Легирование. Лазерное поверхностное легирование

• Название: Лазерное поверхностное легирование
• Анкор: Легирование
• Дата: 28.04.2022
• Размер: 221.75 Kb.
• Имя файла: Легирование.docx
• Тип: Документы; #502791

Сумаренко Алексей Михайлович; 4 курс 2 группа физфак
« Лазерное поверхностное легирование»

Легирование (от лат. ligo — связываю, соединяю) — это процесс введения добавок (металлов, неметаллов и их соединений) в металлы, сплавы и полупроводники для придания им определенных физических, химических, механических свойств. При легировании металлов и сплавов могут образовываться твердые растворы, смеси двух и более фаз, карбиды, нитриды, оксиды, сульфиды, бориды и другие соединения легирующих элементов с основой сплава или между собой.
В результате легирования существенно меняются физико-химические характеристики исходного металла или сплава и прежде всего электронная структура. Легирующие элементы влияют на температуру плавления, характер дефектов кристаллической решетки, на формирование зерен и тонкой кристаллической структуры, область существования аллотропических модификаций и кинетику фазовых превращений, на дислокационную структуру, жаростойкость и коррозионную стойкость, электрические, магнитные, механические, диффузные и многие другие свойства сплавов.
Легирование подразделяют на объемное и поверхностное. При объемном легировании легирующий элемент в среднем распределяется в объеме металла. В результате поверхностного легирования легирующий элемент концентрируется на поверхности металла.
При лазерном легировании появляется возможность формировать такие поверхностные слои, которые имеют высокий уровень: твердости, теплостойкости, износостойкости, коррозионной стойкости и других характеристик .

Процессы локального легирования реализуются посредством как импульсного, так и непрерывного лазерного излучения. Результаты процесса зависят также от способа подачи в зону обработки легирующего материала, вида легирующего элемента (элементов), свойств матричного материала и многих других факторов.

Поверхностное лазерное легирование заключается в получении легированных слоев с принудительной подачей присадочных материалов непосредственно в зону действия сфокусированного лазерного излучения. Схема процесса лазерного легирования показана на рис. 1



Образец с тонким слоем легирующей обмазки при движении под лазерным лучом локально оплавляется, легирующие компоненты переходят в объем жидкой ванны металла, которая затем кристаллизуется.

Лазерное излучение, направленное на обрабатываемую поверхность, частично поглощается присадочным и основным материалами, а частично отражается. Вследствие поглощения в зоне действия лазерного излучения начинает действовать интенсивный источник теплоты. При плотностях мощности излучения - Вт/см2 происходит активный локальный разогрев присадочных материалов, при котором на поверхности ванны расплава (жидкой фазы) образуется парогазовая фаза. При лазерном легировании происходят взаимосвязанные процессы тепломассопереноса и микрометаллургические процессы. При перемещении лазерного луча расплавленный металл вследствие явления массопереноса (интегрального действия давления пара, разницы сил поверхностного натяжения в центральной и хвостовой частях ванны расплава) оттесняется в хвостовую часть ванны. В момент существования жидкого металла благодаря термокапиллярной конвекции Марангони (явление переноса вещества вдоль границы раздела двух сред, возникающее вследствие наличия градиента поверхностного натяжения.) происходит перемешивание расплавленной легирующей композиции с металлической матрицей. При этом происходит насыщение поверхности сталей легирующими элементами из композиций, образование химических соединений. При кристаллизации металла ванны расплава образуется легированный слой.

Упрощенная модель процесса лазерного легирования.



Про­цес­сы сле­ду­ют в сле­ду­ющем по­ряд­ке:

1) энер­гия ла­зер­но­го из­лу­чения пог­ло­ща­ет­ся в тон­ком слое об­лу­ча­емо­го ве­щес­тва плён­ки и прак­ти­чес­ки мгно­вен­но (τ_eр ∼ 10⁻¹¹ ÷ 10⁻¹² с) пе­реда­ёт­ся крис­талли­чес­кой ре­шёт­ке пог­ло­ща­юще­го ма­тери­ала;

2) ма­тери­ал, пог­ло­тив­ший из­лу­чение, за вре­мя ∼1 нс наг­ре­ва­ет­ся до тем­пе­рату­ры плав­ле­ния. За счёт теп­ло­вого кон­такта меж­ду плён­кой и мат­ри­цей из-за теп­лопро­вод­ности про­ис­хо­дит наг­ре­вание ма­тери­ала мат­ри­цы;

3) при со­от­ветс­тву­ющей тол­щи­не плён­ки и оп­ре­делён­ной по­рого­вой плот­ности энер­гии ла­зер­но­го из­лу­чения воз­можно од­новре­мен­ное су­щес­тво­вание рас­пла­ва ма­тери­ала плён­ки и мат­ри­цы;

4) ато­мы плён­ки и мат­ри­цы име­ют воз­можность вза­им­но пе­реме­шивать­ся в жид­кой фа­зе в те­чение вре­мени су­щес­тво­вания рас­пла­ва;

5) в ре­зуль­та­те про­цес­са диф­фу­зии фор­ми­ру­ет­ся оп­ре­делён­ное рас­пре­деле­ние ато­мов плён­ки в по­вер­хностном слое мат­ри­цы;

6) про­цесс ос­ты­вания ма­тери­ала про­ис­хо­дит в ус­ло­ви­ях быс­тро­го дви­жения фрон­та от­верде­вания со ско­рос­тя­ми ∼10 м/с от гра­ницы раз­де­ла жид­кость – твёр­дое те­ло по нап­равле­нию к по­вер­хнос­ти. Дви­жение это­го фрон­та фик­си­ру­ет кон­цен­тра­ци­он­ный про­филь ато­мов ле­гиру­юще­го эле­мен­та в по­вер­хностном слое мат­ри­цы.
Существуют следующие способы подачи легирующего элемента в зону лазерного воздействия: нанесение легирующего состава в виде порошка на обрабатываемую поверхность; обмазка поверхности специальным легирующим составом; легирование в жидкости (жидкой легирующей среде); накатывание фольги из легирующего материала на обрабатываемую поверхность; легирование в газообразной легирующей среде; удержание ферромагнитных легирующих элементов на матричной поверхности магнитным полем; нанесение легирующего состава газотермическими способами (например, газопламенным, плазменным, детонационным напылением и пр.); подача легирующего состава в зону обработки синхронно с лазерным излучением. Каждый из этих способов имеет свои достоинства и недостатки, которые определяют целесообразность его использования в конкретном случае.

Как правило, легирование импульсным излучением обеспечивает меньшие размеры легированной зоны, чем при обработке непрерывным излучением. В частности, если при импульсной обработке глубина зоны достигает 0,3…0,7 мм, то применение непрерывного излучения мощных CO2-лазеров и Nd:YAG-лазеров позволяет увеличить глубину зоны до 3 мм.

Различают:

-Лазерное легирование неметаллическими компонентами.

Наиболее распространенные неметаллические компоненты, такие как — углерод, азот и бор применяются при использовании способа с нанесением на поверхность обмазок или паст и последующим оплавлением поверхности импульсным или непрерывным лазером. (рис. 1) В этом случае технологические режимы лазерного легирования определяются параметрами лазерной обработки и толщиной слоя пасты.



Рис.2 Схема лазерного легирования с нанесением порошковой пасты на поверхность. 1 — основной металл; 2 — шликер; 3 — лазерный луч; 4 — наплавленный металл; 5 — направление затягивания порошка в расплав; 6 — направление выброса продуктов выгорания связки.

- Цементация (гидролучевая обработка).

В качестве паст или обмазок при лазерной цементации сталей можно применять растворы графита или сажи в ацетоне, спирте и других растворителях. Поскольку такие обмазки осыпаются поверхности, часто используют растворы в различных лаках: бакелитовом, пековом, каменноугольном и др. Кроме того, в состав паст добавляют активирующие добавки: буру, хлорид аммония и т.д., увеличивающие степень усвоения элемента металлом в результате активации диффузии, аналогично как и при использовании диффузионных методов получения поверхностных покрытий. Лазерную цементацию применяют для повышения твердости углеродистых сталей.



Рис.3 Схема гидролучевой обработки: 1-луч лазера 2 -жидкость 3- изделие

- Азотирование.

При лазерном азотировании в качестве паст используют аммиачную соль. Азотирование железоуглеродистых сплавов из газовой фазы проводят в азоте при высоком давлении в специальной камере. Значительно проще осуществлять газовое азотирование в струе аммиака. Для осуществления азотирования из жидкой фазы деталь помещают в жидкий азот. Лазерное азотирование применяют для увеличения твердости, износостойкости и теплостойкости деталей.

- Силицирование.

Этот процесс осуществляют либо с нанесением обмазок, содержащих порошок кремния, либо из жидкой фазы, например из суспенции силикагеля. Отличительной чертой силицирования является большая равномерность микротвердости по всему объему зоны легирования. После лазерного силицирования теплостойкость, износостойкость и коррозионная стойкость сталей значительно увеличиваются.

- Борирование

Чаще всего борирование применяют с нанесением обмазок, которые представляют собой смеси порошков бора, карбида бора, борного ангидрида, буры, а так же ферробора со связующим веществом. Борирование можно осуществлять как при оплавлении поверхностных слоев, напыленных плазмой, так и при оплавлении диффузионных покрытий. Отличием структуры борированных зон от азотированных и цементованных является отсутствие остаточного аустенита (высокотемпературная гранецентрированная модификация железа и его сплавов) , что приводит к возрастанию твердости и износостойкости.

Преимущества лазерного поверхностного легирования заключаются в следующем:

• 
  Хорошая воспроизводимость параметров и свойств поверхностного слоя;
  
• 
  Большая скорость процесса и достижение высокого качества поверхностного слоя. Возможность получения узких локальных зон с заданным химическим составом;
  
• 
  Экономия дорогостоящего легирующего материала;
  
• 
  Отсутствие необходимости в последующей термообработке;
  
• 
  Экологическая чистота процесса легирования.