — Н = 350-450. При лазерном легировании доэвтектического алюминиевого сплава с подачей порошка кремния в зону обработки кремний полностью растворяться не успевает и только после повторного оплавления легированной поверхности (без подачи порошка кремния) в зоне обработки формируется мелкодисперсная заэвтектическая структура.

Лазерное легирование алюминиевых сплавов металлическими компонентами.

Исследование микроструктуры алюминиевого литейного сплава АЛ30 после легирования его поверхности порошками Fe, Ni и сплава системы Ni-Cr-B-Si с помощью излучения непрерывного лазера мощностью до 5 кВт показало, что легирующие элементы по легированной зоне распределены неравномерно и, в общем случае, имеет место образование трех участков или трех слоев [7]. Первый слой, расположенный в центральной части легированной зоны возле самой поверхности имеет наибольшую концентрацию вводимых компонентов, структура здесь представляет собой твердый раствор и интерметаллидные фазы. При легировании железом интерметаллидная фаза представляет собой FeAl3, при легировании никелем и сплавом Ni-Cr-B-Si — NiAl3, Al6Cu3Ni, Ni2Al3. Интерметаллидные фазы c избытком алюминия NiAl3 и Ni2Al3, а также NiAl зафиксированы и в работе [10] при легировании поверхности сплава АМг6 непрерывным CO2-лазером с инжекцией порошка никеля в зону воздействия. Кроме того, при легировании никелевым сплавом в легированных зонах зафиксированы карбиды хрома и бориды, имеющиеся в исходном порошковом сплаве. Микротвердость здесь отличается большим разбросом (табл. 1).

Во всех случаях при лазерном легировании алюминиевого сплава никелем и никелевым сплавом легированная зона имеет более однородное строение, чем при легировании железом, а интерметаллиды имеют более глобулярную форму.

Во втором слое концентрация вводимых компонентов несколько меньше, интерметаллиды мельче, а микротвердость имеет меньший разброс, чем в первом слое. В третьем слое, который расположен на границе с нерасплавленным металлом, интерметаллидов практически нет, структура и микротвердость близка к структуре сплава после лазерной обработки без легирования.

В случае легирования с оплавлением порошковых паст, приготовленных на цапонлаке или на смеси окиси цинка с грунтовкой, в зоне оплавления имеются поры, иногда наблюдался выброс металла. По сравнению с легированием при инжекции порошка интерметаллидных включений больше, особенно игольчатых, и они имеют большие размеры.

Структура сплава АЛ4 после легирования порошком ПГ-СР3 (ПГ-СР3 – самофлюсующийся сплав, относится к сплавам системы Ni-Cr-B-Si на основе Ni, характеризуется следующим химическим составом: C- 0,4…0,7 %, Cr- 13,5…16,5 %, Si-2,5…3,5 %, B- 2,0…2,8 %, Fe-5 %) аналогична сплаву АЛЗО, как при обработке со сканированием, так и без сканирования луча поперек направления перемещения. Обработка со сканированием позволяет увеличить ширину легированных зон до 10-20 мм при такой же практически глубине, при этом в структуре легированных зон уменьшается количество крупных нерастворившихся включений. Первый слой, как правило, при этом отсутствует. Значения твердости при обработке со сканированием выравниваются и понижаются (табл. 1).

Полное содержание статьи: http://technomag.bmstu.ru/doc/330611.html

Рекомендуем для Вас

Leave a comment

You must be logged in to post a comment.


© Интернет журнал "ЛАЗЕРНЫЙ МИР", 2019
Напишите нам:
laser.rf.mail@yandex.ru

Back to Top