Проблема утворення структури й зміцнення сплавів в результаті лазерного оплавлення. Аналіз відповідності процесів формування метастабільного структурного стану при лазерній обробці і у випадку інших методів загартування металів та сплавів з рідкого стану.
Аннотация к работе
Крім того, ЛО характеризується можливістю активної участі в процесах кристалізації лазерної мікрованни кристалів рівноважних фаз, розташованих на межі оплавлення та високою чуттєвістю теплофізичних умов, що складаються в зоні лазерного впливу, до варіацій технологічних факторів. Відомі дослідження у даній галузі переслідують в основному прикладну мету з розробки оптимальних технологічних режимів, що забезпечують максимальний ступінь зміцнення поверхневого шару. Експериментальні та модельні дослідження сплавів, підданих ЛО актуальні як для розвитку теоретичних уявлень про закономірності фізичних явищ, що розвиваються у зоні ЛО, так і для розробки оптимальних технологічних режимів, що забезпечують досягнення в поверхневих шарах максимально поліпшених властивостей. Дисертаційна робота виконувалася в рамках науково-дослідних робіт кафедри металофізики Дніпропетровського національного університету "Дослідження термодинамічних і кінетичних ефектів у поверхні та поверхневих шарах у разі нестаціонарного впливу на поверхню твердого тіла" (Держ. Реєстр. Для досягнення поставленої мети вирішувалися наступні задачі: Дослідити відносну схильність сплавів до формування надто пересичених твердих розчинів при гартуванні з рідкого стану методами splat-охолодження та ЛО.У третьому розділі проведено порівняльний аналіз структури та властивостей сплавів алюмінію з перехідними металами (Cr, Mn, V, W), загартованих з рідкого стану методами splat-охолодження та ЛО. Оплавлений шар має чітко виражену двошарову структуру: безпосередньо від межі оплавлення на готовій поверхні розділу рідина - кристал ростуть стовпчасті кристали як твердого розчину, так і інтерметалідів; в верхній зоні розплаву формується ультрадисперсна суміш рівновісних зерен, що гомогенно зародилися. при кристалізації тонкого розплавленого лазером поверхневого шару, на відміну від гартування з рідкого стану splat-методом, кристалізація здійснюється не лише за гомогенним механізмом, але ще й шляхом проростання матричних кристалів підложки вглиб розплаву. Таким чином, вище перераховані особливості ЛО пояснюють менший ступінь метастабільності структури оплавлених лазером поверхневих шарів сплавів, у порівнянні з загартованими з рідкого стану фольгами тих же сплавів, при однакових умовах охолодження. Оплавлена лазером поверхня сплавів, так само як і splat-загартовані фольги має істотно більш високу (в 3 - 6 разів) мікротвердість, у порівнянні з твердим розчином у литому стані.В ході виконання роботи отримані слідуючи результати: З використанням модельних двокомпонентних сплавів доведена можливість формування надто пересичених твердих розчинів у сплавах алюмінію з перехідними елементами, отриманих методом лазерної обробки з оплавленням поверхні. Лазерна технологія призводить до меншого ступеня структурної метастабільності у сплавах алюмінію з перехідними металами у порівнянні з традиційними методами надшвидкого гартування при рівних швидкостях охолодження. Показано, що при використанні імпульсного режиму опромінювання ступінь насиченості твердого розчину, а також однорідності мікроструктури зони лазерної обробки збільшуються із зростанням числа циклів оплавлення поверхні. Показано, що лазерне надшвидке гартування сплавів алюмінію з перехідними металами супроводжується збільшенням усереднених значень твердості поверхні до рівня 800 - 1900 МПА, які в 3 - 6 разів перевищують дюраметричні характеристики литих сплавів. Встановлено, що ефект зміцнення поверхні при насиченні алюмінію перехідними металами обумовлено формуванням надто пересичених твердих розчинів, збільшенням рівня мікровикривлень його кристалічної ґратки та, у найбільшому ступені, утворенням у зоні ЛО структури ультрадисперсного конгломерату фаз.
План
Основний зміст роботи
Вывод
У роботі досліджені структура та властивості сплавів, які оплавлені лазером. Запропонована математична модель твердіння оплавлених поверхневих шарів чистих металів та сплавів. Шляхом експериментальних та модельних досліджень було проведено порівняльний аналіз двох методів гартування з рідкого стану: splat-методу та лазерного оплавлення. В ході виконання роботи отримані слідуючи результати: З використанням модельних двокомпонентних сплавів доведена можливість формування надто пересичених твердих розчинів у сплавах алюмінію з перехідними елементами, отриманих методом лазерної обробки з оплавленням поверхні. Для різних систем, що досліджувалися, величина граничної метастабільної насиченості а-твердого розчину перевищує значення максимальної розчинності, що передбачена рівноважними діаграмами стану, від 2.8 до 33,0 раз.
Лазерна технологія призводить до меншого ступеня структурної метастабільності у сплавах алюмінію з перехідними металами у порівнянні з традиційними методами надшвидкого гартування при рівних швидкостях охолодження. Встановлено, що це обумовлене можливістю росту кристалів рівноважних фаз від межі оплавлення.
Показано, що при використанні імпульсного режиму опромінювання ступінь насиченості твердого розчину, а також однорідності мікроструктури зони лазерної обробки збільшуються із зростанням числа циклів оплавлення поверхні. Згідно одержаних даних, ефективність циклічної лазерної обробки зростає із збільшенням числа циклів від одного до трьох, після чого структурний стан поверхні залишається практично незмінним. Це дозволяє рекомендувати режим триразового оплавлення поверхні литих сплавів алюмінію з перехідними металами або деталей із заздалегідь нанесеними легуючими покриттями як спосіб, що суміщає гомогенізуючу та зміцнюючу лазерну обробку.
Показано, що лазерне надшвидке гартування сплавів алюмінію з перехідними металами супроводжується збільшенням усереднених значень твердості поверхні до рівня 800 - 1900 МПА, які в 3 - 6 разів перевищують дюраметричні характеристики литих сплавів. Мікротвердість оплавлених шарів може бути додатково підвищена на 15 - 30 % за допомогою штучного старіння.
Встановлено, що ефект зміцнення поверхні при насиченні алюмінію перехідними металами обумовлено формуванням надто пересичених твердих розчинів, збільшенням рівня мікровикривлень його кристалічної ґратки та, у найбільшому ступені, утворенням у зоні ЛО структури ультрадисперсного конгломерату фаз.
Отримано оригінальне кінетичне рівняння кристалізації металів в умовах високошвидкісного охолодження рідкої фази, що враховує основні нюанси кристалізаційних явищ, характерні для методів splat-охолодження та лазерного оплавлення поверхні. Розроблено алгоритм узгодженого розвязання отриманого кінетичного рівняння з рівняннями теплопровідності, два варіанти яких віддзеркалюють особливості відводу теплоти від тонких шарів розплаву до масивної чужорідної підложки або у неоплавлені лазерним випромінюванням шари оброблюваного матеріалу.
Методом компютерного моделювання вивчені закономірності структуроутворення при гартуванні металів з рідкого стану двома альтернативними способами. Показано, що з трьох досліджених металів (Al, Ni, Cu), в згоді з відомими експериментальними результатами, лише нікель може бути зафіксований у аморфному чи аморфно-кристалічному стані за допомогою splat-методу. Доведено, що ця особливість нікелю обумовлена відносно більш високими значеннями енергії активації дифузії та коефіцієнту поверхневого натягу на межі кристал-розплав. Встановлено, що лазерна технологія не дозволяє досягнути високого рівня метастабільності структури внаслідок активної участі у процесах кристалізації рівноважних фаз, розташованих на межі оплавлення.
Розроблені теоретичні основи та обчислювальні алгоритми для моделювання процесів кристалізації, що розвиваються при гартуванні з рідкого стану двокомпонентних сплавів евтектичного типу, які випробувані на прикладі сплавів системи Au-Si, що склується. Одержана задовільна згода результатів моделювання із дослідницькими даними відносно концентраційних інтервалів та критичних швидкостей формування аморфних фаз у досліджених сплавах.
Теоретичні оцінки процесів теплообміну та контактного плавлення на межі зерен різних фаз дозволили обґрунтувати можливість селективного впливу лазерного випромінювання на структурні складові сплавів з різними тепловими властивостями, а також розрахувати режими опромінювання та граничні розміри фазових виділень, при яких стає можливим оплавлення лише однієї фази сплаву.
Перелік робіт, опублікованих за темою дисертації
Якунин А.А., Лысенко А.Б., Якунин Е.А. Влияние лазерного облучения и закалки из жидкого состояния на структуру и свойства сплавов Al-Cr // Вісник Дніпропетровського університету. Фізика. Радіоелектроніка. - 1998. - Вип. 3, Т. 1. - С. 24-30.
Якунин А.А., Якунин Е.А. Моделирование процесса затвердевания в двухкомпонентных системах // Вісник Дніпропетровського університету. Фізика. Радіоелектроніка. - 1999. - Вип. 4, Т. 1. - С. 23-32.
Спиридонова И.М., Якунин Е.А., Якунин А.А. Особенности лазерного влияния на поверхность эвтектических сплавов // Доповіді НАН України. - 2000. - №12. - С. 107-111.
Борисова Г.В., Якунин Е.А., Лысенко А.Б. Моделирование условий аморфизации металлических сплавов при лазерной обработке с оплавлением поверхности // Международный сборник научных трудов "Прогрессивные технологии и системы машиностроения". - 1998. - Вып. 6, Т. 1, - С. 104-106.
Гаркуша И.П., Якунин Е.А. Исследование метастабильного структурного состояния в сплавах Al-Cr, полученного лазерным оплавлением // Науковий вісник Національної гірничої академії України. - 1998. - №2. - С. 74-75.
Якунин Е.А., Гаркуша И.П., Якунин А.А. Исследование влияния характера исходной структуры на поверхностный слой, обработанный лучом лазера // Сборник научных трудов Национальной горной академии Украины. Высокоэнергетическая обработка материалов. - 1999. - №8. - С. 152-155.
Лысенко А.Б., Козина Н.Н., Якунин Е.А. Моделирование процесса аморфизации металлов в условиях закалки из жидкого состояния // Збірка наукових праць Дніпродзержинського державного технічного університету, серія "Металургія". - 1998. - С. 44-47.
Якунин Е.А., Якунин А.А., Лысенко А.Б. Исследование и моделирование затвердевания тонких пленок после лазерного оплавления сплавов // Збірник наукових праць міжнародної наукової конференції "Евтектика 4". - Дніпропетровськ. -1997. - С. 70.
Якунин Е.А., Якунин А.А., Лысенко А.Б. Моделирование процессов затвердевания при лазерном оплавлении // Материалы конференции "Лазерные и физикотехнические методы обработки материалов". - Алушта. - 1997. - С. 14-16.
Якунин Е.А., Гаркуша И.П, Структура и свойства сплавов Al-Cr, обработанных лучом лазера // Матеріали першої міжнародної конференції "Наука і освіта ‘ 98". Фізико-математичні науки. - Дніпропетровськ - Одеса - Кривий Ріг - Київ - Харків - Дніпродзержинськ. - 1998. - С. 414.
Спиридонова И.М., Лысенко А.Б., Якунин Е.А. Влияние лазерного оплавления на структуру и свойства сплавов Al-V // Сборник трудов научной конференции "Плазмотехнология-97". - Запорожье. - 1997. - С. 109-112.
Якунин Е.А., Якунин А.А., Спиридонова И.М. Исследование и моделирование затвердевания тонких пленок после лазерного оплавления сплавов // Материалы 3-й международной конференции "Физические явления в твердых телах". -Харьков: Харьковский государственный университет. -1997.- С.102.