Формирование упрочненной зоны при лазерном легировании

Формирование упрочненной зоны в результате лазерного легирования происходит путем диффузии и массопереноса легирующих элементов в твердой фазе из жидкой фазы и из плазмы.

Структурные свойства зоны легирования зависят от концентрации легирующих элементов и получения фаз различной степени стабильности и дисперсности, которые образуются в процессе кристаллизации и охлаждения.

Наряду с концентрацией легирующих компонентов в обмазке строение и состав зоны термического воздействия определяются технологическими параметрами лазерного облучения - плотностью мощности излучения, временем его действия, числом импульсов, а также количеством и химическим составом обмазки.

В зависимости от энергии излучения и количества обмазки можно изменять состав и строение поверхностного слоя. Например, при энергии Е = 10 Дж на импульсном лазере при небольшом количестве обмазки образуется обычная зона термического воздействия. С увеличением количества обмазки зона легирования в конечном счете выступает над поверхностью, создавая наплавленный слой. При дефокусировке луча можно приплавить к поверхности отдельные частицы обмазки.

При увеличении мощности импульса выше порогового значения для слоя обмазки данной толщины на поверхности подложки начинает формироваться легированный (модифицированный) слой. При отношении Ри/Рп несколько больше единицы размеры зоны легирования, получаемой в результате одного импульса, как в диаметре, так и по толщине незначительны.

С увеличением этого отношения размеры легированной или модифицированной зоны увеличиваются. Причем вначале рост толщины выступающей над поверхностью части слоя (см.рис. 60) опережает увеличение толщины диффузионной зоны h и происходит наплавка металла. Дальнейшее увеличение отношения Ри/Рп приводит к образованию наплавки со все более увеличивающейся заглубленной частью, т.е. простирающейся в глубь подложки из основного металла. При некотором соотношении Ри/Рп на поверхности образуется легированный слой с равными по величине «заглубленной» и выступающей частями. Последующее увеличение мощности обусловливает снижение значения толщины наплавленного слоя h₂ и возрастание глубины зоны легирования h.

Таким образом, для конкретной толщины слоя обмазки соотношение Ри/Рп определяет тип легированной или модифицированной зоны: наплавка при h₂> h и легированный слой при h>h₂. Так как четкой границы между наплавкой и лазерным легированием не существует, в дальнейшем условно принимаем за такую границу мощность импульса, при которой образуется слой с параметрами h=h₂. С этой точки зрения весь рабочий диапазон мощности излучения Ри >Рп для различных толщин обмазки можно разбить на две области: I - режима легирования и II - режима наплавки (рис. 61). Нижней границей области режима наплавки является зависимость мощности пробоя от толщины слоя (рис. 62).

На рис. 61 показаны для импульсного лазера возможные области режимов легирования и наплавки при ЛХТО.

Рис. 61. Области технологических режимов при различной мощности импульса и толщине слоя обмазки: 1 - область режима легирования; II - область режима наплавки; III - нерабочая область	Рис. 62. Зависимость мощности импульса, обеспечивающей эффект прибоя обмазки, от толщины шликерного слоя

Для всех типов насыщенных элементов режим легирования имеет место при соотношении Ри /Рп ³ 1,5-2,0. Меньшее значение отношения соответствует малым толщинам обмазок; при увеличении толщины обмазки требуемое превышение мощности импульса над пороговой приближается к двум.

Структура, фазовый состав и свойства зон упрочнения зависят от энергетических параметров излучения, но в основном определяются типом и количеством насыщающего элемента или толщиной слоя обмазки.

При ЛХТО возможно образование пересыщенных твердых растворов. Например, при легировании железа вольфрамом образуется a-твердый раствор на основе железа с концентрацией вольфрама ~ 15-18%, что значительно превышает максимальную растворимость его в железе по диаграмме состояния. Аналогичные данные получены при легировании железа молибденом при многократном импульсном облучении. При равновесной концентрации ~6,7% молибдена в a -железе при ЛХТО концентрация молибдена повысилась до 28-36%. Высокая концентрация легирующих элементов в расплаве при сверхскоростном охлаждении в условиях ЛХТО приводит к образованию пересыщенных твердых растворов.

Высокая концентрация легирующих компонентов и возможная неравномерность их распределения в зоне плавления определяют увеличение внутренних напряжений, что может привести к образованию трещин и микропор.

Неоднородность состава зоны расплава, в частности при лазерном борировании подтверждена методом радиографии. Вблизи границы зоны плавления с зоной термического влияния снижается концентрация бора, что вызвано понижением температуры металла и меньшей интенсивностью перемешивания расплава в граничной области.

Внедрение атомов бора происходит по границам зерен, что может бьггь связано с локальным расплавлением границ зерен на границе зоны плавления и зоны: термического влияния. При многократном импульсном воздействии концентрация.бора выравнивается в объеме расплавленного металла.

Исследование химического состава зон плавления при ЛХТО легированных сталей показывает, что в расплаве не происходит заметного перераспределения легирующих элементов стали.

Выбор насыщающих элементов для лазерного легирования обычно осуществляется эмпирически в серии предварительных экспериментов при разработке технологгии ЛХТО упрочняемых сплавов. Например, при легировании сплавов алюминия медью, цинком, кремнием, сурьмой образующиеся структуры практически не ведут к повышению твердости. Попытки введения в расплав карбидов (карбиды бора, вольфрама, титана, хрома), нитридов (нитриды титана, ванадия, циркония), оксидов (оксиды алюминия, кремния, хрома) также не привели к формированию упрочненного слоя. В зоне лазерного воздействия при этом не обнаруживались новые фазы, а микроструктура слоя соответствовала структуре, получаемой при лазерной термообработке сплавов алюминия с оплавлением.

В зависимости от типа легирующего элемента (его совместимости с матрицей), количества легирующей обмазки и режимов обработки количество включений упрочняющих фаз в поперечном сечении ванны плавления может быть различным.

Например, при насыщении сплавов алюминия аморфным бором при больших плотностях излучения ОКГ на глубине до 50-60 мкм наблюдается выделение отдельных включений новой фазы, имеющей очень высокую микротвердость (20000-25000 МПа). Общее количество включений не превышает 2-3% площади поперечного сечения ванны плавления и не приводит к увеличению твердости зоны обработки. Степень заполнения поперечного сечения ванны плавления новой фазой при легировании алюминия ниобием составляет 40-45%, никелем - 75-80%. При легировании металлами IV б группы периодической системы образуется сплошная упрочненная зона с равномерным распределением твердости.

При лазерном упрочнении образуются фазы с различными удельными объемами, отличающимися от исходных, и поэтому в поверхностном слое металла возникают внутренние напряжения. Величина и знак остаточных напряжений, возникающих после импульсной лазерной обработки, зависят от режима упрочнения, коэффициента перекрытия, фазового и химического состава зоны легирования. При ЛТО с оплавлением при единичном импульсе или обработке в линию без наложения зон упрочнения образуются сжимающие напряжения.

Рис. 63. Распределение остаточных напряжений в поверхностном слое стали 40Х, упрочненной лазерным излучением: а - ЛТО с оплавлением, обработка в линию с наложением зон упрочнения, Кз = 0,6; б - ЛХТО, обработка в линию с наложением зон упрочнения, Кз =0,3 (борирование)

При наложении зон упрочнения с коэффициентом перекрытия 0,3-0,6 сжимающие напряжения на поверхности возрастают. Однако на глубине 40-60 мкм напряжения переходят в растягивающие, а на глубине более 160 мкм они вновь становятся сжимающими (рис. 63).

Лазерное легирование позволяет получить равнопрочную поверхность при сканировании луча с перекрытием зон упрочнения.

При ЛТО стали с перекрытием зон упрочнения в результате высокоскоростного нагрева и охлаждения ранее сформированных упрочняемых зон протекают процессы повторной закалки и отпуска. При нагреве зон перекрытия ниже температур фазовых превращений происходит отпуск, приводящий к снижению твердости.

Легирование позволяет уменьшить падение твердости при обработке с перекрытием, что зависит от фазового состава зон упрочнения. При образовании твердых растворов и гетерофазных смесей твердых растворов и интерметаллидов понижается твердость в зонах перекрытия. При формировании интерметаллидных структур достигается однородная по твердости упрочненная поверхность. В частности, при лазерном борировании при образовании фаз типа Fe₂В и FеВ падения твердости в зонах перекрытия не происходит.

Концентрацию легирующего элемента в упрочнённом слое можно приближенно оценить по привесу образца:

К2=[DР/(Ро+DР)]100%

где DР- увеличение массы образца после легирования; Ро - масса расплавленного слоя металла.

Оценка концентрации легирующих элементов может быть приближенно проведена из геометрических параметров зоны упрочнения и толщины слоя обмазки.

Влияние энергетических характеристик лазерного излучения на геометрические размеры зон упрочнения

Диаметр зоны легирования может быть определен радиусом гауссова пучка при известной плотности пороговой мощности излучения импульса мощностью Рп, необходимой для пробоя слоя обмазки толщиной Н (см. рис. 60):

d=2

(29)

где Ри - мощность импульса; Рп - мощность пробоя для шликерного слоя данной толщины; k - коэффициент сосредоточенности излучения.

Расчеты по формуле (29) хорошо коррелируют с экспериментальными данными.

Экспериментально полученные данные о зависимости толщины легированного слоя от величины используемой мощности (установка Квант-16) и изменении коэффициента использования импульса с увеличением толщины обмазки позволяют построить номограммы для определения толщины зон легирования в зависимости от мощности лазерного импульса и толщины слоя обмазки. Для обмазок из порошков титана и кобальта эти номограммы представлены на рис. 64. Левая часть номограммы представляет собой зависимость используемой мощности от полной мощности лазерного импульса при различной толщине слоя обмазки. Эта зависимость определяется расчетным путем по формуле:

Кисп=(Рп/Ри) (ln Рп/Ри+К r^2)+1

(30)

где Кисп=Рисп/Ри – коэффициент использования энергии импульса; К – коэффициент сосредоточенности источника теплоты.

Правая часть номограммы является зависимостью толщины легированного слоя от использованной мощности. Номограмма позволяет легко определять ожидаемую толщину зон легирования при различных режимах работы лазера для интервала толщины слоя обмазки 0,1-0,9 мм и, наоборот, по заданной толщине легированного слоя определять требуемые параметры ЛХТО, а именно, мощность излучения и толщину обмазки. Например (см. рис. 64), при обработке поверхностей лазерным излучением мощностью 2,3 кВт при толщине слоя обмазки 0,3 мм используемая мощность импульсов составит 1,6 кВт и толщина легированной зоны 0,33 мм.

При многократном облучении зон лазерного упрочнения импульсами с постоянной энергией увеличиваются их размеры. Наибольшее увеличение глубины и диаметра зоны термического влияния и зоны плавления происходит в процессе первых трех импульсов, а затем размеры зон стабилизируются.

Рис. 64. Номограмма для определения используемой мощности и толщины легированного слоя в зависимости от полной мощности импульса при насыщении титаном (а), кобальтом (б) для различных толщин обмазки: 1-0,1 мм; 2-0,3 мм; 3-0,5 мм; 4-0,7 мм; 5 -0,9 мм

Если зону плавления при ЛХТО составляет несколько различных структур, то многократная обработка излучением ОКГ позволяет получить более однородную структуру и равномерное распределение микротвердости по объему расплавленного и закристаллизованного материала. При образовании структур с большими удельными объемами при повторном облучении в зонах ЛХТО возможно образование трещин в результате внутренних напряжений.

Дата добавления: 2014-01-04