Проведено дослідження процесів локального лазерного легування технічно чистого алюмінію і сплаву системи Al-Mg АМг6. Як матеріали, що містять легуючі компоненти, використовувалися технічно чиста мідь і сплав системи Cu-Zn латунь Л62 у вигляді фольги завтовшки 0,05 мм. У легирующей фользі методом витяжки еластичною середовищем попередньо формували рельєфну структуру зовнішньої поверхні, яка забезпечує поліпшення умов впровадження легирующего компонента в основу. Розроблено спосіб локального легування сплаву на основі Аl.

Анотація наукової статті за технологіями матеріалів, автор наукової роботи - Мурзін Сергій Петрович, Трегуб Валерій Іванович, Трегуб Микола Валерійович, Никифоров Аркадій Михайлович


LOCAL ALLOYING OF ALUMINUM ALLOYS WITH APPLICATION OF LASER INFLUENCE

Researches of processes of a local laser alloying of technically pure aluminum and Al-Mg Amg6 system alloy are carried out. As a material containing alloying components, used an alloy of Cu-Zn system of L62 brass in the form of a foil in thickness of 0,05 mm on which surface previously created the ordered relief. In the alloying foil a method of extracts elastic medium previously formed outside of the relief structure, which provides improved conditions for the implementation of the alloying component in the foundation. The way of a local alloying of an alloy on basis Аl is developed.


Область наук:

  • технології матеріалів

  • Рік видавництва: 2012


    Журнал: Известия Самарського наукового центру Російської академії наук


    Наукова стаття на тему 'Локальне легування алюмінієвих сплавів із застосуванням лазерного впливу'

    Текст наукової роботи на тему «Локальне легування алюмінієвих сплавів із застосуванням лазерного впливу»

    ?УДК 535 (075)

    ЛОКАЛЬНЕ легування алюмінієвих сплавів З ВИКОРИСТАННЯМ ЛАЗЕРНОГО ВПЛИВУ

    © 2012 С.П. Мурзін, В.І. Трегуб, Н.В. Трегуб, А.М. Никифоров

    Самарський державний аерокосмічний університет імені академіка С.П. Корольова (національний дослідницький університет)

    Надійшла в редакцію 16.10.2012

    Проведено дослідження процесів локального лазерного легування технічно чистого алюмінію і сплаву системи Al-Mg АМг6. Як матеріали, що містять легуючі компоненти, використовувалися технічно чиста мідь і сплав системи Cu-Zn латунь Л62 у вигляді фольги завтовшки 0,05 мм. У легирующей фользі методом витяжки еластичною середовищем попередньо формували рельєфну структуру зовнішньої поверхні, яка забезпечує поліпшення умов впровадження легирующего компонента в основу. Розроблено спосіб локального легування сплаву на основі А1. Ключові слова: легування, сплав алюмінієвий, латунь, вплив лазерне, шар приповерхневих.

    ВСТУП

    Лазерне поверхневе легування є одним з основних методів поліпшення поверхнево-залежних властивостей алюмінієвих сплавів, таких як зносостійкість і корозійна стійкість [1-6]. Однак така обробка алюмінію і сплавів на його основі ускладнена тим, що дані матеріали мають високу теплопровідність, великою відбивною здатністю і відносно низькими температурами плавлення. Тому лазерне вплив на заготовки з алюмінієвих сплавів необхідно здійснювати при підвищеній щільності потужності випромінювання, що забезпечує оплавлення поверхні [7-9]. Оплавлення безперервним СО2-лазером потужністю менше 1 кВт поверхні алюмінієвих сплавів з нанесеною обмазкой, що містить порошки чистих металів, не дозволяє якісно здійснити легування і наплавлення [7]. У цьому випадку окремі частинки можуть впроваджуватися в розплавлену ванну, але отримані леговані шари мають незадовільні структуру і властивості. Інша особливість легування алюмінієвих сплавів обумовлена ​​великим розходженням в температурах плавлення матеріалу основи і більшості легуючих компонентів. Так, легуючих-

    Мурзін Сергій Петрович, доктор технічних наук, професор кафедри автоматичних систем енергетичних установок. E-mail: Ця електронна адреса захищена від спам-ботів. Вам потрібно увімкнути JavaScript, щоб побачити її.

    Трегуб Валерій Іванович, кандидат технічних наук, доцент кафедри технології металів і авіаційного матеріалознавства. E-mail: Ця електронна адреса захищена від спам-ботів. Вам потрібно увімкнути JavaScript, щоб побачити її. Трегуб Микола Валерійович, аспірант. E-mail: Ця електронна адреса захищена від спам-ботів. Вам потрібно увімкнути JavaScript, щоб побачити її.

    Никифоров Аркадій Михайлович, навчальний майстер. E-mail: Ця електронна адреса захищена від спам-ботів. Вам потрібно увімкнути JavaScript, щоб побачити її.

    вання порошками з високою температурою плавлення при невисокому енерговклада, досить часто супроводжується неповним розчиненням і неповним перемішуванням присадних компонентів в легованих зонах [8, 9]. Таким чином, вдосконалення технології легування алюмінієвих сплавів із застосуванням лазерного впливу є актуальною науковою задачею. Метою даної роботи є розробка способу легування металів і сплавів із застосуванням лазерного впливу, що забезпечує високу якість одержуваного легованого шару.

    ЕКСПЕРИМЕНТАЛЬНІ ДОСЛІДЖЕННЯ

    Проведено дослідження процесів локального лазерного легування технічно чистого алюмінію і сплаву системи Al-Mg АМг6. Як матеріали, що містять легуючі компоненти, використовувалися технічно чиста мідь і сплав системи Сі-2п латунь Л62 у вигляді фольги завтовшки 0,05 мм. У легирующей фользі методом витяжки еластичною середовищем попередньо формували рельєфну структуру зовнішньої поверхні (рис. 1), яка забезпечує хороший контакт, як наслідок - поліпшення умов впровадження легирующего компонента в основу. Перед лазерною обробкою проводили очистку контактуючих поверхонь Електрополіровка з наступним промиванням у ультразвукової ванні. Зовнішня поверхня легирующего листового матеріалу оброблялася для зниження коефіцієнта відображення. Використовуючи оптично прозорий матеріал здійснювали притиск легирующей фольги до зразка з алюмінієвого сплаву АМг6. далі прово-

    Мал. 1. Загальний вигляд сформованої методом

    витяжки еластичною середовищем рельєфною структури зовнішньої поверхні матеріалу, що містить легуючі компоненти

    дили лазерну обробку в два етапи. На першому етапі здійснювали впровадження легуючих компонентів в алюмінієвий сплав в місці контакту при частковому плавленні матеріалу основи в діапазоні температур між лініями со-лідуса і ликвидуса. Зусилля впровадження складалося з прикладеною до верхнього шару притискає навантаження і тиску при імпульсному впливі лазера. Потім проводили багатоциклову лазерну обробку при температурах нижче лінії солідусу. Для здійснення лазерного впливу використовувалася установка ROFIN StarWeld Manual Performance, оснащена Ш: ІАГ-лазером з довжиною хвилі випромінювання 1,06 мкм. У процесі здійснення відпрацювання режимів енергія в імпульсі становила 20 ... 50 Дж при тривалості 0,5 ... 20 мс.

    металографічні дослідження

    В результаті легування міддю технічно чистого алюмінію утворюється сплав системи Al-Cu. При цьому основний упрочняющей фазою є в фаза CuAl2. Структура приповерхневого шару зразків зі сплаву системи Al-Mg АМг6 після лазерної дії з впровадженням в основу технічно чистої міді при частковому плавленні матеріалу алюмінієвого сплаву в діапазоні температур між лініями солідусу і ліквідусу представлена ​​на рис. 2. Сплав має гетерогенну структуру, основу якої становить а -твердих розчин (світлі ділянки), в-фаза, що представляє собою інтерметаліди Mg2Al3, а також марганцовистого фаза, що виділяється всередині зерен. При наявності марганцю і домішок Fe і Si утворюються марганцевисті фази (AlMg2Mn, AlFeSi), а також силицид магнію (Mg2Si). Кордон розділу між легирующим шаром і основою однорідна. Пори, раків-

    Мал. 2. Структура приповерхневого шару металу АМг6 з утворюється подальшої багатоциклової лазерною обробкою при температурах нижче лінії солідусу зоною взаімодіффузіі; збільшити. х500

    ни і неметалеві включення відсутні. Розмір відбитків при вимірюванні мікротвердості в зоні легування і в матеріалі основи практично однаковий.

    Подальшою багатоциклової лазерною обробкою при температурах нижче лінії солидус утворюється зона взаімодіффузіі, в якій спостерігається формування кордонів зерен і виділення з ним упрочняющей фази. Межі зерен поширюються через кордон розділу між основою і легованих матеріалом. Має місце деяке збільшення мікротвердості в зоні взаімодіффузіі.

    В результаті легування латунню сплаву АМг6 утворюються сплави системи Al-Zn-Cu-Mg. До вищевказаної 0-фазі СіА12 додаються зміцнюючі фази: п фаза MgZn2; 8-фаза Al2CuMg; Т-фаза Al2Mg3Zn3. Після багатоциклової лазерної обробки в зоні взаімодіффузіі спостерігається структура евтектики, що складається з колоній а -твердих розчину і зміцнюючих фаз, представлена ​​на рис. 3. Мікротвердість

    Рис 3. Структура евтектики, що складається з колоній а -твердих розчину і зміцнюючих фаз після багатоциклової лазерної обробки; збільшити. х300

    Мал. 4. Структура приповерхневого шару металу системи Al-Mg АМг6 після лазерної дії з впровадженням сплаву типу твердих розчинів системи Сі-2п латуні Л62, непротравленний косою шліф по кутом 5 ° до обробленої поверхні; збільшити. х500

    становить Н = 2000 ... 2200 МПа. Має місце

    м

    скло пористе членування. Межі осередків виділяються розворотом пластинчастого пакета фаз і диффе-ренцірованностью осередків. У зоні взаімодіффузіі відзначається істотне збільшення мікротвердості.

    На рис. 4, 5 представлена ​​структура приповерхневого шару металу системи

    Al-Mg АМг6 після лазерної дії з впровадженням двокомпонентного металевого сплаву системи Сі-2п латуні Л62. Кордон розділу між легирующим шаром і основою однорідна. Пори, раковини, неметалеві включення відсутні. Спостерігається перехідна зона червоного кольору, наявність якої можна пояснити збільшенням вмісту Сі при більш інтенсивній дифузії 7п [10-18] в алюмінієвий сплав.

    Структура являє собою світлі зерна б-твердого розчину з виділенням перерахованих вище інтерметаллідних фаз як в центрі зерна, так і по їх кордонів. При певних умовах формується структура евтектики. Конфігурація і орієнтація зерен, а також розмір виділень зміцнюючих фаз залежить від умов теплоенергетичних параметрів лазерної обробки. Критерії впливу фаз на зародження евтектичною колонії в системі А1-СіА12 представлені в табл. 1. Представлені пара-

    Мал. 5. Структура приповерхневого шару металу АМг6 після лазерної дії з впровадженням латуні Л62, непротравленний шліф; збільшити. х500

    метри необхідно враховувати при проектуванні технологій локального легування алюмінієвих сплавів міддю і мідними сплавами з зміцненням при формуванні евтектичною структури в пластичної матриці.

    У евтектиці б-твердий розчин міді в алюмінії росте у вигляді тривимірних дендритів при загальній закономірності розвитку відгалужень за напрямками куба. Зростання дендритів фази СіА12 характеризується великим геометричним досконалістю, перш за все постійністю кутів між гілками суміжних порядків.

    В результаті виконаних досліджень встановлено, що обрані режими обробки для досліджуваних сплавів АМг6 і Л62 призводять до формування багатофазної структури. Має місце підвищення ефективності легування, що полягає в збільшенні кількості одночасно вводяться компонентів і глибини обробленого шару порівняно з контрольними зразками, в яких в якості легуючого матеріалу використовувалися технічно чиста мідь. Зазначений ефект можна пояснити інтенсифікацією масопереносу і зростанням запасу вільної енергії. Підтвердженням протікання процесу зміцнення при обраних режимах є збільшення мікротвердості. Найбільший ефект зміцнення, що досягається при використанні в якості легуючого матеріалу

    Таблиця 1. Критерії впливу фаз на зародження евтектичною колонії в системі А1-СіА12

    Система Фаза (первинні кристали) Т 2, ° С Тпл, К Кристалічні ґрати (тип)

    А1-СіА12 А1 13 933 Г.Ц .до.

    СіА12 7 864 Тетрагональна

    Тут позначено: Т2 - максимальне переохолодження двухфазного (Ж + а чи Ж + в фази) сплаву по відношенню до солидус.

    латуні Л62, пояснюється створенням найбільшої кількості зміцнюючих фаз і більш низькою температурою солідусу. Крім того, одним з визначальних процесів є утворення області двофазного (Ж + а фаза) сплаву.

    ВИСНОВОК

    Лазерне поверхневе легування є одним з основних методів поліпшення поверхнево-залежних властивостей алюмінієвих сплавів. Проведено дослідження процесів локального лазерного легування технічно чистого алюмінію і алюмінієво-магнієвого сплаву АМг6. Як матеріали, що містять легуючі компоненти, використовувалися технічно чиста мідь і сплав системи Cu-Zn латунь Л62 товщиною 0,05 мм. В результаті легування міддю технічно чистого алюмінію утворюється сплав системи Al-Cu. При цьому основний упрочняющей фазою є в фаза CuAl2.

    В результаті легування латунню сплаву АМг6 утворюються сплави системи Al-Zn-Cu-Mg. До вищевказаної в-фазі CuAl2 додаються зміцнюючі фази: r? фаза MgZn2; S-фаза Al2CuMg; T-фаза Al2Mg3Zn3. Вивчено структуру приповерхневого шару металу АМг6 після лазерної дії з впровадженням двухкомпонен кімнатній латуні Л62. Кордон розділу між легирующим шаром і основою однорідна. Пори, раковини, неметалеві включення відсутні. Спостерігається перехідна зона червоного кольору, наявність якої можна пояснити більш інтенсивної дифузією Zn в алюмінієвий сплав. Після багатоциклової лазерної обробки в зоні взаімодіффузіі спостерігається структура евтектики, що складається з колоній а -твердих розчину і зміцнюючих фаз. Мікротвердість становить Нм = 2000 ... 2200 МПа. Має місце пористу членування. Межі осередків виділяються розворотом пластинчастого пакета фаз і диференційований-ністю осередків. У зоні взаімодіффузіі відзначається істотне збільшення мікротвердості.

    Розроблено спосіб локального легування сплаву на основі Al. Як матеріал, що містить легуючі компоненти, використовується латунь у вигляді фольги завтовшки 0,05 мм, в якій попередньо формували упорядкований рельєф поверхні. Обрані режими обробки досліджуваних сплавів АМг6 і Л62 призводять до формування багатофазної структури. Має місце підвищення ефективності легування, що полягає в збільшенні кількості одночасно вводяться компонентів і глибини обробленого шару порівняно з контрольними зразками, в яких в якості

    легирующего матеріалу використовувалися технічно чиста мідь. При обраних режимах габ-Люда збільшення мікротвердості. Найбільший ефект зміцнення, що досягається при використанні в якості легуючого матеріалу латуні Л62, пояснюється створенням найбільшої кількості зміцнюючих фаз і більш низькою температурою солідусу. Крім того, одним з визначальних процесів є утворення області двофазного (Ж + а фаза) сплаву.

    ПОДЯКИ

    Робота виконана за підтримки Міністерства освіти і науки РФ в рамках реалізації ФЦП «Наукові та науково-педагогічні кадри інноваційної Росії» на2009 - 2013 роки.

    Список використаних джерел

    1. Морозова Е.А., Муратов В.С. Лазерне легування поверхні титану хромом і міддю // Фундаментальні дослідження. 2007. № 8. С. 64-65.

    2. Гіржон В.В, Смоляков А.В., Танцюра І.В. Структурний стан шарів алюмінію після лазерного легування сумішшю порошків міді та заліза // Фізика мета-лов і матеріалознавство. Структура, фазові перетворення і дифузія. 2008. Т. 106. №4. С. 398-403.

    3. Dube D., Fiset M., Countur A., ​​Nakatsugawa I. Characterization and performance of laser melted AZ91D and AM60B // Materials Science and Engineering. 2001. A299, pp. 39-45.

    4. Ignat S., Sallamand P., Grevey D., Lambertin M. Magnesium alloys laser (Nd: YAG) cladding and alloying with side injection of aluminium powder / / Applied Surface Science. 2004. Vol. 225, pp. 124-134.

    5. Majumdar J.D., Chandra B.R., Galun R., Mordike B.L., Manna I. Laser composite surfacing of a magnesium alloy with silicon carbide // Composites Science and Technology. 2003. Vol. 63, pp. 771-778.

    6. Dobrzanski L.A., Tanski T., Domaga3a J., BonekM., Klimpel A. Microstructure analysis of the modified casting magnesium alloys after heat and laser treatment // Journal of Achievements in Materials and Manufacturing Engineering. 2009. Vol. 32, No. 1, pp. 7-12.

    7. Тарасова Т.В. Розподіл елементів у ванні розплаву при лазерному легуванні // Металознавство та термічна обробка металів. 2002. № 3. С. 24-27.

    8. GorglR., BrandstatterE. Laser cladding and laser alloying - similarities and differences // Journal of Heat Treatment and Materials. 2012. Vol. 2, pp. 125-132.

    9. Diepers H., Prieler R., Laschet G., Theiler C., Schubert E. Micro- Macro Simulation and Experimental Investigations of Laser Remelting Al-Coatings on steel / / Modeling of Casting, Welding and Advanced Solidification Processes IX; Ed. by P.R. Sahm, P.N. Hansen and J.G. Conley. 2000, pp. 798-805.

    10. Мурзін С.П., Осетров ЕЛ., Трегуб Н.В., Никифоров А.М. Створення нанопористих металевих матеріалів із застосуванням лазерного впливу / / Известия СамНЦ РАН. 2009. Т.11. № 5. С. 102-105.

    11. Мурзін С.П., ТрегубВ.І., Меженіна А.В., Осетров ЕЛ. Лазерне наноструктурування металевих ма-

    ріалів із застосуванням рухомих фокусаторов випромінювання // Комп'ютерна оптика. 2008. Т. 32. №4. С. 353-356.

    12. Мурзін СЛ., Осетров ЕЛ., Трегуб Н.В., Мале С.А. Підвищення рівномірності глибини зони освіти нанопористих структур при формуванні лазерного впливу фокусатором випромінювання // Комп'ютерна оптика. 2010. Т.34. №2. С. 219-224.

    13. Kazanskiy N.L., Murzin S.P., Osetrov Ye.L., Tregub V.I. Synthesis of nanoporous structures in metallic materials under laser action / / Optics and Lasers in Engineering. 2011. Vol. 49, No. 11, pp. 1264-1267.

    14. Мурзін С.Л. Розробка способів інтенсифікації формування нанопористих структур металевих матеріалів селективної лазерної сублімацією компонентів сплавів // Комп'ютерна оптика. 2011. Т.35. № 2. С. 175-179.

    15. Казанський Н.Л., Мурзін СЛ., ТрегубВ.І. Оптична система для проведення селективної лазерної сублімації компонентів металевих сплавів // Комп'ютерна оптика. 2010. Т.34. №4. С. 481-486.

    16. Досколоеіч ЛЛ., КазанскійН.Л., Мордасов В.І, Мурзін С.П., Харитонов С.І. Дослідження оптичних систем управління передачею високих енергій // Комп'ютерна оптика. 2002. №23. С.40-43.

    17. Murzin S.P. Increasing the efficiency of laser treatment of materials using elements of computer optics // Journal of Advanced Materials. 2003. Vol. 10. № 2, pp. 181-185.

    18. Мурзін СЛ., Осетров Е.Л. Дослідження температурних полів в конструкційної сталі при впливі лазерних потоків, сформованих фокуса-торами випромінювання // Комп'ютерна оптика. 2007. Т. 31. №3. С. 59-62.

    LOCAL ALLOYING OF ALUMINUM ALLOYS WITH APPLICATION OF LASER INFLUENCE

    © 2012 S.P. Murzin, V.I. Tregub, N.V. Tregub, A.M. Nikiforov

    Samara State Aerospace University named after Academician S.P. Korolev (National Research University)

    Researches of processes of a local laser alloying of technically pure aluminum and Al-Mg Amg6 system alloy are carried out. As a material containing alloying components, used an alloy of Cu-Zn system of L62 brass in the form of a foil in thickness of 0,05 mm on which surface previously created the ordered relief. In the alloying foil a method of extracts elastic medium previously formed outside of the relief structure, which provides improved conditions for the implementation of the alloying component in the foundation. The way of a local alloying of an alloy on basis Al is developed. Keywords: alloying, aluminum alloy, brass, laser influence, near-surface layer.

    Sergei Murzin, Doctor of Technics, Professor at the Power Plant Automatic Systems Department. E-mail: Ця електронна адреса захищена від спам-ботів. Вам потрібно увімкнути JavaScript, щоб побачити її. Valeriy Tregub, Candidate of of Technics, Associate Professor at the Process Metallurgy and Aeronautical Materials Science Department. E-mail: Ця електронна адреса захищена від спам-ботів. Вам потрібно увімкнути JavaScript, щоб побачити її. Nikolai Tregub, Graduate Student. E-mail: Ця електронна адреса захищена від спам-ботів. Вам потрібно увімкнути JavaScript, щоб побачити її. Arkadiy Nikiforov, Training Foreman. E-mail: Ця електронна адреса захищена від спам-ботів. Вам потрібно увімкнути JavaScript, щоб побачити її.


    Ключові слова: легування /СПЛАВ АЛЮМІНІЄВИЙ /ЛАТУНЬ /ВПЛИВ ЛАЗЕРНОЕ /СЛОЙ приповерхневих /ALLOYING /ALUMINUM ALLOY /BRASS /LASER INFLUENCE /NEAR-SURFACE LAYER

    Завантажити оригінал статті:

    Завантажити