Металлургические машины и оборудование расчет основных параметров лазерного технологического оборудования. Учебное пособие

ском деформировании. При этом может происходить отслаивание покрытия либо образование трещин, нарушающих целостность по- крытий и облегчающих их последующее удаление.

Закалка

Образование тонкого твердого поверхностного слоя у стали путем ее подогрева и последующего быстрого охлаждения играет важную роль во многих технологических операциях. Обрабатываемыми де- талями могут быть зубчатые колеса, шпоночные канавки, зубчатые муфты, распределительные валы, концы пальцев толкателей, ножи различных машин и т.д. Поскольку допустимый износ у стали явля- ется малой величиной, то увеличение срока службы изделия достига- ется благодаря созданию поверхностного твердого слоя. Одной из важных особенностей поверхностного упрочнения является сохране- ние качества основной массы металла, которая также разогревается вместе с поверхностным слоем. Основным процессом при закалке является нагревание поверхности до температуры, при которой исче- зает аустенитная структура. При этом углерод начинает существо- вать как твердый раствор карбида железа в γ-железе. Затем произво- дится охлаждение до температуры, при которой еще не успеет обра- зоваться устойчивое состояние перлита с ферритом или цементитом, а образуется очень прочный раствор карбида в α-железе, известный как мартенсит. Необходимая скорость охлаждения зависит от состава стали и имеет значение порядка 30...40 °С/с до тех пор, пока темпе- ратура не достигнет порядка 250 °С. Известно, что для получения указанной скорости охлаждения применяют охлаждающие жидкости.

При лазерной закалке количество энергии, вложенной в металл, является достаточным для поверхностного нагрева, а масса металла остается холодной. В этом случае нагретая поверхность будет охла- ждаться за счет теплопроводности с достаточно высокой скоростью; в первый момент времени она будет равной приблизительно Т0/2τ, где Т0 – поверхностная температура; τ – продолжительность подогре- вающего лазерного импульса.

Временная зависимость распространения тепла для круглого ла- зерного потока однородной интенсивности и радиуса а, падающего вдоль оси z, перпендикулярной к плоскости поверхности полубеско- нечной среды, определяется выражением

Тст = (q/K)[(z2 + a2)0,5 – z].

41

Известно, что поглощение света металлами намного сильнее в ви- димых лучах, а малая длина волны излучения позволяет получить пятно в фокусе с высокой плотностью. Однако поверхностное по- глощение увеличивается с ростом температуры металла и образова- нием на поверхности окисных пленок.

В обычной стали поглощенное излучение с плотностью 8 кВт/см2 прогреет слой на глубину 0,5 мм до температуры выше критической, при которой имеют место переходы – γ-модификации в α-моди- фикацию аустенита (Т ≤ 937 °С) за время, приблизительно равное 0,05 с. Если тепло от лазерного луча за счет теплопроводности быст- ро передается в другие части поверхности, то, как следует из выра- жения, поверхностный слой будет охлаждаться очень быстро, обра- зуя мартенситную поверхность.

При лазерном способе обработки поверхности необходимо, по- вышая температуру на требуемой глубине до величины, при которой обеспечивается закалка поверхности, избежать ее разрушения, кото- рое происходит при температуре около 1200 °С, в то время как 900 °С достаточно для поверхностной закалки. Температура на глу- бине z может быть выражена через поверхностную Т0. Для лазеров большой мощности эффективный радиус лазерного потока определя- ется как

При t = 0,2 с глубина закаленного поверхностного слоя будет со- ставлять 0,4 мм.

В литературе приведены результаты закалки стали, в состав кото- рой входит 0,95 % углерода, 1,7 % марганца, 0,25 % хрома и 0,25 % ванадия. Обычная тепловая обработка состояла из закалки при тем- пературе 780...800 °С с последующим охлаждением. Лазерный луч, диаметром 5 мм, перемещался по поверхности изделия со скоростью 1,4 м/мин. Был использован непрерывный СО2-лазер мощностью 2,8 кВт. Измерения твердости закаленного слоя проводились обыч- ным методом. Результаты показали, что на ширине 8 мм твердость поверхностного слоя в результате двойного прохода стала в три раза выше исходной.

Отжиг

В отличие от лазерной закалки, лазерный отжиг преследует цель получения более равновесной структуры по сравнению с исходным состоянием, обладающей большей пластичностью и меньшей твер-

42

достью. Для этого скорость охлаждения материала после прекраще- ния лазерного воздействия должна быть значительно меньше крити- ческой. Лазерный отжиг может проводиться с оплавлением поверх- ности и без оплавления. Зона лазерного воздействия (ЗЛВ) в общем случае состоит из двух слоев: зоны оплавления и зоны термического влияния. При обработке без оплавления имеется только один слой: зона термического влияния. Во всех случаях микротвердость в ЗЛВ меньше, чем в исходном материале.

Как известно, отжиг 1-го рода предназначается для уменьшения напряжений и увеличения стабильности структуры. Наибольшее распространение получил лазерный рекристаллизационный отжиг напыленных или осажденных тонких пленок. Тонкие пленки, напы- ленные на подложку в вакууме или осажденные из газовой фазы, от- личаются наличием большого количества дефектов в структуре; вследствие высоких скоростей охлаждения при нанесении они имеют в ряде случаев аморфную структуру. После лазерного воздействия скорость охлаждения невелика из-за малой толщины пленки, в ре- зультате чего уменьшается дефектность кристаллического строения, увеличивается плотность, изменяются физико-химические свойства. Например, тонкие пленки германия, напыленные в вакууме, имеют размер зерен в несколько десятков нанометров и отличаются невы- сокой дырочной проводимостью. После лазерного рекристаллизаци- онного отжига размер зерен увеличивается до нескольких сот мик- рометров; резко увеличивается электронная проводимость в герма- нии n-типа.

После лазерного отжига напыленного графита в пленке формиру- ется гексагональная кристаллическая решетка, причем адгезия гра- фита с подложкой значительно увеличивается.

В настоящее время исследована структура после лазерного отжига осажденных на разные подложки таких элементов, как мышьяк, кремний, хром, графит, алюминий др. При этом структура и свойства отожженных участков находятся в большой зависимости от режимов лазерной обработки и от исходного строения напыленного. В частно- сти, при больших размерах исходных зерен напыленного кремния расплавление и кристаллизация будут происходить неравномерно, и тогда слой может иметь мозаичное строение. При мелком исходном зерне расплавление и кристаллизация идут равномерным фронтом и мозаичное строение не наблюдается. При лазерном рекристаллиза- ционном отжиге напыленного алюминия его поверхностный слой

43

окисляется, при этом толщина и состав оксидных пленок определя- ются содержанием кислорода в исходном напыленном алюминии.

Уменьшение дефектности структуры после лазерного рекристал- лизационного отжига приводит к уменьшению электрического со- противления. Поэтому этот процесс находит широкое применение в технологии материалов электронной техники при подгонке сопро- тивления металлических резисторов, непрошедших вакуумный от- жиг, а также металлокерамических резисторов из двухкомпонентных систем Cs – SiO2, Au – Сr2О3 и др. Кроме того, лазерный рекристал- лизационный отжиг нашел применение для формирования омиче- ских контактов в полупроводниковых приборах и для образования токовых дорожек.

Другим направлением лазерного отжига является снижение твер- дости и увеличение пластичности. В этом случае лазерный рекри- сталлизационный отжиг применим не только для обработки мате- риалов электронной техники, но и для обработки сталей и сплавов в машиностроении. Известно, что при скоростном нагреве холодноде- формированной стали начало и конец первичной рекристаллизации смещается в область высоких температур, что приводит к увеличе- нию числа центров кристаллизации и значительному измельчению зерна по сравнению с медленным нагревом. Наибольшее влияние скорости нагрева на размер зерна сказывается при малых степенях деформации, близких к критической. С увеличением степени дефор- мации влияние скорости нагрева на размер зерна уменьшается. Для уменьшения твердости и увеличения пластичности сталей и сплавов может быть применим лазерный отжиг с фазовой перекристаллиза- цией, т.е. отжиг 2-го рода. Такой отжиг легко осуществим при об- работке тонких лент, листов или проволоки.

Легирование

Лазерное легирование принципиально отличается от закалки из жидкого состояния тем, что изменяется химический состав упроч- ненного слоя. Оказывается возможным на деталях из простых конст- руктивных материалов создавать локальные области с высокими служебными характеристиками вместо того, чтобы эти детали цели- ком изготовлять из дефицитных сплавов. Здесь важен экономический фактор: деталь изготовляется из легкообрабатываемого механиче- скими способами недорогого материала, а дорогие и дефицитные компоненты расходуются только в тонком слое на локальном участке изделия.

44

Исходя из целей лазерного легирования (повышение износостой- кости, коррозионной стойкости, контактной выносливости и других служебных характеристик), необходимо учитывать известные ре- зультаты работ по химико-термической обработке. Вместе с тем нельзя сразу сопоставлять процессы формирования легированного поверхностного слоя при оплавлении лазером с процессами химико- термической обработки, при которой легирование идет как диффузия в твердом состоянии.

Схема типичного процесса лазерного легирования состоит в сле- дующем: образец с тонким слоем легирующей обмазки при движе- нии под лазерным лучом локально оплавляется, легирующие компо- ненты переходят в объем жидкой ванны металла, которая затем кри- сталлизуется. При лазерном легировании происходят взаимосвязан- ные процессы тепломассопереноса и микрометаллургические про- цессы (рис. 3.4).

Рис.3.4. Схема процесса лазерного легирования:

1 – движущийся со скоростью υ образец; 2 – легированная дорожка; 3 – ванна расплава; 4 – лазерный пучок; 5 – фокусирующая система; 6 – защитный газ; 7 – легирующая обмазка

Структура и свойства легированных зависят от многих факторов, действие которых часто противоположно. Поэтому процесс лазерно- го легирования следует рассматривать в два этапа. Вначале необхо- димо изучить теплофизику явления, гидродинамические течения и

45

распределение легирующих добавок по сечению, конвективную теп- лопередачу и термические циклы, формирование и кристаллизацию жидкой ванны. Затем, имея в виду данные об элементном составе и полученные концентрационные зависимости, термические циклы и градиенты изменения температуры, на основе металловедческих представлений уже можно прогнозировать возможные структуры и свойства легированных слоев. Приведенная выше информация пред- полагает большой научный потенциал исследователей, подкреплен- ный весьма сложной и разноплановой высокоавтоматизированной экспериментальной базой. Видимо поэтому полное комплексное ис- следование лазерного легирования не проведено. Отметим основные известные результаты.

Все экспериментальные данные показывают весьма однородное распределение легирующей добавки по сечению жидкой ванны. Это однозначно указывает на главную роль конвективного массоперено- са по сравнению с диффузионным механизмом переноса. Испарени- ем металла (и соответственно давлением отдачи паров) при легиро- вании пренебрегается, так как практически всегда процесс легирова- ния идет ниже температуры кипения материала. Рассмотрим конвек- цию в жидкой ванне расплава при лазерном легировании (рис. 3.5– 3.6). При толщине жидкого слоя < 1 мм главной движущей силой процесса являются градиенты поверхностного натяжения. Положим, что жидкость несжимаема (т.е. ее плотность ρ = const) и ее динами- ческая вязкость постоянна (μ = const). Тогда уравнения непрерывно- сти и Навье – Стокса примут вид

Divυ = 0;

dυ = g − 1 + yΔν, dt ρgradp

где dυ – скорость жидкости в точке x, y в момент времени t; dt

g – ускорение силы тяжести; p(x, y, t) – давление;

ν – кинематическая вязкость, ν = μ/р ; y – толщина расплава.

46

где р0 – давление пара над поверхностью (для открытой поверхно- сти – атмосферное давление); рЛ – Лапласово давление под искривленной поверхностью жид- кости.

Кроме того, если не рассматривать области, близкие к границам х = 0 и х = ± d, то можно пренебречь вертикальными составляющими вектора скорости. С учетом этого для стационарного случая устано- вившихся потоков уравнение Навье – Стокса примет вид

и суммарный поток в любом поперечном сечении будет равен нулю, т.е. определенный интеграл от 0 до h выражения (νxdy) равен нулю.

Проинтегрировав выражение (3.12) дважды с учетом граничных условий, описанных выше, и подставив результат в последнее выра- жение, получим

Стационарный профиль скоростей в поперечном сечении в этом случае будет параболическим:

υx = h/4μ[3(y/h)2 – 2(y/h)]∂σ/∂x = νxmax[3(y/h)2 – 2(y/h)].

Считая форму искривленной поверхности в первом приближении синусоидальной, найдем разность Лапласовых давлений между сече- ниями х = d и х = 0:

pЛ = πσΔh/d2,

что позволит из формулы (3.13) получить выражение для деформа- ции поверхности

Разность поверхностных натяжений между сечениями х – d и х – 0 зависит от разности температур поверхности жидкости на границе кристаллизации и в зоне нагрева лазерным пучком:

Δσ = ∂σ/∂T(Tпл – Tmax).

При круговой циркуляции жидкости в ванне расплава ее поверх- ностный слой толщиной в δ = (aτ)0,5 за время τ = d/υmax нагревается лазерным излучением интенсивностью I0 на величину поддающуюся расчету.

48

Оценки по полученным формулам для случая легирования стали (Р0 = 5 кВт; r = 1,25 см, υ = 0,5 см/с) дают размеры жидкой ванны –

λ = 0,3 Вт/(см · K), получим h = –0,4 мм, υmах = 2 м/с. За время суще- ствования ванны расплава t = h/υ жидкость в ней успеет совершить приблизительно 400 оборотов, т.е. перемешивание будет полным.

Плакирование

Лазерное плакирование заключается в расплавлении предвари- тельно нанесенного на поверхность детали материала, который затем растекается по ней с последующим быстрым затвердением. При этом обеспечивается получение поверхностного слоя с заданными свойст- вами путем нанесения определенных специальных металлов, сплавов

ит.п. с условием минимального оплавления поверхности детали для наименьшего проникновения материала основы в плакирующий слой. Наличие значительного количества материала детали в плаки- рующем слое может существенно ухудшить его свойства.

Для плакирования используются материалы, как правило, сплавы с высокой температурой плавления, наносимые на детали-матрицы из материалов (металлов и сплавов) с достаточно низкой температу- рой плавления.

Плакирующими материалами для повышения твердости обычно являются Со, Ni или сплавы на основе железа и применяются для уменьшения износа, увеличения коррозионной стойкости и др. Этот метод достаточно хорошо изучен и опробован. Так, нагрев покрытий

иих сплавление с материалом основы выполняли на шестернях, ва- лах, кулачках, поверхностях отверстий цилиндров, канавках для поршневых колец, гнездах клапанов и др. Для упрочнения поверхно- сти пламенем наносились самофлюсующиеся сплавы (никель- кобальтовые с высоким содержанием хрома) с последующим лазер- ным оплавлением. Присутствие в этих сплавах достаточных концен- траций бора, кремния и карбида вольфрама обеспечивает снижение температуры плавления их и действие самофлюсования.

Можно также использовать метод плазменного нанесения плаки- рующих покрытий. Сканирующий или стационарный лазерный луч сплавляет такие покрытия с основой получением однородного хими- ческого состава и микроструктуры и заданных износо- и коррозион- но-стойких свойств.

49

Рассмотрим конкретные покрытия.

1.Покрытия из сплавов на основе кобальта, используемые как из- носо- и коррозионно-стойкие. Износостойкость этих сплавов обу- словлена наличием твердых интерметаллических фаз в виде дендри- тов, находящихся в твердом растворе эвтектической матрицы. Состав этой фазы с плотноупакованной гексагональной решеткой находится примерно между CoMoSi и Co3MoaSi. Коррозионная стойкость обес- печивалась содержанием хрома примерно 1/3 в интерметаллической фазе и 2/3 в твердом растворе. Для предотвращения образования карбидов содержание углерода не превышало 0,08 %. В кобальтовом сплаве объем интерметаллической фазы составлял 50 %. Такой сплав был оплавлен на поверхности стали (2,25 % Cr, 1 % Мо). Один про- ход луча лазера позволил получить покрытие толщиной 6...7 мм и шириной 10 мм при обработке матрицы с плакирующим материалом

ввиде порошка. Разбавление плакирующего сплава матрицей было менее 5 % масс.

2.Покрытие из стеллитных сплавов. Сплав в виде прутка диамет- ром 3 мм был вплавлен со стальной подложкой при ее минимальном растворении. Уложенные на деталь стержни из стеллитового сплава при прохождении луча лазера последовательно плакируют поверх- ность детали. Скорость осаждения ~ 1 кг/ч была получена при мощ- ности излучения лазера 3 кВт.

Полученное покрытие по составу содержало до 51 % Со, 31 % Cr, 13 % W. Состав и микроструктура достаточно равномерно распреде- лены по толщине покрытия, причем введение растворенной подлож- ки в покрытие не превышало 5 %. Твердость покрытия составляла

730 МПа.

При лазерной обработке стеллитные прутки плавятся при темпе- ратуре 1335 °С и далее происходит их перегрев до 1649 °С. После обработки слой охлаждается со скоростью 650 °С/с до 1335 °С и со скоростью 40°С/с до комнатной температуры.

Обработка плакирующего слоя в науглероживающей атмосфере позволяет достичь температуры плавления поверхности до 1426 °С.

3.Плакирование кремнием. Покрытие из кремния (температура плавления 1430 °С) наносилось на подложку с низкой температурой плавления (диапазон температур 508...649 °С) из алюминиевого спла- ва с содержанием кремния 17 %. При лазерной обработке происхо- дило плавление слоя кремниевого порошка (размер частиц 44 мкм) и тонкого слоя поверхности подложки. В полученной микроструктуре наблюдались частицы кремния, внедренные в Al–Si эвтектическую

50