5.14.Лазерная поверхностная обработка.

В качестве высококонцентрированных источников энергии выступают облеченные в технологическую оболочку, обнаруженные в последнее время различные физические эффекты, позволяющие в микросечениях и микрообъемах концентрировать высокие уровни энергии. К таким источникам относятся, в первую очередь, излучение лазера, сконцентрированный световой луч, электронный пучок, плазменные потоки.

Основной характеристикой таких источников энергии является высокая энергетическая насыщенность потока, позволяющая нагревать очень тонкие слои изделий в течение долей секунды в широком диапазоне возможных температур нагрева, включая температурыоплавления.

Скорости нагрева достигают величин 104 - 105 °С/с. После окончания действия такого теплового источника и нагрева очень тонкого слоя происходит самопроизвольное его охлаждение за счет перераспределения тепла в холодную сердцевину. При этом скорости охлаждения также оказываются сверхвысокими(103 - 106 °С/с), часто превышающими скорость охлаждения при обычной закалке в воде или иных быстроохлаждающих средах. Эффективность термического упрочнения высококонцентрированными источниками энергии мало зависит от природы используемого физического явления (лазерная закалка, электронно-лучевая или плазменная).

В большей степени эффективность упрочнения определяется мощностью

энергетического потока и характером его воздействия (непрерывный, импульсный). В данном разделе будут рассмотрены сведения о влиянии лазерной обработки на структуру и свойства слоя. Другие методы энергетического воздействия имеют аналогичный характер.

Использование высококонцентрированных источников энергии позволяет проводить поверхностное упрочнение за счет различных структурных факторов в зависимости от значения достигаемой температуры нагрева. Различают четыре пути упрочнения поверхностного слоя: структурное упрочнение, достигаемое высокоскоростным нагревом тонкого

поверхностного слоя до температур, не превышающих температур фазового

превращения; упрочнение путем поверхностной закалки с получением метастабильного фазового состояния и последующим старением или отпуском; упрочнение путем нагрева поверхностного слоя до температур, превышающих температуру плавления с последующей ускоренной кристаллизацией, при которой достигается образование сверхмелкозернистой кристаллической структуры, аморфного состояния вещества либо иных метастабильных состояний закристаллизованной поверхности; упрочнение путем поверхностного легирования слоя на основе протекания микрометаллургических процессов в поверхностном расплаве и диффузионного взаимодействия легирующего компонента в слое с основой сплава, в результате оплавления высококонцентрированным источником энергии поверхности изделия вместе с предварительно нанесенным на поверхность слоем легирующего компонента. для алюминиевых, магниевых, никелевых сплавов размер дендритной ячейки, полученной при кристаллизации в зоне лазерного оплавления составляет d = 0,4 мкм, что на несколько порядков меньше размера зерна исходных сплавов.

При еще больших скоростях охлаждения образующиеся кристаллы могут получить размеры, соизмеримые с несколькими десятками межатомных расстояний, что соответствует формированию рентгеноаморфного состояния закристаллизованного слоя.

При лазерной обработке серого чугуна с плавлением поверхности в пленке расплава, возникающей под действием лазерного луча, происходит образование ледебурита с очень высокой твердостью и износостойкостью. Для легированных чугунов после лазерной закалки микротвердость зоны оплавления достигает 8000 - 13500 МПа.

Кроме стали и чугуна, лазерной обработке с оплавлением поверхности могут подвергаться сплавы цветных металлов, например сплавы эвтектического типа, которые при высокоскоростном оплавлении и быстрой последующей кристаллизации изменяют не только размеры зерен, но и морфологию строения образующихся структур.

В том случае, если перед лазерной обработкой на поверхность изделия нанести тонкий слой из легирующего материала, например, накаткой фольги, электролитическим или химическим осаждением, либо путем окраски тонким слоем порошкового материала, то при высокотемпературном лазерном нагреве, вызывающем оплавление, на поверхности развиваются микрометаллургические процессы взаимодействия нанесенного вещества с расплавом основы. В результате этих процессов получают легированный поверхностный слой, свойства которого принципиально отличаются от свойств основы.