Лазерный мир

В. В. Гиржон, А. В. Смоляков, И. В. Танцюра, Запорожский национальный университет // Металл и литье украины № 11-12, 2009, с: 34-36, УДК 669.71:669.058:539.24’25

Методами рентгеновского фазового и металлографического анализов исследованы закономерности структурообразования в поверхностных слоях алюминия при повторном лазерном легировании смесью порошков меди и железа. Показано, что увеличение температуры подложки приводит к формированию более однородной зоны лазерного легирования, которая содержит квазикристаллическую фазу.

Описание на английском языке:

Girzhon V. V., Smolyakov O. V., Tantsiura I. V. The anomalous increasing of microhardening in surface layers of aluminium alloys after the laser alloying by copper and iron X-ray diffraction and metallographic methods were used to study the regularities of the structure formation in the surface layers of aluminum upon double laser alloying with copper and iron powders. It is shown, that
the increase in temperature of a substrate leads to formation of more homogeneous zone of laser alloying which contains quasicrystalline phas.

Квазикристаллы имеют ряд таких уникальных свойств, как низкий коэффициент трения, высокая прочность, износостойкость, низкие электро и теплопроводности, что дает предпосылку к их широкому применению в промышленности. Однако возможность использования сплавов, которые содержат в себе квазикристаллическую фазу, существенно ограничивается высокой хрупкостью и низкой деформируемостью квазикристаллической фазы при комнатной температуре. Поэтому квазикристаллы применяют в качестве покрытий и тонких пленок. В научной практике существует ряд методов получения квазикристаллических покрытий: газотермическое напыление [1], лазерное легирование (ЛЛ) [2], электронно-лучевое осаждение [3].
В ряде исследований [3, 4] было установлено, что квазикристаллическая структура формируется лишь при неравновесных условиях кристаллизации, которые обеспечиваются сверхвысокими скоростями нагрева и охлаждения расплавов (~ 104-105 К/с). Поэтому целью работы было исследование влияния скорости охлаждения на формирование квазикристаллической структуры в поверхностных слоях алюминия после лазерного легирования порошками меди и железа путем изменения температуры подложки.
Материалы и методы исследовния В работе исследовались образцы технически чистого алюминия после двукратного ЛЛ смесью порошков меди и железа (в атомарном соотношении 2:1 соответственно), полученных газовым распылением. Легирующие элементы наносились на поверхность образцов в виде обмазки из смеси порошков на основе клея БФ-6. Согласно данным работы [2], при легировании использовалась оптимальная толщина обмазки − 100 мкм. Лазерное легирования проводили при температурах подложки 77, 293 и 473 К.

Согласно данным рентгеновского фазового анализа (рис. 1), лазерное легирование порошками меди и железа с температурой подложки 473 К приводило к формированию в поверхностных слоях алюминия кроме икосаэдрической ψ-фазы еще и кубической β-фазы (Al (Cu,Fe), структурный тип CsCl), α-фазы (ГЦК-фазы на основе алюминия) и тетрагональной θ-фазы (Al2Cu) с параметрами решетки a = 0,607 и с = 0,488 нм. Данные металлографического анализа свидетельствовали о том, что после лазерное легирование формировалась лишь одна зона − зона лазерного легирования (ЗЛЛ). В ЗЛЛ выявлялись участки с разной морфологией фаз: игольчатой и равноосной. Необходимо отметить, что фаза с игольчатой морфологией образовывалась преимущественно в нижней части ЗЛЛ, с направлением роста зерен в сторону максимального отвода тепла, а с равноосной морфологией − в приповерхностных слоях (рис. 2). Резкое возрастание значений микротвердости в поверхностных слоях (практически в 30 раз по сравнению с исходным состоянием), подтверждает ретгенографические данные о формировании икосаэдрической ψ-фазы в ЗЛЛ, что согласуется с работой [2]. По мере приближения к границе ЗЛЛ и матрицы значения микротвердости снижаются (рис. 3).
Лазерное легирование при температуре подложки 293 К приводило к формированию в ЗЛЛ α-фазы, β-фазы, ψ-фазы и гексагональной ε-фазы (Al2Cu3) с параметрами решетки а = 0,413, с = 0,509 нм (рис. 4). Увеличение скорости охлаждения путем снижения температуры подложки приводило к формированию тех же фаз, что и при ЛЛ с температурой подложки 293 К (рис. 5). При этом фиксировалось существенное увеличение интенсивности дифракционных максимумов от решетки β-фазы по сравнению с образцами после ЛЛ при более высоких температурах.

Выводы
Повышение температуры подложки при лазерном легировании приводит к формированию покрытия, содержащего квазикристаллическую фазу с более однородной структурой и, как следствие, с более равномерным распределением микротвердости по глубине зоны.

Полное содержание статьи: http://dspace.nbuv.gov.ua/bitstream/handle/123456789/104351/07-Girzhon.pdf