ванной штифтовой методике. Анализ результатов свидетельствует об увеличении микронапряжений в покрытиях, генерирующих мартенситную структуру ЗТВ. При этом наблюдается корреляция величины микронапряжений, микротвердости и прочности сцепления, что доказывает связь между свойствами покрытий и характеристиками ЗТВ, механизм образования которой следующий [62, 63].
Локальный нагрев приповерхностной области основы энергоемкой частицей до температуры выше точки фазовых превращений переводит сталь в область существования аустенита. Быстрый теплоотвод в массив способствует превращению его в мартенсит либо в мелкодисперсную смесь феррита и цементита со структурой сорбита, троостита, протекающему в соответствии с термодинамикой фазовых превращений для системы железо – углерод. Повторение термического цикла в условиях осаждения следующих частиц, а также разогрев двухфазной высокотемпературной струей поверхности микрообъема основы под частицей способствует возврату системы в термодинамическое равновесие, т.е. в состояние с исходной структурой. Ввиду того, что при этом часть подводимого тепла идет на разогрев материала предыдущей частицы, возврат протекает неполно и неоднородно, что обусловливает значительное колебание микротвердости зоны термического влияния. С увеличением содержания углерода в материале основы, т.е. цементита в структуре приповерхностной зоны стали, фазовые превращения захватывают все больший объем и способствуют образованию значительных фазовых напряжений. Поскольку значительное содержание твердофазных составляющих в приповерхностной зоне снижает вероятность образования очагов схватывания под частицей за счет подавления канала пластической активации, следует ожидать падения прочности сцепления покрытий с порошковой основой в этих условиях.
351
Глава 9 СОСТОЯНИЕ ЛАЗЕРНОЙ, ТЕРМИЧЕСКОЙ
И ХИМИКО-ТЕРМИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКИ ПОКРЫТИЙ
9.1. Структура и свойства сталей при лазерном воздействии
Сведений по лазерной обработке покрытий, наносимых на порошковые стали, недостаточно. В силу специфики структуры и свойств ПС невозможен однозначный перенос существующих научных сведений, технологических приемов и параметров режимов обработки с компактных систем на пористые, характеризующие плазменное покрытие на порошковой стали. В связи с изложенным требуются разработка научных и технологических принципов лазерного термического модифицирования плазменных покрытий на порошковых сталях, исследование структуры, оптимизация режимов и комплекса прочностных и триботехнических характеристик полученных композитов.
В экспериментах материалами подложки и покрытия служили сталь П70-2 и самофлюсующийся сплав ПГ12Н-02 (ТУ-4602-156–82) как наиболее перспективные для получения упрочненных изделий. Порошковую сталь получали путем двухстороннего однократного прессования и спекания (в атмосфере водорода) образцов различного типоразмера из шихты технического железа марки ПЖРВ3.200 (ГОСТ 9849–84) и графита марки С1 при температуре спекания 1200 °С и выдержке 2 ч. Плазменное нанесение покрытий толщиной 0,2– 0,6 мм на предварительно отпескоструенную поверхность образцов производили с использованием штатного плазмотрона на установке УПУ-8М в режиме с параметрами, приведенными в табл. 67. Лазерную обработку материалов осуществляли на лазерном технологическом комплексе ЛТК ЛТ1-2 с использованием СО2-лазера ЛТ1-2 и координатного стола,
352
оснащенного системой ЧПУ «Луч 43» и специальным приспособлением для зажима образцов.
Таблица 67
Параметры режима плазменного напыления покрытия ПГ 12Н-02
Параметр |
Обозначение |
Единица |
Значение |
|
|
измерения |
|
Ток дуги |
I |
А |
230 |
Напряжение на дуге |
U |
В |
65 |
Расход аргона |
QAr |
|
|
в плазменной смеси |
л/мин |
30,7 |
закрутки |
qAr |
– » – |
– » – |
|
3 |
|
|
транспортирующего |
qAr |
– » – |
– » – |
|
1 |
|
|
Расход азота |
QN2 |
|
|
в плазменной смеси |
– » – |
36,8 |
Дистанция напыления |
L |
мм |
70 |
Мощность генерируемого излучения длиной волны 10,6 мкм определяли с использованием измерителя РСИ 105-5. Предварительную фокусировку излучения на диаметр пятна d = 2 мм проводили с помощью образцов-свидетелей. Фокусное расстояние использованных линз – 180 мм, расстояние от линзы до обрабатываемой поверхности – 124 мм. Отдельные партии образцов обрабатывали в защитной атмосфере азота, подаваемого из газового насадка, с расходом 15 л/мин. Для снижения коэффициента отражения излучения на одну из партий образцов наносили поглощающее покрытие из спиртовой смеси графита толщиной 30–50 мкм. Для сопоставления полученных данных по предлагаемому методу с существующими одну из партий образцов оплавляли мощной пропанкислородной горелкой с временем выдержки при температуре оплавления 1100 °С покрытий 1–3 с.
353
Металлографический и микродюрометрический анализы (при нагрузке 0,05 Н) проводили на приборах «Неофот-21» и ПМТ-3. Фазовый рентгеновский и микрорентгеноспектральный анализы осуществляли по известным методикам на установках ДРОН-2 и МАР-2. Исследование процентного содержания углерода и кислорода в сталях на установках «Куломатик С» и МС-10 осуществляли методом электрохимического сжигания и вакуум-плавления соответственно. Плотность материалов определяли по стандартной методике (ГОСТ 18898–73) и дополнительно методом Глаголева. Испытания на износ на машине СМЦ-2 (в среде индустриального масла И-30 при нагрузке 1 кН) и ударную вязкость на копре выполняли по известным методикам.
Исходя из имеющихся литературных данных основными технологическими факторами, определяющими формирование структуры и свойств композита, были выбраны мощность лазерного излучения (P), скорость подачи образцов
(v) и толщина покрытия (h). Коэффициент перекрытия до-
рожек фиксировали на уровне 0,3. Интервалы варьирования факторов выбирали априорно, по результатам предварительных экспериментов, и опираясь на данные табл. 68.
|
|
|
Таблица 68 |
Условия проведения эксперимента |
|
|
|
|
|
Физическая величина |
h |
ρ |
V |
Размерность |
мм |
Вт |
мм/мин |
Код фактора |
X1 |
X2 |
X3 |
Основной уровень |
0,4 |
950 |
2406,5 |
Интервал варьирования |
0,2 |
250 |
2173,5 |
Верхний уровень |
0,6 |
1200 |
4580 |
Нижний уровень |
0,2 |
700 |
233 |
|
354 |
|
|
Однако известно, что физическим критерием, обобщающим взаимное влияние параметров лазерной обработки на структуру и свойства материала, может служить энерговклад, определенный как отношение энергии E, приходящейся на единицу объема V материала:
Для обработки с использованием непрерывного лазерного излучения формулу (251) можно преобразовать с достаточной степенью точности в виде
где hs – толщина обрабатываемого слоя.
Если считать, что в ходе обработки параметры d и hs
не изменяются, т.е. отсутствуют флуктуации пространствен- но-временной структуры излучения, а структурная неоднородность основы не влияет на величину коэффициента отражения излучения от поверхности и контактную теплопроводность, то формулу (252) можно записать в виде:
так как произведение dhs = соnst по принятой модели. Объединяя (251) и (253), получаем:
где l – путь движения пятна нагрева на поверхности. Таким образом, обобщенным критерием лазерной обра-
ботки в этих условиях можно считать отношение энергии, приходящейся на единицу длины пути. В табл. 69 приведены значения энерговклада, используемые в наших экспериментах.
Следует указать на ограниченность применения критерия (254) для больших значений мощности излучения
355
Таблица 69
Величина энерговклада реализованных режимов лазерной обработки
ρ, Вт |
|
|
2 |
|
|
|
, |
/ |
|
|
v ·10 , м/с |
|
|
σ |
кДж м |
1200 |
|
|
7,63 |
|
|
|
13,1 |
700 |
|
|
7,63 |
|
|
|
9,16 |
1200 |
|
|
0,4 |
|
|
|
300,0 |
700 |
|
|
0,4 |
|
|
|
175,0 |
|
|
|
и толщины покрытия при ма- |
|
|
|
лых |
скоростях |
перемещения. |
|
|
|
В |
этом |
случае |
геометрия |
|
|
|
и структура поперечного сече- |
|
|
|
ния дорожки оплавления зави- |
|
|
|
сит от пространственно-вре- |
|
|
|
менной структуры |
излучения |
Рис. 132. Общий вид попереч- |
(рис. 132), что подтверждает |
ного сечения дорожки оплав- |
распределение |
микротвердо- |
ления покрытия, |
полученной |
сти (рис. 133). |
|
|
при структурно-чувствитель- |
|
Сопоставляя данные, пред- |
ных режимах обработки ×200, |
ставленные |
на |
рис. 132, 133, |
нетравлено; h = |
0,8 мм; P = |
можно отметить, что центр зо- |
= 1200 Вт; v = 0,8·10–2 м/с |
|
|
|
ны оплавления характеризует- |
ся большей ее глубиной (l,5 раза) и повышенным значением средней микротвердости с анормальным распределением вблизи переходной зоны. Отмеченное обстоятельство связано, очевидно, с фазовыми превращениями в переходной зоне и будет детально проанализировано ниже.
Согласно условиям проведения экспериментов (см. табл. 69), анализ структуры и свойств покрытий удобно осуществлять для трех характерных значений энерговклада, кДж/м:
−минимального 9,16 ≤ ε ≤ 13,1;
−средного ε = 175,0;
−максимального ε = 300,0.
356
Рис. 133. Распределение микротвердости по сечению зоны оплавления покрытия при струк-
турно-чувствительном режиме обработки; h = = 0,8 мм; P = 1200 Вт; v = 0,8·10–2 м/с; х – центр
зоны; • – 360 мкм от центра; ▲ – 500 мкм от центра
Микроскопические исследования облученных лазером образцов с напыленным покрытием при визуальном наблюдении показали, что минимальный энерговклад недостаточен для полного оплавления поверхности (рис. 134). Однако на внешний вид поверхности влияет толщина напыленного слоя. Действительно, при минимальной толщине слоя покрытия (рис. 134, а) на поверхности отмечаются цепочки следов луча, в то время как при максимальной толщине видимых изменений поверхности не наблюдается (рис. 134, б). Эта особенность объясняется тем, что минимальный энерговклад недостаточен для оплавления более толстого слоя покрытия, поскольку вследствие процессов теплопроводности (главным образом в напыленном слое) температура материала покрытия не достигает точки солидуса. В противоположность этому более тонкие покрытия не успевают полностью рассеять подводимую энергию в своем объеме, что и обусловливает их оплавление. Точечный характер следа луча может объясняться как макронеоднородностью слоя покрытия, несовер-
357
ELIB.PSTU.RU
шенством его теплового контакта с порошковой основой, так и пространственно-временными флуктуациями собственно излучения.
h = 0,6
а
h = 0,2
б
Рис. 134. Внешний вид образцов, облученных при минимальном энерговкладе v = 7,63·10–2 м/с; P, Вт: 1200 (правые образцы), 700 (левые)
Согласно полученным данным, средний и максимальный энерговклады достаточны для оплавления покрытий при любой их толщине в области варьирования (рис. 135). Однако
Р = 700 Вт
а
Р = 1200 Вт
б
Рис. 135. Внешний вид образцов, облученных
при среднем (а) и минимальном (б) энерговкладах. v = 0,4·10–2 м/с. h, мм: 0,6 (левые
образцы), 0,2 (правые)
358
при мощности излучения 700 Вт на блестящей поверхности оплавленного слоя отмечаются трещины и налет зеленоватого цвета, характерный для оксидов хрома. При мощности излучения 1200 Вт видимых трещин значительно меньше.
Анализ продольного (вдоль траектории движения луча) сечения образцов первой группы выявил характер образования и развития трещин. Очевидно, средние значения энерговклада недостаточны для образования прочной когезионной и адгезионной связи даже для слоя минимальной толщины (рис. 136, а). Высокий уровень действующих внутренних напряжений вследствие большой скорости нагрева
а
б
Рис. 136. Характер образования трещин в оплавленном лазером покрытиях. v = 0,4·10–2 м/с; P = 700 Вт, нетравлено, ×125. а – когезионный характер образования трещин; б – покрытие с трещинами адгезионного характера
359
и теплоотвода поверхности способствует зарождению микротрещин на границе раздела, где сконцентрировано большое количество несовершенств структуры, выступающих концентраторами напряжений (границы частиц, оксидные пленки, поры, микронадрезы и др.). Однако дальнейшее развитие трещин происходит по объему покрытия ввиду более слабой когезионной прочности покрытия с выходом на свободную поверхность. Негомогенность строения покрытия, обработанного в указанном режиме, обусловливает значительную концентрацию трещин на свободной поверхности образцов. В противоположность этому зарождение трещин в образцах, обработанных при максимальном энерговкладе, происходит со стороны свободной поверхности (рис. 136, б). Приложенная нагрузка определяет разрушение материала по границе раздела, т.е. формируется трещина адгезионного характера.
Поверхность материалов, обработанных при максимальном энерговкладе (P = 1200 Вт), характеризуется волнисто-
стью, формирующейся в виде валика. Валик образуется при повторных прохождениях луча лазера по поверхности.
Внешний вид образцов с газопламенным оплавлением покрытия представлен на рис. 137. Термическая обработка покрытий проведена в режиме, обеспечивающем минимальную инфильтрацию покрытия в приповерхностные поры основы. Геометрия покрытия в поперечном сечении имеет вид сферического сегмента. На поверхности покрытия видимые трещины отсутствуют.
Рис. 137. Внешний вид образцов после газопламенного оплавления. t = 1100 °С, τВ = 1…3 с
360
