способ поверхностного легирования изделий из металлов и сплавов

Формула изобретения

СПОСОБ ПОВЕРХНОСТНОГО ЛЕГИРОВАНИЯ ИЗДЕЛИЙ ИЗ МЕТАЛЛОВ И СПЛАВОВ, включающий нагрев поверхности лазером до температуры выше солидуса и введение в расплав легирующих элементов, отличающийся тем, что в зону лазерного воздействия одновременно вводят ультразвуковые колебания с амплитудой 7 - 10 мкм.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к термической обработке изделий из металлов и их сплавов.

Известен способ подготовки функциональных слоев, заключающийся в нагреве поверхности изделий из металлов и их сплавов до температуры аустенизации источником с высокой плотностью энергии (лазером) с одновременным воздействием на изделие ультразвуковых колебаний (далее по тексту УЗК) в диапазоне 15-213 кГц в непрерывном или импульсном режимах. Основным недостатком данного изобретения является то, что поверхность изделий нагревается до низких температур и не позволяет осуществлять легирование поверхности из жидкой фазы.

Наиболее близким к предлагаемому изобретению является способ лазерного легирования, включающий в себя оплавление с помощью импульсного или непрерывного излучения компонентов, предварительно нанесенных на поверхность. Вторым вариантом данного способа является способ легирования с помощью непрерывного лазера с подачей присадочного материала, в основном порошка, в зону обработки [2] . В результате лазерного легирования в структуре зоны области обработки образуются перенасыщенные твердые растворы, а в некоторых случаях и интерметаллиды. Основным недостатком данного способа является то, что в поверхностных слоях образуются области и слои зоны обработки, неоднородные по насыщенности легирующими элементами. Кроме того, затруднено легирование элементами, имеющими более низкий удельный вес по сравнению с компонентами основы, т. к. при этом ухудшается смачиваемость легирующих частиц и затруднено погружение их в глубь расплава.

Цель изобретения состоит в повышении прочностных свойств поверхностных слоев и качества поверхности изделий из металлов и их сплавов.

Поставленная цель достигается тем, что способе лазерно-ультразвукового легирования поверхности изделий из металлов и их сплавов, включающем нагрев поверхности лазером до температуры выше температуры солидуса и введение в расплав легирующих элементов, в зону лазерного воздействия вводят УЗК с амплитудой 7-10 мкм.

При совмещении нагрева поверхности лазером до температур превышающих температуру солидуса, и введения в расплав ультразвука осуществляется возможность управлять гидродинамическими и теплофизическими процессами, протекающими в расплаве. В результате воздействия УЗК с амплитудой 7-10 мкм с расплаве за счет зарождения ультразвуковых вихрей эффективно возбуждаются мелко- и крупномасштабные течения, что приводит к более эффективному перемешиванию легирующих элементов. Кроме того, в ванне расплава осуществляется пластическая деформация, в результате которой в поверхностных объемах обрабатываемых изделий формируются структурные составляющие с более высокими прочностными свойствами. Предлагаемый способ лазерноультразвукового легирования реализован следующим образом.

На поверхность образцов из серого чугуна СЧ 24 наносился на клеевой основе слой порошка титана. Толщина слоя нанесенного порошка находилась в пределах h 70-120 мкм, размер гранул порошка титана - 50-70 мкм.

Поверхность образцов оплавлялась лазером ЛТН-103: мощность излучения составляла Р180 Вт, лазерный луч фокусировался на поверхность в круглое пятно диаметром d = 0,8 мм, скорость перемещения лазерного луча по поверхности составляла v_пер 2 мм/с.

УЗК вводилась в зону обработки с помощью устройства ввода ультразвука, состоящего из пьезоэлектрического преобразователя - керамики ЦТС-23, акустического трансформатора, наконечника, приспособления для прижима. Электрическая мощность источника УЗК составляла 400 Вт. рабочая частота 22 кГц. Прижимное усилие варьировалось от 4 до 10 кГс. Обработка по предлагаемому способу и способу-прототипу проводилась в среде защитного газа-аргона.

Лазерно-ультразуковое легирование образцов проводилось с амплитудой УЗК 10, 7, 6, 4 и 2 мм. Для сравнения проводилась также обработка по способу-прототипу (лазерное легирование).

После легирования образцы из серого чугуна разрезались и подвергались послойному рентгеновскому фазовому, металлографическому и дюрометрическому анализам. Для этого использовались рентгеновский дифрактометр ДРОН-3,0, металлографический микроскоп "Неофот-30" и микротвердомер ПМТ-3 соответственно.

результаты исследований представлены в виде таблицы.

Исследование ванны застывшего расплава после обработки по способу-прототипу (лазерного легирования) показало, что в ней присутствуют карбиды Fe₃C и незначительное количество карбидов TiC. Послойный рентгеновский анализ в нижней половине ванны частиц TiC не выявил. Кроме карбидов в застывшем расплаве фиксируется до 86% метастабильного аустенита в виде дендритов с микротвердостью до 5,3 ГПа и мартенсит, сосредоточенный, главным образом, в междендритных пространствах. Микротвердость последнего находится в пределах 7,6-8,1 ГПа.

После обработки по предлагаемому способу (лазерно-ультразвуковому легированию) количество образующихся карбидов TiC фиксируются по всей глубине оплавленного слоя. Микротвердость областей со скоплениями карбидов TiC достигает 10,4 ГПа.

Кроме того, при охлаждении в зоне расплава вместе с дендритами формируются мартенситно-аустенитные области, размеры которых достигают 130-140 мкм. Их микротвердость достигает 8,5-9,0 ГПА, тогда как микротвердость соседних дендритно-аустенитных участков не превышает 5,5 ГПа.

Наряду с ними при введении УЗК с амплитудой 7 и 10 мкм в ванне застывшего расплава появляются полосы со следами течения расплава при высоких температурах. данные полосы располагаются вдоль дна ванны расплава и могут иметь вид полупетель, направленных к поверхности. Ширина полос составляет 20-25 мкм, а микротвердость в них достигает 8,2 ГПа. Анализ показал, что полосы со следами течения преимущественно состоят из аустенита и, в меньшей степени, из мартенсита.

Кроме того, при обработке с самплитудой УЗК, равной 7 и 10 мкм, проявляется эффект пластической деформации, выражающийся в превращении части остаточного аустенита в мартенсит деформации. В результате этого количества остаточного аустенита уменьшается до 72 и 61% соответственно.

Преимущества предлагаемого способа легирования изделий по сравнению со способом-прототипом, выражающиеся в повышении содержания легирующих элементов в ванне застывшего расплава, более равномерном распределении их по всему объему оплавленного слоя, а также в получении большего количества мартенситной составляющей можно объяснить следующим образом.

При лазерном и лазерно-ультразвуковом легированиях легирующие элементы попадают в расплав с поверхности. Достижение цели максимального попадания и равномерного распределения легирующих элементов в ванне расплава в реальных условиях может быть выполнено лишь путем зарождения вихревых течений в расплавленном металле.

В случае лазерного легирования единственным механизмом возникновения вихрей является термокапиллярный эффект. Он основан на том, что вследствие уменьшения поверхностного натяжения с повышением температуры на поверхность расплава действует сила, направленная от центра ванны к периферии. Данная сила приводит в движение расплав, однако скорость распространения вихрей много меньше скорости распространения тепла. Вследствие этого, для распространения термокапиллярных вихрей на всю глубину ванны расплава нужно большое время, что является существенным недостатком и снижает эффективность лазерного легирования.

При лазерно-ультразвуковом легировании кроме термокапиллярных вихрей в ванне застывшего расплава на границе раздела жидкой и твердой фаз из-за затухания ультразвука, зарождаются мощные ультразвуковые вихри. Скорость расплава в этом случае в силу известных граничных условий равна:

v = , где - частота ультразвука,

- амплитуда УЗК.

Здесь v > 1 м/с, тогда как для термокапиллярных вихрей v 10^-2 м/с. В результате ультразвуковые вихри значительно эффективнее возбуждают мелко- и крупномасштабные течения в ванне расплава, что приводит к более эффективному перемешиванию последнего. В этом случае скорости вихревого и теплового фронтов фактически близки.

Рост количества образующихся вихрей, а также повышенная скорость движения жидкого металла в них при обработке по предлагаемому способ приводят к повышению содержания легирующих элементов в ванне расплава и более равномерному их распределению в оплавленном слое.

Кроме того при совмещении оплавления поверхности лазером и одновременном введении в расплав ультразвуковых колебаний с амплитудой 7-10 мкм появляется возможность осуществления легирования элементами с малым удельным весом, что затруднено при лазерном легировании. Появление многочисленных вихрей в первом случае способствует смачиванию и погружению в расплав легких частиц.

Существенным преимуществом предлагаемого способа легирования является то, что при амплитуде УЗК равной 7-10 мкм проявляется эффект "выглаживания" поверхности лазерной дорожки. Уменьшение рельефа поверхности при этих амплитудах УЗК (см. таблиц) обусловлен пластической деформации поверхностных слоев УЗК-инструментом.

Наложение УЗК с амплитудой 7-10 мкм также оказывает положительное влияние на структуру ванны застывшего расплава. В этом случае при охлаждении аустенита в последнем протекают процессы, понижающие его устойчивость при температуре ниже Ас1 (зарождение многочисленных дефектов кристаллического строения, измельчение блоков мозаики и т. п. ) и способствующие превращению в мартенсит деформации.

Дополнительные изменения или усиление эффектов, описанных выше, может происходить в случае, если интенсивность ультразвука будет достаточной для возбуждения кавитации в ванне расплава. При этом происходит существенное перемещение и измельчение структуры расплава, что позволяет значительно повысить его прочностные свойства. (56) Григорьянц А. Г. Основы лазерной обработки материалов. М. : Машиностроение, 1989, с. 271.