ДНІПРОПЕТРОВСЬКИЙ НАЦІОНАЛЬНИЙ УНІВЕРСИТЕТ
ДНІПРОПЕТРОВСЬКИЙ НАЦІОНАЛЬНИЙ УНІВЕРСИТЕТ
Якунін Євген Олександрович
УДК 621.373.826(621.785.5),669.017.16
ВПЛИВ ЛАЗЕРНОГО ОПЛАВЛЕННЯ НА СТРУКТУРУ ТА ВЛАСТИВОСТІ СПЛАВІВ
01.04.07. – фізика твердого тіла
АВТОРЕФЕРАТ
дисертації на здобуття наукового ступеня
кандидата фізико-математичних наук
Дніпропетровськ – 2001
Дисертацією є рукопис.
Робота виконана у Дніпропетровському національному університеті Міністерства освіти і науки України.
Науковий керівник: доктор техничних наук, професор
Спиридонова Ірина Михайлівна, Дніпропетровський національний університет, професор кафедри металофізики, м. Дніпропетровськ
Офіційні опоненти: доктор фізико-математичних наук, професор Куницький
Юрій Анатолійович, Національний технічний університет України “Київський політехнічний інститут”, професор кафедри високотемпературних матеріалів та порошкової металургії, м. Київ
доктор фізико-математичних наук, професор Гіржон Василь Васильович, Запорізький державний університет, проректор з учбової роботи, м. Запоріжжя
Провідна установа: Інститут металофізики НАН України, м. Київ
Захист відбудеться “01” __червня__ 2001 р. о _14_ годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 08.051.02 при Дніпропетровському національному університеті за адресою 49050, м. Дніпропетровськ, пров. Науковий, 13.
З дисертацiєю можна ознайомитися в Науковiй бiблiотецi Дніпропетровського національного університету (49050, м. Дніпропетровськ, пров. Науковий, 13).
Автореферат розісланий “_26_” _квітня_ 2000 р.
Вчений секретар
спеціалізованої вченої ради І.М.Спиридонова
ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ
Актуальність теми. Одним із найбільш цікавих і перспективних методів поверхневої зміцнювальної обробки матеріалів є метод лазерного поверхневого оплавлення (ЛО).
Лазерна обробка з оплавленням поверхні поєднує в собі мікро-металургійний процес виплавки сплавів безпосередньо на поверхні виробів, що обробляються, з наступним надшвидким охолодженням тонкого оплавленого шару.
Специфічними особливостями ЛО є швидкоплинність нагріву; наявність градієнта температури по товщині шару, що оплавляється; неоднорідність падаючого потоку енергії та пов'язана з нею нерівномірність нагріву зони лазерного впливу. Крім того, ЛО характеризується можливістю активної участі в процесах кристалізації лазерної мікрованни кристалів рівноважних фаз, розташованих на межі оплавлення та високою чуттєвістю теплофізичних умов, що складаються в зоні лазерного впливу, до варіацій технологічних факторів.
Відомі дослідження у даній галузі переслідують в основному прикладну мету з розробки оптимальних технологічних режимів, що забезпечують максимальний ступінь зміцнення поверхневого шару. Разом з тим, суть процесів структуроутворення у ванні лазерного розплаву у цих роботах розкрита не достатньо.
Швидкоплинність процесу ЛО та мала товщина шару, що оплавляється ускладнюють безпосереднє експериментальне вивчення проблеми. В зв'язку з цим доцільно розвивати методи комп'ютерного моделювання різноманітних аспектів ЛО. Проте існуючі розробки в цій галузі вимагають подальшого розвитку в плані спільного модельного дослідження процесів переносу та процесу кристалізації в зоні ЛО.
Експериментальні та модельні дослідження сплавів, підданих ЛО актуальні як для розвитку теоретичних уявлень про закономірності фізичних явищ, що розвиваються у зоні ЛО, так і для розробки оптимальних технологічних режимів, що забезпечують досягнення в поверхневих шарах максимально поліпшених властивостей.
Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Дисертаційна робота виконувалася в рамках науково-дослідних робіт кафедри металофізики Дніпропетровського національного університету “Дослідження термодинамічних і кінетичних ефектів у поверхні та поверхневих шарах у разі
нестаціонарного впливу на поверхню твердого тіла” (Держ. Реєстр. №12195), “Вивчення квазістабільного стану та властивостей поверхневих шарів та міжфазних границь у разі нестаціонарного впливу на поверхню” (Держ. Реєстр. №068898), а також при участі автора у дослідженнях з теми “Розробка фізико-хімічних основ створення особливих структурних станів матеріалів шляхом високоенергетичних впливів” державної науково-технічної програми 05.02 “Нові металеві матеріали” (проект 05.02./06049).
Мета та задачі дослідження. Основною метою роботи є розробка теоретичних та технологічних основ створення метастабільних структурних станів в сплавах, що забезпечують поліпшення властивостей, шляхом лазерної обробки.
Для досягнення поставленої мети вирішувалися наступні задачі:
1.
Дослідити відносну схильність сплавів до формування надто пересичених твердих розчинів при гартуванні з рідкого стану методами splat-охолодження та ЛО.
2.
Вивчити механізми зміцнення оплавлених лазером поверхневих шарів.
3.
Виконати теоретичний аналіз кінетики кристалізації металів в умовах безперервного охолодження розплаву з врахуванням специфіки механізмів кристалізаційних явищ, притаманній двом способам надшвидкого гартування, що аналізуються.
4.
Розробити та реалізувати алгоритми спільного розв'язання отриманих кінетичних рівнянь із рівняннями теплопровідності стосовно до тонких шарів розплавлених металів, наведених до контакту з чужорідною підложкою або до тих, що утворюються на поверхні масивних зразків під впливом лазерного випромінювання.
5.
Провести теоретичні дослідження та створити програмне забезпечення для моделювання процесів кристалізації двокомпонентних сплавів евтектичного типу.
6.
Дослідити селективний характер взаємодії лазерного випромінювання з елементами мікроструктури гетерофазних сплавів.
Наукова новизна.
1.
Вперше із використанням широкого набору експериментальних методів дослідження виконано порівняльний аналіз механізмів формування структури та властивостей у модельних сплавах алюмінію з перехідними металами (ПМ), які приготовані двома різними методами надшвидкого гартування: splat-охолодженням та ЛО поверхні масивних зразків. Показано, що лазерна технологія завдяки участі в процесах кристалізації рівноважних фаз, що межують з розплавом, призводить до меншого ступеня структурної метастабільності. Про це, зокрема, свідчать значення граничної метастабільної насиченості марганцем, хромом і вольфрамом твердого розчину на основі алюмінію, які для сплавів, що зазнали лазерної обробки, значно (в 1.2 - 1.9 раз) поступаються показникам розчинності, що фіксуються в швидкоохолоджених фольгах, при однаковій швидкості охолодження розплаву (105 – 106 К/с).
2.
Встановлено, що основний внесок в зміцнення швидкогартованих сплавів Al-ПМ вносить ефект подрібнення структурних складових, граничним проявом якого є формування ультрадисперсного конгломерату фаз, які первинно кристалізуються в сплавах із концентрацією ПМ, що перевищує максимально можливу для даного методу надшвидкого гартування насиченість твердого розчину. Ефекти утворення перенасичених твердих розчинів, зростання пружних мікровикривлень їх кристалічної гратки та диспергування блоків мозаїки відіграють другорядну роль в явищі, що аналізується.
3.
Отриманий новий метод лазерного поверхневого легування алюмінієвих сплавів хромом, із використанням попереднього електролітичного нанесення хрому з тривалентного електроліту.
4.
Вперше виведене оригінальне кінетичне рівняння для умов безперервного охолодження розплаву, в якому враховані ефекти зменшення частоти зародкоутворення через скорочення частки рідкої фази та уповільнення процесів росту масової кристалізації.
5.
У рамках розглянутих у роботі уявлень про відмінності механізмів кристалізації в шарах рідкого металу, які твердіють на чужорідній підложці чи контактують із кристалами неоплавленої частини лазерної мішені, вперше отримані порівняльні значення критичної швидкості охолодження, при якій фіксується частково чи повністю аморфний стан. Показано, що для всіх металів, що досліджувалися, лазерна аморфізація поверхні є більш важчим процесом для реалізації, ніж некристалічне твердіння фольг, які виготовлені splat-методом.
6.
Вперше виконані теоретичні та програмні розробки, що дають можливість моделювати кристалізаційні явища в двокомпонентних сплавах евтектичного типу. Застосування створеного алгоритму до сплавів системи Au-Si дозволило розрахувати критичні швидкості гартування та склади сплавів, що склуються, які добре узгоджуються з відповідними експериментальними даними.
7.
Вперше розроблені кількісні критерії, що характеризують ступінь селективності лазерного впливу на різні за своєю тепловою властивістю елементи мікроструктури гетерофазних сплавів. Це дозволило дати теоретичне обґрунтування технології багаторазової короткоімпульсної лазерної обробки.
Практичне значення.
1.
Результати виконаних експериментальних і модельних досліджень дозволяють прогнозувати оптимальні види і режими зміцнюючої лазерної обробки з врахуванням залежності структури та характеристик на міцність оброблюваної поверхні як від варіацій технологічних факторів, так і від вихідного структурного стану лазерної мішені.
2.
Випробуваний у роботі двоступінчастий технологічний процес, що поєднує операції надшвидкого гартування та наступного штучного старіння, може бути рекомендований для практичного використання з метою досягнення максимально зміцненого стану оплавлених лазером поверхневих шарів у сплавах алюмінію з перехідними металами.
3.
Розроблений спільно з співробітниками ДХТУ метод осадження високо-адгезіонних та хімічно чистих хромових покрить із тривалентного електроліту має реальні перспективи застосування в практиці лазерної хіміко-термічної обробки як метод введення насичуючого елементу до складу лазерної мікрованни.
4.
Результати основних розділів роботи використані у звітах в темах: “Дослідження термодинамічних і кінетичних ефектів в поверхні та поверхневих шарах у разі нестаціонарного впливу на поверхню твердого тіла” (Держ. Реєстр. №12195), “Вивчення квазістабільного стану та властивостей поверхневих шарів та міжфазних границь у разі нестаціонарного впливу на поверхню” (Держ. Реєстр. №068898), “Розробка фізико-хімічних основ створення особливих структурних станів матеріалів шляхом високоенергетичних впливів” державної науково-технічної програми 05.02 “Нові металеві матеріали” (проект 05.02./06049).
Особистий внесок здобувача. У співавторстві опубліковано 7 статей і 5 тез доповідей конференцій. В роботах [1, 5, 6] здобувачем були виконані експерименти по ЛО сплавів алюмінію з перехідними металами, вивчені структура та властивості отриманих швидкоохолоджених сплавів. Особистий внесок здобувача в роботі [2] полягає в обґрунтуванні нового кінетичного рівняння неізотермічної кристалізації. Моделювання процесу ЛО із застосуванням цього рівняння було виконане здобувачем в роботі [4]. В роботі [3] були запропоновані критерії селективного впливу лазерного випромінювання на гетерофазні структури та побудована математична модель, що описує процеси впливу лазерного випромінювання на фази, що істотно розрізняються за тепловими характеристиками.
Апробація результатів дисертації. Основні результати роботи доповідалися та обговорювалися на міжнародній конференції “ЕвтектикаIV” (Дніпропетровськ, 1997 р.), міжнародній конференції “Наука та освіта 98” (Дніпропетровськ, 1998р.), конференції “Плазмотехнологія 97” (Запоріжжя, 1997р.), міжнародній конференції “Лазерні і фізико-технічні методи обробки матеріалів” (Алушта, 1997 р.), V міжнародній науково - технічній конференції “Машинобудування та техносфера на рубежі XXI сторіччя” (Донецьк, 1998 р.).
Публікації. За матеріалами дисертації опубліковано 7 статей, із них одна у журналі “Доповіді НАН України" та дві у збірниках праць Дніпропетровського національного університету, 5 тез доповідей у збірниках праць конференцій.
Обсяг та структура дисертації. Дисертація викладена на 216 сторінках друкованого тексту. Робота складається з вступу, 6 розділів, висновків, списку використаних джерел, що включає 165 джерел (18 стор.) та додатка (6 стор.). Дисертація ілюстрована 68 рисунками (44 стор.) та 18 таблицями (14 стор.).
ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ
У вступі обґрунтована актуальність теми дисертаційної роботи, сформульовані мета та задачі досліджень, вказана наукова новизна та практична значимість отриманих результатів.
Перший розділ присвячений огляду літературних даних щодо теми дисертації та обґрунтуванню основних напрямків досліджень. Дана класифікація основних видів лазерної термічної обробки матеріалів в залежності від тривалості та потужності випромінювання, а також розглянуті основні фізичні процеси, що відбуваються при взаємодії лазерного випромінювання з поверхнею матеріалу, що обробляється.
Відзначено, що відмінною особливістю ЛО як методу поверхневої обробки є висока технологічність і контрольованість процесу. З іншого боку, основною специфічною особливістю ЛО як одного з методів гартування з рідкого стану є можливість активної участі в процесах кристалізації лазерної мікрованни кристалів рівноважних фаз, які розташовані на межі оплавлення.
Проведено порівняльний аналіз метастабільних структурних станів, що фіксуються в сплавах за допомогою традиційної та лазерної технології гартування з рідкого стану. Відзначено, що лазерна аморфізація помітно ускладнена в порівнянні з аморфізацієй splat-методом, проте причини цього достатньо чітко не виявлені. Закономірності розширення області твердих розчинів при ЛО практично не досліджені, так як у роботах, що публікуються, використовувались багатокомпонентні промислові сплави.
Розглянуто вплив вихідного стану матеріалу, що обробляється, на процеси структуроутворення в оплавлених поверхневих шарах. Відзначено, що ідеальний контакт лазерної мікрованни розплаву з кристалами рівноважних фаз, що залягають на межі оплавлення, сприяє росту на їхній поверхні ізоструктурних їм кристалічних фаз вглиб оплавленої зони.
Аналізуються роботи, в яких розробляються математичні моделі процесів надшвидкого твердіння. Публікації, які присвячено моделюванню лазерної аморфізуючої обробки небагаточисельні та в них не достатньо повно враховується специфіка ЛО. Таким чином, зроблено висновок, що проблема побудови моделі ЛО, що комплексно враховує як аспекти теплопереносу, так і кристалізаційних процесів у зоні оплавлення, вимагає подальшого розвитку досліджень в даному напрямку.
У кінці першого розділу поставлені задачі дослідження.
В другому розділі наведені склад та методика приготування сплавів, що досліджуються. Надані режими splat-гартування, ЛО та лазерного легування. Описані методи дослідження структури та властивостей швидкоохолоджених сплавів. Представлена методика чисельного моделювання процесу надшвидкого твердіння із застосуванням ЕОМ.
Сплави систем Al-Mn, Al-Cr, Al-W, Al-V виплавлялися в селітовій печі з чистого алюмінію АВ000 та заздалегідь виплавлених лігатур.
Для лазерної обробки використовувався імпульсний лазер “ГОС-1001” з тривалістю імпульсу 10-3с. Енергія лазерного імпульсу контролювалась за допомогою твердотільного калориметричного вимірювача “ИКТ-1Н”. Вона варіювалася від 300 до 700 Дж, відповідно, глибина оплавлення змінювалася від 20 до 120 мкм. Для попереднього нанесення легуючого компоненту (хрому) на алюміній використовувався електроліт “ДХТІ-3ХРОМ”.
Швидкоохолодженні фольги товщиною 30 - 100 мкм одержували шляхом розподілу малої порції розплаву по внутрішній поверхні мідного циліндра, що швидко обертався. Початкова швидкість охолодження фольг (105 – 106 К/с) оцінювалася за відомими залежностями від товщини та шляхом чисельного розв'язання теплової задачі.
Для дослідження процесів розпаду пересиченого твердого розчину в оплавлених зразках застосовувались ізохронічні відпали (30 хв.) при температурах від 100 до 600 С.
Для мікроструктурних досліджень виготовлялися шліфи у перпендикулярному до площини лазерної обробки перерізі.
Електронноскопічні дослідження та рентгенівський мікроаналіз зразків проводилися на растровому електронному мікроскопі “РЭММА 202-м”. Застосовувались збільшення від 150 до 3500.
Дослідження фазового складу, визначення параметру кристалічної гратки та дослідження параметрів тонкої структури твердого розчину виконувалися на рентгенівському дифрактометрі “ДРОН-2.0” в монохроматизованому Cu-K випромінюванні.
Виміри механічних властивостей проводилися на мікротвердомірі “ПМТ-3”, із застосуванням статистичної обробки отриманих даних.
Комп'ютерне моделювання здійснювалося із використанням ПЕОМ ІВМ-ХТ/АТ з процесором PENTIUM.
У третьому розділі проведено порівняльний аналіз структури та властивостей сплавів алюмінію з перехідними металами (Cr, Mn, V, W), загартованих з рідкого стану методами splat-охолодження та ЛО.
Дані рентгеноструктурного аналізу свідчать про те, що насиченість твердого розчину в оплавлених лазером поверхневих шарах зразків, рівно як і у splat-загартованих фольгах, значно перевищує максимальну рівноважну розчинність. Характер концентраційної залежності параметру гратки для обох методів в цілому подібний та узгоджується з відомими літературними даними. Дані залежності містять ділянки лінійного зменшення параметру гратки, яким відповідає однофазний структурний стан твердого розчину. При великому вмісті легуючого компоненту параметр гратки різко зростає (РИС. 1), та фазовий склад відповідних зразків включає у себе також інтерметалеві фази (Al4Mn, Al7Cr, Al3V). Проте максимальне пересичення твердого розчину для методу ЛО нижче (у 1.4 - 3.3 рази для різних систем), ніж для splat-методу.
Оплавлений шар має чітко виражену двошарову структуру: безпосередньо від межі оплавлення на готовій поверхні розділу рідина –кристал ростуть стовпчасті кристали як твердого розчину, так і інтерметалідів; в верхній зоні розплаву формується ультрадисперсна суміш рівновісних зерен, що гомогенно зародилися.
Рівень мікровикривлень кристалічної гратки твердого розчину та ступінь дисперсності блоків когерентного розсіювання збільшуються при підвищенні концентрації ПМ в концентраційному інтервалі формування структури однорідного пересиченого твердого розчину.
Застосування циклічного ЛО призводить до більш повного розчинення недооплавлених зерен інтерметалічних фаз, зменшення концентраційної неоднорідності та підвищення максимальної насиченості твердого розчину. Однак і після багаторазової обробки насиченість твердого розчину оплавлених сплавів залишається істотно нижчою (у 1.2 - 1.9 разів), ніж splat-загартованих.
Згідно оцінок, які виведені на підставі розв'язання теплової задачі методом кінцевих різниць, початкові швидкості охолодження для ЛО та splat-методу співпадають за порядком (~105 - 106 K/c). Тому менший ступінь мета-стабільності структури оплавлених лазером сплавів можна пояснити наступними причинами:
-при ЛО твердий розчин та інтерметалічні фази оплавляються в різній мірі за рахунок різниці їхніх теплових властивостей і малого часу нагріву;
-при кристалізації тонкого розплавленого лазером поверхневого шару, на відміну від гартування з рідкого стану splat-методом, кристалізація здійснюється не лише за гомогенним механізмом, але ще й шляхом проростання матричних кристалів підложки вглиб розплаву.
Надто пересичений твердий розчин формується в умовах глибокого переохолодження розплаву, коли з'являється термодинамічний стимул до кристалізації твердого розчину відповідної концентрації. Незважаючи на те, що термодинамічний стимул до кристалізації рівноважного твердого розчину вище, формування метастабільного сильно пересиченого твердого розчину більш вигідно з кінетичної точки зору, так як не обмежене порівняно повільним процесом дифузії. Однак проростання матричних кристалів вглиб розплавленого лазером шару починається практично одразу ж після досягнення розплавом температури ліквідусу. Інтенсивне тепловиділення, яке викликане кристалізацією від межі оплавлення, зменшує швидкість охолодження та, відповідно, максимальне переохолодження розплаву. В умовах меншого переохолодження термодинамічно можлива кристалізація лише менш насиченого твердого розчину. Крім того, у сплавах всіх досліджених систем інтерметалічна фаза є фазою, що веде кристалізацію. При наявності готових центрів кристалізації, що має місце у випадку ЛО, інтерметалічна фаза, яка
проростає першою у розплав від підложки, збіднює його легуючим компонентом. В результаті цього твердий розчин далі кристалізується вже зі збідненого розплаву. Таким чином, вище перераховані особливості ЛО пояснюють менший ступінь метастабільності структури оплавлених лазером поверхневих шарів сплавів, у порівнянні з загартованими з рідкого стану фольгами тих же сплавів, при однакових умовах охолодження.
Оплавлена лазером поверхня сплавів, так само як і splat-загартовані фольги має істотно більш високу (в 3 – 6 разів) мікротвердість, у порівнянні з твердим розчином у литому стані. Було встановлено, що зміцнення швидкоохолоджених сплавів зумовлене збільшенням насиченості твердого розчину, збільшенням ступеня мікровикривлення кристалічної гратки, подрібненням областей когерентного розсіювання, а також утворенням структури ультрадисперсного конгломерату фаз у зразках із великим вмістом перехідних металів. Ступінь твердорозчинного зміцнення при лазерному оплавленні та при splat-гартуванні співпадають. Концентраційна область твердорозчинного зміцнення у другому методі ширше, що співпадає із даними рентгеноструктурного аналізу. Тим не менше, утворення ультрадисперсного конгломерату фаз більш ефективне як механізм зміцнення. Найбільші значення мікротвердості відповідають тим складам сплавів, при яких знижуються як насиченість твердого розчину, так і рівень мікровикривлень його кристалічної ґратки (рис. 1). Це дозволяє істотно підвищувати твердість поверхневого шару за допомогою лазерного оплавлення без формування надто пересиченого твердого розчину до рівня 800 – 1900 МПа для різних систем.
Характеристики на міцність оплавлених шарів сплавів можуть бути додатково підвищені на 15 – 30 % за допомогою штучного старіння.
Досліди з поверхневого лазерного легування алюмінію хромом дозволили запропонувати новий метод електролітичного попереднього нанесення хрому з тривалентного електроліту. У порівнянні із нанесенням клейових обмазок та вдуванням порошку в зону оплавлення цей метод дозволяє забезпечувати достатньо добру хімічну чистоту та кращу контрольованість хімічного складу в зоні легування. Від електроосадження із шестивалентного електроліту він вигідно відрізняється доброю адгезією та відсутністю сколювання покриття при нагріві. Лазерне легування також призвело до утворення надто пересиченого твердого розчину. Для отримання в легованому поверхневому шарі максимального ступеня пересичення твердого розчину та найбільшої однорідності структури необхідна багаторазова лазерна обробка.
У четвертому розділі представлені результати математичного моделювання процесів теплопереносу та кристалізації у тонких шарах рідких металів, підданих гартуванню з рідкого стану splat-методом та за допомогою ЛО. Дослідження проводили шляхом спільного розв'язання теплової та кінетичної задач. При постановці теплової задачі припускали, що температура шару розплаву не змінюється по його товщині, а тепловий потік від розплаву до підложки є односпрямованим. З цими припущеннями отримували систему трьох диференційних рівнянь, які включають рівняння теплопровідності для напівбезкінечної одновимірної підложки, граничну умову для підложки, яка контактує із шаром рідкого металу, та рівняння теплового балансу для плівки розплаву, яку вирішували чисельним методом кінцевих різниць.
Специфічні особливості методів надшвидкого гартування, що аналізуються, віддзеркалювали шляхом завдання різних значень коефіцієнту тепловіддачі на межі розплав-підложка: h=2, 5 - 3.0 МВт/(м град) для splat-методу та h для методу ЛО. При моделюванні кристалізаційних явищ виходили з того, що у випадку splat-методу відбувається гомогенна кристалізація розплаву, у той час як лазерна мікрованна кристалізується за допомогою двох конкуруючих механізмів: шляхом просування у розплав від межі оплавлення фронту матричних кристалів, а також гомогенного зародкоутворення та наступного зростання кристалів у шарах розплаву, що лежать над цим фронтом. Розрахунки здійснювали із використанням оригінального кінетичного рівняння (1), що виведено стосовно до неізотермічних умов і враховує зниження темпу зародження кристалів внаслідок зменшення вільного об'єму рідкої фази, а також уповільнення процесів росту за рахунок блокування міжфазних границь сусідніми кристалами:
, (1)
де I - швидкість утворення кристалічних зародків; Rk -радіус критичного зародка; u - швидкість росту кристалів; t', t, - різні моменти часу охолодження розплаву. Кінетичні параметри I, Rk, u визначали за допомогою рівнянь, що традиційно використовують у теорії кристалізації для механізмів гомогенного зародкоутворення та нормального росту.
Розроблений алгоритм моделювання застосовували для вивчення режимів охолодження та особливостей розвитку процесів кристалізації при надшвидкому гартуванні ряду чистих металів (Al, Cu, Ni), один з яких (Ni), згідно з експериментальними даними, може бути переведений до аморфного стану splat-методом.
Результати виконаних розрахунків показують, що швидкість охолодження розплаву Q в методах надшвидкого гартування, що аналізуються, залежить від різноманітних факторів, до числа яких відносяться: товщина L шару рідкого металу; якість теплового контакту розплаву із підложкою, що визначається величиною коефіцієнту тепловіддачі h; теплопровідність матеріалу підложки та її температура. Наприклад, при варіюванні параметрів L та h в межах одного порядку величини швидкість охолодження зазнає адекватної (в 10 разів) зміни. Інші фактори є менш значущими. Так, використання як матеріалу підложки металів, коефіцієнти теплопровідності яких мають значення від 18 до 400 Вт/(м К), дозволяє добитися зміни величини Q менше ніж у 2 рази, а попереднє охолодження підложки до 10 К призводить до підвищення Q лише приблизно на 25%.
У випадку лазерної технології важливе значення має також тривалість імпульсу випромінювання , що визначає ступінь попереднього прогріву неоплавлених шарів мішені. Вплив розглянутого фактора на величину Q ілюструють наступні дані. При ЛО нікелю на глибину 1 мкм по мірі скорочування величини від 10-3 до 10-9с швидкість охолодження оплавленого шару збільшується від 4,2107 до 5,61010 К/с. Таким чином, швидкість охолодження при гартуванні з рідкого стану splat-методом, в основному, визначається товщиною шару розплаву та величиною коефіцієнту тепловіддачі на його межі із підложкою, а при ЛО поверхні масивних зразків - глибиною проплавлення та тривалістю лазерних імпульсів.
Характерною особливістю splat-технології є те, що масова кристалізація металів починається при великих переохолодженнях T розплаву відносно до рівноважної температури плавлення. Величина T збільшується із зростанням швидкості охолодження. Наприклад, при splat-охолодженні нікелю зі швидкостями, що змінюються в інтервалі значень ~102 5109 К/с, ступінь переохолодження розплаву зростає від 319 до 679 К. При досягненні деякої граничної швидкості охолодження наступає спочатку часткове (рис. 2а), а після цього і практично повне (рис. 2б) стримання кристалізації.
Результати моделювання показують, що з трьох досліджуваних у роботі металів найбільшу схильність до некристалічного твердіння виявляє нікель, для якого критична швидкість гартування QК, що спричиняє аморфізацію, складає 61010 К/с, що задовільно узгоджується з відомими експериментальними даними. Мідь та алюміній характеризуються більш високими значеннями QК, що дорівнюють ~ 1012 та 51013 К/с, відповідно. Аналіз факторів, сприятливих отриманню металів у аморфному стані, свідчить, що в порівнянні із міддю та алюмінієм нікелю притаманні підвищені значення енергії активації дифузії та коефіцієнту поверхневого натягу на межі розділу рідкої та кристалічної фаз. В свою чергу, названі параметри зумовлюють більш низькі значення основних кінетичних характеристик – частоти зародкоутворення та лінійної швидкості росту кристалів, а, отже, і більшу схильність нікелю до аморфізації в умовах високошвидкісного охолодження розплаву.
Принциповою відмінністю методу лазерного надшвидкого гартування є те, що процеси росту матричних кристалів, що залягають на межі оплавлення починаються вже при невеликих переохолодженнях розплаву, внаслідок чого ці процеси виявляються менш чутливими до режиму охолодження та розвиваються у значно більш широкому інтервалі температур, аніж кристалізація, пов'язана зі спонтанним утворенням зародків. Формування зони стовпчастих кристалів викликає розігрів приграничних дільниць розплаву, що в тій чи іншій мірі знижує ступінь його переохолодження та робить менш ймовірним стримання гомогенної кристалізації у верхніх горизонтах лазерної мікрованни. Означені причини пояснюють більш високий рівень критичних швидкостей охолодження ( 1012 1014 К/с), що, згідно результатам моделювання, викликають аморфізацію оплавленої лазером поверхні досліджених металів.
В п'ятому розділі викладені результати моделювання процесів теплопереносу та кристалізації, що протікають в умовах надшвидкого загартування бінарних сплавів, евтектичної системи Au-Si, що характеризується практично повною відсутністю розчинності компонентів у твердому стані.
Розв'язання теплової задачі виконували з врахуванням впливу на режим охолодження тонкого шару розплаву ефектів виділення теплоти кристалізації та прогріву контактуючих із розплавом шарів підложки. Для методу лазерного оплавлення поверхні враховували також попередній нагрів мішені за час дії імпульсу випромінювання.
При розробці кінетичних аспектів моделі зважали на необхідність виникнення концентраційних флуктуацій у розплаві при зародженні кристалів чистих компонентів, вплив концентрації розплаву на значення термодинамічного стимулу кристалізації та гальмуючу дію на ріст кристалів скупчень атомів другого компоненту в вузькій прифронтовій зоні.
Модельні дослідження проводили для п'яти сплавів з концентрацією кремнію від 5 до 80 ат.%, які одержані методами splat-охолодження та лазерного оплавлення поверхні. Зміни режиму охолодження досягали варіюванням товщини шару розплаву в межах від 1 до 100 мкм.
Результати виконаного аналізу показують, що на кривих охолодження досліджених сплавів виявляються як критичні точки, відповідні первинній кристалізації надлишкових фаз, так і ознаки нонваріантного евтектичного перетворення. Кожному з цих типів перетворень передує деяке переохолодження Т рідкого розчину з наступним різким підвищенням температури. Зменшення товщини шару розплаву L, рівнозначне збільшенню швидкості його охолодження Q, призводить до більш нерівноважних умов кристалізації: виділення надлишкових фаз у до- та заевтектичних сплавах з'являється при більших переохолодженнях, ці процеси розвиваються в більш широких температурних інтервалах, а частка об'єму, що кристалізується шляхом спільного росту евтектичних фаз, зменшується. При фіксованих значеннях L ступінь первинного переохолодження розплаву підвищується з наближенням концентрації сплаву до евтектичної точки.
Вивчення впливу різноманітних факторів на характер температурних кривих та особливості розвитку кристалізаційних процесів свідчать про те, що скупчення атомів другого компоненту перед фронтом зростаючих кристалів супроводжується помітним зростанням ступеня переохолодження розплаву. Це спричиняє також зменшення, принаймні, на порядок величини критичної швидкості загартування QK, яка викликає аморфізацію сплавів. Крім того, розглянутий фактор є відповідальним за зміну конкурентноздатності механізмів структуроутворення, які діють у зоні лазерного оплавлення, на користь механізму гомогенної кристалізації.
При використанні splat-методу найбільшу схильність до некристалічного твердіння виявляє сплав Au88Si12. У цьому сплаві цілком аморфний стан (x<10-6) фіксується у фольгах товщиною ~80 мкм, що відповідає величині QK106K/c. При зменшенні товщини фольг до 10 мкм межі області утворення аморфної фази симетрично зміщуються у протилежні боки концентраційної осі до значень ~10 та 14% Si (рис. 3).
У випадку лазерної технології надшвидкого гартування, оплавлені шари такої ж товщини (10 мкм) зазнають лише часткової аморфізації (x10-4), причому, за характером відповідної кривої (рис. 3), склад сплаву, який найбільш легко склуюється, (Au85Si15) наближається до евтектичної точки на діаграмі стану системи Au-Si. Виявлена модельними дослідженнями менша схильність сплавів до аморфізації в умовах лазерного оплавлення поверхні пояснюється тим, що на відміну від шарів розплаву, які контактують із чужорідною підложкою, лазерна мікрованна може кристалізуватися за допомогою двох альтернативних механізмів.
У шостому розділі дисертації теоретично оцінена можливість селективного впливу лазерного випромінювання, необхідні для цього параметри випромінювання та співвідношення між розмірами та тепловими властивостями різних фазових виділень. На початковому етапі без врахування теплообміну між сусідніми зернами різних фаз розраховувалася необхідна потужність випромінювання, при якій поверхня однієї з фаз встигає оплавитися під час впливу випромінювання, а поверхня іншої фази ні. Було запропоновано параметр , по якому можна оцінити ймовірність селективного лазерного впливу: чим сильніше відрізняється від одиниці в той чи інший бік, тим більше ця ймовірність.
, (2)
де T0 - початкова температура сплаву, Tпл, , , с - температура плавлення, теплопровідність, щільність та теплоємність кожної з фаз.
Якщо починає першою плавитися фаза, що має більшу температуру плавлення, очевидно виникне тепловий потік до зерна сусідньої фази, що ще не плавиться. Це буде зменшувати ступінь селективності впливу випромінювання. Був оцінений граничний розмір фазових виділень, при якому цей тепловий потік буде значно менший потужності лазерного випромінювання, що поглинається, й, отже, ним можна буде знехтувати.
, , (3)
де r - питома теплота плавлення, Tm –максимальна різниця температур між зернами двох різних фаз.
Нами була оцінена можливість селективного впливу лазерного випромінювання на деякі евтектичні сплави, що складаються з двох твердих розчинів із малою розчинністю іншого компоненту. Для тих систем, у яких першою оплавляється фаза з більшою температурою плавлення, граничний розмір зерна коливається від 50 до 200 мкм для тривалості імпульсу =10-3с, та 2 - 6 мкм для =10-6с. Необхідна щільність потужності випромінювання, що поглинається, знаходиться в межах від 108 до 109 Дж/(м2с) для =10-3с, та від 1010 до 1011 Дж/(м2с) для =10-6 с.
Проте на можливість селективного лазерного впливу, наприклад, у випадку евтектичних систем накладає обмеження також контактне плавлення на межі двох фаз. Було показано, що можливість контактного плавлення дасть менш суворе обмеження селективного впливу, ніж можливість теплообміну між різними фазами. Це обумовлено тим, що процеси теплопереносу не пов'язані із переміщеннями атомів на відстані більші розміру атому, на відміну від процесів дифузії.
У додатку дано вивід кінетичного рівняння кристалізації.
Висновки
У роботі досліджені структура та властивості сплавів, які оплавлені лазером. Запропонована математична модель твердіння оплавлених поверхневих шарів чистих металів та сплавів. Шляхом експериментальних та модельних досліджень було проведено порівняльний аналіз двох методів гартування з рідкого стану: splat-методу та лазерного оплавлення. В ході виконання роботи отримані слідуючи результати:
1.
З використанням модельних двокомпонентних сплавів доведена можливість формування надто пересичених твердих розчинів у сплавах алюмінію з перехідними елементами, отриманих методом лазерної обробки з оплавленням поверхні. Для різних систем, що досліджувалися, величина граничної метастабільної насиченості -твердого розчину перевищує значення максимальної розчинності, що передбачена рівноважними діаграмами стану, від 2.8 до 33,0 раз.
2.
Лазерна технологія призводить до меншого ступеня структурної метастабільності у сплавах алюмінію з перехідними металами у порівнянні з традиційними методами надшвидкого гартування при рівних швидкостях охолодження. Встановлено, що це обумовлене можливістю росту кристалів рівноважних фаз від межі оплавлення.
3.
Показано, що при використанні імпульсного режиму опромінювання ступінь насиченості твердого розчину, а також однорідності мікроструктури зони лазерної обробки збільшуються із зростанням числа циклів оплавлення поверхні. Згідно одержаних даних, ефективність циклічної лазерної обробки зростає із збільшенням числа циклів від одного до трьох, після чого структурний стан поверхні залишається практично незмінним. Це дозволяє рекомендувати режим триразового оплавлення поверхні литих сплавів алюмінію з перехідними металами або деталей із заздалегідь нанесеними легуючими покриттями як спосіб, що суміщає гомогенізуючу та зміцнюючу лазерну обробку.
4.
Показано, що лазерне надшвидке гартування сплавів алюмінію з перехідними металами супроводжується збільшенням усереднених значень твердості поверхні до рівня 800 - 1900 МПа, які в 3 - 6 разів перевищують дюраметричні характеристики литих сплавів. Мікротвердість оплавлених шарів може бути додатково підвищена на 15 – 30 % за допомогою штучного старіння.
5.
Встановлено, що ефект зміцнення поверхні при насиченні алюмінію перехідними металами обумовлено формуванням надто пересичених твердих розчинів, збільшенням рівня мікровикривлень його кристалічної ґратки та, у найбільшому ступені, утворенням у зоні ЛО структури ультрадисперсного конгломерату фаз.
6.
Отримано оригінальне кінетичне рівняння кристалізації металів в умовах високошвидкісного охолодження рідкої фази, що враховує основні нюанси кристалізаційних явищ, характерні для методів splat-охолодження та лазерного оплавлення поверхні. Розроблено алгоритм узгодженого розв'язання отриманого кінетичного рівняння з рівняннями теплопровідності, два варіанти яких віддзеркалюють особливості відводу теплоти від тонких шарів розплаву до масивної чужорідної підложки або у неоплавлені лазерним випромінюванням шари оброблюваного матеріалу.
7.
Методом комп'ютерного моделювання вивчені закономірності структуроутворення при гартуванні металів з рідкого стану двома альтернативними способами. Показано, що з трьох досліджених металів (Al, Ni, Cu), в згоді з відомими експериментальними результатами, лише нікель може бути зафіксований у аморфному чи аморфно-кристалічному стані за допомогою splat-методу. Доведено, що ця особливість нікелю обумовлена відносно більш високими значеннями енергії активації дифузії та коефіцієнту поверхневого натягу на межі кристал-розплав. Встановлено, що лазерна технологія не дозволяє досягнути високого рівня метастабільності структури внаслідок активної участі у процесах кристалізації рівноважних фаз, розташованих на межі оплавлення.
8.
Розроблені теоретичні основи та обчислювальні алгоритми для моделювання процесів кристалізації, що розвиваються при гартуванні з рідкого стану двокомпонентних сплавів евтектичного типу, які випробувані на прикладі сплавів системи Au-Si, що склується. Одержана задовільна згода результатів моделювання із дослідницькими даними відносно концентраційних інтервалів та критичних швидкостей формування аморфних фаз у досліджених сплавах.
9.
Теоретичні оцінки процесів теплообміну та контактного плавлення на межі зерен різних фаз дозволили обґрунтувати можливість селективного впливу лазерного випромінювання на структурні складові сплавів з різними тепловими властивостями, а також розрахувати режими опромінювання та граничні розміри фазових виділень, при яких стає можливим оплавлення лише однієї фази сплаву.
Перелік робіт, опублікованих за темою дисертації
1.
Якунин А.А., Лысенко А.Б., Якунин Е.А. Влияние лазерного облучения и закалки из жидкого состояния на структуру и свойства сплавов AlCr // Вісник Дніпропетровського університету. Фізика. Радіоелектроніка. – 1998. – Вип. 3, Т. 1. – С. 2430.
2.
Якунин А.А., Якунин Е.А. Моделирование процесса затвердевания в двухкомпонентных системах // Вісник Дніпропетровського університету. Фізика. Радіоелектроніка. – 1999. – Вип. 4, Т. 1. – С. 2332.
3.
Спиридонова И.М., Якунин Е.А., Якунин А.А. Особенности лазерного влияния на поверхность эвтектических сплавов // Доповіді НАН України. 2000. №12. С. 107111.
4.
Борисова Г.В., Якунин Е.А., Лысенко А.Б. Моделирование условий аморфизации металлических сплавов при лазерной обработке с оплавлением поверхности // Международный сборник научных трудов “Прогрессивные технологии и системы машиностроения”. – 1998. Вып. 6, Т. 1, С. 104106.
5.
Гаркуша И.П., Якунин Е.А. Исследование метастабильного структурного состояния в сплавах AlCr, полученного лазерным оплавлением // Науковий вісник Національної гірничої академії України. – 1998. №2. – С. 7475.
6.
Якунин Е.А., Гаркуша И.П., Якунин А.А. Исследование влияния характера исходной структуры на поверхностный слой, обработанный лучом лазера // Сборник научных трудов Национальной горной академии Украины. Высокоэнергетическая обработка материалов. – 1999. №8. – С. 152155.
7.
Лысенко А.Б., Козина Н.Н., Якунин Е.А. Моделирование процесса аморфизации металлов в условиях закалки из жидкого состояния // Збірка наукових праць Дніпродзержинського державного технічного університету, серія “Металургія”. 1998. С. 4447.
8.
Якунин Е.А., Якунин А.А., Лысенко А.Б. Исследование и моделирование затвердевания тонких пленок после лазерного оплавления сплавов // Збірник наукових праць міжнародної наукової конференції “Евтектика 4”. – Дніпропетровськ. –1997. – С. 70.
9.
Якунин Е.А., Якунин А.А., Лысенко А.Б. Моделирование процессов затвердевания при лазерном оплавлении // Материалы конференции “Лазерные и физико-технические методы обработки материалов”. – Алушта. – 1997. – С. 1416.
10.
Якунин Е.А., Гаркуша И.П, Структура и свойства сплавов AlCr, обработанных лучом лазера // Матеріали першої міжнародної конференції “Наука і освіта ‘ 98”. Фізико-математичні науки. Дніпропетровськ – Одеса – Кривий Ріг – Київ – Харків – Дніпродзержинськ. – 1998. – С. 414.
11.
Спиридонова И.М., Лысенко А.Б., Якунин Е.А. Влияние лазерного оплавления на структуру и свойства сплавов AlV // Сборник трудов научной конференции “Плазмотехнология-97”. – Запорожье. – 1997. – С. 109112.
12.
Якунин Е.А., Якунин А.А., Спиридонова И.М. Исследование и моделирование затвердевания тонких пленок после лазерного оплавления сплавов // Материалы 3-й международной конференции “Физические явления в твердых телах”. Харьков: Харьковский государственный университет. 1997. С.102.
АНОТАЦІЯ
Якунін Є. А. Вплив лазерного оплавлення на структуру та властивості сплавів. - Рукопис.
Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата фізико-математичних наук зі спеціальності 01.04.07 - фізика твердого тіла. – Дніпропетровський національний університет, Дніпропетровськ, 2001.
Дисертація присвячена проблемі утворення структури й зміцнення сплавів в результаті лазерного оплавлення. Аналізується відповідність процесів формування метастабільного структурного стану при лазерній обробці та у випадку інших методів загартування з рідкого стану. Показано, що основним механізмом зміцнення оплавленої лазером зони є формування структури ультрадисперсного конгломерату фаз. Запропонована математична модель твердіння оплавленого лазерним променем поверхневого шару чистих металів та сплавів. Встановлено, що лазерна аморфізація менш імовірна, ніж аморфізація splat-методом. Виявлені основні причини, що ускладнюють при лазерному плавленні формування структури сплавів із максимальним ступенем метастабільності. Це ріст кристалів від межі оплавлення без попереднього утворення центрів кристалізації та неоднаковий ступінь оплавлення фаз сплавів.
Ключові слова: гарт з рідкого стану, лазерна обробка, метастабільність, аморфність, пересичення.
АННОТАЦИЯ
Якунин Е.А. Влияние лазерного оплавления на структуру и свойства сплавов – Рукопись.
Диссертация на соискание научной степени кандидата
