Особенности структурной организации композиции «покрытие — металлическая основа» при экстремальном тепловом воздействии

Разработка и промышленное освоение новых методов поверхностной упрочняющей обработки и легирования позволяет создавать материалы, сочетающие износостойкую поверхность нанесенного покрытия и металлическую основу с заданным условиями эксплуатации уровнем свойств, что существенно повышает надежность и работоспособность изделий из инструментальных и конструкционных материалов, позволяет сократить затраты на производство и приобретение инструмента и деталей машин, увеличить производительность труда, улучшить качество механической обработки, уменьшить расход высоколегированных сталей и т. д.

Существующие и промышленно освоенные методы нанесения покрытий имеют как достоинства, так и недостатки (недостаточная прочность сцепления покрытия с основой, пористость покрытия, высокий уровень остаточных напряжений и др.), которые существенно снижают возможность их применение.

Если термическая обработка покрытий производится при объемном нагреве изделий, то одновременно в структуре стальной основы происходит фазовая перекристаллизация, может укрупняться зерно, при длительном термическом воздействии выгорают легирующие элементы покрытия. Это приводит к уменьшению твердости покрытий и снижению трещиностойкости изделия в целом.

Совершенствование продукции машиностроения затруднено без применения новых прогрессивных технологических процессов, позволяющих уменьшить или устранить перечисленные выше недостатки, повысить надежность, обеспечить работоспособность деталей машин и инструмента в самых жестких условиях эксплуатации, при высоких температурах и в агрессивных средах. Этим вызвано расширяющееся применение упрочняющих технологий в ведущих отраслях машиностроения и широкие исследования, проводимые в нашей стране в области разработки новых способов и технологий нанесения и поверхностной тепловой обработки покрытий.

Проведение термической обработки покрытий без деградации структуры и ухудшения основных свойств металлической основы изделий возможно лишь при воздействии на поверхность концентрированных потоков энергии (КПЭ), в частности, импульсного лазерного излучения.

В основе импульсной лазерной обработки лежит использование для нагрева покрытий и металлических материалов тепловых источников высокой энергонасыщенности, плотность мощности которых составляет сотни МВт/м", а время действия не выходит за пределы миллисекундного диапазона. При этом достигаются гипервысокие (106 град/с) скорости нагревания до закритических температур при наличии значительных температурных градиентов по глубине, обеспечивающих за счет отвода тепла в «холодную» массу по механизму теплопроводности охлаждение со скоростями 105−106 °С/с.

Лазерная технология обработки покрытий обладает большими технологическими возможностями. Регулируя параметры энергетического воздействия, а также толщину, состав и состояние нанесенных покрытий можно добиться заданного распределения температур по сечению изделий и регулировать структуру как покрытия, так и переходной зоны и прилежащего к покрытию слоя металлической основы изделий в соответствии с требованиями условий эксплуатации и конструктивно-технологическими характеристиками облучаемых деталей машин и инструмента.

Общим требованием к условиям формирования структуры материалов композиции «покрытие — несущая основа» при лазерной обработке является одновременное формирование структуры материала покрытия в виде твердых фаз в высоколегированной матрице, несущей основы изделий с заданным уровнем свойств и создание контактной зоны основного металла и покрытия со сглаженным структурным переходом за счет протекания взаимной диффузии компонентов покрытия и подложки, что обеспечивает высокую адгезию и снижает пики внутренних напряжений. Кроме того, в процессе скоростного лазерного облучения коагулируют и завариваются поры, происходит релаксация внутренних напряжений в покрытиях с одновременным отпуском или неполной закалкой тонкого, прилежащего к покрытию слоя металлической основы.

Исследования, проведенные в течение последних 30 лет ведущими учеными Рэди Дж., Рыкалиным H.H., Угловым A.A., Кокорой А. Н., Мирки-ным Л.И., Кришталом H.A., Григорьянцем А. Г., Сафоновым А. Н., Коваленко B.C., Веденовым A.A., Зуевым И. В., Крапошиным B.C., Тушинским Л. И., Пустовойтом В. Н., Бровер Г. И., Домбровским Ю. М., Кудряковым О. В., Ва-равка В.Н. и др., позволили установить, что природа упрочнения металлических материалов после воздействия лазерного излучения обусловлена уникальной морфологией сосуществующих фаз и особым способом структурной организации, в частности, повышенной плотностью дефектов кристаллического строения, дисперсностью блоков, концентрационной неоднородностью и т. д. Это обеспечивает аномально высокую твердость обработанных поверхностей (10−12,5 ГПа), а также оказывает положительное влияние на основные эксплуатационные свойства — теплостойкость, износостойкость, сопротивление процессам схватывания, коррозионную стойкость.

В настоящее время способы термической обработки и микролегирования поверхности материалов с использованием высококонцентрированных потоков энергии распространены недостаточно широко.

Следует отметить, что важнейшей чертой современного этапа развития технологии поверхностной упрочняющей обработки является переход от стадии накопления данных и их эмпирической обработки к стадии управляемого получения заданных структур и свойств разных материалов и покрытий в строго контролируемых условиях. Это становится возможным лишь после глубокого анализа механизмов, лежащих в основе этих процессов.

Актуальность исследований в этом направлении обусловлена сложностью и недостаточной изученностью структурно-фазовых превращений в поверхностных слоях материалов в условиях скоростного нагрева и легирования с использованием КПЭ из покрытий разного состава, а также недостаточным объемом сведений о влиянии формирующихся структур на основные свойства упрочненных изделий и о возможности адаптации поверхностно-закаленного металла к условиям трения за счет протекания гаммы химических и структурных превращений, стимулируемых энергией, поглощаемой и рассеиваемой в зоне контакта, что осложняет практическую применимость процессов упрочнения и легирования с использованием КПЭ для повышения работоспособности деталей машин, инструмента и технологической оснастки.

В ходе выполнения работы проведено комплексное металлофизическое исследование физической природы и механизма структурообразующих процессов лазерного легирования сталей и сплавов широкого технологического спектра из покрытий разного состава. Базовую экспериментальную основу работы составили методы исследования тонкой структуры: сканирующая зондовая микроскопия, микрорентгеноспектральный, рентгеноструктурный анализ. Сформированная база данных обеспечивает поле для корреляционного и дисперсионного анализа с целью выявления наиболее значимых управляющих параметров для математического моделирования физических механизмов протекающих гипернеравновесных процессов фазовых и структурных превращений.

В настоящей работе с научных позиций решается проблема оптимального использования концентрированных потоков энергии для поверхностной обработки и легирования сталей и сплавов. В частности, рассматриваются вопросы влияния энергетических характеристик и условий обработки на эффективность термообработки покрытий, а также изучаются особенности организации структуры покрытий разного состава в условиях гипернеравновесных фазовых переходов. На базе результатов систематических экспериментальных исследований процесса лазерного легирования сталей и сплавов из разных покрытий в работе созданы физические модели явлений, позволяющих конструировать структуру композиции «основной металл — переходная зона — оплавленное химическое покрытие», обладающую заданным уровнем эксплуатационных свойств и трещиностойкостью. Рассмотрены также варианты вплавления в поверхностные слои сталей и сплавов твердых частиц разного состава из порошковых покрытий, покрытий, полученных электроискровым легированием, ионно-плазменным напылением, что позволило получить структурные композиции, адаптируемые к температурно-силовым нагрузкам при эксплуатации или индифферентные к ним. Рассмотрен структурный механизм уменьшения хрупкости и повышения качества твердых сплавов и керамики за счет лазерного жидкофазного спекания и легирования поверхностных слоев.

Целью настоящей работы является разработка технологических принципов лазерного легирования изделий различного функционального назначения из покрытий разного состава на основе изучения структурной организации композиции «покрытие — металлическая основа» при высокоэнергетическом лазерном воздействии, обеспечивающем заданный уровень эксплуатационных свойств.

В результате выполненных исследований в настоящей работе получены новые научные знания в области теории гипернеравновесных фазовых переходов, которые стали основой для разработки технологии упрочнения и легирования сталей и сплавов с использованием экстремальных способов теплового воздействия из покрытий разного составаопределены корреляционные связи механических свойств со структурным состоянием поверхностных слоев материалов, разработаны технологические принципы лазерного легирования металлических изделий разного функционального назначения.

На защиту выносятся следующие научные результаты: • выполнен теоретический анализ топографии температурного поля для квазистационарного режима генерации импульсного лазера при нагревании и при охлаждении после прекращения действия лазерного импульса при обработке покрытий разного состава. Получены экспериментальные результаты, позволяющие оценить уровень достигаемых температур и скоростей охлаждения за разные промежутки времени действия импульса излучения и назначить оптимальные параметры режима лазерной обработки покрытий разного состава;

• созданы физические представления о возникновении И' природе фазовых переходов, явлениях ускоренного массопереноса, структурообразования. в. композиции «химическое или гальваническое покрытие — переходная зона — металлическая подложка»;

• проведена количественная оценка элементов структуры в лазерно-легированных зонах облученного пятна при вплавлении твердых частиц разного состава из порошковых покрытий, покрытий, полученных электроискровым легированием поверхности и ионно-плазменным напылением;

• определены структурные особенности процесса граничного жидкофазного спекания и легирования поверхностных слоев твердого сплава и керамики при воздействии лазерного излучения;

• с использованием методик математического моделирования-разработаны и подтверждены экспериментально принципы прогнозирования механических, технологических и эксплуатационных свойств материалов с учетом структурных особенностей процесса легирования при гиперскоростной лазерной обработке, зависящих от режима лазерной обработки, состава и способа создания покрытий, состава и объемной термообработки металлической подложки;

• сформирована новая информационная база, позволяющая обоснованно назначать режимы поверхностной лазерной обработки различных покрытий для получения, заданной структуры, композиции- «покрытие — металлическая подложка» с повышенной трещиностойкостью и необходимым уровнем эксплуатационных свойств.

Разработанный: в результате теоретических и экспериментальных исследований технологические принципы процесса легирования? изделий различного функционального назначения включает в себя технологические инструкции по проведению процесса и контролю качества лазерного упрочнения.

Таким образом, выполненная работа представляется как решение научно-технической проблемы материаловедения, имеющей"важное значение для национальной экономики и заключающейся в комплексном металлофизиче-ском исследовании закономерностей структурообразования композиции «покрытия ¡-разного составаметаллическая основа» при лазерном воздействии, в определении свойств легированных слоев, возможностей управления процессом упрочнения и легирования и в разработке на этой основе технологических принципов процесса лазерного упрочнения и микролегирования различных изделий, внедрение которых вносит значительный вклад в ускорение научно-технического прогресса.

По теме диссертации опубликовано 13 научных работ, в том числе 3 в изданиях, рекомендуемых ВАК к опубликованию результатов научных исследований- 10 в сборниках статей международных научно-технических конференций.

Диссертационная работа изложена на 234 страницах машинописного текста и состоит из введения- 8 глав основной частивыводовсписка литературных источников, из 137 наименованийприложения, содержащего результаты математического моделирования теплофизических процессов при лазерной обработке различных покрытий и документы об использовании технологического процесса лазерного легирования в производстве. В тексте диссертационной работы содержится 170 рисунков и 3 таблицы.

8. Результаты работы прошли апробацию на ряде предприятий различных отраслей машиностроения России.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

Итог научных разработок, изложенных в диссертации и соответствующих цели и задачам исследований, можно сформулировать в виде следующих общих выводов:

1. Для решения проблемных вопросов оптимизации режимов поверхностной обработки композиции «покрытия разного состава — металлическая подложка» использованы концептуальные положения теплофизической модели процесса импульсной лазерной обработки, что позволило:

• провести теоретический анализ топографии температурного поля для квазистационарного режима генерации импульсного лазера при нагревании и при охлаждении после прекращения действия лазерного импульса;

• аналитически определить параметры процесса лазерного легирования, глубину расположения заданных изотерм, которые могут быть использованы для инженерных расчетов режимов поверхностной лазерной термообработки и легирования, приводящих к максимально возможной степени оплавления композиции «покрытие — основа» в сочетании с ее высокой трещиностойкостью.

Установлено и экспериментально подтверждено, что рекомендуемая плотность мощности излучения при лазерной обработке никелевых покрытий.

О л составляет 100 МВт/м, хромовых покрытий — 150 МВт/м, цинковых покрыА тий — 70 МВт/м. Лазерную обработку порошковых покрытий следует проводить при q < 150−175 МВт/м2, покрытий, полученных электроискровым легированием, при q < 150 МВт/м2, ионно-плазменным напылением q < 125 л.

МВт/м. Для твердых сплавов поверхностное легирование рекомендуется проводить с q < 175 МВт/м2.

2. Созданы физические представления о возникновении и природе фазовых переходов, явлениях массопереноса, структурообразования в композиции «покрытие — переходная зона — металлическая подложка» при лазерном оплавлении химических и гальванических покрытий. В частности, показано, что:

• * при оплавлении поверхности материалов «лазерным излучением микрообъемы жидкого металла перемешиваются под действием гидродинамических сил и температурных градиентов. В лазерно-оплавленном слое покрытий формируется квазимодулированная структура, как результат зарождения химических соединений или интерметаллидов, имеющих после высокотемпературной деформации направленный характер роста дендритов;

• текстура кристаллизации в зоне лазерной обработки из жидкого состояния, приводит к анизотропии основных эксплуатационных свойств облученных покрытийуменьшает трещинообразование при деформацииснижает коэффициент трения трибосистемповышает стационарность процессов в зоне тренияспособствует интенсификации режимов эксплуатации пар трения;

• получены новые научные знания о механизмах структурной организации в процессе гипернеравновесных фазовых переходов в условиях огромной стесненности во времени процесса лазерного нагрева и ограниченности протекания классических диффузионных процессов. Установлено, что аномальный ускоренный массоперенос в покрытиях на сталях и сплавах при скоростном лазерном нагреве носит кооперативный характер и в первую очередь связан с выраженным влиянием присутствия на поверхности жидкой фазы, а в процессе кристаллизации с проявлением термоэффекта (термодиффузии Соре);

• варьируя параметры энергетического лазерного воздействия, а также состав нанесенных покрытий достигнуто такое распределение температур по сечению, когда в процессе кристаллизации оплавленного слоя покрытия, образуется упрочняющий каркас из химических соединений и интерметаллидов, коагулируют и завариваются поры с одновременным образованием переходной зоны от покрытия к металлической подложке за счет протекания взаимной диффузии компонентов и образования твердых растворов переменной концентрации, что обеспечивает высокую адгезию покрытий к. основе, а также повышает трещино-стойкость и конструктивную прочность облученных деталей машин и инструмента;

• снижению уровня внутренних напряжений способствует протекающий в тонком (до 30 мкм), прилежащем к покрытию слое подложки кратковременный отпуск легированных сталей с исходной структурой мартенсит отпуска, закалка (полная или неполная) углеродистых сталей, рекристаллизация цветных сплавов при сохранения структуры и свойств несущей основы изделий в целом.

3. Проведена количественная оценка элементов структуры в лазерно-легированных зонах облученного пятна при жидкофазном вплавлении твердых частиц карбидов, оксидов, нитридов тугоплавких элементов из порошковых покрытий, покрытий, полученных электроискровым легированием поверхности и ионно-плазменным напылением.

Путем лазерного легирования поверхностных оплавленных слоев-сталей и сплавов созданы композиционные антифрикционные материалы, состоящие либо из пластичной матрицы (железо, никель) и твердых частиц наполнителя^С, ТлЫ, А1гОз и т. д.), либо из твердой матрицы (закаленная сталь) и пластичных включений (МоБг, а-ВИ, графит и т. д.).

На основании результатов металлофизических исследований, с учетом основных положений теории конструктивной прочности, сформулированы требованияк структуре композиции «покрытие — металлическая основа». Показано, что лучшее сочетание показателей прочности, трещиностойкости и износостойкости в созданной композиции обеспечивается при условии формирования при лазерном оплавлении на выбранных оптимальных режимах высоколегированной матрицы, закаленной из жидкого состоянии, с равномерно распределенными твердыми включениями карбидов и нитридов тугоплавких элементов из покрытий.

4. Принцип граничного жидкофазного сплавления распространен на лазерную обработку твердых сплавов. Описаны особенности фазовых и структурных превращений в поверхностных слоях твердых сплавов и керамики' в условиях гипернеравновесности. Предложены основные положения структурного механизма процессов лазерной обработки и легирования, изделий порошковой металлургии:

• установлена возможность регулирования процессов растворения пограничных зон карбидов и кобальтовой связки путем изменения режимов лазерной обработки, что приводит к диспергированию карбидной фазы с изменением ее стереологических характеристик и формированию легированных атомами вольфрама и титана прослоек кобальта большей ширины, в результате чего уменьшается хрупкость тонкого поверхностного слоя твердых сплавов при сохранении высокого уровня твердости изделия в целом;

• зафиксировано заполнение поверхностных трещин и пор твердых сплавов и керамики расплавленными с помощью лазерного излучения покрытиями никеля, кобальта или железа.

5. На базе результатов комплексных металлофизических исследований количественно описаны закономерности влияния энергетических характеристик процессов, условий обработки и марки стальной подложки на эффективность лазерной обработки покрытий разного состава. Установлено, что зависимость твердости облученных покрытий от плотности мощности излучения имеет вид кривой с максимумом, который смещается, в зависимости от режима облучения и марки стальной основы, то есть существует определенный интервал значений энергии, в котором наблюдается упрочнение композиции «покрытие — подложка».

6. С использованием методик математического моделирования разработаны и подтверждены экспериментально принципы прогнозирования механических и эксплуатационных свойств материалов с учетом структурных особенностей процесса легирования при гиперскоростной лазерной обработке, зависящих от режима лазерной обработки, состава и способа создания покрытий, состава и объемной термообработки металлической подложки. Установлено, что лазерное легирование позволяет повысить твердость поверхностных слоев сталей в 1,2—1,5 раза, износостойкость облученных изделий в 2−5 раз.

7. В результате теоретических и экспериментальных исследований сформирована новая информационная база, позволяющая обоснованно назначать режимы поверхностной лазерной обработки композиции «покрытия разного состава — металлическая подложка» для получения заданной структуры и необходимого уровня свойств. Разработаны технологические принципы импульсного лазерного облучения изделий различного функционального назначения с покрытиями, включающие в себя технологические инструкции по проведению процесса и контролю качества лазерного легирования, практическое использование которых позволило повысить работоспособность различных изделий в 2−5 раз.