Обработка металлов

Влияние лазерного легирования порошковыми смесями Cu–Zn–Ti и Si–Cu на структуру и свойства литейного алюминиевого сплава

Том 21, № 4 Октябрь - Декабрь 2019

Авторы:

Саврай Роман Анатольевич,

Малыгина Ирина Юрьевна,

Макаров Алексей Викторович,

Осинцева Алевтина Леонтьевна,

Роговая Светлана Александровна,

Колобылин Юрий Михайлович

DOI: http://dx.doi.org/10.17212/1994-6309-2019-21.4-70-84

Скачать полный текст

Интерактивный просмотр

Аннотация
Авторы
Список литературы
Благодарности. Финансирование

Аннотация

Введение. Использование технологий лазерного модифицирования является актуальным и перспективным способом повышения свойств поверхности алюминиевых сплавов. Большой интерес вызывает лазерное легирование алюминиевых сплавов, которое способствует повышению их коррозионной стойкости, механических свойств и износостойкости в условиях адгезионного и абразивного изнашивания. Цель работы: исследование возможности повышения физико-механических свойств литейного алюминиевого сплава АК7ч путем лазерного легирования порошковыми смесями Cu–Zn–Ti (смесь № 1) и Si–Cu (смесь № 2), нанесенными на поверхность образцов в виде обмазок. Лазерное легирование поверхности образцов проводили на СО₂-лазере непрерывного действия c длиной волны излучения λ = 10,6 мкм. Методы исследования. Оптическая и сканирующая электронная микроскопия, энергодисперсионный микроанализ, рентгеноструктурный фазовый анализ, измерение микротвердости, инструментированное микроиндентирование, испытания на абразивную износостойкость и разгаростойкость. Результаты и обсуждение. Установлено, что в результате лазерного легирования на поверхности образцов сплава АК7ч формируются легированные слои глубиной h = 3,5…4,0 мм. Легированные слои имеют дендритно-ячеистую структуру, основными структурными составляющими которой являются твердый раствор α–Al и сетка эвтектических кристаллов кремния по границам дендритных ячеек. В структуре легированных слоев также присутствует интерметаллид CuAl₂ с размером частиц 1…5 мкм. Лазерное легирование повышает микротвердость сплава АК7ч от 90 до 125 HV 0,025 при легировании смесью № 1 и до 100 HV0,025 при легировании смесью № 2. По данным микроиндентирования легированные слои характеризуются повышеннным сопротивлением упругопластическому деформированию, о чем свидетельствует рост параметров R_е в 1,2…1,38 раза, H_IT/E^* в 1,33…1,67 раза и в 2,14…3,71 раза. Испытания на износостойкость в условиях абразивного изнашивания показали, что лазерное легирование приводит к некоторому росту интенсивности изнашивания Ih (снижению износостойкости) алюминиевого сплава АК7ч от (1,49 ± 0,09) × 10⁻³ до (1,82 ± 0,06) × 10⁻³ при легировании смесями № 1 и 2. Однако лазерное легирование сплава АК7ч приводит к повышению его разгаростойкости, что выражается в уменьшении количества и размеров термических трещин.

Ключевые слова: Литейный алюминиевый сплав, Лазерное легирование, Микроструктура, Фазовый состав, Микротвердость, Микроиндентирование, Абразивная износостойкость, Разгаростойкость

Авторы:

Саврай Роман Анатольевич
канд. техн. наук, Институт машиноведения УрО РАН, ул. Комсомольская, 34, г. Екатеринбург, 620049, Россия, ras@imach.uran.ru

Малыгина Ирина Юрьевна
канд. техн. наук, Институт машиноведения УрО РАН, ул. Комсомольская, 34, г. Екатеринбург, 620049, Россия, malygina@imach.uran.ru

Макаров Алексей Викторович
доктор технических наук, 1. Институт машиноведения УрО РАН, ул. Комсомольская, 34, г. Екатеринбург, 620049, Россия; 2. Институт физики металлов им. М.Н. Михеева УрО РАН, ул. С. Ковалевской, 18, г. Екатеринбург, 620108, Россия; 3. Уральский федеральный университет им. первого Президента России Б.Н. Ельцина, ул. Мира, 19, г. Екатеринбург, 620002, Россия, avm@imp.uran.ru

Осинцева Алевтина Леонтьевна
канд. техн. наук, Институт машиноведения УрО РАН, ул. Комсомольская, 34, г. Екатеринбург, 620049, Россия, osintseva@imach.uran.ru

Роговая Светлана Александровна
Институт машиноведения УрО РАН, ул. Комсомольская, 34, г. Екатеринбург, 620049, Россия, rogovaya@imach.uran.ru

Колобылин Юрий Михайлович
Институт машиноведения УрО РАН, ул. Комсомольская, 34, г. Екатеринбург, 620049, Россия, uramk@mail.ru

Список литературы

1. Голышев А.А., Маликов А.Г., Оришич А.М. Исследование микроструктуры высокопрочных лазерных сварных соединений алюминиево-литиевых сплавов авиационного назначения // Обработка металлов (технология, оборудование, инструменты). – 2018. – Т. 20, № 2. – С. 50–62. – DOI: 10.17212/1994-6309-2018-20.2-50-62.

2. Мартюшев Н.В., Зыкова А.П., Башев В.С. Модифицирование сплава марки АК12 частицами ультрадисперсного порошка вольфрама // Обработка металлов (технология, оборудование, инструменты). – 2017. – № 3 (76). – С. 51–58. – DOI: 10.17212/1994-6309-2017-3-51-58.

3. Об участии водорода в формировании свойств заэвтектических сплавов Al–Si / В.К. Афанасьев, М.В. Попова, М.А. Малюх, С.В. Долгова // Обработка металлов (технология, оборудование, инструменты). – 2018. – Т. 20, № 2. – С. 63–74. – DOI: 10.17212/1994-6309-2018-20.2-63-74.

4. Криштал М.М., Ивашин П.В., Коломиец П.В. Использование технологии микродугового оксидирования при разработке ДВС с блоком цилиндров из алюминиевого сплава // Известия Самарского научного центра Российской академии наук. – 2010. – Т. 12, № 4. – С. 242–246.

5. Андрияхин В.М. Процессы лазерной сварки и термообработки. – М.: Наука, 1988. – 176 с. – ISBN 5-02-005979-X.

6. Григорьянц А.Г., Смирнова Н.А. Упрочнение поверхности стали 45 и литейного алюминиевого сплава АК9 излучением волоконного лазера // Технология машиностроения. – 2011. – № 11. – С. 52–56.

7. Design of local heat treatment for crack retardation in aluminium alloys / A. Groth, M. Horstmann, N. Kashaev, N. Huber // Procedia Engineering. – 2015. – Vol. 114. – P. 271–276. – DOI: 10.1016/j.proeng.2015.08.068.

8. Смирнова Н.А. Лазерное модифицирование поверхности алюминиевых сплавов // Технология машиностроения. – 2016. – № 2. – С. 9–18.

9. Modification of microstructure and superficial properties of A356 and A356/10%SiCp by selective laser surface melting (SLSM) / L.M. Laorden, P. Rodrigo, B. Torres, J. Rams // Surface and Coatings Technology. – 2017. – Vol. 309. – P. 1001–1009. – DOI: 10.1016/j.surfcoat.2016.10.046.

10. Effect of the composition of absorbing coatings on the structure and properties of a cast aluminum alloy subjected to surface laser heat treatment / R.A. Savrai, I.Yu. Malygina, A.V. Makarov, A.L. Osintseva, S.A. Rogovaya, N.A. Davydova // Diagnostics, Resource and Mechanics of materials and structures. – 2018. – Iss. 5. – P. 86–105. – DOI: 10.17804/2410-9908.2018.5.086-105.

11. Surface modification of Al–Al₂O₃ composites by laser treatment / V. Cannillo, A. Sola, M. Barletta, A. Gisario // Optics and Lasers in Engineering. – 2010. – Vol. 48, iss. 12. – P. 1266–1277. – DOI: 10.1016/j.optlaseng.2010.06.004.

12. Shabel B.S., Granger D.A., Truckner W.G. Friction and wear of aluminum-silicon alloys // ASM Handbook / ed. by P.J. Blau. – Materials Park: ASM International, 1992. – Vol. 18: Friction, lubrication, and wear technology. – P. 785–794.

13. Effect of laser parameters on properties of surface-alloyed Al substrate with Ni / S.A. Vaziri, H.R. Shahverdi, M.J. Torkamany, S.G. Shabestari // Optics and Lasers in Engineering. – 2009. – Vol. 47, iss. 9. – P. 971–975. – DOI: 10.1016/j.optlaseng.2009.04.007.

14. Dilution of molybdenum on aluminum during laser surface alloying / H.D. Vora, R.S. Rajamure, S. Soundarapandian, S.G. Srinivasan, N.B. Dahotre // Journal of Alloys and Compounds. – 2013. – Vol. 570. – P. 133–143. – DOI: 10.1016/j.jallcom.2013.03.115.

15. Laser alloyed Al-W coatings on aluminum for enhanced corrosion resistance / R.S. Rajamure, H.D. Vora, S.G. Srinivasan, N.B. Dahotre // Applied Surface Science. – 2015. – Vol. 328. – P. 205–214. – DOI: 10.1016/j.apsusc.2014.12.037.

16. Laser surface alloying of molybdenum on aluminum for enhanced wear resistance / R.S. Rajamure, H.D. Vora, N. Gupta, S. Karewar, S.G. Srinivasan, N.B. Dahotre // Surface and Coatings Technology. – 2014. – Vol. 258. – P. 337–342. – DOI: 10.1016/j.surfcoat.2014.08.074.

17. Mabhali L.A.B., Sacks N., Pityana S. Three body abrasion of laser surface alloyed aluminium AA1200 // Wear. – 2012. – Vol. 290–291. – P. 1–9. – DOI: 10.1016/j.wear.2012.05.034.

18. Ravnikar D., Dahotre N.B., Grum J. Laser coating of aluminum alloy EN AW 6082-T651 with TiB₂ and TiC: microstructure and mechanical properties // Applied Surface Science. – 2013. – Vol. 282. – P. 914–922. – DOI: 10.1016/j.apsusc.2013.06.089.

19. Nath S., Pityana S., Majumdar J.D. Laser surface alloying of aluminium with WC + Co + NiCr for improved wear resistance // Surface and Coatings Technology. – 2012. – Vol. 206, iss. 15. – P. 3333–3341. – DOI: 10.1016/j.surfcoat.2012.01.038.

20. Laser processed TiC–Al₁₃Fe₄ composite layer formation on Al–Si alloy / A. Viswanathan, D. Sastikumar, H. Kumar, A.K. Nath // Optics and Lasers in Engineering. – 2012. – Vol. 50, iss. 9. – P. 1321–1329. – DOI: 10.1016/j.optlaseng.2012.02.013.

21. D'Amato C., Betts J.C., Buhagiar J. Laser surface alloying of an A356 aluminium alloy using nickel and Ni-Ti-C: a corrosion study // Surface and Coatings Technology. – 2014. – Vol. 244. – P. 194–202. – DOI: 10.1016/j.surfcoat.2014.02.018.

22. Смирнова Н.А. Лазерное легирование поверхности алюминиевых сплавов // Наукоемкие технологии в машиностроении. – 2014. – № 3 (33). – С. 28–36.

23. Effect of alloying on high temperature fatigue performance of ZL114A (Al-7Si) alloy / X. Dong, J. Zhou, Y. Jia, B. Liu // Transactions of Nonferrous Metals Society of China. – 2012. – Vol. 22, iss. 3. – P. S661–S667. – DOI: 10.1016/S1003-6326(12)61782-8.

24. Blum R., Molian P. CO₂ laser coating of nanodiamond on aluminum using an annular beam // Applied Surface Science. – 2014. – Vol. 288. – P. 1–8. – DOI: 10.1016/j.apsusc.2013.04.162.

25. D'Amato C., Buhagiar J., Betts J.C. Tribological characteristics of an A356 aluminium alloy laser surface alloyed with nickel and Ni–Ti–C // Applied Surface Science. – 2014. – Vol. 313. – P. 720–729. – DOI: 10.1016/j.apsusc.2014.06.061.

26. The influence of laser alloying on the structure and mechanical properties of AlMg₅Si₂Mn surface layers / W. Pakiela, T. Tanski, Z. Brytan, K. Labisz // Applied Physics A: Materials Science and Processing. – 2016. – Vol. 122, iss. 352. – P. 1–9. – DOI: 10.1007/s00339-016-9834-z.

27. Алиева С.Г., Альтман М.Б., Амбарцумян С.М. Промышленные алюминиевые сплавы: справочник / под. ред. Ф.И. Квасова, И.Н. Фридляндера. – 2-е изд., перераб. и доп. – М.: Металлургия, 1984. – 528 с.

28. Improving the strength of the AISI 321 austenitic stainless steel by frictional treatment / R.A. Savrai, A.V. Makarov, I.Yu. Malygina, S.A. Rogovaya, A.L. Osintseva // Diagnostics, Resource and Mechanics of materials and structures. – 2017. – Iss. 5. – P. 43–62. – DOI: 10.17804/2410-9908.2017.5.043-062.

29. ISO 14577-1:2015. Metallic materials. Instrumented indentation test for hardness and materials parameters. Pt. 1: Test method. – Geneva: ISO, 2015. – 46 p.

30. Cheng Y.T., Cheng C.M. Relationships between hardness, elastic modulus and the work of indentation // Applied Physics Letters. – 1998. – Vol. 73, iss. 5. – P. 614–618. – DOI: 10.1063/1.121873.

31. Page T.F., Hainsworth S.V. Using nanoindentation techniques for the characterization of coated systems: a critique // Surface and Coatings Technology. – 1993. – Vol. 61, iss. 1–3. – P. 201–208. – DOI: 10.1016/0257-8972(93)90226-E.

32. Petrzhik M.I., Levashov E.A. Modern methods for investigating functional surfaces of advanced materials by mechanical contact testing // Crystallography Reports. – 2007. – Vol. 52, iss. 6. – P. 966–974. – DOI: 10.1134/S1063774507060065.

33. Mayrhofer P.H., Mitterer C., Musil J. Structure-property relationships in single- and dual-phase nanocrystalline hard coatings // Surface and Coatings Technology. – 2003. – Vol. 174–175. – P. 725–731. – DOI: 10.1016/S0257-8972(03)00576-0.

34. Крагельский И.В., Добычин М.Н., Комбалов В.С. Основы расчетов на трение и износ. – М.: Машиностроение, 1977. – 526 с.

35. Effect of nanostructuring frictional treatment on the properties of high-carbon pearlitic steel. Part I: Microstructure and surface properties / R.A. Savrai, A.V. Makarov, I.Yu. Malygina, E.G. Volkova // Materials Science and Engineering: A. – 2018. – Vol. 734. – P. 506–512. – DOI: 10.1016/j.msea.2018.07.099.

36. Savrai R.A., Makarov A.V. Effect of nanostructuring frictional treatment on the properties of high-carbon pearlitic steel. Part II: Mechanical properties // Materials Science and Engineering: A. – 2018. – Vol. 734. – P. 513–518. – DOI: 10.1016/j.msea.2018.07.100.

37. Саврай Р.А. Сопротивление разрушению наплавленных лазером хромоникелевых покрытий при контактно-усталостном нагружении // Физика металлов и металловедение. – 2018. – Т. 119, № 10. – С. 1070–1078. – DOI: 10.1134/S001532301810011X.

38. Формирование износостойкого хромоникелевого покрытия с особо высоким уровнем теплостойкости комбинированной лазерно-термической обработкой / А.В. Макаров, Н.Н. Соболева, И.Ю. Малыгина, А.Л. Осинцева // Металловедение и термическая обработка металлов. – 2015. – № 3. – С. 39–46.

Для цитирования:

Влияние лазерного легирования порошковыми смесями Cu–Zn–Ti и Si–Cu на структуру и свойства литейного алюминиевого сплава / Р.А. Саврай, И.Ю. Малыгина, А.В. Макаров, А.Л. Осинцева, С.А. Роговая, Ю.М. Колобылин // Обработка металлов (технология, оборудование, инструменты). – 2019. – Т. 21, № 4. – С. 70–84. – DOI: 10.17212/1994-6309-2019-21.4-70-84.

For citation:

Savrai R.A., Malygina I.Yu., Makarov A.V., Osintseva A.L., Rogovaya S.A., Kolobylin Yu.M. Effect of laser alloying with the powder mixtures of Cu–Zn–Ti and Si–Cu on the structure and properties of cast aluminum alloy. Obrabotka metallov (tekhnologiya, oborudovanie, instrumenty) = Metal Working and Material Science, 2019, vol. 21, no. 4, pp. 70–84. DOI: 10.17212/1994-6309-2019-21.4-70-84. (In Russian).

Просмотров: 1944

ОБРАБОТКА МЕТАЛЛОВ

Влияние лазерного легирования порошковыми смесями Cu–Zn–Ti и Si–Cu на структуру и свойства литейного алюминиевого сплава