ОБРАБОТКА МЕТАЛЛОВ
ТЕХНОЛОГИЯ • ОБОРУДОВАНИЕ • ИНСТРУМЕНТЫPrint ISSN: 1994-6309 Online ISSN: 2541-819X
Введение. В последние годы в Институте лазерной физики разработаны основы лазерно-плазменных методов модификации поверхности и микропорошкового нанесения покрытий. Методы основаны на применении плазмы оптического пульсирующего разряда, который зажигается повторяющимися с высокой частотой следования (10…120 кГц) импульсами излучения СО2-лазерной системы генератор-усилитель (длительность импульсов на полувысоте τ = 150…200 нс), сфокусированными на обрабатываемой поверхности в газовом или газопорошковом потоке. Ведутся работы по поиску новых актуальных применений данных методов. Интерес к получению аморфных металлических покрытий на поверхности конструкционных материалов не ослабевает во всем мире на протяжении нескольких десятилетий из-за их выдающихся физических, химических и механических свойств. Цель работы: получение упрочняющих покрытий из аморфизируемых сплавов системы Fe-Cr-Si-B-C, исследование возможности получения аморфной структуры покрытий лазерно-плазменными методами. Теория. При интенсивном тепловом воздействии пульсирующей лазерной плазмы на поверхность металлических сплавов проведено численное моделирование зависимости толщины аморфизированного слоя от свойств материала, параметров лазерного излучения и лазерной плазмы. Методика экспериментального исследования. Эксперименты проводились в два этапа на созданной в институте технологической установке. Сначала методом лазерно-плазменного нанесения получали сплошные покрытия из порошков марок ПР-Х4ГСР (Fe71.75Cr3.33Si3.54B14.10C4.81Mn1.74V0.73) и ПР-Х11Г4СР (Fe66.8Cr10.79Si5.3B11.42C2.85Mn2.84) на поверхности стальных подложек. Затем проводили быструю лазерно-плазменную модификацию поверхности покрытий для переплава тонкого поверхностного слоя. Результаты и обсуждение. Численными методами для сплавов системы Fe-Si-B теоретически показана возможность получения аморфного слоя толщиной 3…5 мкм, определен требуемый диапазон параметров лазерно-плазменной модификации. Измерена твердость и определена толщина получаемых покрытий в зависимости от параметров нанесения. Твердость, измеренная методом наноиндентирования, составляет 12 ± 1 ГПа для покрытия из порошка ПР-Х4ГСР и 8,5 ± 0,7 ГПа – для ПР-Х11Г4СР, толщина покрытий 0,1///0,4 мм. Структура покрытий исследована при помощи оптической микроскопии, РЭМ и рентгеновской дифракции. Показано, что лазерно-плазменная модификация поверхности приводит к измельчению структуры в поверхностном слое покрытий. Характерный размер кристаллитов составляет 0,5…1 мкм. Твердость переплавленного слоя при этом возрастает до значений 13,8 ± 0,7 ГПа для сплава ПР-Х4ГСР и до 10,5 ± 0,5 ГПа – для сплава ПР-Х11Г4СР. Аморфная фаза в переплавленном слое покрытия не обнаружена что, вероятно, объясняется увеличением критической скорости охлаждения при лазерной аморфизации в сравнении с традиционными методами закалки из расплава.
Мирошниченко Илья Борисович
1. Chen H.S. Glassy metals // Reports on Progress in Physics. – 1980. – Vol. 43, iss. 4. – P. 353–432. – doi: 10.1088/0034-4885/43/4/001.
2. Образование аморфной структуры в сплавах на основе железа при обработке поверхности излучением лазера / Г.Г. Бородина, Ч.В. Копецкий, В.С. Крапошин и др. // Доклады Академии наук СССР. – 1981. – Т. 259, № 4. – С. 826–829.
3. Аморфизация поверхности кристаллических мишеней из сплавов на основе железа при периодическом облучении импульсами CO2-лазера / О.В. Абрамов, В.Ю. Баранов, Е.П. Велихов и др. // Поверхность. Физика, химия, механика. – 1982. – № 11. – С. 149–150.
4. Laser and electron beam processing of amorphous surface alloys on conventional crystalline metals / K. Hashimoto, N. Kumagai, H. Yoshioka, K. Asami // Materials and Manufacturing Processes. – 1990. – Vol. 5, iss. 4. – P. 567–590. – doi: 10.1080/10426919008953278.
5. Corrosion-resistant amorphous surface alloys / K. Hashimoto, N. Kumagai, H. Yoshioka, J.H. Kim, E. Akiyama, H. Habazaki, S. Mrowec, A. Kawashima, K. Asami // Corrosion Science. – 1993. – Vol. 35, iss. 1–4. – P. 363–370. – doi: 10.1016/0010-938X(93)90168-G.
6. Laser surface coating of Fe-Cr-Mo-Y-B-C bulk metallic glass composition on AISI 4140 steel / A. Basu, A.N. Samant, S.P. Harimkar, J.D. Majumdar, I. Manna, N.B. Dahotre // Surface and Coatings Technology. – 2008. – Vol. 202. – P. 2623–2631. – doi: 10.1016/j.surfcoat.2007.09.028.
7. Ductile FeNi-based bulk metallic glasses with high strength and excellent soft magnetic properties / J. Zhou, W. Yang, C. Yuan, B. Sun, B. Shen // Journal of Alloys and Compounds. – 2018. – Vol. 742. – P. 318–324. – doi: 10.1016/j.jallcom.2018.01.317.
8. Судзуки К., Фудзимори Х., Хасимото К. Аморфные металлы: пер. с яп. / под ред. Ц. Масумото. – М.: Металлургия, 1987. – 328 с.
9. Iron-based amorphous metals: high-performance corrosion-resistant material development / J. Farmer, J.-S. Choi, C. Saw, J. Haslam, D. Day, P. Hailey, T. Lian, R. Rebak, J. Perepezko, J. Payer, D. Branagan, B. Beardsley, A. D’amato, L. Aprigliano // Metallurgical and Materials Transactions A. – 2009. – Vol. 40A. – P. 1289–1305. – doi: 10.1007/s11661-008-9779-8.
10. Effect of Si addition on the electrochemical corrosion and passivation behavior of Fe-Cr-Mo-C-B-Ni-P metallic glasses / S. Zheng, J. Li, J. Zhang, K. Jiang, X. Liu, Ch. Chang, X. Wang // Journal of Non-Crystalline Solids. – 2018. – Vol. 493. – P. 33–40. – doi: 10.1016/j.jnoncrysol.2018.04.036.
11. Microstructure and tribological behavior of spark plasma sintered iron-based amorphous coatings / A. Singh, S.R. Bakshi, A. Agarwal, S.P. Harimkar // Materials Science and Engineering A. – 2010. – Vol. 527. – P. 5000–5007. – doi: 10.1016/j.msea.2010.04.066.
12. Structures and physical properties of two magnetic Fe-based metallic glasses / J. Zhang, G. Shan, J. Li, Y. Wang, C.H. Shek // Journal of Alloys and Compounds. – 2018. – Vol. 747. – P. 636–639. – doi: 10.1016/j.jallcom.2018.03.085.
13. Structure and corrosion resistance properties of Ni-Fe-B-Si-Nb amorphous composite coatings fabricated by laser processing / R. Li, Z. Li, Y. Zhu, K. Qi // Journal of Alloys and Compounds. – 2013. – Vol. 580. – P. 327–331. – doi: 10.1016/j.jallcom.2013.06.111.
14. High corrosion and wear resistance of Al-based amorphous metallic coating synthesized by HVAF spraying / M. Gao, W. Lu, B. Yang, S. Zhang, J. Wang // Journal of Alloys and Compounds. – 2018. – Vol. 735. – P. 1363–1373. – doi: 10.1016/j.jallcom.2017.11.274.
15. Matthews D.T.A., Ocelik V., Hosson J.Th.M. de. Tribological and mechanical properties of high power laser surface-treated metallic glasses // Materials Science and Engineering A. – 2007. – Vol. 471. – P. 155–164. – doi: 10.1016/j.msea.2007.02.119.
16. General structural and dynamic characteristics beneficial to glass-forming ability of Fe-based glass-forming liquids / N. Ren, B. Shang, P. Guan, L. Hu // Journal of Non-Crystalline Solids. – 2018. – Vol. 481. – P. 116–122. – doi: 10.1016/j.jnoncrysol.2017.10.029.
17. 3D printing of crack-free high strength Zr-based bulk metallic glass composite by selective laser melting / D. Ouyang, N. Li, W. Xing, J. Zhang, L. Liu // Intermetallics. – 2017. – Vol. 90. – P. 128–134. – doi: 10.1016/j.intermet.2017.07.010.
18. Microstructure and mechanical properties of Ni-Cr-Si-B-Fe composite coating fabricated through laser additive manufacturing / Z. Chang, W. Wang, Y. Ge, J. Zhou, Z. Cui // Journal of Alloys and Compounds. – 2018. – Vol. 747. – P. 401–407. – doi: 10.1016/j.jallcom.2018.02.296.
19. Additive manufacturing of iron-based bulk metallic glass larger than the critical casting thickness / Z. Mahbooba, L. Thorsson, M. Unosson, P. Skoglund, H. West, T. Horn, Ch. Rock, E. Vogli, O. Harrysson // Applied Materials Today. – 2018. – Vol. 11. – P. 264–269. – doi: 10.1016/j.apmt.2018.02.011.
20. Effect of the remelting scanning speed on the amorphous forming ability of Ni-based alloy using laser cladding plus a laser remelting process / R. Li, Y. Jin, Z. Li, Y. Zhu, M. Wu // Surface and Coatings Technology. – 2014. – Vol. 259. – P. 725–731. – doi: 10.1016/j.surfcoat.2014.09.067.
21. Патент 2425907 Российская Федерация. Способ модификации металлических поверхностей и устройство / С.Н. Багаев, Г.Н. Грачев, А.Л. Смирнов, П.Ю. Смирнов. – № 2009115826/02; опубл. 10.08.2011, Бюл. № 22.
22. Применение метода лазерно-плазменной модификации поверхности металлов для улучшения триботехнических характеристик цилиндров двигателей внутреннего сгорания / С.Н. Багаев, Г.Н. Грачев, А.Л. Смирнов, М.Н. Хомяков, А.О. Токарев, П.Ю. Смирнов // Обработка металлов (технология, оборудование, инструменты). – 2014. – № 1 (62). – С. 14–23.
23. Laser-plasma treatment of structural steel / A. Tokarev, Z. Bataeva, G. Grachev, A. Smirnov, M. Khomyakov, A. Gerber // Applied Mechanics and Materials. – 2015. – Vol. 788. – P. 58–62. – doi: 10.4028/www.scientific.net/AMM.788.58.
24. Самарский А.А., Вабищевич П.Н. Вычислительная теплопередача. – М.: Едиториал УРСС, 2003. – 784 с. – ISBN 978-5-397-04510-0.
25. Самарский А.А., Гулин А.В. Численные методы. – М.: Наука, 1989. – 432 с. – ISBN 5-02-013996-3.
26. Никелевые и железные самофлюсующиеся сплавы для покрытий [Электронный ресурс] // АО «Полема»: web-сайт. – URL: http://www.polema.net/nikelevye-samofljusujushhiesja-splavy-dlja-pokrytij.html (дата обращения: 13.11.2018).
Благодарности:
Авторы благодарны сотрудникам ЦКП «Структура, механические и физические свойства материалов» НГТУ Владимиру Андреевичу Батаеву и Любови Вадимовне Чучковой за помощь в проведении исследований структуры полученных покрытий.
Финансирование:
Исследование выполнено при финансовой поддержке РФФИ и Правительства Новосибирской области в рамках научного проекта № 17-48-543315.
Получение упрочняющих покрытий из аморфизируемых сплавов Fe-Cr-Si-B-С лазерно-плазменными методами / М.Н. Хомяков, П.А. Пинаев, П.А. Стаценко, И.Б. Мирошниченко, Г.Н. Грачев // Обработка металлов (технология, оборудование, инструменты). – 2018. – Т. 20, № 4. – С. 21–34. – doi: 10.17212/1994-6309-2018-20.4-21-34.
Khomyakov M.N., Pinaev P.A., Statsenko P.A., Miroshnichenko I.B., Grachev G.N. Formation of hardening coatings based on Fe-Cr-Si-B-C alloys with high glass-forming ability by laser-plasma methods. Obrabotka metallov (tekhnologiya, oborudovanie, instrumenty) = Metal Working and Material Science, 2018, vol. 20, no. 4, pp. 21–34. doi: 10.17212/1994-6309-2018-20.4-21–34. (In Russian).
