» » Быстрая закалка расплава при сварке
18.01.2016

Для получения быстрозакаленного состояния металлических сплавов применяют, в частности, методы, основанные на формировании тонкого слоя расплава на поверхности массивного изделия или заготовки, обладающих высокой теплопроводностью. Высокоскоростное охлаждение расплава в том случае достигается за счет интенсивного отвода тепла в объем основного металла или металл подложки. К этим методам откосят методы сварки, спиннингования и экстракции.
При различных методах сварки резкий отвод тепла в объем основного металла, характерный для методов быстрой закалки расплава, приводит к значительному отклонению от равновесия, что экспериментально подтверждается расширением области твердых растворов, уменьшением или исключением вредных проявлений сегрегации, образованием новых неравновесных фаз, уменьшением зерна.
Дуговая промышленная сварка с расходуемым электродом в инертной среде при уровне подачи энергии 170—1500 Дж/мм алюминиевого сплава приводит к образованию быстрозакаленного слоя толщиной в несколько миллиметров с расстоянием между дендритными ветвями второго порядка до - 4 мкм, что соответствует скорости охлаждения - 10в3 К/с. Такая же величина дендритного параметра характерна для быстрозакаленных гранул диаметром 100 мкм, полученных распыленней расплава в струе азота.
Электроискровая обработка образцов сплавов Al—Cu сопровождается повышением концентрации твердых растворов в поверхностных слоях толщиной - 25 мкм, соответствующим достижению скоростей охлаждения, сравнимых со скоростями, характерными для метода расплющивания капли расплава.
При оплавлении поверхности сплавов систем Ag—Ge и Ag—Cu импульсным лазерным излучением с энергией 5—30 Дж и длительностью импульса от 1 до 10 мс формируются неравновесные структурные состояния, характерные для быстрой закалки этих сплавов.
Применение лазеров непрерывного действия большой мощности позволяет осуществлять с помощью перемещающегося пучка обработку больших поверхностей, аналогичную обработке электронным пучком.
Сканирование мультикиловаттным CO2-лазером, сфокусированным на обрабатываемой поверхности в виде пятна диаметром 0,5 мм при удельной мощности до 1,5*10в8 Вт/см2 к скорости сканировании 25—1000 мм/с с уровнем подачи энергии 3—120 Дж/мм, приводит к образованию быстрозакаленного слоя глубиной - 50—500 мкм.
Аморфное состояние при воздействии лазерного излучения формируется за счет достаточно высокой скорости охлаждения с подавлением кристаллизации и высокой скорости затвердевания, при которой захватываются растворенные атомы, в результате чего процессы сегрегации не реализуются.
Обработка сплава Ni — 8,5 % ат. Si — 17 % ат, непрерывным лазерным лучом мощностью 1,2—1,9 кВт диаметром 0,4—1,5 мм в зависимости от скорости перемещения луча приводит к существенно различным результатам. При низкой скорости перемещения луча образуется оплавленный слой с полностью кристаллической структурой, состоящей в основном из столбчатых кристаллов. С повышением скорости перемещения лазерного луча образуется частично аморфное состояние, а при наиболее высоких скоростях сканирования — полностью аморфное состояние.
Для подавления твердофазной кристаллизации аморфного металла (металлического «стекла») в зоне термического влияния при сканировании электронного луча необходимо увеличивать скорость сканирования. При сканировании со скоростью 0,15 м*с-1 образуется отдельный аморфный трек, а сканирование со скоростью 0,75—1,0 м*с-1 необходимо для подавления кристаллизации в зоне термического влияния.
При затвердевании расплава на теплопроводящей подложке скорость охлаждения возрастает с увеличением коэффициента теплопередачи и уменьшением толщины слон расплава (рис. 19.1).
Быстрая закалка расплава при сварке

Предельный случай, когда поверхность раздела не является препятствием для передачи тепла, т.е. существует идеальный тепловой контакт, и коэффициент теплопередачи бесконечно велик, называется идеальным охлаждением. Для слоя расплавленного железа толщиной 10 мкм на медной подложке расчетная скорость охлаждения в этом случае составляет 10в8 К/с. Уменьшение коэффициента теплопередачи и увеличение толщины расплавленного слоя приводит к снижению скорости охлаждения.
При значениях коэффициента теплопередачи 10в4-10в5 Вт/(мм3 К) достигаются скорости охлаждения 10в4-10в6 К/с. Быстрая закалка расплавленных слоен толщиной не более 100 мкм обычно осуществляется со скоростями выше 10в4 К/с.
При использовании метода спиннингования расплавленный металл подается под давлением газа в виде тонкой (плоской) струи на поверхность быстровращающегося диска или барабана, образуя при затвердевании ленту. Толщина ленты варьируется от 10 до 100 мкм. При условии теплопередачи по закону Ньютона можно получить для толщины ленты следующее выражение:
Быстрая закалка расплава при сварке

где αТ — коэффициент теплопередачи; VR — линейная скорость подложки (окружная скорость вращения диска); ΔT — разность температур между противоположными сторонами ленты; ΔH — скрытая теплота плавления единицы объема расплава; I — длина зоны контакта между лентой и подложкой.
Толщина ленты определяется условиями охлаждения, коэффициентом теплопередачи (αT), размером сопла, расстоянием между соплом и подложкой (поверхностью диска), давлением выталкивания расплава, скоростью перемещения подложки.
Протяженность области расплава (лужи), находящейся в контакте с диском, определяет время затвердевания ленты и поэтому влияет на толщину ленты.
Спиннингование — сравнительно простой метол, который может использоваться для непосредственного получения плотных образцов. Метод предпочтительно применяется для металлических сплавов, поскольку они легко расплавляются индукционным нагревом.
Лазерное глазурование является наиболее распространенным из методов оплавления тонкого поверхностного слоя, высокая скорость охлаждения и затвердевания которого определяется интенсивной теплопередачей от поверхности я объем металла (в связи с чем эти методы рассматриваются как самозакалка) и отсутствием теплового сопротивления Rt, соответствующего теплопередаче по закону Ньютона на поверхности (s—m)-контакта затвердевшего сплава и подложки.
Структура оплавленного слоя может быть кристаллической, частично кристаллической и аморфной в зависимости от вариации скорости теплоотвода (от 10в-3 до 10 Вт/(мм2 К)). В однофазных и эвтектических сплавах кристаллизация может протекать плоским фронтом, в некоторых случаях наблюдается дендритный и ячеистый рост.
Степень проявления эффекта быстрой закалки при использовании методов этого класса зависит от теплофизических характеристик сплава (отражающей способности (коэффициента поглощения), теплопроводности, теплоемкости, температуры плавления и испарения, теплоты плавления и др.).
Параметры лазерного или электронно-лучевого воздействия взаимосвязаны с указанными свойствами сплавов. Для лазерного воздействия основными параметрами являются плотность энергии лазерного излучения P/А, эффективная скорость передачи энергии, скорость перемещения луча V. Эффект влияния этих параметров проявляется в значениях скорости охлаждения (закалки) Vохл = f(P/A), скорости затвердевания R = f(V), градиента температуры G = f(P/A, V).
Существует следующая оценка времени воздействия при лазерном глазуровании:
Быстрая закалка расплава при сварке

где r — радиус лазерного луча; a = λ/cpp — температуропроводность; λ, сp, р — коэффициент теплопроводности, удельная теплоемкость и плотность соответственно.
При электронно-лучевом воздействии скорость охлаждения также зависит от мощности электронного луча, скорости его перемещения, времени взаимодействия. Изменение мощности электронного луча обычно осуществляется в пределах 50—200 Вт, скорости перемещения — 4—40 см*с-1, диаметра луча 3—35 мм. Метод применяется для обработки высокопрочных легированных и быстрорежущих сталей с целью повышения износостойкости, коррозионной стойкости и других свойств.
Обработка лазерным излучением с той же целью применяется для никелевых жаропрочных сплавов, быстрорежущих сталей. Она более целесообразна для титановых сплавов, чем для сталей, вcледствие оптимального сочетания теплофизических свойств (теплопроводности, температуры плавления, теплоты плавления). Основной проблемой при обработке титановых сплавов является активное взаимодействие с кислородом и водородом.
Обработка быстрорежущих сталей излучением лазера мощностью 4 кВт обеспечивает высокие скорости охлаждения - 10в5 К/с и затвердевания - 10в2 м/с. В результате такой обработки формируется высокодисперсная структура, подавляется карбидообразование за счет повышения растворимости легирующих элементов.
Обработка никелевых жаропрочных сплавов и быстрорежущих сталей импульсным лазерным излучением с высокой удельной мощностью обеспечивает скорость охлаждения 10в6 К/с и приводит к формированию высокодисперсной структуры и однородному распределению легирующих элементов. Твердость поверхностного быстрозакаленного слоя быстрорежущей стали возрастает до 510HV против 200HV в объеме металла. При вариации удельной мощности 20—70 Дж/ипм., длительности импульса 30—90 не время взаимодействия составляет 10в-3—10в-9 с и за счет уменьшения толщины оплавляемого слоя возможно достижение максимальной скорости охлаждения до - 10в10 К/с .