СПОСОБ ФОРМИРОВАНИЯ ПОВЕРХНОСТНОГО КОМПОЗИЦИОННОГО СЛОЯ В МЕТАЛЛАХ
METHOD OF FORMING SURFACE COMPOSITE LAYER IN METALS

Изобретение относится к области лазерной поверхностной обработки, а именно к способам получения поверхностных композиционных слоев в металлах.
Получение композиционного слоя предусматривает введение в поверхность металла частиц, образующих в нем отдельную фазу, отличающихся по механическим или иным свойствам от материала матрицы.
Введение армирующих частиц способствует повышению эксплуатационных свойств поверхностей металлических изделий.
Известен способ получения износостойкой поверхности металлов и их сплавов, включающий непрерывное воздействие на обрабатываемую поверхность лазерной плазмой оптического разряда в парах металла с подачей непосредственно в приповерхностную лазерную плазму одного или нескольких легирующих элементов, при этом одновременно с лазерной плазмой на обрабатываемую поверхность воздействуют ультразвуком (RU 2445378 С1, С23С 24/08, 20.03.2012). Недостатком метода является невозможность получения глубоких слоев материалов, упрочненных нерастворимыми армирующими частицами.
Наиболее близкими к изобретению является способ поверхностного легирования изделий из металлов, при котором поверхность металла нагревают лазерным излучением выше температуры солидуса и вводят в расплав легирующие элементы с одновременным воздействием ультразвуковыми колебаниями с амплитудой 7-10 мкм. Преимуществом данного способа является возможность получения равномерного легированного слоя с введением компонентов, диффузия которых в матрице затруднена без дополнительного стимулирования, при этом не происходит нарушения геометрии поверхностного слоя. Однако данный способ не позволяет получить глубокие слои материалов, упрочненных нерастворимыми армирующими частицами.
Техническая проблема изобретения состоит в получении композиционного поверхностного слоя с равномерным распределением нерастворимых или малорастворимых армирующих частиц в металлической матрице для повышения эксплуатационных свойств изделия, прежде всего - его износостойкости.
Для решения указанной проблемы в способе поверхностного легирования изделий из металлов, включающем нагрев поверхности лазером до температуры выше солидуса и введение в расплав легирующих элементов при одновременном воздействии ультразвуковых колебаний посредством ультразвукового преобразователя, в зону расплава вводят упрочняющие частицы в виде порошка, при этом расстояние между центрами лазерного луча и ультразвукового преобразователя равно от 50 до 200 мм, а ультразвуковые колебания вводят с частотой в диапазоне от 30 до 40 кГц.
Кроме того, упрочняющие частицы вводят в виде порошка карбида вольфрама и подают соосно лазерному излучению или упрочняющие частицы вводят в виде порошка карбида вольфрама или карбида титана и подают в ванну расплава позади лазерного луча под углом от 30 до 80 градусов по отношению к упрочняемой поверхности.
Кроме того, ультразвуковые колебания возможно вводить с противоположной стороны по отношению к лазерному лучу для чего ультразвуковой преобразователь располагают под обрабатываемой областью.
Предлагаемый способ формирования поверхностного композиционного слоя в металлах заключается в создании воздействием лазерного излучения на поверхности металла ванны расплава, в которую вводятся армирующие частицы, малорастворимые, либо нерастворимые в жидком металле. При этом, процесс обработки предполагает отсутствие формирования канала испарения и плазменных процессов с введением частиц либо соосно лазерному лучу, либо в хвостовую часть формирующейся ванны расплава. В процессе обработки в изделие вводят ультразвуковые колебания, которые оказывают существенное воздействие на движение твердых частиц в жидкостях.
Технический результат данного способа заключается в возможности получения композиционного слоя в металле глубиной до 1,0 - 2,0 мм в зависимости от теплофизических свойств металла и технологических параметров обработки, содержащего до 60% по объему фазы армирующих частиц. При введении в расплав металла нерастворимых армирующих частиц, в зависимости от их удельного веса, происходит либо их всплытие, либо затопление. Применение ультразвуковых колебаний способствует повышению равномерности распределения и коэффициента использования порошка при его введении в ванну расплава.
При введении в изделие ультразвуковых колебаний в диапазоне частот 30-40 кГц осуществляется эффективное воздействие на расплавленный металл, при этом изменяются его кинематические свойства, повышается интенсивность процессов перемешивания, создаются вихревые потоки, интенсивность которых достаточно высока для воздействия на вводимые твердые частицы, в том числе относительно крупные, размер которых достигает 30-200 мкм, что позволяет обеспечить введение частиц, удельный вес которых существенно отличается от такового для расплавленного металла матрицы.
2
В качестве армирующих частиц для сталей могут быть использованы карбиды вольфрама WC и WC, карбиды титана TiC, для никелевых сплавов - карбиды вольфрама WC, для алюминиевых сплавов - карбиды кремния SiC.
На фиг. 1 - схема процесса при введении ультразвуковых колебаний в изделие с той же стороны, с которой осуществляется лазерная обработка с подачей порошка; на фиг. 2 - примеры поперечных шлифов упрочненных дорожек, получаемых при одинаковых параметрах процесса лазерного модифицирования с введением порошка монокарбида вольфрама без (а) и с (б) применением ультразвукового воздействия; на фиг. 3 - схема процесса при введении ультразвуковых колебаний с обратной стороны обрабатываемой части детали по отношению к лазерному излучению и подаче порошка.
Пример
Экспериментально установлены эффекты повышения коэффициента использования порошка и равномерности распределения частиц в армированном слое при введении ультразвуковых колебаний частотой 35 кГц и мощностью порядка 30 Вт в обрабатываемое изделие.
Осуществлялось введение частиц монокарбида вольфрама сферической формы с преобладающей фракцией в диапазоне диаметров от 90 до 150 мкм. Для плавления металла использовался луч волоконного лазера, диаметр которого на поверхности составлял 3,5 мм, мощность излучения составляла 3200 Вт, скорость обработки 12 мм/с. Осуществлялась соосная подача порошка монокарбида вольфрама WC с массовым расходом 23 г/мин. Использовался источник ультразвуковых колебаний мощностью 50 Вт с пьезокерамическим преобразователем на частоте 35 кГц.
В первом случае, обработка производилась без введения в изделие ультразвуковых колебаний, в этом случае структура формирующегося слоя была неоднородна по распределению армирующих частиц, а их содержание по объему составляло 16%.
Во втором случае, обработка производилась с введением ультразвука по схеме, представленной на фиг. 1, мощность колебаний составляла 30 Вт. Формирующийся поверхностный слой более однороден по содержанию частиц WC, а их объемная доля достигла 20%.
Примеры структур дорожек слоев, получаемых в первом и втором случаях, представлены на фиг. 2а и фиг. 2б соответственно. Изображения получены на оптическом микроскопе с увеличением 30 крат, образцы изготовлены с использованием традиционной процедуры пробоподготовки для металлографии, шлифы подвергнуты травлению в 4-% спиртовом растворе азотной кислоты.
Эксперименты показали, что при увеличении мощности ультразвуковых колебаний до 50 Вт возможно увеличение доли частиц в нижней части слоя, что связано с интенсификацией движения тяжелых по сравнению с расплавленным металлом частиц в центральную часть ванны и может быть использовано для получения глубоких равномерных слоев с высокой концентрацией частиц. Если же необходимо получение объемной доли армирующих компонентов на уровне 10-20%, следует ограничить мощность вводимых ультразвуковых колебаний.
Учитывая высокую стоимость порошков армирующих частиц и необходимость получения равномерных свойств изделия по глубине, введение ультразвуковых колебаний позволяет повысить технологические возможности и экономическую эффективность процесса лазерно-порошкового формирования поверхностных композиционных слоев. Для более рационального использования энергии ультразвуковых колебаний по сравнению с использованной в экспериментах схемой, представленной на фиг. 1, предлагается также альтернативная схема, представленная на фиг. 3, которая может быть использована в случае доступности обратной стороны изделия для закрепления ультразвукового преобразователя и достаточной его толщины для предотвращения перегрева преобразователя из-за теплоты, вводимой лазерным источником.