Получение упрочняющих покрытий из аморфизируемых сплавов Fe-Cr-Si-B-C лазерно-плазменными методами

Обложка

Цитировать

Полный текст

Аннотация

Введение. В последние годы в Институте лазерной физики разработаны основы лазерно-плазменных методов модификации поверхности и микропорошкового нанесения покрытий. Методы основаны на применении плазмы оптического пульсирующего разряда, который зажигается повторяющимися с высокой частотой следования (10…120 кГц) импульсами излучения СО2-лазерной системы генератор-усилитель (длительность импульсов на полувысоте τ = 150…200 нс), сфокусированными на обрабатываемой поверхности в газовом или газопорошковом потоке. Ведутся работы по поиску новых актуальных применений данных методов. Интерес к получению аморфных металлических покрытий на поверхности конструкционных материалов не ослабевает во всем мире на протяжении нескольких десятилетий из-за их выдающихся физических, химических и механических свойств. Цель работы: получение упрочняющих покрытий из аморфизируемых сплавов системы Fe-Cr-Si-B-C, исследование возможности получения аморфной структуры покрытий лазерно-плазменными методами. Теория. При интенсивном тепловом воздействии пульсирующей лазерной плазмы на поверхность металлических сплавов проведено численное моделирование зависимости толщины аморфизированного слоя от свойств материала, параметров лазерного излучения и лазерной плазмы. Методика экспериментального исследования. Эксперименты проводились в два этапа на созданной в институте технологической установке. Сначала методом лазерно-плазменного нанесения получали сплошные покрытия из порошков марок ПР-Х4ГСР (Fe71.75Cr3.33Si3.54B14.10C4.81Mn1.74V0.73) и ПР-Х11Г4СР (Fe66.8Cr10.79Si5.3B11.42C2.85Mn2.84) на поверхности стальных подложек. Затем проводили быструю лазерно-плазменную модификацию поверхности покрытий для переплава тонкого поверхностного слоя. Результаты и обсуждение. Численными методами для сплавов системы Fe-Si-B теоретически показана возможность получения аморфного слоя толщиной 3…5 мкм, определен требуемый диапазон параметров лазерно-плазменной модификации. Измерена твердость и определена толщина получаемых покрытий в зависимости от параметров нанесения. Твердость, измеренная методом наноиндентирования, составляет 12 ± 1 ГПа для покрытия из порошка ПР-Х4ГСР и 8,5 ± 0,7 ГПа – для ПР-Х11Г4СР, толщина покрытий 0,1///0,4 мм. Структура покрытий исследована при помощи оптической микроскопии, РЭМ и рентгеновской дифракции. Показано, что лазерно-плазменная модификация поверхности приводит к измельчению структуры в поверхностном слое покрытий. Характерный размер кристаллитов составляет 0,5…1 мкм. Твердость переплавленного слоя при этом возрастает до значений 13,8 ± 0,7 ГПа для сплава ПР-Х4ГСР и до 10,5 ± 0,5 ГПа – для сплава ПР-Х11Г4СР. Аморфная фаза в переплавленном слое покрытия не обнаружена что, вероятно, объясняется увеличением критической скорости охлаждения при лазерной аморфизации в сравнении с традиционными методами закалки из расплава.

Об авторах

М. Н. Хомяков

Email: mnkhomy@laser.nsc.ru
м.н.с., Институт лазерной физики СО РАН, mnkhomy@laser.nsc.ru

П. А. Пинаев

Email: pavel_academ@mail.ru
Институт лазерной физики СО РАН, pavel_academ@mail.ru

П. А. Стаценко

Email: statsenkopa@laser.nsc.ru
Институт лазерной физики СО РАН, statsenkopa@laser.nsc.ru

И. Б. Мирошниченко

Email: mib383@gmail.com
кандидат физико-математических наук, Институт лазерной физики СО РАН, mib383@gmail.com

Г. Н. Грачев

Email: grachev@laser.nsc.ru
Институт лазерной физики СО РАН, grachev@laser.nsc.ru

Список литературы

  1. Chen H.S. Glassy metals // Reports on Progress in Physics. – 1980. – Vol. 43, iss. 4. – P. 353–432. – doi: 10.1088/0034-4885/43/4/001.
  2. Образование аморфной структуры в сплавах на основе железа при обработке поверхности излучением лазера / Г.Г. Бородина, Ч.В. Копецкий, В.С. Крапошин и др. // Доклады Академии наук СССР. – 1981. – Т. 259, № 4. – С. 826–829.
  3. Аморфизация поверхности кристаллических мишеней из сплавов на основе железа при периодическом облучении импульсами CO2-лазера / О.В. Абрамов, В.Ю. Баранов, Е.П. Велихов и др. // Поверхность. Физика, химия, механика. – 1982. – № 11. – С. 149–150.
  4. Laser and electron beam processing of amorphous surface alloys on conventional crystalline metals / K. Hashimoto, N. Kumagai, H. Yoshioka, K. Asami // Materials and Manufacturing Processes. – 1990. – Vol. 5, iss. 4. – P. 567–590. – doi: 10.1080/10426919008953278.
  5. Corrosion-resistant amorphous surface alloys / K. Hashimoto, N. Kumagai, H. Yoshioka, J.H. Kim, E. Akiyama, H. Habazaki, S. Mrowec, A. Kawashima, K. Asami // Corrosion Science. – 1993. – Vol. 35, iss. 1–4. – P. 363–370. – doi: 10.1016/0010-938X(93)90168-G.
  6. Laser surface coating of Fe-Cr-Mo-Y-B-C bulk metallic glass composition on AISI 4140 steel / A. Basu, A.N. Samant, S.P. Harimkar, J.D. Majumdar, I. Manna, N.B. Dahotre // Surface and Coatings Technology. – 2008. – Vol. 202. – P. 2623–2631. – doi: 10.1016/j.surfcoat.2007.09.028.
  7. Ductile FeNi-based bulk metallic glasses with high strength and excellent soft magnetic properties / J. Zhou, W. Yang, C. Yuan, B. Sun, B. Shen // Journal of Alloys and Compounds. – 2018. – Vol. 742. – P. 318–324. – doi: 10.1016/j.jallcom.2018.01.317.
  8. Судзуки К., Фудзимори Х., Хасимото К. Аморфные металлы: пер. с яп. / под ред. Ц. Масумото. – М.: Металлургия, 1987. – 328 с.
  9. Iron-based amorphous metals: high-performance corrosion-resistant material development / J. Farmer, J.-S. Choi, C. Saw, J. Haslam, D. Day, P. Hailey, T. Lian, R. Rebak, J. Perepezko, J. Payer, D. Branagan, B. Beardsley, A. D’;amato, L. Aprigliano // Metallurgical and Materials Transactions A. – 2009. – Vol. 40A. – P. 1289–1305. – doi: 10.1007/s11661-008-9779-8.
  10. Effect of Si addition on the electrochemical corrosion and passivation behavior of Fe-Cr-Mo-C-B-Ni-P metallic glasses / S. Zheng, J. Li, J. Zhang, K. Jiang, X. Liu, Ch. Chang, X. Wang // Journal of Non-Crystalline Solids. – 2018. – Vol. 493. – P. 33–40. – doi: 10.1016/j.jnoncrysol.2018.04.036.
  11. Microstructure and tribological behavior of spark plasma sintered iron-based amorphous coatings / A. Singh, S.R. Bakshi, A. Agarwal, S.P. Harimkar // Materials Science and Engineering A. – 2010. – Vol. 527. – P. 5000–5007. – doi: 10.1016/j.msea.2010.04.066.
  12. Structures and physical properties of two magnetic Fe-based metallic glasses / J. Zhang, G. Shan, J. Li, Y. Wang, C.H. Shek // Journal of Alloys and Compounds. – 2018. – Vol. 747. – P. 636–639. – doi: 10.1016/j.jallcom.2018.03.085.
  13. Structure and corrosion resistance properties of Ni-Fe-B-Si-Nb amorphous composite coatings fabricated by laser processing / R. Li, Z. Li, Y. Zhu, K. Qi // Journal of Alloys and Compounds. – 2013. – Vol. 580. – P. 327–331. – doi: 10.1016/j.jallcom.2013.06.111.
  14. High corrosion and wear resistance of Al-based amorphous metallic coating synthesized by HVAF spraying / M. Gao, W. Lu, B. Yang, S. Zhang, J. Wang // Journal of Alloys and Compounds. – 2018. – Vol. 735. – P. 1363–1373. – doi: 10.1016/j.jallcom.2017.11.274.
  15. Matthews D.T.A., Ocelik V., Hosson J.Th.M. de. Tribological and mechanical properties of high power laser surface-treated metallic glasses // Materials Science and Engineering A. – 2007. – Vol. 471. – P. 155–164. – doi: 10.1016/j.msea.2007.02.119.
  16. General structural and dynamic characteristics beneficial to glass-forming ability of Fe-based glass-forming liquids / N. Ren, B. Shang, P. Guan, L. Hu // Journal of Non-Crystalline Solids. – 2018. – Vol. 481. – P. 116–122. – doi: 10.1016/j.jnoncrysol.2017.10.029.
  17. D printing of crack-free high strength Zr-based bulk metallic glass composite by selective laser melting / D. Ouyang, N. Li, W. Xing, J. Zhang, L. Liu // Intermetallics. – 2017. – Vol. 90. – P. 128–134. – doi: 10.1016/j.intermet.2017.07.010.
  18. Microstructure and mechanical properties of Ni-Cr-Si-B-Fe composite coating fabricated through laser additive manufacturing / Z. Chang, W. Wang, Y. Ge, J. Zhou, Z. Cui // Journal of Alloys and Compounds. – 2018. – Vol. 747. – P. 401–407. – doi: 10.1016/j.jallcom.2018.02.296.
  19. Additive manufacturing of iron-based bulk metallic glass larger than the critical casting thickness / Z. Mahbooba, L. Thorsson, M. Unosson, P. Skoglund, H. West, T. Horn, Ch. Rock, E. Vogli, O. Harrysson // Applied Materials Today. – 2018. – Vol. 11. – P. 264–269. – doi: 10.1016/j.apmt.2018.02.011.
  20. Effect of the remelting scanning speed on the amorphous forming ability of Ni-based alloy using laser cladding plus a laser remelting process / R. Li, Y. Jin, Z. Li, Y. Zhu, M. Wu // Surface and Coatings Technology. – 2014. – Vol. 259. – P. 725–731. – doi: 10.1016/j.surfcoat.2014.09.067.
  21. Патент 2425907 Российская Федерация. Способ модификации металлических поверхностей и устройство / С.Н. Багаев, Г.Н. Грачев, А.Л. Смирнов, П.Ю. Смирнов. – № 2009115826/02; опубл. 10.08.2011, Бюл. № 22.
  22. Применение метода лазерно-плазменной модификации поверхности металлов для улучшения триботехнических характеристик цилиндров двигателей внутреннего сгорания / С.Н. Багаев, Г.Н. Грачев, А.Л. Смирнов, М.Н. Хомяков, А.О. Токарев, П.Ю. Смирнов // Обработка металлов (технология, оборудование, инструменты). – 2014. – № 1 (62). – С. 14–23.
  23. Laser-plasma treatment of structural steel / A. Tokarev, Z. Bataeva, G. Grachev, A. Smirnov, M. Khomyakov, A. Gerber // Applied Mechanics and Materials. – 2015. – Vol. 788. – P. 58–62. – doi: 10.4028/ href='www.scientific.net/AMM.788.58' target='_blank'>www.scientific.net/AMM.788.58.
  24. Самарский А.А., Вабищевич П.Н. Вычислительная теплопередача. – М.: Едиториал УРСС, 2003. – 784 с. – ISBN 978-5-397-04510-0.
  25. Самарский А.А., Гулин А.В. Численные методы. – М.: Наука, 1989. – 432 с. – ISBN 5-02-013996-3.
  26. Никелевые и железные самофлюсующиеся сплавы для покрытий [Электронный ресурс] // АО «Полема»: web-сайт. – URL: http://www.polema.net/nikelevye-samofljusujushhiesja-splavy-dlja-pokrytij.html (дата обращения: 13.11.2018).

Дополнительные файлы

Доп. файлы
Действие
1. JATS XML
Скачать


Creative Commons License
Эта статья доступна по лицензии Creative Commons Attribution 4.0 International License.

Согласие на обработку персональных данных

 

Используя сайт https://journals.rcsi.science, я (далее – «Пользователь» или «Субъект персональных данных») даю согласие на обработку персональных данных на этом сайте (текст Согласия) и на обработку персональных данных с помощью сервиса «Яндекс.Метрика» (текст Согласия).