CC BY
110
УДК 621.791
ВЛИЯНИЕ ДЛИТЕЛЬНОСТИ ИМПУЛЬСОВ ЛАЗЕРНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ НА СВОЙСТВА НАПЛАВЛЯЕМЫХ ВЫСОКОПРОЧНЫХ СТАЛЕЙ
А. В. МАКСИМЕНКО, В. Н. МЫШКОВЕЦ, Г. А. БАЕВИЧ
Учреждение образования «Гомельский государственный университет имени Франциска Скорины», Республика Беларусь
Введение
В настоящее время в ряде направлений промышленности, где используется лазерное технологическое оборудование, достигнуты производственно-экономические результаты, которые нельзя реализовать другими техническими средствами. Одно из таких направлений - лазерные технологии наплавки металлов для восстановления рабочих поверхностей деталей и узлов различных механизмов, штампов и инструмента, у которых во время изготовления или при их эксплуатации образуются дефекты в виде сколов, трещин, забоин, пор и раковин литейных отливок, а также дефекты, вызванные коррозионными поражениями или износом. Восстановленные детали с использованием лазерной наплавки имеют ресурс работы новых, а стоимость восстановления составляет 10-30 % от их стоимости [1]-[3].
Такие отрасли промышленности, как машиностроение, станкостроение, авиастроение и др., применяют широкий спектр деталей и узлов, изготовленных из легированных высокопрочных конструкционных сталей. Для восстановления таких деталей с сохранением эксплуатационных характеристик необходимо наносить покрытия с физико-механическими свойствами, равноценными свойствам основы.
Известные газотермические и лазерные (с применением излучения непрерывных лазеров) методы нанесения покрытий с использованием присадочных материалов в виде порошка не всегда могут быть использованы, потому что при нагреве происходит разупрочнение материала основы, а фазовые и структурные превращения в наплавляемых металлах приводят к высокому уровню остаточных напряжений и формированию микротрещин [4], [5]. Для получения покрытий со свойствами, близкими к свойствам основы, необходимо проводить дополнительную термическую обработку всей детали, которая может привести к изменению ее геометрических размеров, выходящих за поле допуска.
Так как высокопрочные стали - это материалы, прошедшие термическую обработку (закалка и низкотемпературный отпуск), то в процессе их наплавки вследствие неравномерного нагрева и охлаждения, в разных зонах наплавленного металла и основы происходят различные фазовые и структурные превращения. Это приводит к тому, что на одних участках образуются закалочные структуры, обладающие повышенной твердостью и хрупкостью, на других - металл подвергается отпуску и имеет пониженную твердость и прочность [6]-[8]. Этим обусловлены ограничения, накладываемые на режимы наплавки и условия проведения процесса, при которых обеспечивается реализация требуемых свойств наплавляемого металла.
Проблемы такого рода могут быть решены путем использования твердотельных импульсно-периодических лазеров с изменяемой во времени интенсивностью излучения и присадочных материалов в виде проволоки. Особенностью импульсной ла-
зерной наплавки является то, что за счет изменения энергетических и временных параметров импульсов излучения (соответственно, скорости нагрева и охлаждения наплавляемого металла и основы) возможно управлять структурными и фазовыми превращениями, а также физико-механическими свойствами металлов в зоне лазерного воздействия.
Целью данной работы являлось проведение экспериментальных исследований по определению влияния длительности импульсов лазерного излучения на физико-механические свойства наплавленного металла и основы.
Экспериментальная часть
Экспериментальные исследования проводились на образцах из низко- и среднеле-гированных высокопрочных сталей (30ХГСА, 30ХГСН2А), находящихся в термооб-работанном состоянии (закалка и низкотемпературный отпуск). Степень структурной неоднородности наплавленного металла и основы оценивалась по результатам измерения микротвердости.
В качестве присадочных материалов использовалась проволока Св-18ХМА ГОСТ 2246-70, а также Св-30ХГСА и 30ХГСН2А. Выбор проволоки Св-18ХМА обоснован тем, что она используется для проведения сварки высокопрочных сталей [8]. Диаметр присадочных материалов варьировался в диапазоне (0,3-0,5) 10-3 м. Наплавка проводилась в среде аргона (расход аргона 3-4 л/мин) с использованием лазерной установки, созданной на базе твердотельного импульсно-периодического лазера на алюмо-иттриевом гранате, длина волны излучения 1,06 мкм. Энергия излучения устанавливалась в диапазоне от 4,5 до 15 Дж. Форма импульсов излучения -треугольная с крутым передним фронтом и убывающим задним (рис. 1). Длительность импульсов изменялась в диапазоне от 2 до 20 • 10 с при частоте следования 7 Гц.
1-10~3с.
Рис. 1. Осциллограмма временного изменения потока энергии лазерного излучения
Пространственно-энергетические и временные параметры лазерного излучения выбирались в соответствии с диаметром присадочного материала, обеспечивающим однородный расплав присадочного материала и основы. Наплавка проводилась с коэффициентом перекрытия пятен 0,5-0,7.
При однослойной наплавке присадочными материалами Св-18ХМА и 30ХГСН2А (ё = 0,3 • 10-3 м) на поверхность образцов из стали 30ХГСН2А при длительности импульса излучения 6 • 10-3 с было установлено, что наплавленный металл не содержит трещин, пор и других дефектов. Характер распределения микротвердости по глубине с использованием присадочного материала Св-18ХМА (рис. 2) показал значительное повышение микротвердости в наплавленном металле, достигающей значений
7340-7850 МПа относительно микротвердости основы (4460 МПа). Как видно из рис. 2, при наплавке стали 30ХГСН2А микротвердость наплавленного металла увеличивается до 7000 МПа, а в зоне термического влияния (ЗТВ) - до 7150 МПа.
Результаты исследований показали, что снижения микротвердости основы (менее 4460 МПа) в зоне воздействия лазерного излучения не происходит.
ну мпа покрытие ЗТВ основа
О 12 3 4 5 Ь, х10 4м
Рис. 2. Распределение микротвердости по глубине наплавленного слоя и основы в образце из стали 30ХГСН2А:
1 - присадочный материал сталь Св-18ХМА;
2 - присадочный материал сталь 30ХГСН2А
При наплавке на поверхность образцов из стали 30ХГСА присадочным материалом Св-30ХГСА (рис. 3) было установлено, что микротвердость металла в зонах наплавленного металла, ЗТВ и основы (рис. 4) различна. Микротвердость первого слоя (зона наплавленного металла), который в момент действия импульса находился в расплавленном состоянии, составляет 5100 МПа.
Второй слой - часть зоны нагрева (ЗТВ), где температура была выше верхней критической точки Ас3, но не превышала температуру плавления стали и постепенно снижалась по мере удаления от поверхности наплавки, характеризуется микротвердостью (5200-5800 МПа). Микротвердость основного металла - 3800 МПа. На границе ЗТВ - основа и далее вглубь основного металла снижения микротвердости не происходит.
Рис. 3. Общий вид зоны лазерного воздействия в продольном сечении образца из стали 30ХГСА с однослойным покрытием (100*)
Рис. 4. Микроструктура и значения микротвердости в однослойном покрытии и основе из стали 30ХГСА (400*)
В ходе анализа структур полученных образцов выявлено, что в процессе обработки имеет место лазерная автозакалка металла из жидкой и твердой фаз. Зона покрытия представляет собой слой, в структуре которого выделяются крупноигольчатый мартенсит и остаточный аустенит. Твердость материала в покрытии ниже, чем в ЗТВ. Это может быть обусловлено тем, что количество остаточного аустенита уменьшается при удалении от поверхности наплавки вглубь и уже на глубине 0,5-0,6 • 10-4 м не превышает его содержания в данной стали при ее обычной объемной закалке. Вместе с тем вследствие высокой степени легирования аустенита и его фазового наклепа материал наплавки по твердости превосходит исходный материал основы после его закалки и низкого отпуска. Кроме этого, в ЗТВ, особенно в нижней ее части, при микроструктурном анализе выявлен мелкоигольчатый мартенсит.
Ввиду того, что на формирование структур в основном и наплавляемом металлах существенное влияние оказывают скорость нагрева и охлаждения их в зоне воздействия, которые зависят от энергетических и временных параметров импульсов лазерного излучения. В работе проводились исследования по установлению влияния длительности импульсов лазерного излучения на распределение микротвердости в покрытиях и основе при заданном значении плотности мощности (6,31 • 109 Вт/м2). Наплавка проводилась присадочным материалом в виде проволоки диаметром 0,5 • 10 м из того же материала, что и материал основы.
Исследования показали, что при импульсной лазерной наплавке длительность импульсов оказывает влияние на микротвердость в различных зонах наплавляемого металла и основы (рис. 5). При построении графиков каждое значение микротвердости на определенной глубине рассчитывалось как среднее 10 измерений. Экспериментально выявлено, что при заданной плотности мощности значение микротвердости в зоне расплава и ЗТВ при наплавке сталей 30ХГСА и 30ХГСН2А уменьшается с увеличением длительности импульса; при этом значения микротвердости в ЗТВ больше, чем в зоне расплава.
Рис. 5. Зависимость микротвердости металла в зоне расплава и ЗТВ от длительности импульса лазерного излучения
Для исследованных сталей микротвердость в зонах наплавки и термического влияния уменьшается (для стали 30ХГСА до - 4800 МПа относительно микротвердости основы 3800 МПа, а для стали 30ХГСН2А - до 5500 МПа с микротвердостью основы 5100 МПа) при длительности импульсов лазерного излучения 20 • 10-3 с.
Заключение
При однослойной наплавке имеет место лазерная автозакалка металла из жидкой и твердой фаз. Покрытие представляет собой слой, в структуре которого присутствуют крупноигольчатый мартенсит и остаточный аустенит. Микротвердость металла в покрытии в 1,5-2 раза выше микротвердости основы.
На границе ЗТВ основа снижения микротвердости основного металла не происходит.
Изменение микротвердости высокопрочных сталей в зоне наплавки и ЗТВ при воздействии импульсов с заданным значением плотности мощности возможно посредством изменения длительности импульсов лазерного излучения.
Приведенные в настоящей работе данные могут быть полезными при выборе и оптимизации технологических режимов импульсной лазерной наплавки высокопрочных сталей.
Литература
1. Гофман, Я. Восстановление сменных деталей с помощью лазерных технологий / Я. Гофман // Автомат. сварка. - 2001. - № 12. - С. 37-38.
2. Иванов, Н. Л. Технологические лазеры и их применение в машиностроении / Н. Л. Иванов, В. С. Гаврилюк, А. М. Жилкин // Технология металлов. - 2000. - № 1. -С.39-45.
3. Технология лазерной обработки конструкционных и инструментальных материалов в авиадвигателестроении / Р. Р. Латыпов [и др.] ; под общ. ред. В. Ф. Безъязычного. - М. : Машиностроение, 2007. - 234 с.
4. Григорьянц, А. Г. Формирование наплавленных слоев с использованием лазерного импульсно-периодического излучения / А. Г. Григорьянц, А. И. Мисуров, Чжан Цин // Свароч. пр-во. - 2007. - № 8. - С. 18-21.
5. Грезев, А. Н. Трещинообразование сплавов, наплавление с помощью лазера / А. Н. Грезев, А. Н. Сафонов // Свароч. пр-во. - 1986. - № 3. - С. 6-8.
6. Справочник по конструкционным материалам / Б. Н. Арзамасов [и др.] ; под ред. Б. Н. Арзамасова, Т. В. Соловьевой. - М. : Изд-во МГТУ им. Н. Э. Баумана, 2005. - 640 с.
7. Грабин, В. М. Материаловедение сварки низко- и среднелегированных сталей / В. М. Грабин, А. В. Денисенко. - К. : Навукова думка, 1978. - 272 с.
8. Технология и оборудование сварки плавлением / Г. Д. Никифоров [и др.]. - М. : Машиностроение, 1987. - 327 с.
Получено 03.04.2013 г.
