Влияние лазерного излучения на механические свойства многоэлементных покрытий

Научная библиотека Комментариев к записи Влияние лазерного излучения на механические свойства многоэлементных покрытий нет

Кузнецова 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.

Рис. 1. Микроструктура покрытия, полученного в газовой среде аргона, до лазерного облучения

Рис. 1. Микроструктура покрытия, полученного в газовой среде аргона, до лазерного облучения

 

Рис. 2. Микроструктура покрытия, полученного в газовой среде аргона, после лазерного облучения

Рис. 2. Микроструктура покрытия, полученного в газовой среде аргона, после лазерного облучения

 

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.

Рис. 3. Микроструктура покрытия, полученного в газовой среде азота, без лазерного облучения

Рис. 3. Микроструктура покрытия, полученного в газовой среде азота, без лазерного облучения

Рис. 4. Микроструктура покрытия, полученного в газовой среде азота, после лазерного облучения

Рис. 4. Микроструктура покрытия, полученного в газовой среде азота, после лазерного облучения

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:

1. Булгаков А.В., Булгакова Н.М., Бураков И.М. и др. Синтез наноразмерных материалов при воздействии мощных потоков энергии на вещество. – Новосибирск: Институт теплофизики СО РАН, 2009. – 462 с.
2. Вейко В.П., Петров А.А. Введение в лазерные технологии. – СПб: СПбГУ ИТМО, 2009. – 143 с.
3. Григорьянц А.Г., Шиганов И.Н., Мисюров А.И. Технологические процессы лазерной обработки. – М.: Изд-во МГТУ, 2006. – 664 с.
4. Калиниченко А.С., Бергман Г.В. Управляемое направленное затвердевание и лазерная обработка: теория и практика. – Минск: Технопринт, 2001. – 367 с.
5. Лосев В.Ф., Морозова Е.Ю., Ципилев В.П. Физические основы лазерной обработки материалов. – Томск: ТПУ, 2011. – 199 с.
6. Самсонов Г.В. Нитриды. – Киев: Наукова думка, 1969. – 312 с.
7. Соболь О.В., Андреев А.А., Горбань В.Ф. и др. О воспроизводимости однофазного структурного состояния многоэлементной высокоэнтропийной системы Ti-V-Zr-Nb-Hf и высокотвердых нитридов на ее основе при их формировании вакуумно-дуговым методом // Письма в ЖТФ. – 2012. – Т. 38, Вып. 13. – С. 40–47.
8. Юров В.М., Лауринас В.Ч., Гученко С.А., Завацкая О.Н. Образование ячеистой наноструктуры при формировании многофазных покрытий // Наноматериалы и нанотехнологии. – 2012. – № 2. – С. 17–24.

Источник: https://fundamental-research.ru/pdf/2015/2-9/37320.pdf


© Интернет журнал "ЛАЗЕРНЫЙ МИР", 2016
Напишите нам:
laser.w@yandex.ru

Back to Top