Лазерное легирование стали металлами и тугоплавкими соединениями

Легирование металлами. Лазерное легирование железа и его сплавов возможно тугоплавкими легирующими элементами N1, Mo, Ti, Ta, Nb, V, Сr, W путем нанесения обмазки или фольги из этих металлов. Насыщение указанными легирующими элементами, за исключением никеля, позволяет повысить микротвердость зон упрочнения до 15000МПа. С целью повышения микротвердости и износостойкости металла целесообразно также использовать комплексное насыщение углеродистых сталей и армко-железа карбидообразующими элементами совместно с углеродом.

По сравнению с ЛТО ЛХТО с легированием хромом снижает микротвердость поверхностного слоя стали 40Х до 8240МПа, а совместное легирование хромом и углеродом повышает микротвердость до 12900МПа.

Лазерное легирование титаном повышает микротвердость технического железа до 4580МПа и в то же время снижает твердость среднеуглеродистых сталей до 4100-4500МПа, поскольку углерод полностью связан с карбидом. При совместном насыщении титаном и углеродом микротвердость упрочненной зоны повышается до 12500МПа.

Насыщение поверхности легирующим элементом при ЛХТО можно регулировать в широких пределах, изменяя параметры режима обработки. При импульсном облучении, изменяя длительность, энергию и форму импульса ОКГ, а также число импульсов, подаваемых в одну зону, можно регулировать концентрацию легирующего элемента и глубину зоны легирования.

Например, при легировании железа ванадием можно изменять микротвердость зоны упрочнения от 4000 до 16000МПа и глубину от 150 до 350 мкм (рис. 95). При действии единичного импульса с энергией 8 Дж достигается максимальная микротвердость ванадированного слоя (16000МПа) при его глубине 120 мкм.

С увеличением числа импульсов растет глубина зоны упрочнения, но уменьшается ее твердость вследствие снижения концентрации ванадия в зоне.

От формы расплавленного пятна зависит однородность состава при лазерном поверхностном легировании. При полукруглой зоне плавления наблюдается наиболее равномерное распределение легирующих элементов, а наименее однородное распределение имеет место при «кинжальном» проплавлении.

При легировании железа тугоплавкими металлами в зоне воздействия лазерного излучения обычно образуются твердые растворы на основе железа.

Положительные результаты достигнуты при лазерном легировании металлами алюминия и его сплавов. В этом случае в зоне обработки образуются упрочняющие фазы, но их количество и микротвердость для разных металлов не одинаковы. Формирование упрочненного слоя при ЛХТО алюминия плохо согласуется с классическими представлениями о поведении легирующих элементов в условиях обычной выплавки алюминиевых сплавов. Например, известно, что разделение жидкой фазы на слои разного состава в связи с неполной взаимной растворимостью компонентов наблюдается лишь в восьми системах: Аl-Вi, Аl-In, Аl-Сd, Аl-Nd, Аl-Рb, Аl-Si, Аl-Те, Аl-Rb.

Однако при лазерном легировании алюминия танталом были получены слои, микроструктура которых свидетельствует о разделении жидкой и твердой фаз в расплаве. Аналогичные структуры были получены также при легировании алюминия ниобием или ванадием.

При использовании таких элементов, как медь, цинк, сурьма, кремний, наблюдается обратная картина: в зоне легирования образуется однородная структура с повышенной травимостью. Микротвердость при этом возрастает незначительно - на 10-20%.

Необходимо, однако, отметить, что по мере повышения твердости упрочненного слоя увеличивается и его хрупкость. Этот недостаток необходимо учитывать при доводке поверхности деталей после ЛХТО.

ЛХТО с использованием тугоплавких соединений. При исследовании ЛХТО среднеуглеродистых сталей установлена возможность повышения микротвердости зон упрочнения до 10000-13000МПа при ЛХТО с использованием их легирования карбидами В₄С, TiС и нитридами ZrN, VN, AlN. Однако с повышением плотности мощности потока излучения легирование из обмазок тугоплавких соединений приводит к образованию пор в зонах упрочнения. В то же время применение нитридов и карбидов при ЛХТО не дает заметного повышения твердости по сравнению с ЛТО среднеуглеродистых сталей.

Введение соединений в зону плавления при ЛХТО возможно различными способами: из обмазок, при предварительном электроискровом легировании и при вдувании порошков из этих соединений в зону переплава струей газа.

При ЛХТО алюминиевых сплавов введение легирующих элементов в виде химических соединений (нитридов, карбидов и оксидов) не дает эффекта упрочнения. В зоне лазерного воздействия в этом случае не образуются новые фазы, а микроструктура слоя соответствует структуре, получаемой при ЛТО этих сплавов с оплавлением.

При легировании в условиях ЛХТО титановых сплавов тугоплавкими соединениями достигается повышение микротвердости при нитридном легировании (ZrN, VN) до 4470-6750МПа, а при карбидном до 5700-8500МПа (ZгС) и 10600-22900МПа (В₄С), что обеспечивает рост износостойкости сплавов титана.

Наибольший эффект повышения износостойкости титановых сплавов установлен при комплексном их насыщении легирующими элементами (в условиях ЛХТО), в частности, при карбоборировании и карбосилицировании вследствие образования в зонах лазерного воздействия структуры пересыщенного a’ -твердого раствора, упрочненного интерметаллидными включениями. Плотность нанесения обмазок составляла 10-20 мг/см² Результаты фазового анализа карбоборированного слоя образцов из титана ВТ1-0, сплавов ВТ3 и ВТ6 показали наличие в a' -твердом растворе частиц карбидов ТiВ и TiB₂.

ЛХТО в указанных условиях значительно повышает износостойкость титана и его сплавов (рис. 70).

При легировании титановых сплавов алюминием эффект повышения износостойкости в результате карбоборирования незначительно снижается вследствие увеличения объема расплава и уменьшения плотности насыщения зоны легирования боридами титана в единице объема.

Установлено, что при ЛХТО титановых сплавов, содержащих алюминий, коррозионная стойкость сплавов после лазерного карбоборирования и карбосилицирования повышается,а нелегированного титана - уменьшается. Наибольший эффект повышения коррозионной стойкости в 40%-ном растворе Н2SO4. наблюдался при лазерном карбосилицировании сплава ВТ22 - скорость коррозии в результате образования сплошного слоя интерметаллидов на поверхности образцов уменьшилась в 6,5 раз. Лазерное карбоборирование и карбосилицирование титановых сплавов сопровождаются снижением их механических свойств при статическом нагружении.

Рис. 70. Влияние лазерного упрочнения сплава ВТ6 на объем вытертой лунки при нагрузке 50Н на пути трения, равном 50 и 100 м: 1 - исходное состояние; 2 -ЛТО; 3 - лазерное карбоборование

Дата добавления: 2014-01-04