Лазерное излучение

Использование лазерного излучения для модифицирования структурно-фазового состояния поверхностных слоев материалов известно с 60-70-х годов XX в. и основано на локальном нагреве участка поверхности под воздействием электромагнитного излучения и последующем охлаждении этого участка со сверхкритической скоростью в результате отвода теплоты во внутренние нерасплавленные слои металла.

При обработке титановых сплавов используются непрерывные С02 [43, 44], неодимовые импульсные Nd: YAG лазеры [45, 46], а также лазеры на свободных электронах (free-electron lasers, FEL) [47, 48]. В импульсных лазерах длительность импульса достигает 1 мс, максимальная плотность энергии при этом составляет десятки Дж/см2. В системах лазерной обработки используются фокусирующие системы, позволяющие формировать тонкие лучи диаметром 1-2 мм. В этом случае для обработки поверхности осуществляется ее сканирование лазерным лучом со скоростью 5-20 мм/с [49].

Как правило, эффективность лазерной обработки титановых сплавов связана с протекающими процессами закалки из расплавленного состояния вследствие достижения высоких скоростей охлаждения.

При плотности энергии лазерного излучения, превышающей порог плавления материала, скорость охлаждения расплава в зависимости от скорости сканирования достигает 106 К/с и способствует диспергированию микроструктуры. В случае если воздействие лазерного излучения происходит при плотности энергии, не обеспечивающей плавление, однако превышает температуру полиморфного превращения титана, происходит трансформация решетки с образованием мартенситной фазы титана.

Особенностью лазерного облучения материалов, и в частности титана, является локальный нагрев поверхности вследствие узкой ширины луча (1-2 мм). Более того, интенсивность электромагнитного излучения не является постоянной величиной по сечению лазерного луча, а носит гауссовый характер. В этом случае плотность поглощаемой энергии в центре формируемого пятна будет выше, чем ее плотность на краях, что приводит к различным глубинам проплавления поверхностного слоя.

Наиболее распространенным является лазерное воздействие на титан в атмосфере азота. В этом случае обнаружено диффузионное проникновение атомов азота из окружающей атмосферы в расплав, приводящее к образованию нитридов титана. В [50] было показано, что содержание азота в поверхностном слое титана после лазерной обработки может достигать 50 ат.%, что способствует формированию стехиометрического нитрида титана TiN с кубической кристаллической решеткой. С помощью воздействия на титан лазеров на свободных электронах (FEL) зафиксированная поверхностная концентрация азота составляет 23 ат.%. В этом случае происходит формирование нестехиометрического нитрида титана 5-TiNr, который также характеризуется кубической кристаллической решеткой. Так как основным механизмом проникновения азота в поверхностный слой титана после лазерной обработки является диффузионный механизм, то это приводит к снижению концентрации азота по глубине и формированию слоистой структуры, состоящей из тетрагонального нитрида титана s-Ti2N, а также гексагонального твердого раствора a-Ti(N), обозначаемого в некоторых работах как TiN0 3 или TiN0 26 в зависимости от содержания в нем атомов азота [51].

В результате лазерного воздействия на титан в связи с образованием поверхностных нитридных фаз удается повысить микротвердость поверхностного слоя до 10-13 ГПа.

В последнее время лазерное излучение стало применяться с целью легирования поверхностных слоев титана атомами металлов, предварительно нанесенных на поверхность в виде насыпки соответствующего порошка [52].

В работах [53, 54] была показана возможность использования лазерного излучения для модифицирования поверхности титана в атмосфере кислорода, что приводит к формированию поверхностного оксидного слоя. Данное направление является актуальным ввиду повышения износостойкости модифицированных таким образом поверхностных слоев.

Однако недостатком лазерного упрочнения титановых сплавов является повышенная хрупкость поверхностного азотированного слоя, которая приводит к возникновению трещин из-за внутренних напряжений. Более того, необходимость сканирования лазерным лучом поверхности существенным образом увеличивает время обработки всего изделия.

 
Посмотреть оригинал
< Пред   СОДЕРЖАНИЕ   ОРИГИНАЛ   След >