Исследование влияния лазерной термообработки и лазерного легирования на микротвердость жаропрочных сталей и сплавов

УДК 669.056.9

ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ ЛАЗЕРНОЙ ТЕРМООБРАБОТКИ И ЛАЗЕРНОГО ЛЕГИРОВАНИЯ НА МИКРОТВЕРДОСТЬ ЖАРОПРОЧНЫХ СТАЛЕЙ И СПЛАВОВ

Е.В. Шлякова, А.А. Соловьёв, Н.А. Толмачева Омский автобронетанковый инженерный институт

В статье рассматриваются результаты экспериментального исследования микротвёрдости поверхностных слоёв жаропрочных сталей и сплавов на никелевой основе после лазерной термообработки и лазерного легирования. Доказано, что лазерная термообработка позволяет достичь существенного упрочнения поверхности жаропрочных сталей и сплавов. Получены оптимальные режимы лазерной термообработки. В статье приведены результаты исследования влияния лазерного легирования алюминидом кобальта поверхности жаропрочного сплава на никелевой основе на его микротвердость.

Ключевые слова: лазерное легирование, лазерная термообработка, жаропрочные стали, никелевые сплавы, микротвёрдость.

В связи с остротой проблемы увеличения ресурса работы двигателей в настоящее время большое внимание уделяется разработке новых жаропрочных сталей и сплавов, методам получения направленных и монокристаллических структур сплавов, их упрочнения и защиты от газовой коррозии.

Объектами исследований являются жаропрочные стали и никелевые сплавы. Рабочие температуры изделий из жаропрочных металлических материалов выше 0,3Тпл. Жа-

ропрочные стали и сплавы работают под нагрузкой в течение заданного промежутка времени и должны обладать достаточной жаростойкостью при температурах выше 500 оС.

Сплав ЭП109 (ХН56ВМКЮ) - жаропрочный, применяется для изготовления лопаток газотурбинных двигателей (рис. 1). Химический состав сплава ЭП109 представлен в табл. 1.

а)

Рис. 1. Фрагмент газотурбинного двигателя ГТД-1250

б)

Таблица 1

Химический состав сплава ХН56ВМКЮ (ЭП109), %

Ке С 81 Мп N1 Сг Се Мо W Со А1 В

до 1,5 до 0,1 до 0,6 до 0,3 52,2-62,6 8,5-10,5 до 0,02 6,5-8 6-7,5 11-13 5,4-6,2 до 0,02

Сталь 38Х2МЮА - жаропрочная релак- дров танковых дизельных двигателей

сационная (закалка 930-940 оС, масло, отпуск (рис. 2). Химический состав стали

660 оС, 5 часов, охлаждение на воздухе), ис- 38Х2МЮА представлен в табл. 2. пользуется для изготовления гильз цилин-

Рис. 2. Фрагменты танкового дизельного двигателя

Таблица 2

Химический состав стали 38Х2МЮА, %

С 81 Мп N1 8 Р Сг Мо А1 Си

0,35-0,42 0,2-0,45 0,3-0,6 до 0,3 до 0,025 до 0,025 1,35-1,65 0,15-0,25 5,4-6,2 до 0,3

Сталь 45Х14Н14В2М - жаропрочная высоколегированная, аустенитного класса (отпуск 810-830 оС, воздух), применяется для изготовления клапанов механизма газораспределения танковых двигателей (рис. 3). Химический состав данной стали приведён в табл. 3.

Рис. 3. Клапана механизма газораспределения танкового дизельного двигателя

В результате экспериментальных исследований установлено, что лазерная термообработка в режимах, не приводящих к оплавлению поверхности, существенно повышает устойчивость исследованных жаропрочных сталей и сплавов к коррозии в высокотемпературных окислительных средах [1]. Представляет интерес исследование изменения микротвёрдости жаропрочных сталей и сплавов с целью определения таких режимов лазерной обработки, при которых будет достигнуто максимальное упрочнение. Цель измерения микротвёрдости состоит в определении твёрдости отдельных зёрен, фаз и структурных составляющих сплава [2].

Рассмотрены возможности повышения микротвёрдости поверхностей из сплавов ЭП109 (ХН56ВМКЮ) излучением импульсного лазера ЛТУ-2М.Исследовались образцы из сплава ЭП109 (ХН56ВМКЮ) площадью 4 см2. Перед определением микротвёрдости образцы сплава ЭП109 шлифовались, их

поверхность подвергалась электролитическому полированию. Состав электролита для полирования: серная кислота - 390 мл, вода -290 мл, хлорная кислота - 20 мл, уксусная кислота - 40 мл. Электролитическое полирование осуществляется с использованием катода из никеля при 1 = 180С, т = 1мин, 1 = 20 А/дм2, и = 30 В [3].

Затем проводились измерения микротвёрдости поверхности на приборе ПМТ-3 по существующей методике с нагрузкой 100 кгс. Для определения микротвёрдости использовались алмазные наконечники с четырёхгранной пирамидой и квадратным основанием. Исходная микротвёрдость образцов сплава ЭП109 составила 3000 ± 10 МПа.

Часть образцов подвергалась лазерному облучению импульсами длительностью 1,5-10-3с с 50 %-ным перекрытием пятен излучения при различных значениях плотности мощности ^ = 2- 104 Вт/см2, q = 3- 104 Вт/см2, q = 5- 104 Вт/см2, q = 7- 104 Вт/см2, q = 9- 104 Вт/см2).

После облучения проводилось измерение микротвёрдости. Лазерное облучение приводит к упрочнению поверхности сплава ЭП109, микротвёрдость возрастает. Наибольшее значение микротвёрдости исследуемых образцов достигается при плотности мощности лазерного излучения равной 5-104 Вт/см2, что превосходит начальное значение в 1,63 раза (рис. 4).

Н.^ШайМО -1

5Э00

О -I-,-,-,-,-.-,-,-,-,

О 123455/39 ]0 ц. Вт/см-

Рис. 4. Зависимость микротвердости образцов сплава ЭП109 от плотности мощности лазерного излучения

При более высоких значениях плотности мощности лазерного излучения возможно разупрочнение поверхностных слоев.

Эффект упрочнения при лазерном воздействии на металлические материалы наблюдается вследствие высоких скоростей его нагрева и последующего охлаждения. В облученном материале происходят структурные и фазовые превращения, сопровождающиеся образованием специфической ультрадисперсной однородной структуры с уникальными свойствами [4, 5].

С целью экспериментального определения максимально возможного значения микротвёрдости при заданной плотности мощности было проведено многоимпульсное облучение образцов сплава ЭП109 без оплавления поверхности при плотности мощности излучения 5-104 Вт/см2.

Результаты измерения микротвёрдости образцов сплава ЭП109 при многоимпульсном облучении без оплавления поверхности (рис. 5).

нм. МПа

9000 8000 7000 6000 5000 4000 3000 -2000 -1000 -

0 -I-1-1-1-1-1-1-I-1-Т-1

01234 5 6789 10 количество импульсов

Рис. 5. Микротвердость образцов сплава ЭП109 после многоимпульсной лазерной термообработки без оплавления поверхности

Очевидно, с увеличением количества импульсов наблюдается рост микротвердости поверхности, при воздействии шести импульсов достигается максимальное значение - 7232,84 ± 10,63 МПа, затем происходит её снижение.

Каждый последующий импульс вызывает повторный нагрев уже упрочненной зоны. Ввиду высокой частоты следования импульсов на поверхности температура приближалась к критической, поэтому происходит разупрочнение ранее упрочнённых слоёв, возможно оплавление, образование кратеров на обрабатываемой поверхности.

Таким образом, облучение поверхности большим количеством импульсов нецелесо-

образно, кроме того многоимпульсная обработка ведёт к снижению производительности процесса, поэтому впоследствии не рассматривалась.

Лазерные технологии позволяют успешно решать проблему создания материалов с заданным комплексом свойств путём целенаправленного формирования структуры. Путем лазерного легирования можно формировать свойства поверхности, характеризующиеся высоким уровнем твёрдости, теплостойкости, износо- и коррозионной стойкости [6-11].

Лазерное легирование обладает целым рядом преимуществ: экономией легирующего материала, отсутствием требований к геометрии обрабатываемой поверхности, возможностью целенаправленно изменять физико-механические, теплофизические и фрикционные свойства обработанной поверхности, высокой прочностью сцепления покрытия с подложкой, благодаря одновременному расплавлению и покрытия и подложки [12]. Нет необходимости в обработке всей детали, нет поводок и короблений.

Было проведено лазерное облучение сплава ЭП109 с оплавлением поверхности и одновременным введением в расплав алюми-нида кобальта (CoзAl2) в качестве легирующего элемента [13]. Выбор конкретного легирующего элемента объясняется наличием в сплаве ЭП109 упрочняющей интерметал-лидной фазы на основе соединения №3Д1, который, выделяясь из перенасыщенного твердого раствора в мелкодисперсном состоянии, вызывает дополнительное упрочнение

[14].

Введение кобальта способствует повышению жаропрочности сплавов, а алюминия - стойкости против коррозионного разрушения в окислительных средах. Увеличение содержания алюминия и кобальта в сплаве способствует увеличению пределов текучести. Кроме того, алюминий устойчив к высокотемпературному окислению, благодаря образованию на его поверхности оксидной плёнки.

СозЛЪ наносился на обрабатываемую поверхность в виде пасты. Лазерная обработка велась при плотности мощности излучения 2 • 105 Вт/см2 импульсами длительностью т = 1,5 • 10-3с. Среднее значение микротвёрдости в зоне обработки составило Нц = 8169 ± 329 МПа. Глубина легированного

слоя - 0,04 мм. Очевидно, что введение в расплав алюминида кобальта увеличивает микротвёрдость образца в зоне обработки.

Микрофотография поверхности сплава ЭП109, оплавленного при лазерном нагреве, представлена на рис. 6. Поверхностный слой имеет мелкодисперсную структуру.

Рис. 6. Микрофотография сплава ЭП109 после лазерного облучения с оплавлением поверхности

На рис. 7 представлен фрагмент рентгенограммы сплава ЭП109 после лазерного легирования.

Рис. 7. Фрагмент рентгенограммы сплава ЭП109 после лазерного легирования алюминидом кобальта

Из анализа рентгенограммы следует, что основой сплава ЭП109 является никель (55-60 %). После лазерного легирования поверхностный слой содержит кобальт (15-30 %). Имеются включения интерметал-лида №3А1 (до 18 %), данный компонент обеспечивает упрочнение сплава ЭП109. В результате воздействия на сплав ЭП109 лазерного импульса происходит диффузное проникновение легирующего материала в матрицу с образованием дополнительного количества упрочняющей у'-фазы. За счёт высокой скорости охлаждения после окончания лазерного импульса частицы у'-фазы

становятся значительно дисперснее обычных.

Таким образом, введение алюминида кобальта при лазерном облучении позволяет увеличить микротвёрдость поверхности сплава ЭП109 в 2,723 раза. Микротвёрдость поверхности сплава ЭП109 после лазерного легирования в указанных режимах выше, чем после многоимпульсной обработки. Целесообразно осуществлять лазерное легирование поверхности сплава ЭП109 алюминидом кобальта с целью увеличения микротвердости при плотности мощности излучения 2 105 Вт/см2. Лазерное поверхностное легирование сплава ЭП109 алюминидом кобальта Со3А12 позволяет получать слои с повышенной твёрдостью, что достигается не только за счёт измельчения зёрен основного металла в зоне лазерного воздействия, но и за счёт создания сплава, отличающегося от матричного материала химическим составом.

С целью определения влияния лазерной термообработки на микротвёрдость жаропрочных сталей были подготовлены образцы сталей 38Х2МЮА и 45Х14Н14В2М. Перед облучением для повышения поглощательной

2000 -1000

0 1-т-1-т-1-1-I-1-1-т-1

01234 5 6789 10 <|. 104 Вт/см2

Рис. 9. Зависимость микротвердости поверхности образцов стали 38Х2МЮА от плотности мощности лазерного излучения

способности поверхность образцов протравливалась 3 %-ным спиртовым раствором азотной кислоты. В эксперименте использована лазерная технологическая установка «Квант-16». Обработка дисковых образцов проводилась путём наложения «пятен» без перекрытия и с перекрытием 50 % при различных значениях плотности мощности лазерного излучения. Определение микротвердости осуществлялось на приборе ПМТ-3 с использованием четырехгранной пирамиды с алмазным наконечником (рис. 8).

Зависимости микротвердости поверхности образцов сталей 38Х2МЮА и 45Х14Н14В2М от плотности мощности лазерного излучения представлены на рис. 9, 10. Очевидно, что лазерная термообработка приводит к увеличению микротвёрдости образцов исследованных сталей, что объясняется образованием в обработанном слое мар-тенситных структур [4]. Твёрдость мартенсита определяется, главным образом, содержанием углерода в твёрдом растворе и структурой.

Н„.МПа 9000

4000 -3000 -2000 -1000 -

О -I-.-1-1-1-.-.-.-1-1-1

01234 5 6789 10 104. Вт/см2

Рис. 10. Зависимость микротвердости поверхности образцов стали 45Х14Н14В2М от плотности мощности лазерного излучения

Рис. 8. Определение микротвердости сталей 38Х2МЮА

Очевидно, что лазерная термообработка приводит к увеличению микротвёрдости образцов исследованных сталей, что объясняется образованием в обработанном слое мартенсит-ных структур [4]. Твёрдость мартенсита определяется, главным образом, содержанием углерода в твёрдом растворе и структурой.

Повышение микротвердости, по мнению ряда исследователей [12, 15, 16], связано со скрытокристаллической формой мартенсита.

Кроме высокой микротвердости, как отмечено в указанных литературных источниках, поверхностные слои со скрытокристалличе-ским мартенситом имеют низкую травимость в растворах кислот и значительную износостойкость. Именно такая структура в ряде работ отмечена как «белый слой» [4, 12, 16]. «Белый слой» на поверхности сталей 38Х2МЮА и 45Х14Н14В2М получен и в ходе данных исследований (рис. 11).

Рис. 11. Микрофотография поверхности стали 38Х2МЮА после лазерной термообработки с перекрытием

и без перекрытия «пятен»

При лазерной термообработке в использованных режимах достигнуто увеличение микротвердости: для стали 38Х2МЮА - в 2,3 раза, для стали 45Х14Н14В2М - в 1,5 раза, толщина упрочнённого слоя - 50-70 мкм.

Способность стали сохранять твёрдость и другие механические свойства при высоких температурах, а также при повторных нагревах и охлаждениях называется теплостойкостью [5].

Представляет интерес исследование динамики микротвердости жаропрочных сталей при повторных нагревах и оценка влияния химического состава стали и её предварительной термической обработки на конечную структуру и микротвёрдость поверхностного слоя при лазерной термообработке.

Исследования проводились на сталях 38Х2МЮА, 45Х14Н14В2М. Лазерное облучение образцов проводилось с использовани-

ем лазерной технологической установки «Квант-16» в указанных ранее режимах, коэффициент перекрытия 50 %. Микротвёрдость фиксировалась на приборе ПМТ-3 при нагрузке 0,98Н как среднее арифметическое трёх измерений.

На основании полученных результатов построены графики изменения микротвёрдости поверхностных слоёв облучённых сталей в зависимости от температуры отпуска (рис. 12, 13). Структура облучённой поверхности исследовалась на металлографическом микроскопе МИМ-8 на поперечных шлифах. Проведённые исследования показали, что в данных сталях под воздействием лазерного излучения проходят значительные структурные изменения. Высокая микротвёрдость в упрочнённом слое (более 7000 МПа) свидетельствует о наличии в поверхностном слое скрытокристаллического мартенсита.

Рис. 12. Зависимость микротвердости стали 45Х14Н14В2М от температурного режима отпуска: 1 - до облучения, 2 -после облучения

Длительное травление шлифов в 2 %-ном спиртовом растворе пикриновой кислоты, сочетаемое с многократной переполировкой, позволило установить, что структура зон термического влияния сталей 38Х2МЮА и 45Х14Н14В2М идентичны.

Рис. 13. Зависимость микротвердости стали 38Х2МЮА от температурного режима отпуска: 1 - до облучения, 2 -после облучения

Полученные результаты в целом согласуются с данными исследований для других марок сталей [4, 17]. Микротвёрдость предварительно закалённых сталей 38Х2МЮА, 45Х14Н14В2М после лазерной обработки увеличивается в ~ 1,5 раза.

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИМ СПИСОК

1. Шлякова Е.В. Повышение стойкости к коррозии и износу поверхностей изделий из жаропрочных сталей и сплавов методом лазерной обработки: дисс. ...канд. техн. наук - Омск: 2009. -150 с.

2. Арзамасов Б.Н. Конструкционные материалы: справочник / Б.Н. Арзамасов, В.А. Брострем, Н.А. Буше ; под ред. Б.Н. Арзамасова. - М.: Машиностроение, 1990. - 688 с.

3. Дамаскин Б.Б. Введение в электрохимическую кинетику / Б.Б. Дамаскин, О.А. Петрий. - М.: Высшая школа, 1983. - С. 347-382.

4. Григорьянц, А.Г. Упрочнение поверхности сплавов лазерным излучением / А.Г. Григорьянц, А.Н. Сафонов, В.М. Тарасенко и др. // Поверхность. Физика, химия, механика. - 1983. - № 9. -С. 124-131.

5. Коваленко В.С. Лазерное и электроэрозионное упрочнение материалов / В.С. Коваленко, А.Д. Верхотуров, Л.Ф. Головко. - М.: Наука, 1986. - 276 с.

6. Бровер Г.И. Лазерное легирование сталей и сплавов из покрытий, полученных разными способами / Г.И. Бровер, В.Н. Пустовойт, А.В. Бровер, М.Г. Магомедов, С.Н. Холодова // Перспективные материалы. - 2001. - № 5. - С.74-81.

7. Белашова И.С. Изменение механических и тепловых характеристик инструментальных сталей при лазерном легировании / И. С. Белашова, Д.П. Шашков // Технология металлов. - 2003. -№ 8. - С. 28-32.

8. Маклаков А.Г. Лазерное легирование алюминиевых сплавов кремнием и его соединениями // Прочность, пластичность материалов и новые

процессы их получения и обработки: тез. докл. науч.-техн. конф. - Минск, 1990. - С. 41-42.

9. Ваганов В.В. Лазерное поверхностное легирование сталей / В.В. Ваганов, Л.И. Процкевич // Прочность, пластичность материалов и новые процессы их получения и обработки: тез. докл. науч.-техн. конф. - Минск, 1990. - С. 41.

10. Федоров В.П. Надёжность обеспечения прочностных свойств конструкционных сталей лазерным легированием / В.П. Федоров, И.В. Говоров, А.Н. Чемодуров // Машиностроение и техносфера на рубеже XXI века: сб. тр. Междунар. науч.-техн. конф. «». - Донецк: ДонГТУ, 2001. -Т. 3. - 276 с.

11. Гиржон В.В. Лазерное легирование поверхности армко-железа боридом титана /

B.В. Гиржон, Т.А. Мальцева, И.В. Золотаревский // Физика и химия обработки материалов. - 2003. -№ 5.

12. Григорьянц А.Г. Методы поверхностной лазерной обработки /А.Г. Григорьянц, А.Н. Сафонов; под ред. А.Г. Григорьянца. - М.: Высшая школа, 1987. - 192 с.

13. Соловьев А.А. Лазерное легирование контактных поверхностей бандажных полок лопаток ГТД / А.А. Соловьев, Е.В. Шлякова // Развитие оборонно-промышленного комплекса на современном этапе (ВТТВ-2003): материалы науч.-техн. конф. - Омск: изд-во ОмГУ, 2003. -

C.74-75.

14. Терехин А.М. Повышение долговечности лопаток турбин газотурбинных двигателей нанесением модифицированных комбинированных покрытий системы М^ЬСг: дис. ... канд. техн.

наук: 05.02.01: Москва, 2008 - 128c. РГБ ОД, 61:08-5/604.

15. Абильсиитов Г.А. Модифицирование поверхностей материалов с помощью лазерного излучения / Г.А. Абильсиитов, В.М. Андрияхин, А.Н. Сафонов. - Изв. АН СССР. Сер. Физическая. - 1983. - Т.47, № 8. - С.1468-1478.

16. Рыкалин Н.Н. Лазерная и электроннолучевая обработка материалов: справочник /

Н.Н. Рыкалин, А.А. Углов, И.В. Зуев, А.Н. Кокора. - М.: Машиностроение, 1985. - 496 с.

17. Латыпов Р.Р. Технология лазерной обработки конструкционных и инструментальных материалов в авиадвигателестроении / Р.Р. Латыпов, Н.Г. Терегулов, А.М. Смыслов, А.В. Лобанов -М.: Машиностроение, 2007. - С. 234.

Шлякова Елена Валериевна - кандидат технических наук, доцент кафедры физико-математических дисциплин Омского автобронетанкового инженерного института

e-mail: elena6500462@yandex.ru

Соловьёв Анатолий Алексеевич - кандидат физико-математических наук, профессор кафедры физико-математических дисциплин Омского автобронетанкового инженерного института

Толмачева Наталья Александровна - кандидат технических наук, доцент кафедры физико-математических дисциплин Омского автобронетанкового инженерного института tol nat 66@mail.ru

Статья поступила в редакцию 27 мая 2014 г.

© Е.В. Шлякова, А.А. Соловьёв, Н.А. Толмачёва, 2014

Открытия и изобретения

Ученые определили спектр свечения наночастиц

Индийские ученые провели инновационное исследование, благодаря которому удалось определить, что полупроводниковые квантовые точки могут излучать спектр света от темно-зеленого до красного, а не только оранжевый, как считалось ранее. Диаметр квантовых точек составляет всего 10 нанометров, однако при этом они способны поглощать частицы с короткой длиной волны, в результате чего создавать свечение. Благодаря своему размеру квантовые точки позволяют ограничивать состояние электронов и дырок проводимости в полупроводнике, что в свою очередь дает возможность излучения широкого спектра света.

Сегодня существенная часть квантовых точек производится из селенида кадмия. Однако исследователи изучали и другие полупроводники, в том числе с марганцем, поскольку они более долговечны и не требуют высокотоксичного кадмия. Однако до окрытия индийских ученых считалось, что марганец способен излучать только оранжевый цвет, что значительно сокращает варианты его использования в современных приборах. Кроме того, ранние измерения показали, что оранжевый цвет получается из сравнительно широкой спектральной полосы, что также является недостатком с точки зрения производства дисплеев.

Группа ученых из Indian Institute of Science (Индия) изучила квантовые точки из сплава цинка, кадмия и серы, легированного марганцем. По итогам исследования, которое заключалось в погружении нанопленок в специальные растворы, оказалось, что каждая наночастица дает свой цвет в диапазоне от темно-зеленого до красного. Причем, спектр излучения каждого нанообъекта в пять раз уже, чем изучавшихся ранее квантовых точек. Характерный оранжевый оттенок, как оказалось, был просто смесью излучения всех наночастиц. Ученые считают, что дальнейшая разработка этого перспективного направления откроет большие перспективы перед разработчиками новых типов дисплеев. Кроме того, подобные квантовые точки могут повысить эффективность преобразования солнечной энергии в электричество в солнечных батареях.

Агентство по инновациям и развитию. - URL: http://www.innoros.ru/news/13/07/uchenye-opredelili-spektr-svecheniya-nanochastits