Література

1. Комаров Ф.Ф. Ионная имплантация в металлы. – М.: Металлургия, 1990. –216c.

2. Burakowski T., Wierzchoń T. Inżynieria powierzchni metali.–Warszawa: Wydawnictwo Naukowo– Techniczne, 1995. –556s.

3. Burakowski T. Możliwości stosowania implantacji ionów w inżynierii powierzchni metali. Przeglad Mechaniczny, 1988, cz.I, nr 16, 5-11; cz.II, nr 17, s.15-32.

4. Ławrynowicz Z. Mechanizm I technika implantowania plazmowego. Metaloznawstwo, Obróbka cieplna, Inżynieria Powierzchni, nr 115-117, 1992, s.50-58.

5. Rosiński W. Wybrane zastosowania implantacji jonów w nauce i technice. Ossolineum, Wrocław, 1978.

6. Gawlik G., Jagielski J., Podgórski A. Modyfikacja warstwy wierzchniej metali i stopów metodą, implantacji jonów.Prace Instytutu Lotnictwa, nr 121-122 (Z.2-3), 1990, s.74-91.

7. Deicher M., Grubel G., Recknagel E., Reiner W., Wichert Th. Helium vacancy interaction in helium implanted gold. – Metals Science and Engineering, 69, 1985. s.57-62.

8. Hulett D.M., Taylor M.A. Ion nitriding and ion implantation – a comparison. – Metal Progress, August 1985, s.18-21.

9. Fromson R.E., Kossowsky R. Ion implantation process and its results for tools. – Industrial Heating, nr 9, 1984. – s.26-28.

10. Pieraux S.T., Peercy P.S. Ion implantation of surfaces. – Journal of Materials, nr 28, 1978. – s.102-112.

11. Nauczno-techniczeskij progress w maszinostrojenii. Wypusk 9: Sowriemiennyje metody uprocznenija powierzhnosciej detalej maszyn. Mierzdunarodnyj centr naucznoj i techniczeskoj informacii. Instytut Maszinostrojenija im. A.A.Blagonrawowa AN SSSR, Moskwa, 1989.

12. Ионная имплантация. Под ред. ДЖ.К.Хирвонена перевод с английского И.Я.Бокшинского, Е.К.Захарова и др. М: Металургия, 1985 г.

13. Podgórski A., Gawlik G., Jagielski J. Opracowanie wstępnych zalożeń konstrukcyjnych laboratoryjnego implantatora jonów azotu do obróbki metali. Sprawozdanie z I i II etapu pracy w CPBR nr 02-13. Instytut Technologii Materialów Elekronicznych. Warszawa 1986.

14. Wolf G.K.: Die Anwendung von Ionenstrahlen zur Veranderung von Metalloberflachen. Metalloberflache, 40, 1986, 3, s.101-105.

15. Kaut R.A., Sartwell B.D.: Ion beam enhancement of vapour deposited coatings. Journal of Vaccuum Scicience and Technology, A, 1985, vol.3, nr 6, s.2675-2676.

2.6. Лазерна обробка

Iнтенсифiкацiя технологiчних процесiв термообробки, наплавлення, легування, напилення i iнших методiв поверхневої обробки в значнiй мірі визначається розширенням використання потужних концентрованих потокiв енергiї плазмової та iонної дiї, електронного променя, а в останнi роки - i лазерного випромiнювання.

Високi густини потужностi лазерного випромiнювання, яке суттєво перевищує iншi джерела енергiї, дозволяють не тiльки значно збiльшити продуктивнiсть обробки, але i отримати якiсно новi властивостi поверхонь, недоступнi традицiйними методами обробки матерiалiв.

Лазерна обробка поверхонь металiв i сплавiв вiдноситься до локальних методiв ТО з допомогою висококонцентрованих джерел нагрiву. Лазерний промiнь, як джерело нагрiву при ТО матерiалiв, має риси, властивi всiм iншим висококонцентрованим джерелам, а також i свої перерахованi нижче особливостi i переваги.

1. Висока концентрацiя пiдведеної енергiї i локальнiсть дозволяють проводити обробку тiльки поверхневої дiлянки матерiалу без нагрiву решти об’єму i порушення його структури та властивостей, що призводить до мiнiмального жолоблення деталей. В результатi оче­видними є економiчнi i технологiчнi переваги. Крiм цього, реалізується висока концентрацiя випромінювання при дуже малому часi його дiї. Охолодження оброблюваного об’єму матерiалу відбувається з великими швидкостями. В результатi отримується унiкальна структура i властивостi оброблюваної поверхнi.

2. Можливiсть регулювання параметрiв лазерної обробки в широкому iнтервалi режимiв дозволяє розробити низку методiв поверхневої обробки, при чому в кожному методi можна легко регулювати структуру поверхневого шару, його властивостi, такi як твердiсть, зносостiйкiсть, жорсткiсть, а також геометричнi розмiри оброблених дiлянок i iнше.

3. Вiдсутнiсть механiчних зусиль на оброблюваних матерiалах дає можливiсть обробляти крихкi i ажурнi конструкцiї.

4. Можливiсть обробки на повiтрi, простота автоматизацiї процесiв, вiдсутнiсть шкiдливих вiдходiв при обробцi i т.д. визначають високу технологiчнiсть лазерного променя.

5. Можливiсть транспортування випромiнювання на значнi вiдстанi i пiдводу його з допомогою спецiальних оптичних систем у важкодоступнi мiсця дозволяє проводити обробку в тих випадках, коли iншi методи, в тому числi i з допомогою висококонцентрованих джерел нагрiву, використати неможливо. Це дозволяє значно розширити коло технологiчних операцiй по обробцi рiзних деталей машин.

2.6.1. Класифiкацiя методiв поверхневої лазерної обробки

В залежностi вiд спiввiдношення часу дiї випромiнювання та часу релаксацiї i вiд густини потужностi лазерного випромiнювання можуть мати мiсце рiзнi ефекти взаємодiї випромiнювання з металевою поверхнею. У вiдповiдностi з цим розробляються рiзнi методи лазерної обробки матерiалiв.

На рис.2.43 показанi приблизнi областi режимiв лазерного зварювання, пробивання отворiв i деяких методiв поверхневої обробки i термообробки, аморфiзацiя, ударне змiцнення.

Похилими лiнiями показанi рiвнi питомої енергiї e=Еt. Як видно з дiаграми, процеси, поверхневої лазерної обробки характеризуються меншим рiвнем питомої енергiї (1...10³ Дм/см²) в порiвняннi із зварюванням i пробиванням отворiв (10³...10⁶ Дж/см²).

При дiї опромiнення з густиною потужностi Е ³ 10⁸ Вт/см² i тривалостi дiї t=10^-8с i менше має мiсце ударне змiцнення. Аморфізацiя поверхнi з метою отримання тонкого шару з аморфною структурою проводиться в iнтервалi Е = 10⁵...10⁷ Вт/см² i t = 10^-3...10^-7 с i вiдрiзняється дуже вузьким iнтервалом режимiв, якi обмеженi, з однiєї сторони, можливiстю випаровування металу, а з другої - необхiднiстю отримання великої швидкості охолодження розплавленого металу.

Рис.2.43. Класифiкацiйна дiаграма рiзних видiв лазерної технологiї за енергетично-часовими параметрами (Е - густина потужностi; t - тривалiсть дiї)

При тривалостi лазерної дiї t» 10^-3 с i бiльше, що значно перевищує час релаксацiї, встигає пройти передача енергiї випромiнювання «елементарного газу» iонам кристалічної решітки. Таким чином, весь метал нагрiвається в мiкрооб’ємi як суцiльне середовище i лазерне випромiнювання в такому випадку слiд порiвнювати iз звичайним тепловим джерелом нагрiву, яке вiдрiзняється високою концентрацiєю енергiї. При опромiненнi поверхнi лазером в процесi нагрiву i охолодження в мiкрооб’ємах проходять фазовi перетворення, якi можна визначити з дiаграми стану даних сплавiв, i при цьому мож­на здiйснити рiзнi методи лазерної ТО.

Розглянемо класифiкацiю методiв поверхневої лазерної обробки (ПЛО) за технологiчними ознаками (рис.2.44).

Методи лазерної термообробки аналогiчнi звичайним методам ТО сплавiв. Для здiйснення лазерного гартування (термозмiцнення) локальної дiлянки поверхнi деталi за допомогою випромiнювання здійснюється її нагрів до надкритичних температур. Пiсля припинення дiї випромiнювання дiлянка охолоджується з високою швидкiстю за рахунок тепловiдводу у внутрiшнi шари металу. Висока швидкiсть охолодження призводить до утворення структур гартування, а, відповідно, до високої твердостi поверхнi.

У тому випадку, коли товщина оброблюваної деталi є одного розмiру з зоною лазерної дiї i умова прискореного тепловiдводу не забезпечується, має мiсце лазерний вiдпал. Така технологiчна операцiя знайшла широке використання в мiкроелектронiцi. Лазерний вiдпал, полягає в нагрiвi лазером загартованої деталi до температури нижче критичної, може бути використаний для обробки дрібних деталей в приладобудуваннi, наприклад, пружинних елементiв та iн.

Оплавлення поверхнi, як технологiчна операцiя, знайшла застосування з появою лазерного випромiнювання i iншими методами практично не виконується. При оплавленнi для покращання якостi поверхнi (зменшення пористостi або жорсткостi) режим обробки пiдбирається, виходячи з вимог отримання найкращої мiкрогеометрiї поверхнi, а швидкiсть охолодження в цьому випадку, як правило, не регламентується. При аморфiзацiї швидкiсть охолодження повинна бути максимальною для отримання аморфного стану, тому глибина оплавлення не перевищує 50 мкм.

Рис.2.44. Технологiчна схема процесiв поверхневої лазерної обробки

Методи отримання поверхневих покриттів – легування i наплавлення – вiдрiзняються тим, що дiлянка поверхнi нагрiвається вище температури плавлення, в зону оплавлення вводять легуючі компо­ненти, i в результатi утворюється поверхневий шар з хiмiчним складом, вiдмiнним вiд основного металу. Вакуумно-лазерне напилення полягає в випаровуваннi матерiалу поверхнi пiд дiєю лазерного випромiнювання у вакуумi i конденсування випарованих продуктiв на пiдкладцi.

Ударна дiя лазерного випромiнювання може використовуватись для змiцнення поверхнi i для iнiцiювання фiзико-хiмiчних процесiв, наприклад, для формування p-n переходiв в напiвпровiдникових матерiалах.

2.6.2. Основнi технологiчнi лазери, якi використовуються для поверхневої обробки

З рiзноманiтних типiв оптичних квантових генераторiв (лазерiв) для обробки матерiалiв в основному використовуються твердотiльнi i газовi лазери. В твердотiльних лазерах генерацiя випромiнювання здiйснюється в твердому активному елементi, якими використовуються стержнi з кристалу штучного рубiну, скла з домiшками РЗМ ніодиму (Cт-Nd) або iтрiй-алюмiнiєвого гранату з добавкою ніодиму (ИАГ-Nd). В газових лазерах як активне середовище використовуються рiзнi гази та їх. Найбiльш поширеними є газовi лазери на диоксидi вуглецю СО₂. Розрiзняють технологiчнi лазери iмпульсно-перiодичного i неперервного режиму генерацiї випромiнювання.

Твердотiльнi лазери з активним елементом у виглядi рубiнового стержня, звичайно, працюють в iмпульсно-перiодичному режимi випромiнювання з тривалiстю iмпульсiв t = 10^-3...10^-9 с на довжинi хвилi l = 0,69 мкм. Енергiя випромiнювання в iмпульсi складає Е = 10^‑2...10³ Дж при максимальнiй частотi повторення f = 10Гц.

У лазерах Ст-Nd i ИАГ-Nd активний елемент має вигляд кристалiчної (ИАГ) або аморфної (скло) речовини, у яку шляхом легування введенi домiшки iону Nd³⁺, які генерують лазерне випромiнювання.

Твердотiльнi лазери з використанням Nd генерують випромiнювання на довжинi хвилi l = 1,06 мкм. Вiдрiзняються високими (до 10⁷ Вт) значеннями потужностi випромiнювання в iмпульсi при iмпульсному перiодичному генеруваннi.

Вiдмiнною особливiстю твердотiльних лазерiв на iтрiй-алюмiнiєвому гранатi є можливiсть генерацiї випромiнювання не тiльки в iмпульсно-перiодичному, але i в неперервному режимi.

У газових лазерах активним середовищем є чистий газ, сумiш декількох газiв чи сумiш газу з парами метану, збудженого електричним розрядом, проходженням хiмiчних реакцiй або адiабатичним процесом проходження нагрiтого газу через надзвукове сопло. У вiдповiдностi з цим розрiзняють електрично-розряднi, хiмiчнi i газодинамiчнi газовi лазери.

Хiмiчнi лазери є досить складними в експлуатацiї i поки що не знаходять широкого технологiчного застосування. Також з цієї ж причини не використовуються для обробки поверхонь в даний час i газодинамiчнi лазери, якi мають низький ККД (0.1...1%).

Найбiльш широке використання в промисловостi знаходять газовi лазери, в яких накачка активної сумiшi здiйснюється електричним розрядом.

Найбiльше використання в технологiчних установках отримали електричнi лазери на диоксидi вуглецю СО₂, в яких СО₂ використовується для генерацiї IЧ випромiнювання з довжиною хвилi 10.6 мкм.

Розрiзняють СО₂-лазери з самостiйним електричним розрядом i з несамостiйним. Бiльш поширенi СО₂-лазери з самостiйним розрядом і функціями накачування робочої сумiшi та iонiзацiї. Конструктивне оформлення таких лазерiв простiше i тому вони знаходять використання в бiльшостi вiтчизняних i закордонних лазерiв потужнiстю випромiнювання до 540 кВт.

В лазерах з несамостiйним розрядом використовуються зовнiшнiй iонiзатор i розряд накачування робочої сумiшi. Велику перспективу для створення боридних лазерiв пiдвищеної потужностi - до 10 кВт i бiльше мають конструкцiї з несамостiйним розрядом з використанням зовнiшнього iонiзатора у виглядi пучка швидких електронiв.

2.6.3. Властивості сплавів і технологічні особливості методів лазерної термічної обробки

2.6.3.1. Властивості сплавів після лазерного гартування

Основна мета лазерного гартування – це підвищення зносостійкості деталей, які працюють в умовах тертя. Зменшення зношування деталей після лазерної обробки обумовлено рядом факторів: високою твердістю поверхні; високою дисперсністю структури; збільшенням несучих властивостей поверхні; зменшенням коефіцієнта тертя і ін.

Наприклад, в умовах тертя ковзання по твердому сплаві сталі 45 коефіцієнт тертя після лазерного гартування безперервним лазером зменшується на 10 % в порівнянні з нормалізованим та покращеним станом (таблиця 2.8).

При цьому після лазерного гартування відмічено різке зменшення часу припрацювання.

Помітно збільшується і зносостійкість чавунів в умовах тертя ковзання після обробки неперервним лазером. Підвищення зносостійкості чавунів після лазерної обробки обумовлено, крім вище згаданих факторів, покращенням умов тертя через збережений у зоні лазерного впливу графіт. Підвищується також зносостійкість сталей і деяких сплавів при терті у лужному і кислому середовищах

Таблиця 2.12.

Характеристики зносостійкості сталі в залежності від виду обробки

Вид обробки сталi	Коефіцієнт тертя F	Iнтенсивнiсть зношування І, мм^2/м
Покращення Нормалiзацiя Лазерне гартування	0,42 0,44 0,39	3,1·10^-4 2,4·10^-6 4,6·10^-7

2.6.3.2. Основнi параметри лазерного гартування неперервними лазерами i характеристики змiцнених поверхонь

Лазерне гартування неперервними лазерами має ряд особливостей в порiвняннi з iмпульсними. По-перше, немає обмежень на тривалість лазерного випромiнювання. Це дозволяє збiльшити продуктивнiсть процесу i геометричнi розмiри змiцнених зон, а також в бiльш широкому iнтервалi змiнювати структуру i властивостi зони лазерного впливу (ЗЛВ), повнiше здiйснювати процес гомогенізації аустеніту при нагрiвi сталi. По-друге, по довжинi змiцнюваних смуг немає зон багатократного нагрiву, вiдповiдно iснує можливiсть збiльшення рiвномiрностi властивостей по поверхнi.

Основнi параметри лазерного випромiнювання – це потужнiсть випромiнювання Р i дiаметр плями d_н, якi визначають густину потужностi. Крiм того, додається ще швидкiсть перемiщення деталi v вiдносно променя, яка визначає тривалiсть дії лазерного випромiнювання на зміцнювану поверхню.

Рис.2.45. Залежнiсть глибини h i ширини d ЗЛВ сталi 45 вiд швидкостi обробки при P=3кВт

Рис. 2.46. Залежнiсть глибини h i ширини b ЗЛВ сталi ШХ15 вiд потужностi випромiнювання при v =50 мм/с

Зона змiцнення на поверхнi деталi має форму смуги, а перерiз перпендикулярний напрямку руху – форму сегменту.

Вплив режимiв лазерної обробки на геометричнi параметри зон лазерного випромiнювання прийнято розглядати при одному змiшаному параметрi. На рис.2.45 показано змiну глибини i ширини ЗЛВ на поверхнi середньовуглецевої сталi 45 в залежностi вiд швид­костi обробки. На рис.2.46 – змiну глибини i ширини на поверхнi сталi ШХ15 вiд потужностi випромiнювання. Видно, що розмiри ЗЛВ зменшуються при збiльшеннi швидкостi обробки i збiльшуються при зростанні потужності.

Рис.2.47. Операцiйна карта вибору режиму лазерної обробки сталi з вмiстом вуглецю 0,36 % при d_п=5,8 мм (по Стiну)

2.6.3.3. Лазерний відпал

На відміну від лазерного легування лазерний відпал виконується з метою отримання більш рівноважної структури в порівнянні з вихідним станом, який володіє більшою пластичністю і меншою твердістю. Для цього швидкість охолодження матеріалу після припинення лазерного впливу повинна бути значно меншою за критичну. Лазерний відпал може проводитися з оплавленням поверхні і без оплавлення. Зона лазерного впливу в загальному випадку складається з двох шарів: зони оплавлення і зони термічного впливу. При обробці без оплавлення наявний тільки один шар – зона термічного впливу (ЗТВ). У всіх випадках мікротвердість в ЗЛВ менша, ніж у вихідному матеріалі.

На даний час досліджена структура після лазерного відпалу осаджених на різних підкладках елементів як As, Si, Cr, Al, графіт і інші. При цьому структура і властивості відпалених ділянок знаходяться в залежності від режимів лазерної обробки і від вихідної будови напиленого шару. При лазерному рекристалізаційному відпалі напиленого Al його поверхневий шар окислюється, при чому товщина і склад оксидної плівки визначається вмістом кисню у вихідному напиленому алюмінії.

Другим напрямком лазерного відпалу є зниження твердості і збільшення пластичності локальних ділянок для здійснення локальної деформації або для збільшення втомного опору. В цьому випадку лазерний рекристалізаційний відпал використовується не тільки для обробки матеріалів електронної техніки, але і для обробки сталей і сплавів в машинобудуванні.

При обробці масивних деталей із сталі і чавуну для зниження швидкості охолодження і отримання відпаленої структури використовують різні методи, зокрема попередній нагрів всього виробу до температури початку мартенситного перетворення. Тоді вдається запобігти утворенню мартенситу в ЗЛВ та отримати низьку твердість.

2.6.3.4. Лазерний відпуск

Лазерний відпуск проводиться тільки без оплавлення поверхні і зони лазерного впливу.

При лазерному швидкісному відпуску загартованої сталі проходить аналогічне фазове і структурне перетворення, як і при повільному відпуску при нагріванні в печі, тобто має три стадії розпаду загартованої структури: утворення мартенситу відпуску, розпад за­лишкового аустеніту, формування ферито-цементитної суміші. Особливість полягає в тому, що температура цих стадій зміщується вверх, при чому найбільш інтенсивно зміщується температура розпаду за­лишкового аустеніту.

Внаслідок короткочасної лазерної дії відпуск може проходити при температурі нагріву майже до точки А_с1. Слід очікувати, що перетворення другого роду при швидкістному відпуску будуть значно більшими, а блоки a-фази значно меншими у порівнянні з відпуском у печі. Тому твердість сталі після швидкісного відпуску буде значно більшою.

Крім цього в структурі сталі при швидкісному лазерному від­пуску слід очікувати отримання дуже дисперсних карбідів. Тому в зонах лазерної дії після лазерного відпуску сталь має високу міцність, твердість, ударну в’язкість, більш низький поріг холодноламкості, мен­шу відпускну крихкість, ніж після звичайного пічного відпуску. За допомогою такого відпуску на поверхні вуглецевої сталі можна отримати таку сукупність механічних характеристик, які притаманні сталям, легованих хромом і ванадієм, після їх звичайного відпуску. Регулювати отримання тієї чи іншої структури після лазерного впливу можна не тільки зміною енергетично-часових параметрів лазерної обробки, але і за рахунок повторного лазерного впливу, що легко здійснюється при обробці імпульсними та імпульсно-періодичними лазерами. Лазерний відпуск використовується при необхідності локального збільшення пластичності чи ударної в’язкості в місцях кріплення різних деталей, загартованих СВЧ або загартованого і низьковідпущеного інструменту.

2.6.4. Лазерне оплавлення

2.6.4.1. Лазерне оплавлення для покращення якості поверхні

Оплавлення поверхні за допомогою лазерного опромінення здійснюється в тому ж інтервалі режиму, що і лазерне гартування з оплавленням. Відповідно в процесі оплавлення має місце те ж фазове і структурне перетворення, що і при лазерному гартуванні. ЗЛВ складається з трьох шарів: зони оплавлення, зони гартування з твердої фази і перехідної зони.

При використанні лазерного оплавлення для модифікації мікрорельєфів сталей і сплавів необхідно враховувати гідродинамічне перемішування розплаву під дією технологічних сил. В зоні оплавлення існують високі градієнти температури, що призводить до високих градієнтів натягу і утворення циркуляційного руху в рідині: наприклад, швидкість руху у розплаві заліза може досягати 150 мм/с. Зміна тиску в середині розплаву вимагає компенсації, що і відбувається внаслідок зміни форми поверхні. Величина зменшення мікрорельєфу відносно вихідної поверхні визначає припуск перед лазерною обробкою. Найбільший вплив на мікрорельєф поверхні має густина потужності лазерного випромінювання. Обробка в інтервалі густини потужності лазерного неперервного випромінювання 5×10³…5×10⁴ Вт/см² може призвести до покращення мікрорельєфу в порівнянні з точковим. Невеликі значення густини потужності призводять до формування зони, яка має невелику глибину і значну ширину. Тоді циркуляційні завихрення розпадаються на низку дрібних завихрень, що призводить до зменшення викривлення поверхні.

Використання лазерного оплавлення для покращення якості поверхні деталей з порошкових матеріалів переслідує, в основному, дві цілі: покращення мікрорельєфу поверхні і збільшення густини по­верхневого шару. Для збільшення густини поверхневого шару рекомендується лазерне оплавлення при невисокій густині потужності і малій швидкості обробки. В цьому випадку гази, адсорбовані в порах, встигають спливати на поверхню розплаву. Збільшення густини по­верхневого шару деталі з порошкових матеріалів призводять до покращення механічних і трибологічних властивостей. В ряді випадків можуть бути покращені вакуумні властивості деталей, наприклад, газовиділення. В таблиці 2.13 наведені значення сумарної швидкості газовиділення пористих матеріалів після 30-ти годинного вакуумування при кімнатній температурі.

Таблиця 2.13.

Швидкість газовиділення пористих матеріалів

Склад матерiалу	Швидкiсть газовидiлення, л·торр/см^2·с
Напилений сплав ПГ-ХН80СР2	Залiзо-графiт
Вихiдний Пiсля лазерного оплавлення поверхнi	8,1·10^-8 6,85·10^-9	1·10^-6 5·10^-7

2.6.4.2. Аморфізація поверхні

При забезпеченні надвисоких швидкостей охолодження в деяких сплавах в’язкість рідкого металу зростає настільки, що центри кристалізації не встигають вирости і весь метал твердне як склоподібна маса, в якій існує тільки ближній порядок.

Приведемо характерні особливості і відмінні властивості склоподібних металів:

1. Плавна зміна властивостей при твердінні.

2. Виділення теплоти кристалізації при нагріві (звичайно, в околі 300 °С); можливий і незворотній перехід в кристалічний стан.

3. Розмиті ренгенограми і електронограми: по ширині першого максимуму b₀ можна визначити розмір області ближнього порядку

,

де l - довжина випромінювання; q - кут випромінювання.

При Z_ефф=1,3…1,8 нм - структура металу є аморфною, а при Z_ефф=2…10 нм - мікрокристалічною.

Серед факторів, які визначають схильність сплавів до аморфізації, розрізняють зовнішні і внутрішні. До зовнішніх факторів відносяться швидкість аморфізації - індивідуальна для кожного сплаву і хімічний склад сплаву. До внутрішніх факторів відносяться: залежність в’язкості від температури, положення інтервалу кристалізації, швидкість росту центрів кристалізації і інші. Схильність до аморфізації визначається сукупністю цих факторів і не можна її охарактеризувати тільки одним з них.

2.6.5. Отримання покриттів за допомогою лазерного опромінювання

2.6.5.1. Лазерне легування неметалевими компонентами

Лазерним легуванням неметалевими компонентами - вуглецем, азотом і бором отримало найбільш широке розповсюдження. При легуванні на поверхню виробу наноситься обмазка або паста. Оплавлення поверхні здійснюється імпульсним або безперервним лазером (рис.2.48). В цьому випадку до технологічних режимів лазерного легування слід віднести параметри лазерної обробки і товщину шару паст. Із збільшенням потужності випромінювання або енергії імпульсів, із зменшенням швидкості обробки і збільшенням тривалості імпульсів розміри легованих зон зростають, а концентрація легуючого елементу в них понижується. Із збільшенням товщини шару пасти розміри легованих зон зменшуються, а концентрація легуючого елементу підвищується. Для кожної товщини шару існують критичні режими, при яких енергія лазерного опромінювання витрачається лише на нагрів поверхні до температури плавлення і легування в цьому випадку не відбувається. Відмічено, що при лазерному легуванні з перекриттям зон обробки, мікротвердість в зонах повторного нагріву понижується значно менше, ніж при термозміцненні.

Рис.2.48. Схема лазерного легування або наплавлення з нанесенням порошкової пасти на поверхню

Середня глибина утворених легованих об’ємів в більшості випадків складає 0,3…0,4 мм при імпульсній обробці, і 0,3…1 мм при неперервній обробці. Необхідно врахувати, що після легування, як правило, висота напливів складає 20 - 100 мкм, тому значна частина поверхневого шару повинна бути зішліфована при подальшій обробці поверхні. Розглянемо деякі методи лазерного легування.

Цементація. Пастами або обмазками можуть використовуватися розчин графіту або сажі в ацетоні, спирті і інших розчинниках. Оскільки такі обмазки осипаються з поверхні, часто використовуються розчини в різних лаках. Крім того, до складу пасти добавляються активуючі добавки, які збільшують степінь засвоєння елемента металом за рахунок активації дифузії. Як і при дифузійних методах отримання поверхневих покрить, в якості активаторів використовують буру, хлорид амонію і інші.

Насичення вуглецем з газової фази можливо лише при тисках біля 100 атмосфер, оскільки при малих тисках дисоціація вуглецьмістких газів йде слабо і помітного насичення розплаву не спостерігається.

Азотування. При лазерному азотуванні пасти використовується аміачна сіль, карбомід (NH₂)₂CO. Азотування залізовуглецевих сплавів з газової фази проводиться в азоті при високих тисках в спеціальній камері. Введення лазерного променя в таку камеру відзначається значною складністю і такий метод має обмежене використання.

Значно простіше здійснити газове азотування в потоці аміаку, хоч і в цьому випадку потрібна спеціальна камера для попередження викиду аміаку в навколишнє середовище. Збільшення тиску газової фази, звичайно, призводить до підвищення концентрації азоту в легованій зоні.

Найбільш просто здійснюється газове азотування таких металів і їх сплавів, як Ті, Zr, гафній. Для насичення розплавленого металу достатньо проведення лазерного оплавлення на повітрі або в потоці азоту. При легуванні титанових сплавів формується шар, який містить нітриди титану; мікротвердість його зростає до 17000…20000 МПа. Для здійснення азотування сплавів з рідкої фази вироби поміщаються в рідкий азот.

У структурі легованих зон сталей є азотистий мартенсит, за­лишковий аустеніт і нітриди заліза.

Борування. Частіше всього використовується борування з нанесенням обмазок, які є сумішами порошків бору, карбіду бору В₄С, борного ангідриду В₂О₃, бури Na₂B₄O₇×10H₂O, феробору із в’яжучою речовиною, наприклад, клеєм БФ-2. Використовуються також водні суспензії деяких з цих порошків. Інколи застосовується суміш борного ангідриду з графітом.

Особливістю лазерного борування з нанесенням обмазок є утворення кратера на поверхні легованого металу при обробці з підвищеною густиною потужності випромінювання. Це обумовлено горінням бору та виділенням додаткової кількості теплоти, внаслідок чого можуть розвиватися процеси кипіння і випаровування металу.

Відмінністю структури борованих зон від азотованих і навуглецьованих є відсутність залишкового аустеніту, що призводить до більшої твердості і зносостійкості. При збільшенні в легованому шарі фази FeB поверхня має підвищену стійкість при абразивному зношуванні, тоді як при ударній дії рекомендується отримувати в структурі борид Fe₂B.

2.6.5.2. Лазерне легування металевими компонентами

У даний час проведено дослідження легування заліза і сталей багатьма чистими металами (кобальт, хром, олово, марганець, ніобій, нікель, молібден, вольфрам, тантал, титан, ванадій), а також сплавами (хром - молібден - ванадій, нікель - ніобій і ін.). Легування з оплавленням із нанесених компонентів на поверхню металу використовується як при імпульсній, так і при неперервній обробці. Можливе попереднє насичення поверхні металу відповідними елементами. Процес з подачею присадочного матеріалу в зону обробки (в основному порошку) проводиться тільки з використанням неперервних лазерів, оскільки в цьому випадку можна забезпечити синхронізацію подачі під дією випромінювання.

Після лазерного легування чавуну і сталі хромом корозійна стійкість помітно зростає і досягає тих же значень, що і у сплавах з таким самим вмістом хрому. Вказане легування використовується для покращення ударної міцності і зносостійкості.

Крім легування чорних металів перспективним є лазерне легування кольорових металів і сплавів, у першу чергу алюмінієвих і титанових. Алюмінієві сплави, звичайно, легують такими компонентами, як залізо, нікель, титан, ферованадій і сплавами нікель - хром - бор - кремній, кобальт - мідь і інші. Структура легованої зони складається із a-твердого розчину легуючого елемента в алюмінії і інтерметалідних фаз FeAl₃, VAl₃, TiAl₃, CoAl, NiAl₃.

На рис.2.49 приведена мікроструктура сплаву АЛ30 після легування його поверхні нікелем. Помітно, що після лазерного легування інтерметаліди мають форму близьку до глобулярної. Це створює можливість отримання добрих експлуатаційних властивостей легованих поверхонь. Порівняння мікроструктури алюмінієвих сплавів АЛ4, АЛ30 при легуванні їх порошками заліза, нікелю, сплаву Ni – Cr – B – Si показало, що при легуванні з інжекцією порошку в ЗЛВ структура є менш голчастою і має менше пор, ніж при легуванні з обмазок. Мікротвердість легованих зон в алюмінієвих сплавах підвищується до 2000…3000 МПа, а в скупченнях інтерметалідів - до 8000…10000 МПа.

На рис.2.50 наведено криві зміни мікротвердості за Віккерсом в зоні лазерного легування сплаву АЛ30 після його нагріву на повітрі протягом 24 годин. Помітно, що в легованих зонах твердість більша на 100…150 НV, ніж в зонах лазерного гартування без легування. При цьому найбільша твердість спостерігається після легування сплавом Ni – Cr – B – Si.

Рис.2.49. Мiкроструктура сплаву АЛ30 пiсля легування його нiкелем за допомогою неперервного СО₂-лазера

Рис.2.50. Змiна твердостi сплаву АЛ30 пiсля його нагрiву на повiтрi до 250°С: 1 - лазерне гартування без легування, 2 - легування залiзом, 3 - легування нiкелем, 4 - легування сплавом Ni – Cr – B – Si

Лазерне легування мідних сплавів ефективне при використанні потужних СО₂-лазерів неперервної дії, оскільки за допомогою ім­пульсних установок поверхня мідних сплавів оплавляється на невелику глибину.

Дата добавления: 2015-07-18