Лекции по физико-химическому процессу обработки

       Лекция  № 16

       План  лекции.

1. Методы лазерной обработки поверхности.
2. Лазерное упрочнение импульсным излучением.
3. Поверхностное упрочнение непрерывным лазерным излучением

       Лазерное излучение, обладая уникальными свойствами, позволяет сконцентрировать на поверхности обрабатываемого материала энергию при плотностях мощности от предельно малых до 10¹⁷  Вт/см².  Эту энергию можно передавать материалу бесконтактно, быстро и строго дозировано. Локальность тепловых процессов, происходящих в поверхностном слое при таких условиях облучения, обеспечивает высокие (до 10^{8 0}С/с) скорости нагрева и охлаждения, не достигаемые при использовании традиционных методов термической обработки. Такие особенности тепловых процессов обусловливает широкие возможности управления эксплуатационными  характеристиками рабочих поверхностей деталей AM.

       1. Методы  лазерной обработки поверхности

         Управляя интенсивностью лазерного облучения можно реализовать различные процессы в поверхностном слое обрабатываемого материала: нагрев до температур, не превышающих температуру плавления, но достаточных для структурно-фазовых превращений, нагрев до температур превышающих температуру плавления, но ниже температуры испарения, интенсивное испарение поверхности.

       Эффекты, которые возникают в поверхностном слое обрабатываемого материала при протекании трех основных процессов, явились основой для разработки ряда методов лазерной обработки материалов, направленных на повышение эксплуатационных характеристик деталей автоматических машин.     

       Все эти методы (рис.1) в зависимости от вида используемого лазерного излучения, а также от механизма взаимодействия излучения с материалом, можно подразделить на определенные группы. К первой  группе следует отнести методы лазерной обработки, которые не вызывают оплавления или либо другого изменения исходной шероховатости поверхности и связаны только с нагревом поверхностного слоя обрабатываемого материала и последующим его охлаждением.  Управляя процессами нагрева и охлаждения, можно получить различные эффекты в поверхностном слое, в частности, термическое упрочнение, отпуск, отжиг и таким образом реализовать соответствующие им метода обработки. 
 
 
 
 
 
 
 

       Рис. 1. Методы улучшения эксплуатационных характеристик деталей машин, основанных на использовании лазерного, излучения. 

       Лазерное термическое упрочнение - процесс, при котором тонкий поверхностный слой обрабатываемого материала нагревается до температур выше температуры структурно-фазовых превращений, после чего охлаждается со сверхвысокими скоростями за счет быстрого отвода тепла в основную массу материала.

       Эффект упрочнения наблюдается преимущественно в углеродосодер-хащих и некоторых легированных специальных сталях и сплавах и заключается в образовании в поверхностном слое специфической высокодисперсной, слабо травящейся, дезориентированной в пространстве структурой. Эта структура имеет микротвердость в 1,1 - 1,5 раз превышающую микротвердость структуру основы. Глубина упрочненного слоя в зависимости от режимов упрочнения (облучения) может достигать 0,05 -3 мм.

       Процесс лазерного упрочнения может быть реализован как импульсного, так и непрерывного излучения.

       Ко  второй группе целесообразно отнести методы, обязательным условием реализации которых является наличие эффекта оплавления поверхности. Среди этих методов следует выделить термическое упрочнение, лазерную аморфизацио, поверхностное микролегирование и наплавку.

       Существенным  недостатком лазерного упрочнения в режиме оплавления является нарушение исходной шероховатости поверхности, что требует проведения финишной механической обработки.     

       Аморфизация поверхности - процесс, при котором с помощью лазерного облучения в режиме интенсивного оплавления создается в поверхностном слое обрабатываемого материала максимально возможный градиент температур. При таких условиях скорости охлаждения материала в тонком поверхностном слое толщиной 0,02 - 0,05 мм могут достигать 10⁶ – 10^{7 0}С/с, которые в ряде случаев, являются достаточными для "замораживания" разупорадоченной при оплавлении структуры, т.е перевода металла в амфорное состояние.

       Лазерное микролегирование заключается в расплавлении с помощью лазерного излучения поверхностного слоя обрабатываемого материала и введении в образовавшийся расплав легирующих элементов. Легирующие элементы в результате турбулентных процессов, возникающих от действия гидродинамических сил и наличия температурных градиентов, механически перемешиваются с материалом основы. Наряду с механическим перемешиванием имеет место и взаимная диффузия в жидкой фазе с образованием твердых растворов.

       Поверхностное микролегирование может быть реализовано с помощью импульсного и непрерывного излучения о целью повышения износостойкости, жаропрочности, теплостойкости, коррозионной стойкости и других эксплуатационных характеристик .

       К методам третьей группы, характерной особенностью которых является испарительный механизм взаимодействие лазерного излучения с материалами, следует отнести шоковое упрочнение (q=10⁹ … 10¹² Вт/см²)

       2.Лазерное упрочнение импульсным излучением

         При воздействии лазерного излучения на материал основными процессами, протекающими в его поверхностном слое и вызывающими эффект упрочнения, являются процессы нагрева и охлаждения.

       Наиболее  важной физической характеристикой этих процессов является температурное поле, значение которого позволяет определять температуру материала в любой точке ТР в различные моменты времени, скорость нагрева и охлаждения, глубину упрочненного слоя в зависимости от энергетических параметров лазерного излучения (плотности мощности, длительности лазерного импульса) и теплофизических характеристик обрабатываемого материала.     

       Расчетные зависимости, которые могут быть использованы для расчетов весьма сложны, поэтому для практики целесообразно воспользоваться табличными данными.     

       Для практической реализации процесса упрочнения необходимо достаточно точно знать количество энергии лазерного излучения, поглощенной обрабатываемым материалом. Оно определяется поглощательной способностью облучаемой поверхности, которая зависит от длины волны лазерного излучения, шероховатости поверхности, вида поглощающего покрытия, окружающей среды, числа импульсов.     

       При лазерной обработке импульсным излучением глубина упрочненного слоя закаленных сталей на 20 – 60% больше, чем у сталей обработанных в отжженом состоянии. Применение защитных сред, в качестве которых используют различные инертные газы, вызывает снижение глубины упрочненного слоя примерно на 10%.     

       Если  в одну и ту же зону лазерного воздействия направить последовательно несколько импульсов, то рост глубины упрочненного слоя наблюдается только до третьего импульса. С целью увеличения глубины упрочненного слоя целесообразно использовать импульсы максимально возможной длительности для данной плотности энергии лазерного излучения.

       Процесс упрочнения при импульсном облучении может быть реализован на базе как твердотельных так и газовых ОКГ, Предпочтительная  область применения импульсных лазерных установок ~ упрочнение прецизионных изделий с малой площадью упрочнения. В настоящее время серийно выпускаются установки типа  «Квант» (на твердотельных лазерах) и газовые

       3. Поверхностное упрочнение непрерывным лазерным излучением

          Применение непрерывного лазерного излучения позволяет существенно расширить возможность лазерного упрочнения с точки зрения увеличения производительности и надежности процесса получения упрочненного слоя достаточно большой глубины, значительного расширения диапазона регулирования режимов обработки.     

       Особенность непрерывного лазерного излучения с длиной волны =1,06 и, особенно, 10,6 для поверхностного упрочнения металлов на режимах, не приводящих к нарушению исходной шероховатости, значительная часть энергии излучения (70 – 80%) расходуется непроизводительно за счет отражения. Для увеличения поглощательной способности можно использовать покрытия из вольфрама, окиси меди, фосфатов марганца и цинка и др. Как правило, толщина покрытия составляет 30 - 50 мкм. Нанесение покрытий позволяет увеличить поглощающую способность до 90%     

       Непрерывное излучение мощных СО₂ лазеров можно сфокусировать на обрабатываемую поверхность с помощью сферической оптики. Используя такую схему можно проводить обработку полостей наружных и внутренних, плоскостей, поверхности деталей типа тел вращения.     

       В общем случае для упрочнения углеродистых и легированных сталей с целью получения максимальной твердости целесообразно использовать повышенные скорости обработки. Однако при этом наблюдается снижение глубины упрочненного слоя. Существует определенный диапазон плотностей мощности и скоростей обработки, при котором образуется ЗТВ хорошего качества. Таким условиям, в определенной мере соответствуют режимы: 10кВт/см²,  2000мм/мин:  20 кВт/см²,   3000 мм/мин.     

       Применение сканирующего лазерного излучения позволяет проводить упрочнение полосы шириной до 10 мм и выше за один проход. Упрочненный слой имеет достаточно однородную структуру, равномерную глубину не содержит характерных зон отпуска, имеющих место при многопроходной обработке.     

       Процесс непрерывного лазерного излучения может быть реализован на серийно выпускаемом оборудовании типа установок "Квант", "Катунь", "Кардамо" и др. Некоторые установки снабжены системами ЧПУ.

         При проектировании технологических процессов лазерного упрочнения необходимо учитывать следующее: высокую стоимость мощного лазерного технологического оборудования, недолговечность и большую стоимость линз и зеркал, применяемых для управления лазерным излучением в пространстве; необходимость применения для увеличения поглощающей способности облучаемых поверхностей специальных покрытий и защиты обслуживающего персонала от рассеяного лазерного излучения; сложность оперативного контроля характеристик упрочняемого слоя; обработка поверхностей имеющих большую протяжённость, имеют малую производительность. Для размещения лазерного оборудования, выпускаемого, в настоящее время требуется большие производственные площади.