Влияние лазерного излучения на механические свойства многоэлементных покрытий
Научная библиотека 20.11.2017 Комментариев к записи Влияние лазерного излучения на механические свойства многоэлементных покрытий нетКузнецова Ю.А., Лауринас В.Ч., Гученко С.А., Юров В.М. // Фундаментальные исследования. – 2015. – № 2-9. – С. 1854-1856; УДК 535:621.373.826:539
В работе рассмотрено влияние лазерного излучения на механические свойства многоэлементных покрытий. Покрытия получали ионно-плазменным методом при одновременном распылении композиционного катода Cr-Mn-Si-Cu-Fe-Al и титанового катода в атмосферах аргона и азота. При осаждении Cr-Mn-Si-Cu-Fe-Al-Ti в атмосфере азота структура покрытия резко изменяется, при этом формируются области, содержащие нитриды титана и хрома, причем по данным РФЭС содержание обеих компонент примерно одинаково. После лазерной обработки покрытия Cr-Mn-Si-Cu-Fe-Al-Ti, полученного в среде азота, микротвердость уменьшается более чем в 2 раза, а полученного в среде аргона, наоборот, увеличивается почти в 2 раза. Одной из вероятных причин разупрочнения покрытия Cr-Mn-Si-Cu-Fe-Al-Ti, полученного в среде азота, является коагуляция микрокристаллитов титана и хрома. Таким образом, эффект лазерного воздействия на наноструктурные покрытия может быть довольно разнообразен.
В последнее время возрос интерес исследователей к синтезу высокоэнтропийных многоэлементных однофазных покрытий вакуумными методами [7]. Это связано с тем, что такие составы практически невозможно получить обычными методами металлургии.
Модификация свойств материалов лазерным излучением по физической сути сводится к локальному термическому воздействию. Поэтому оно определяется теплофизическими параметрами материала, плотностью мощности и временем воздействия излучения, в целом количеством удельной энергии, поглощенной материалом, и скоростью ее рассеивания [2–5].
В настоящей работе приведены экспериментальные результаты по лазерному воздействию на твердость многоэлементных покрытий.
Материалы и методика эксперимента
В настоящей работе использовались катоды Cr-Mn-Si-Cu-Fe-Al, полученные методом индукционного плавления, и титановые катоды марки ВТ-1-00 по ГОСТ 1908. Покрытия наносились на стальную подложку ионно-плазменным методом на установке ННВ-6.6И1 при одновременном распылении указанных выше катодов. Количественный анализ элементного состава композиционных катодов и покрытий проводился на электронном микроскопе JEOL JSM-5910. Исследование микротвердости композиционных покрытий проводилось на микротвердомере HVS-1000A. Микроструктура покрытий определялась на металлографическом микроскопе Эпиквант. Покрытия наносились в среде аргона и азота. В качестве источника лазерного излучения в работе использовался лазер на алюмоиттриевом гранате, легированном неодимом (λ = 1064 нм). Длительность вспышки ламп накачки лазера, работавшего в режиме свободной генерации, составляла 2 10–3 с. Энергия лазерного импульса составляла 1 Дж и перед проведением эксперимента измерялась с помощью ИМО-2Н, частота следования лазерных импульсов регулировалась от 0,1 до 35 Гц.
Результаты эксперимента и их обсуждение
На рис. 1–2 показана микроструктура покрытий Cr-Mn-Si-Cu-Fe-Al-Ti до и после лазерной обработки. В табл. 1 приведены значения микротвердости по Виккерсу (HV) образцов Cr-Mn-Si-Cu-Fe-Al-Ti, полученных в среде аргона, без лазерной обработки и после лазерной обработки. Испытание на микротвердость проводилось при нагрузке 0,01 кг, время выдержки 15 с.
Таблица 1
Результаты исследований микротвердости покрытия Cr-Mn-Si-Cu-Fe-Al-Ti, полученного в среде аргона
Образец Cr-Mn-Si-Cu-Fe-Al-Ti | Нагрузка испытания, кг | Микротвердость, HV |
Без лазерной обработки | 0,01 | 190,5 |
После лазерной обработки | 0,01 | 328,0 |
На рис. 3–4 показана микроструктура покрытия Cr-Mn-Si-Cu-Fe-Al-Ti, полученного в атмосфере азота, а в табл. 2 – значения микротвердости. Испытание на микротвердость проводилось при нагрузке 0,025 кг, время выдержки 15 с.
При осаждении Cr-Mn-Si-Cu-Fe-Al-Ti в атмосфере азота структура покрытия резко изменяется и образуется ячеистая наноструктура [8], при этом формируются области, содержащие нитриды титана и хрома, причем по данным РФЭС содержание обеих компонент примерно одинаково. Размер частиц нитрида титана и хрома по данным электронной микроскопии составляет 100–150 нм.
Микрокристаллиты нитридов титана и хрома имеют преимущественную ориентацию (предположительно в направлении (200)), что отлично от сферической симметрии микрокристаллитов чистого титана. Все это, наряду с ячеистой структурой покрытия, приводит к его высокой микротвердости (табл. 2). После лазерной обработки покрытия Cr-Mn-Si-Cu-Fe-Al-Ti, полученного в среде азота, микротвердость уменьшается более чем в 2 раза (табл. 2). Это означает, что в этом случае мы имеем дело не с упрочнением покрытия, а с его отпуском, как это наблюдается в закаленных сталях при высоких температурах.
Таблица 2
Результаты исследований микротвердости покрытия Cr-Mn-Si-Cu-Fe-Al-Ti, полученного в среде азота
Образец Cr-Mn-Si-Cu-Fe-Al-Ti | Нагрузка испытания, кг | Микротвердость, HV |
Без лазерной обработки | 0,025 | 804,4 |
После лазерной обработки | 0,025 | 365,5 |
Однако механизм разупрочнения в нашем случае отличен от механизма отпуска стали, где последний обусловлен фазовым переходом мартенсит→аустенит. Одной из вероятных причин разупрочнения покрытия Cr-Mn-Si-Cu-Fe-Al-Ti, полученного в среде азота, является коагуляция микрокристаллитов титана и хрома, отчетливо видная на рис. 3 и 4 и происходящая при остывании расплава после лазерного облучения. Подобный эффект наблюдается при легировании титаном при бескислородной плавке металлов [8]. При этом включения нитридов титана значительно ухудшают свойства литья. Другой причиной разупрочнения может быть тот факт, что при высокой температуре, которая достигается при лазерном облучении, нитриды титана и хрома «разъедаются» окислами железа [6]. Образование окислов железа может происходить как за счет его значительного содержания в покрытии, так и за счет того, что лазерное облучение проводилось на воздухе.
Заключение
В настоящее время лазерные технологии получили «второе дыхание» и активно используются в различных областях науки, техники, медицины, экологическом мониторинге и т.д. Немаловажную роль они стали играть и в нанотехнологиях [1]. В настоящей работе показано, что эффект лазерного воздействия на наноструктурные покрытия может быть довольно разнообразен. Однако решающую роль при этом играет первоначальная структура покрытия, которая задает механизм и направление ее преобразования при внешних, в том числе и лазерных, воздействиях.
Работа выполнена по программе МОН РК 055 «Научная и/или научно-техническая деятельность», подпрограмма 101 «Грантовое финансирование научных исследований».
Литература:
Источник: https://fundamental-research.ru/pdf/2015/2-9/37320.pdf
Leave a comment
You must be logged in to post a comment.