ОПТИМИЗАЦИЯ САМООРГАНИЗУЮЩЕЙСЯ СТРУКТУРЫ ПОВЕРХНОСТИ СТАЛЕЙ ПРИ ЛАЗЕРНОМ НАГРЕВЕ

Бровер Г.И., Бровер А.В., Шишко Ю.Е., Морозова Ю.Н.

В настоящей работе с целью решения проблемы оптимального использования высококонцентрированных потоков энергии, в частности лазерного излучения, для поверхностного упрочнения различных материалов разработаны теоретические положения о влиянии энергетических характеристик и условий обработки на эффективность процесса, а также изучены особенности организации структуры сталей и сплавов в условиях гипернеравновесных фазовых переходов. Это позволило целенаправленно конструировать структуру поверхностных слоев материалов при лазерном облучении, легировании и комбинированной обработке, включающей лазерный нагрев; управлять механическими, технологическими и эксплуатационными свойствами лазерно-упрочненного материала путем определения корреляционных связей свойств и структурно-фазового состояния поверхностных облученных слоев.

Материалами для исследований в работе послужили стали У8А, У10А, ХВГ, Х12М, Х12Ф1, Р6М5, Р18, 4Х5В2ФС и другие.

Облучение образцов производилось на лазерах "ГОС-30М", "Квант-16", "Квант-18". Изменение энергии излучения (10-30 Дж), степени дефокусировки луча (d=3-5 мм), длительности импульса излучения от 1×10^-3 с до 6×10^-3 с позволило варьировать плотность мощности излучения в широких пределах.

Идентификацию фазового состава и изучение структуры материалов после лазерной обработки проводили несколькими методами, сочетание которых определялось задачами исследований и методическими возможностями: металлографическим, микрорентгеноспектральным, электронномикроскопическим, рентгеноструктурным, измерением твердости и др.

В работе рассмотрены и количественно оценены термодинамические условия получения двух вариантов лазерно-упрочненного состояния материалов: обладающего устойчивостью к внешним энергетическим воздействиям в процессе эксплуатации и способного эффективно рассеивать подводимую извне энергию в момент пика напряжений с помощью преобразований на разных структурных уровнях.

Получены достоверные теоретические и экспериментальные данные о механизме гиперскоростного a®g перехода в зависимости от организации матричных структур, развита частная теория процессов зарождения и роста в условиях гипернеравновесности; проведен анализ особенностей явления структурной наследственности применительно к гипернеравновесным фазовым переходам; установлена роль массопереноса в создании структурной картины при реализации a®g®a переходов; проанализированы термодинамические и кинетические условия получения в зоне лазерной обработки аморфного состояния; изучена природа влияния факторов внешнего воздействия на механизм и кинетику гипернеравновесных фазовых переходов; определены корреляционные связи механических свойств со структурным состоянием поверхностных слоев материалов, упрочненных или легированных с использованием лазерного излучения, а также направления трансформации структуры и свойств упрочненных слоев при внешнем энергетическом воздействии в процессе эксплуатации. Опыт показал, что лазерная обработка на определенных режимах приводит также к снижению пористости различных покрытий на сталях, "залечиванию" поверхностных дефектов, микротрещин, повышению прочности сцепления покрытия с подложкой. На основании установленных закономерностей структурных превращений в поверхностных слоях материалов при лазерном облучении и вскрытии степени их влияния на эксплуатационные свойства облученных изделий разработаны и опробованы технологические принципы лазерного упрочнения и легирования изделий различного функционального назначения.