Лазерное модифицирование защитных покрытий алюминиевых сплавов

Библиографический список

1. Бокс Д, Дженкинс Г. Анализ временных рядов. Прогноз и управление. М.: Мир, 1974. Вып. 1, 2. 603 с.

2. Серов Е.П., Корольков Б.П. Динамика парогенераторов. М.: Энергоиздат, 1981. 409 с.

3. Хапусов В.Г., Баев А.В. Смешанные авторегрессионные

модели и прогнозирование процесса выработки пара // Вестник ИрГТУ. 2014. № 12. с. 29-34. 4. Широков В.А. Разработка динамической модели многосвязной АСР пылеугольного блока с прямым вдуванием пыли // Теплоэнергетика. 2009. № 10. с. 56-61

УДК 621.373.826

ЛАЗЕРНОЕ МОДИФИЦИРОВАНИЕ ЗАЩИТНЫХ ПОКРЫТИЙ АЛЮМИНИЕВЫХ СПЛАВОВ

© В.И. Шастин1, Н.П. Коновалов2

Сибирская академия права, экономики и управления, 664025,Россия, г. Иркутск, ул. Сурикова, 21.

Иркутский национальный исследовательский технический университет, 664074, Россия, г. Иркутск, ул. Лермонтова, 83.

В статье приводятся результаты теоретических и экспериментальных исследований по лазерному термическому упрочнению конструкционного алюминиевого сплава Д16Т с защитными металлическими покрытиями. Рассмотрены механизм взаимодействия лазерного излучения с обрабатываемой поверхностью и уравнение энергетического баланса, устанавливающего связь между основным источником энергии и различными видами энергозатрат. Оцениваются и анализируются процессы повышения усталостной прочности и коррозионной стойкости материала. Приводятся данные микроструктурного анализа покрытий, показывающие уплотнение структуры и обуславливающие повышение их адгезионной и когезионной прочности.

Ключевые слова: лазерное излучение; покрытие; термоупрочнение; усталостная прочность; коррозионная стойкость.

LASER MODIFICATION OF ALUMINUM ALLOY PROTECTIVE COATINGS V.I. Shastin, N.P. Konovalov

Siberian Academy of Law, Economics and Management, 21 Surikov St., Irkutsk, 664025, Russia. Irkutsk National Research Technical University, 83 Lermontov St., Irkutsk, 664074, Russia.

The article presents the results of theoretical and experimental studies of laser thermal hardening of D16T structural aluminum alloy with protective metal coatings. It deals with the mechanism of laser radiation interaction with the treated surface and considers the energy balance equation that establishes the relationship between the main source of energy and different types of energy expenditure. The processes of increasing the fatigue strength and corrosion resistance of the material are evaluated and analyzed. The data of the microstructural analysis of coatings showing structure compaction and causing the increase in their adhesive and cohesive strength are provided. Keywords: laser radiation; coating; thermal strengthening; fatigue strength; corrosion resistance.

Лазерное термоупрочнение алюминиевых сплавов отличается от термоупрочнения железоуглеродистых сплавов наличием лишь одного слоя, полученного закалкой из жидкого состояния, т.е. зоны оплавления [2]. Зона термического влияния в этих сплавах практически отсутствует. Состав дуралюминов далек от эвтектического, а их структура состоит из а - твердого раствора с различного рода упрочняющими вторичными фазами. Максимальное упрочнение этих сплавов достигается искусственным или естественным старением в целях образования зон Гинье-Престона или вторичных фаз в метастабильном состоянии. При лазерной обработке происходит измельчение зерен а - твердого раствора при отсутствии вторичных фаз.

Это свидетельствует о снятии упрочнения, обусловленного наличием зон Гинье-Престона и вторичных метастабильных фаз. Упрочнение происходит, очевидно, за счет измельчения зерна и увеличения дефектности структуры. Микротвердость в зоне оплавления термоупрочненных деформируемых алюминиевых сплавов обычно несколько понижается по сравнению с исходным состоянием [1, 2].

Несмотря на это, лазерное термоупрочнение конструкционного алюминиевого сплава Д16Т с защитными покрытиями позволяет заметно увеличить усталостные, коррозионно-усталостные характеристики, а также химическую стойкость, что особенно актуально для авиастроительной отрасли [7, 8].

1Шастин Владимир Иванович, кандидат технических наук, доцент кафедры технологии деревообработки, тел.: 89149440995, e-mail: kafedra-td@mail.ru

Shastin Vladimir, Candidate of technical sciences, Associate Professor of the Department of Woodworking Technology, tel.: 89149440995, e-mail: kafedra-td@mail.ru

2Коновалов Николай Петрович, доктор технических наук, профессор, первый проректор ИРНИТУ тел.: (3952) 405090, e-mail: knp@istu.edu

Konovalov Nikolay, Doctor of technical sciences, Professor, First Pro-Rector of INRTU, tel.: (3952) 405090, e-mail: knp@istu.edu

ВЕСТНИК ИрГТУ №6 (101 ) 2015

33

Целью настоящих исследований является установление механизма лазерного модифицирования исследуемого материала, позволяющего определить причинно-следственную связь происходящих при этом процессов в анализируемых монослоях защитных покрытий. В соответствии с этой целью решается задача получения экспериментального подтверждения эффективного использования данного материала в практике лазерного термоупрочнения.

Основной его особенностью является композиционное поверхностное строение, предусматривающее наличие металлических защитных покрытий, анодного и плакировочного. В этой связи наличие покрытий имеет принципиально важное значение и предусматривает рассмотрение их физико-механических свойств как отдельно составляющих композицию, так и при их взаимном влиянии.

Верхний, анодный слой представляет собой защитную пленку из окиси алюминия АL2Оз толщиной 5-10 мкм. Нанесение окисной пленки осуществляется искусственным путем в электролитических сернокислотных ваннах. Для повышения защитных свойств анодное покрытие иногда подвергается пассивированию и уплотнению в электролите К2Сг2О7. Структура анодного слоя по его толщине имеет пористое неоднородное строение и лишь в прилегающем к основе металла слое приобретает однородность. Эти особенности строения имеют как положительные, так и отрицательные защитно-эксплуатационные стороны. Позитивным является то, что окисная пленка обладает высокими антикоррозионными свойствами, а ее пористость обеспечивает высокую адгезионную связь с наносимыми на ее поверхность полимерными (лакокрасочными) покрытиями за счет увеличения площади их соприкосновения. Высокая способность поглощения лазерного излучения (ЛИ) окисной пленкой также оказывает положительную роль: известно, что она широко используется в качестве поглотителя энергии при лазерной обработке различных материалов [5].

Негативным фактором является то, что это покрытие обладает высокой хрупкостью, поэтому при действии циклических нагрузок могут образовываться микротрещины, снижающие его адгезионные связи с подложкой, а вместе с тем защитные и прочностные характеристики материала.

Плакировочный слой представляет собой слой чистого алюминия, нанесенного на материал методом горячей прокатки. Его толщина в большинстве случаев зависит от толщины основного металла и составляет 5-7%. Его назначение обусловлено высокими защитными свойствами, способностью легко восстанавливать защитную окисную пленку, высокой пластичностью и способностью сохранять целостность слоя при действии циклических нагрузок. Однако как и анодный слой, плакировка может оказывать отрицательное влияние на предел выносливости при определенных значениях циклических нагрузок в различных средах [4].

Таким образом, перспектива повышения прочностных свойств исследуемого материала, в том числе путем лазерного термоупрочнения, представляется

весьма актуальной задачей, особенно с точки зрения улучшения защитных свойств покрытий и прочности материала в целом.

Кроме этого, анодное покрытие по своему структурному строению, оптическим и теплофизическим свойствам является уникальным объектом для лазерной термообработки. Это подтверждается его высокой поглощательной способностью, особенно для инфракрасного диапазона лазерного излучения, высокой температурой плавления, надежным тепловым контактом с основой материала и наличием промежуточного плакировочного слоя с высокой теплопроводностью. Очевидно, благодаря этим особенностям и специфическому структурному строению, лазерная обработка оказывает существенное влияние на механизм термоупрочнения. Немаловажное значение имеют и процессы изменения параметров шероховатости поверхности [3], а также явления, происходящие на уровне структурно-фазовых превращений этого композиционного материала.

Механизм взаимодействия ЛИ с обрабатываемой поверхностью схематично представлен на рис. 1.

Рис. 1. Схема поглощения ЛИ облучаемой поверхностью

Рассматривая уравнение энергетического баланса для данного случая, его можно представить в следующем виде:

Ел — (Еотр +Еф+ Ету) = Е лг

где Ел - энергия сфокусированного ЛИ; Еотр - энергия, отраженная от поверхности материала; Еф - энергия, поглощаемая плазменным факелом; Ету - энергия, затраченная на термоупрочнение; Е'л - энергия, поглощенная поверхностью материала.

Энергией, поглощаемой плазменным факелом, в нашем случае можно пренебречь. Известно [2], что ее возникновение обусловлено активным испарением вещества облучаемого ЛИ участка нагрева и последующим в процессе поглощения излучения в парах быстрым ростом температуры и степени ионизации. Физика данного процесса не предусматривает дости-

жения температуры проплавления оксидного покрытия, а вероятное оплавление микровыступов при минимальной концентрации частиц пара обладает низким потенциалом ионизации. Кроме высокой поглоща-тельной способности покрытия, луч лазера, попадая во впадину, может испытывать многократное отражение от соседних поверхностей, поглощаясь при этом поверхностью прилегающих микровыступов, что способствует дополнительному их нагреву и последующему оплавлению. В этих условиях лазерного воздействия шероховатость поверхности претерпевает так называемое «выравнивание» (сглаживание). Данный режим обработки можно охарактеризовать режимом «выравнивания» рельефа поверхности.

Уровень зеркального отражения ввиду такого структурного строения также минимален, установлено [6], что для А^з он составляет примерно 14-18% (для алюминиевых сплавов без покрытий он может составлять свыше 90% [2]).

Таким образом, рассмотренная схема взаимодействия ЛИ с композиционным конструкционным алюминиевым сплавом свидетельствует о высокоэффективном процессе лазерного воздействия на исследуемый материал.

В ходе экспериментов использовались как стандартные, так и оригинальные методики и исследовательское оборудование. Особенности их применения приведены ниже, подробнее они рассмотрены в работе [6].

Несмотря на появление микротрещин в анодном покрытии (рис. 2), обнаруженных в результате микроскопического анализа, при некотором критическом значении плотности мощности ЛИ показатели усталостной прочности и коррозионной стойкости возрастают. В то же время, как показывают результаты проведенных рентгенографических исследований, параметры элементарной ячейки основы сплава остаются практически неизменными, в том числе при обработке на режиме «выравнивания» рельефа поверхности. Субструктура материала основы практически не зависит от режимов лазерной обработки. Исследование субструктурных характеристик (среднего размера ОКР (областей когерентного рассеяния)) и микроискажений кристаллической решетки проводились на дифракто-метре «Дрон-3» в фильтрованном Fe Ка-излучении по стандартной методике.

Рис. 2. Микротрещины, образующиеся в анодном слое

Настоящее заключение свидетельствует о том, что причину повышения физико-механических свойств

материала следует искать в модифицировании покрытий, т.е. в субструктуре анодного и плакировочного мезослоя и, вероятно, в рельефных преобразованиях поверхности.

Для выяснения причинно-следственной связи были проведены исследования состояния рельефа поверхности обрабатываемого материала. Изучение показателей шероховатости основывалось на сравнительном качественном анализе записанных профило-грамм поверхности. Количественно изменение рельефа оценивалось по параметрам: Ra - среднеарифметическому отклонению профиля; и а - среднему шагу неровностей.

Для обеспечения сравнимости результатов запись профилограмм проводилась в одном направлении, перпендикулярно расположению следов проката образцов, изготовленных из листового обшивочного авиационного материала Д16Т одной поставки. На рис. 3 показаны профилограммы поверхности, записанные на профилографе-профилометре в исходном состоянии (без обработки лазером) (рис. 3, а) и при обработке на режиме «выравнивания» (рис. 3, б), которые наглядно свидетельствуют о сглаживании рельефа поверхности. Данное преобразование имеет позитивное значение, снижая при этом плотность концентраторов напряжения, что, очевидно, является одной из причин повышения уровня усталостной и коррозионно-усталостной прочности.

а) б)

Рис. 3. Профилограммы поверхности образцов Д16Т: а - в исходном состоянии; б - после лазерной обработки на режиме выравнивания поверхности

Анализ записанных профилограмм показал, что с уменьшением скорости взаимного перемещения луча лазера относительно обрабатываемой поверхности при постоянном значении плотности мощности излучения наблюдается снижение величины параметра Ra, практически одновременно с этим увеличивается параметр а (рис. 4). Таким образом, кривые этих параметров характеризуют сглаживание поверхности анодного слоя при лазерной обработке на режиме «выравнивания».

Осуществить анализ микроструктуры анодного слоя традиционным металлографическим методом не представилось возможным из-за высокой хрупкости пленки и ее малой толщины, ввиду ее выкрашивания и скалывания при подготовке микрошлифа. В качестве альтернативного метода анализа исследованию была подвергнута поверхность поперечного излома образца с предварительным надрезом с противоположной стороны контролируемой поверхности. На рис. 5 показаны снимки микроструктуры поверхности излома исходного и обработанного образцов на режиме «выравнивания».

ВЕСТНИК ИрГТУ №6 (101) 2015

35

1 1 1 1

1 выравнив 1 Ф

| повсрхн пет и !

—-1 1

АГ• 1 1 1 !

Рис. 4. Графики зависимости параметров шероховатости от скорости перемещения луча лазера при плотности мощности W = 5,310 4 Вт/см 2

Ь

40

20

а)

б)

/

------ ------

Рис. 5. Микроструктура поверхности излома образцов: а - не обработанный; б - обработанный на режиме «выравнивания»

Анализ полученной микроструктуры показывает, что слой анодной пленки, подвергнутый лазерному воздействию, имеет более плотную и однородную структуру, особенно на границе раздела с плакировкой. В этой же зоне необработанный образец (рис. 5, а) приобретает более рыхлую структуру, которая легко расслаивается при изгибе. На данном основании, несмотря на косвенность оценки, можно сделать вывод, что адгезионная и когезионная прочность этого слоя в подвергнутом лазерной обработке образце заметно выше (рис. 5, б).

Химическое поверхностное травление исследуемого слоя также подтвердило, что его стойкость к воздействию агрессивных сред при лазерной обработке заметно увеличивается. Для травления образцов использовался 75%-ный раствор плавиковой кислоты. Результаты испытания представлены зависимостью толщины стравленного слоя от времени (рис. 6).

24

I  КГ

Рис. 6. Зависимость толщины стравленного слоя

от времени травления: кривая 1 - исходный (необработанный) материал; кривая 2 - материал, обработанный на режиме «выравнивания»

Несмотря на косвенный анализ некоторых изучаемых параметров монослоев защитных покрытий, исходят из совокупного рассмотрения результатов проведенных исследований, из которых следует, что основными факторами повышения эксплуатационных свойств анализируемого материала при лазерной обработке являются микроструктурные преобразования защитных покрытий, обусловленные уплотнением структуры анодного слоя, повышением их адгезионной и когезионной прочности, а также рельефно-поверхностные изменения, обеспечивающие выравнивание поверхности и повышение защитных функций покрытий.

Статья поступила 29.05.2015 г.

Библиографический список

1. Воздействие импульсного лазерного излучения на деформируемые алюминиевые сплавы / С.А. Маслиев., В.И. Неверов, В.Н. Пименов [и др.] // Физика и химия обработки материалов. 1992. № 3. С. 34-37.

2. Гигорьянц А.Г. Основы лазерной обработки материа-М.: Машиностроение, 1989. 304 с. Инженерия поверхности деталей / А.Г. Суслов, Безъязычный, Ю.В. Панфилов [и др.] М.: Машиностроение, 2008. 320 с.

4. Карлашов А.В., Гайнутдинов Р.Г. Сопротивление коррозионной усталости дуралюмина Д16Т анодированного при различной температуре // Физико-химическая механика материалов. 1971. № 1. С. 99-101.

5. Коваленко В.С., Верхотуров А.Д., Головко Л.Ф., Подчер-няева И.А. Лазерное и электроэрозионное упрочнение мате-

лов 3.

В.Ф

риалов. М.: Наука, 1986. 276 с.

6. Шастин В.И. Разработка способов удаления ЛКП с алюминиевой обшивки агрегатов ЛА ГА с использованием лазерной технологии: дис. ... канд. техн. наук : 05.22.14. Киев, 1986. 207 с.

7. Шастин В.И. Современное состояние и перспективы промышленного использования лазерных технологий в машиностроении // Современные технологии. Системный анализ. Моделирование. 2008. № 4 (20). С. 60-66.

8. Шастин В.И., Иванов В.В., Логвинов И.И. О возможности повышения долговечности и коррозионной стойкости листового дуралюмина // тез. докл. Лазерные технологические установки и перспективы их применения на предприятиях отрасли. М., 1985. С. 29-31.