» » Лазерная обработка поверхности
18.01.2016

Природа модифицирующего действия лазерного излучения определяется протеканием следующих процессов:
— плавление и испарение вещества, сопровождающееся образованием потока пара, плазмы и капель материала в зоне обработки;
— электронная и ионная эмиссии, обусловленные тепловым эффектом;
— тепловое и рентгеновское излучения с энергией квантов до нескольких десятков и даже сотен электрон вольт;
— ультразвуковые колебания в металле, вызываемые периодичностью нагревания и теплового расширения, а также ударные волны, возникающие при действии импульсного лазерного излучения.
Высокая мощность лазерного излучения, малая глубина поглощения в веществе приводят к высоким скоростям нагрева и охлаждения при лазерной обработке.
Формирование однородного быстрозакаленного состояния в области воздействия лазерного луча характеризуется обычно пониженной травимостью при выявлении микроструктуры и сохранением в значительной степени исходного полированного состояния поверхности.
Образование аморфной или наноструктуры с ультрамелким зерном, неравновесных метастабильных фаз, в том числе аномально пересыщенных твердых растворов на поверхности мишени, происходит в значительной мере по механизму бездиффузионных превращений и обусловливает уникальные физико-химические свойства.
При воздействии импульсного лазерного излучения на образцы сталей наблюдается двухслойная структура с отчетливой границей, обусловленная тем, что металл поверхностного слоя претерпевает оплавление и быструю закалку расплава, а второй слой представляет собой зону термического влияния в традиционном понимании.
Особенностью первого слоя является наличие структуры столбчатых дендритов. Структура второго слоя характеризуется мелкозернистостью, обусловленной перекристаллизацией и пластической деформацией с последующей рекристаллизацией.
Метод лазерного глазурования поверхности металлических сплавов, включая никелевые суперсплавы, приводит к образованию высокодисперсной однородной структуры. Метод эффективен при обработке режущих кромок инструмента, используемого для механической обработки металлов.
Обработка лучом непрерывного CO2-лазера поверхности образца инструментальной стали состава Fe — 5,0 % Mo — 4,2 % С — 6,35 % W — 1,9 % V — 0,85 % С в отожженном состоянии сопровождается формированием быстрозакаленного слоя, скорость охлаждения которого составляет 5*10в5 К/с.
Структура быстрозакаленной области определяется кинетикой процесса затвердевания и протекания перитектической реакции, которая зависит от скорости охлаждения, градиента температуры и скорости перемещения поверхности раздела жидкой и твердой фаз.
Расчетные оценки показывают, что по мере перемещения фронта затвердевания от максимально глубоких оплавленных слоев к поверхности скорость охлаждения после резкого первоначального возрастания остается постоянной, тогда как градиент температуры снижается, а скорость роста возрастает.
Характерной особенностью лазерного глазурования является высокое значение отношения градиента температуры к скорости роста G/R в нижних слоях оплавленной зоны, что определяет рост твердой фазы плоским фронтом.
При этом в верхней части быстрозакаленного слоя установлено образование ячеистой микроструктуры с преимущественным содержанием δ-феррита, пограничными прослойками аустенита (γ-фазы) и выделениями карбидов, образовавшимися по перитектической реакции δ+L→γ + карбид (рис. 20.3). Карбидная фаза представляет собой в основном дисперсные карбидные частицы Ме2C (и некоторое количество Ме23C6), расположенные по границам δ-феррита либо в межосных участках аустенита (нижний слой, рис. 20.3, в).
Лазерная обработка поверхности

Количество зафиксированного при быстрой закалке расплава δ-феррита снижается по мере уменьшения скорости охлаждения при переходе к нижним слоям оплавленной зоны в результате более полного протекания перитектической реакции. В нижнем слое оплавленной зоны формируется в основном аустенитная фаза со структурой дисперсных столбчатых дендритов. Твердость верхних слоев δ-феррита составляет 6,5 ГПа, в нижних слоях оплавленной зоны выявлена аномально высокая твердость аустенита 9,5 ГПа.
При лазерной обработке рассматриваемой инструментальной стали образуется перитектическая микроструктура (рис. 20.3, б), которая аналогична структуре слитка, полученного направленной кристаллизацией со скоростью роста 9*10в-6 м/с, но отличается в 200 раз более высокой дисперсностью. Это соотношение хорошо согласуется с расчетной оценкой существенно большей скорости роста при лазерном воздействии (-0,5 м/с), поскольку отношение расстояний диффузионного перемещения легирующих компонентов определяется квадратным корнем из отношения скоростей роста.
Термообработка при 560 °С, 2 ч после лазерного воздействия приводит к дисперсионному упрочнению до значений твердости 11 ГПа в нижних слоях. Механизм упрочнения обусловлен выделением дисперсных частиц (до 0,2 мкм) преимущественно карбидной фазы типа Ме23С6 и некоторого количества Ме2C как по границам, так и в объеме ячеистой структуры (рис. 20.4).
Следует отметать, что закалка с нагревом при температуре 1230 °С, 300 с и последующим охлаждением в жидком азоте после лазерного воздействия (рис. 20.4) приводит к образованию субзеренной структуры в объеме крупных зерен. Размер субзерен сопоставим с размерами ячеек в структуре, оплавленной лазерным пучком зоны.
Лазерная обработка поверхности

Выделения карбидной фазы Me1-хC имеют размер порядка 1 мкм и расположены по границам зерен н субзерен. Высокая плотность дисперсных карбидных выделений обеспечивает высокую твердость ~ 11 ГПа.
Обработка поверхности лазерным излучением с оплавлением поверхности изделия и последующей быстрой закалкой расплавленного слоя приводит к повышению коррозионной стойкости.
Например, после лазерной обработки нержавеющей стали AISI 304 возрастает стойкость против интеркристаллитной коррозии и коррозионного растрескивания.
Лазерное глазурование поверхности алюминиевой бронзы вследствие гомогенизации, включающей растворение избыточной фазы, обогащенной железом, приводит к повышению коррозионной стойкости.
В результате лазерной обработки сплава алюминия, содержащего 1,2 % Mn, увеличивается стойкость против равномерной коррозии.
Другая цель применения лазерной технологии при обработке металлов с кристаллической структурой состоит в направлении покрытий.
Малоуглеродистая сталь с титановым покрытием, нанесенным методом вакуумно-плазменного напыления, в морской воле подвергается локальной коррозии металла-основы под порами покрытия.
Применение лазерной обработки поверхности позволило устранить этот недостаток, кривая анодной поляризации материала с покрытием при этом стала соответствовать кривой для титана.
Лазерная обработка стали AISI 1018, на которую методом электроосаждения или напыления нанесен хром, сопровождается образованием на поверхности сплава Fe-Cr. По мере роста поверхностной концентрации хрома анодная плотность тока в активной области при испытаниях в 0,1 M Na2SO4 существенно снижается, что свидетельствует о повышении коррозионной стойкости.
Лазерная обработка обычного кристаллического никеля и малоуглеродистой стали, покрытых слоем легко аморфизующегося сплава системы Fe—Cr—Mo—Р—S, приводит к образованию аморфной структуры поверхностного быстрозакаленною слоя.
Под воздействием мощного лазерного излучения в среде газа высокого давления, сопровождающегося оптическим пробоем газа вблизи поверхности твердого тела, образуется плазменный факел, действие которого на матерная может приводить к синтезу новых веществ, изменению структуры и свойств поверхностных слоев. Сочетание собственно лазерного облучения и плазмохимического воздействия потока ионов определяет развитие нового направления обработки материалов — лазерно-плазменной обработки материалов.
Таким образом, при воздействии лазерного излучения на материал благодаря формированию быстрозакаленного слоя создаются такие структурно-фазовые состояния, которые не могут быть получены в процессе обычной термообработки. Для целенаправленного изменения свойств материалов изделий применяются специально разработанные методы жидкофазного легирования и плакирования.
Метод жидкофазного легирования при использовании лазерного излучения применяется для улучшения коррозионной стойкости, износостойкости и других свойств материалов.
Для этого метода характерно оплавление поверхности материала вместе с предварительно нанесенными легирующими элементами, которое приводит к модифицированию поверхности в результате образования слоя быстрозакаленного легированного сплава.
Преимущества метода:
— возможность применения при сложных формах геометрии обрабатываемой поверхности;
— отсутствие необходимости в последующей термообработке;
— большая скорость и высокое качество обработки изделия;
— хорошая воспроизводимость параметров упрочняемого слоя;
— экономия легирующего материала.
Легирование поверхности при воздействии луча лазера на мишень из стали Ст3 с предварительно нанесенными на ее поверхность слоями порошков графита или твердого сплава ВК8 толщиной 0,1 мм значительно увеличивает микротвердость.
Лазерное плакирование заключается в оплавлении нанесенного на поверхность обрабатываемой детали плакирующего вещества с последующим его быстрым охлаждением практически без перемешивания нанесенного материала с материалом подложки.
В результате плакирования формируется быстрозакаленный поверхностный слой, состав и свойства которого соответствуют составу и свойствам выбранного плакирующего материала.
Лазерное плакирование применяется для обработки поверхностей трения шестерен, валов, кулачков и др. Плакирование может осуществляться с использованием сканирующего или стационарного лазерного луча, обеспечивающего сплавление покрытия с основой.
Технология лазерной наплавки представляет собой пример развития технологии плакирования применительно к получению изделий из суперсплавов, а также других сплавов. В качестве источника энергии могут применяться непрерывный сфокусированный лазерный луч, другие концентрированные потоки энергии, такие, как электронный луч, но существуют определенные преимущества источников лазерного излучения, и их применению придается особое значение.
Технология лазерной наплавки дает возможность последовательного нанесения слоев, которые сплавляются друг с другом вследствие контролируемого оплавления предыдущего слоя с образованием плотного и прочного изделия.
Этим методом были получены биметаллические диски из экспериментального суперсплава Ni — 8 % Al — 12 % Mo — 3 % Ta и сплава IN718. Толщина последовательно наплавляемого слоя при этом составляет 125 мкм, так что тонкий слой расплава подвергается быстрой закалке со скоростью 10в3-10в5 К/с.
Для питания расплава при наплавке возможно использование проволоки, однако предпочтительно применение распыленных порошков сплава или смеси порошков металлов — компонентов сплава, поскольку это обеспечивает снижение стоимости наплавляемого материала и относительную легкость приготовления необходимого состава.
Уникальной возможностью метола является получение градиентных материалов, например для повышения износостойкости, твердости, коррозионной стойкости, а также контролируемое изменение зерен ной структуры наплавляемого металла.
Термические напряжения, которые возникают в процессе затвердевания и охлаждения наплавляемого слоя в твердом состоянии на холодной и массивной подложке, могут приводить к значительной пластической деформации. Поэтому последующая термическая обработка может применяться не только для гомогенизации, но и для рекристаллизации и обеспечивает формирование высокодисперсных равноосных зерен.
В условиях торможения рекристаллизации сохраняются преимущества высокодеформированной структуры, что способствует успешному применению материала при относительно низких температурах и высоких нагрузках.
Непрерывный неразрушающий контроль (оптический, акустический, электромагнитный) является последним этапом процесса.
Когда обнаруживается дефект, его устраняют повторением процесса. Восстановление дефектных деталей в сочетании с операцией контроля качества является уникальной особенностью методов получения надежных покрытий.
Следует отметить, что технологии с использованием быстрозакаленных порошков — современное интенсивно развивающееся инновационное направление, обладающее преимуществами в разработке как новых составов сплавов, так и методов получения изделий, а технологии быстрой закалки при оплавлении поверхности концентрированными потоками энергии, в частности лазерным лучом, при производстве компонентов газовой турбины трудно переоценить.
Металловедение суперсплавов будет продолжать развиваться, в частности предстоит дальнейшее изучение механизмов затвердевания, упрочнения, их коррозионного поведения и т.п. В центре внимания будут оставаться вопросы стоимости, рентабельности, снижения затрат энергии и материальных ресурсов для технологий получении изделий точной геометрии и размеров.