46. Влияние лазерной обработки на механические характеристики материалов.

Механические свойства материалов, такие как предел прочности σ_В, предел текучести σ_0,2, ударная вязкость а_Н, также изменяются в результате лазерного облучения. Степень их изменения зависит от режимов обработки, типа материала. Так, для инструментальных сталей с увеличением плотности мощности излучения наблюдается некоторое снижение предела прочности и ударной вязкости, в то время как на изменение предела текучести лазерное упрочнение практически не оказывает влияния. Для закаленной стали ударная вязкость снижается после лазерной обработки от 5 до 1,32 МДж/м².

На механические свойства стали 45 после лазерной обработки влияют размеры образца, а также на наличие или отсутствие дополнительного отпуска для снятия термических напряжений. При достаточной объемной доле упрочненного слоя (толщина образца 1 мм) предел прочности σ_В, предел текучести σ_0,2 упрочненных, упрочненных и отпущенных образцов в 1,3 раза выше, чем образцов, подвергнутых стандартной термообработке. Лазерное упрочнение приводит к резкому падению относительного удлинения δ. Дополнительный отпуск несколько повышает этот параметр, но он ниже, чем у исходных образцов, с увеличением толщины (b) материала предел прочности σ_В и предел текучести σ_0,2 снижаются, так как уменьшается объемная доля упрочненного слоя. При введении дополнительного отпуска эта тенденция прослеживается слабее.

Для восстановления пластичности материала, близкой к исходной, и сохранения показателей прочности на высоком уровне целесообразно температуру отпуска выдерживать до 220°С.

Помимо стандартного отпуска снятие напряжений в упрочненных изделиях возможно дополнительным облучением с плотностью мощности. обеспечивающей нагрев поверхностного слоя до температур не выше А_С1.

Одним из важнейших достоинств лазерного упрочнения является практическое отсутствие деформаций материала после обработки.

47. Лазерное легирование и наплавка. Способы введения легирующих и наплавляемых материалов в злн. Характеристики, достоинства, недостатки.

Лазерное легирование представляет собой один из видов лазерного упрочнения (поверхностной обработки), при котором повышение твердости и других эксплуатационных характеристик поверхностного слоя материала достигается не только за счет структурных и фазовых превращений в зоне лазерного воздействия, но и за счет создания нового сплава, отличающегося от матричного материала химическим составом. В основе этого нового плава лежит матричный материал. При лазерной наплавке в отличие от легирования матричный материал может находится лишь в небольшом пограничном слое между матрицей и наплавленным слоем, который служит связующей средой. Наплавленный же слой существенно отличается от матричного материала.

Существуют такие способы подачи легирующих и наплавляемых материалов в зону лазерного воздействия:

1. нанесение легирующего состава в виде порошка на обрабатываемую поверхность – на поверхность матричного материала насыпается тонким слоем порошок легирующего элемента (смеси элементов). Толщину слоя трудно контролировать. Тепловое сопротивление между слоем и матричным материалом велико. В результате импульса отдачи или других возникающих эффектов в зоне воздействия лазерного излучения нарушается сплошность слоя, порошок сдувается;

2. обмазка обрабатываемой поверхности легирующим составом – к порошку добавляется связующее вещество, например жидкое стекло, клей БФ-6 и др. Эффективность внедрения легирующего элемента довольно низка, что объясняется большим тепловым сопротивлением на границе слой-матрица. Это приводит к неравномерному тепловому воздействию и как следствие, к неоднородности распределения легирующего элемента в матричном материале. Глубина легирования при воздействии импульсного излучения с параметрами Е = 10 Дж, τ = 4 мс не превышает 200 мкм;

3. накатывание фольги из легирующего материала на обрабатываемую поверхность – позволяет обеспечить одинаковую толщину легирующего слоя, что не достигается первыми двумя способами. Эффективность легирования поэтому выше – глубина проникновения легирующего элемента в зависимости от режимов обработки составляет 50…600 мкм. Недостатками метода являются трудности плотного соединения фольги с матрицей и невозможность реализации его на поверхностях сложного профиля;

4. легирование в жидкости – предполагает размещение обрабатываемой детали в ванне с жидкой легирующей средой (вода, глицерин с добавлением легирующих элементов). Недостатки – невысокая концентрация легирующего элемента в жидкости, необходимость в очистке детали после окончания процесса, большой расход легирующего элемента и т.п.;

5. легирование в газовой среде – может осуществляться в замкнутом объекте с прозрачным окном для прохождения луча или газ может подаваться в зону лазерного воздействия через сопло. В первом случае размеры камеры ограничивают габариты детали, но расход легирующего газа невелик. В втором случае расход газа значительнее и выпуск в атмосферу может привести к нарушению техники безопасности. При проведении лазерной обработки в газовой среде реализуется процесс лазерной (газовой) цементации, азотирования;

6. лазерная обработка в магнитном поле – магнитное поле удерживает на поверхности матричного материала ферромагнитные легирующие порошки, а также позволяет регулировать угол наклона частиц ферропорошка к матричной поверхности и тем самым изменять в определенных пределах поглощательную способность обрабатываемой поверхности. Достоинства: легирующие порошки с помощью магнитного поля могут удерживаться в труднодоступных местах изделий, на вертикальных поверхностях деталей. Значительно сокращается расход легирующих материалов;

7. метод электроискрового нанесения покрытия – сравнительно прост по технологии и оборудованию. Толщина наносимого слоя легирующих элементов Mo, Ti, W, Cr и их карбидов может изменяться в широких пределах (10…300 мкм). Тепловое сопротивление между слоем и матрицей ничтожно, т.е. образуется переходный слой толщиной 5…15 мкм. Недостатки метода: легирующие элементы должны быть электропроводны, из-за ограничений для некоторых взаимодействующих металлов по массопереносу не всегда удается обеспечить требуемую толщину слоя;

8. плазменное нанесение покрытий – метод обеспечивает хороший тепловой контакт наносимого слоя с матрицей. На поверхность конструкционных и инструментальных сталей могут наноситься сплавы ВК15, Т15К6, карбиды Ti, W, Cr, Со, нитриды металлов. Толщина слоя может изменяться в широких пределах;

9. способ детонационного нанесения покрытия – металлический или металлизированный порошок наносится на матричную поверхность с помощью взрыва ацетиленокислородной смеси. Образование газовапорошковой смеси и ее взрыв происходят в специальной камере, куда порошок подается струей азота. Толщина многослойного покрытия достигает 0,01…0,4 мм. Хотя метод и обеспечивает качественное нанесение покрытия, тем не менее он отличается сложностью реализации и высокой стоимостью;

10. электролитическое осаждение легирующих элементов – толщина покрытия составляет от нескольких микрометров до 150 мкм. Покрытие имеет хороший тепловой контакт с матрицей. Можно регулировать количество вводимого элемента в широких пределах (20 – 60%). Недостатком этого способа является то, что вследствие содержания в покрытии значительного количества растворенного газа (водорода) в проплавленных при легировании материала слоях могут образовываться поры. Для повышения качества таких покрытий в ряде случаев требуется вакуумная дегазация, что усложняет технологию;

11. подача легирующего состава в зону обработки синхронно с лазерным излучением – ограничением при выборе легирующего материала при этом способе является чрезмерное испарение порошка. По мере внедрения порошка в расплавленные участки поверхности может происходить частичное или полное растворение легирующего материала в матрице с последующей перекристаллизацией в процессе охлаждения. При отсутствии взаимной растворимости и химического взаимодействия материалов в поверхностных слоях образуются композиции, в которых матричный материал механически связывает внедренные частицы.