ЛАЗЕРНОЕ ЛЕГИРОВАНИЕ

Лазерное легирование заключается в насыщении материала легирующими элементами посредством диффузии предварительно нанесенного слоя под воздействием лазерного пучка. При этом достигается высокая концентрация легирующих компонентов в поверхностных слоях материалов.

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.

Различают:

1. 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.1 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.

 
 
1.1 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.2 Схема гидролучевой обработки: 1-луч лазера 2 -жидкость 3- изделие

1.2. 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.

1.3. 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.

1.4. 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, что приводит к возрастанию твердости и износостойкости.

2. Лазерное легирование металлическими компонентами.

В настоящее время проведены эксперименты по легированию железа и сталей многими чистыми металлами: Co, Cr, Sn, Mn, Nb, Ni, Mo, W, Ta, Ti, V, а так же сплавами Cr-Mo-W, Ni-Nb и др. Отличительной особенностью формирования структуры легированных зон является большая пресыщенность твердого раствора, значительно превосходящая растворимость в равновесных условиях. Кроме легирования черных металлов весьма перспективным является лазерное легирование цветных металлов и сплавов, в первую очередь алюминиевых и титановых.

3. Лазерное легирование поверхности различными соединениями.

Лазерное легирование карбидами тугоплавких металлов (TiC, NbC, VC, TaC и WC), их субкарбидами и сплавами на их основе, например ВКНА, ВКЗ, ВК6 и Т15К6, осуществляют следующими методами: оплавлением обмазок или слоев электроискрового легирования, а так же подачей порошка в зону лазерного воздействия с помощью инертного газа. В качестве связующего вещества для приготовления обмазок используют жидкое стекло, силикатный клей и т.д.

Лазерное легирование поверхности жаропрочных сплавов порошками TiC, SiC, WC и ВКНА позволяет не только увеличить твердость материала в зоне обработки, но и повышает термическую стабильность при высоких температурах (рис. 3).

 

Рис.3 Термическая стабильность жаропрочного никелевого сплава после лазерного легирования при температуре выдержки 8500 С. 1 — Исходное состояние; 2 — Лазерное легирование порошком TiC; 3 — лазерное легирование порошком бора.

Примеры применения технологии лазерного легирования: