ПЕРСПЕКТИВЫ ЛАЗЕРНОЙ ОБРАБОТКИ ЦВЕТНЫХ СПЛАВОВ

Бровер Г.И., Бровер А.В., Сафонов Д.С., Варданян А.В.

Применение объемной термообработки для упрочнения цветных сплавов ограничивается значительными потерями металла в результате газовой коррозии, вызванной высокой активностью сплавов по отношению к кислороду в условиях длительного нагрева изделий до высоких температур, а также в связи с большой энергоемкостью процесса термоупрочнения, общая длительность которого в условиях печной обработки достигает десятков часов. Длительная выдержка при высоких температурах способствует также росту зерна и повышению хрупкости деталей из цветных сплавов.

Развитие и внедрение упрочняющих технологий является единственной альтернативой возрастающему дефициту и стоимости металлических сплавов, решающей одновременно проблемы повышения стойкости и надежности изделий.

В настоящее время теория и практическое использование термической обработки, в том числе поверхностной термообработки и легирования цветных сплавов с использованием концентрированных потоков энергии, является не полностью решенной проблемой. С этой точки зрения проводимое исследование структуры и свойств цветных сплавов после объемной термической и лазерной обработки актуально и имеет своей целью разработку научных основ методов объемного и поверхностного упрочнения изделий из цветных сплавов различного функционального назначения.

Установлено, что наиболее перспективно поверхностное лазерное упрочнение цветных сплавов с оплавлением поверхности. Большое влияние на строение, структуру и свойства затвердевшего сплава оказывает скорость охлаждения.

При лазерной термообработке с оплавлением поверхности конечная структура формируется на стадии охлаждения расплавленного металла. При этом наибольший интерес представляет возможность достижения высоких и сверхвысоких скоростей охлаждения для расплавленного металла, так как в этом случае имеет место закалка из жидкой фазы.

В настоящее время закалку с плавлением поверхности используют в основном для увеличения сопротивления разным видам износа, повышения твердости и стойкости против коррозии.

Установлено, что в зонах лазерной обработки из жидкого состояния наблюдается проявление текстурных эффектов: на микрофотографиях упрочненных зон в виде направленных в сторону теплоотвода дендритов, а на рентгенограммах в виде аномального соотношения интенсивностей рефлексов основных фаз. Текстурные эффекты могут привести в процессе эксплуатации к понижению коэффициентов трения в парах трения для лазерно-облученных цветных сплавов.

При быстром затвердевании расплавленного слоя резко измельчается микроструктура: становятся мельче кристаллы a-раствора на базе алюминия, кремния и других фаз, в том числе железосодержащих, снижающих пластичность. Кроме того, пересыщенность a-раствора оказывается увеличенной по сравнению с обычной закалкой; это - результат расширения области a-раствора при быстром затвердевании с одновременным уменьшением объемной доли избыточных фаз кристаллизационного происхождения (Si, СuАl₂, Мg₂Si и др.). Более высокая пересыщенность твердого раствора обусловливает больший прирост твердости при старении. Все эти факторы и определяют увеличение износостойкости силумина. Твердость некоторых силуминов после такой обработки возрастает в 1,5 раза.

При закалке с плавлением поверхности многокомпонентных алюминиевых бронз можно получить гомогенную однофазную структуру. Так, например, бронза марки БрАЖ9-4 в обычном состоянии состоит из a-раствора на базе меди, эвтектоида a+g₂ и железосодержащей фазы. Эта фаза при закалке с плавлением поверхности не успевает образоваться из расплава (u_охл = 10⁶ К/с), который кристаллизуется в виде одной фазы (вероятно b), не претерпевающий в твердом состоянии распада с образованием a- и g₂-фаз. Однофазный слой имеет повышенную стойкость против коррозии и кавитационного воздействия.

Установлено, что использование лазерной обработки в первую очередь следует вести применительно к сплавам, в которых при быстром затвердевании образуются новые метастабильные фазы (включая аморфные), существенно расширяющие область твердого раствора, а также подавляющие кристаллизация вредных фаз.

В настоящее время не все проблемы термической обработки и использования импульсной лазерной обработки для поверхностного упрочнения цветных сплавов решены. В частности, недостаточно полно проведен анализ взаимосвязи режимов лазерной обработки со структурой и свойствами поверхностных слоев цветных сплавов разного химического состава, а также не рассмотрены возможности интенсификации процесса лазерной обработки с целью получения заданной глубины облученного слоя с заданным условиями эксплуатации изделий составом и свойствами.

В настоящей работе с целью решения проблемы оптимального использования высококонцентрированных потоков энергии, в частности лазерного излучения, для поверхностного упрочнения различных материалов разрабатываются теоретические положения о влиянии энергетических характеристик и условий обработки на эффективность процесса, а также изучаются особенности организации структуры цветных сплавов в условиях гипернеравновесных фазовых переходов. Это позволит 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.

В теоретическом отношении требуют развития представления о механизме влияния больших скоростей фазового перехода жидкость - твердое состояние на реализацию резервов повышения физических, механических и эксплуатационных свойств цветных сплавов.

В экспериментальном плане большой интерес представляет возможность получения повышенной прочности и запаса вязкости облученных цветных сплавов за счет образования при скоростной лазерной обработке метастабильные структур, включающих как стабильные фазы с расширенной областью гомогенности, так и метастабильные фазы, не существующие на равновесной диаграмме.

Решение подобных вопросов позволит уточнить и дополнить научные концепции о взаимодействии импульсного лазерного излучения с веществом, а также разработать практические рекомендации по выбору оптимальных технологических режимов поверхностного упрочнения цветных сплавов