Во введении обоснована актуальность темы диссертации, сформулирована цель работы и определены основные задачи, которые необходимо решить для ее достижения. Показана научная новизна и практическое значение полученных результатов.

В первой главе приведен анализ результатов известных экспериментальных и теоретических исследований взаимодействия лазерного излучения с твердой поверхностью металлических изделий при лазерной термообработке деталей. Изучены тепловые характеристики воздействия лазерного излучения на металл, проведен анализ энергетических параметров и технологических возможностей лазерной обработки. Рассмотрены вопросы методологии технологического обеспечения качества поверхностного слоя деталей машин, а также технологического обеспечения эксплуатационных свойств деталей машин и их соединений. При этом изучены вопросы достижения качественных характеристик с использованием нетрадиционных методов обработки высококонцентрированными потоками энергии, представленные в работах ведущих ученых СССР и России - В.М. Андрияхина, Л.Ф. Головко, А.Г. Григорьянца, С.И. Губенко, А.М. Дальского, В.В. Ковалевского, В.С. Коваленко, А.Н. Кокора, В.С. Крапошина, В.С. Мухина, Ю.Ф. Назарова, Е.А. Памфилова, Н.Н. Рыкалина, А.Н. Сафонова, В.П. Смоленцева, А.М. Сулима, А.Г. Суслова, А.А. Углова и других.

Проведенный анализ известных работ по изучению особенностей структурных и фазовых превращений в железоуглеродистых сплавах при лазерной термообработке показал, что авторы всех работ связывают повышение свойств, прежде всего, с получением структур закалки в зоне лазерной обработки. Ими сделаны предположения о целесообразности проведения лазерного упрочнения, исходя только из условия получения закалочных структур согласно диаграмме состояния системы "железо - цементит".

Недостаток данных прослеживается в исследованиях, связанных с изучением перераспределения элементов в ЗЛВ. Необходимо отметить, что все работы основываются на экспериментах, проведенных при обработке только с оплавлением поверхности. В рассмотренных работах в основном изучается лишь изменение концентрации углерода для более эффективного проведения процессов закалки и не разработаны технологии проведения лазерной обработки, приводящие к изменению содержания легирующих элементов в рабочем поверхностном слое.

Проведенный анализ представленных работ по изучению влияния лазерной обработки на эксплуатационные характеристики деталей показывает, что по ним нельзя определить принципы выбора технологических режимов лазерной обработки изделий с целью получения заданных свойств рабочих поверхностных слоев, поскольку в исследованиях не учитывается все многообразие происходящих в ЗЛВ процессов. Для описания энергетических параметров лазерного излучения, тепловых полей и диффузионных процессов в ЗЛВ используются эмпирические зависимости для каждого отдельного случая обработки определенного материала или детали заданной формы. Целостная методика назначения режимов обработки для обеспечения требуемых свойств изделия отсутствует.

Недостаточное количество исследований проведено по изучению поведения неметаллических включений в ЗЛВ железоуглеродистых сплавов и их влияния на процессы структурообразования и формирование эксплуатационных свойств поверхностей деталей, обработанных лазером.

Отсутствие названных результатов по проведению комплексных исследований взаимодействия лазерного излучения с материалом обрабатываемой детали, и, в частности, процессов массопереноса легирующих элементов и трансформации неметаллических включений в ЗЛВ позволило сформулировать вышеуказанные цель и задачи исследования.

Во второй главе приводится обоснование путей получения поверхностных слоев деталей с заданными эксплуатационными свойствами. Предложена общая методика проведения работы, заключающаяся в изучении воздействия лазерного излучения на обрабатываемую поверхность деталей из сталей различного класса.

Методы теоретических исследований основываются на изучении физических моделей переноса субстанции (тепла, легирующих элементов) в зоне оплавления и зоне термического влияния. В работе изучено изменение свойств различных структурных составляющих материала при высокоскоростном нагреве, а также возможности перераспределения субстанции в ЗЛВ.

Разработанные автором теоретические основы повышения эффективности лазерной обработки деталей основываются на результатах многочисленных исследований отечественных и зарубежных ученых-металловедов. При этом объектами исследований выступают конкретные детали, а не материалы, из которых они изготовлены. При решении технологических задач должны быть рассмотрены все звенья процесса получения детали - от исходных состояний поверхностного слоя изделия, его структурных составляющих, состава, расположения и морфологии неметаллических включений до конечных характеристик химического состава поверхностного слоя, глубины зоны термического влияния, структуры, а значит и свойств изделия. Исходные и конечные параметры должны стать определяющими характеристиками для назначения режимов лазерной обработки.

Для исследования были выбраны детали, изготовленные из сталей различных классов, имеющих важное народнохозяйственное значение - малоуглеродистой низколегированной стали 20ГМЛ, среднеуглеродистой конструкционной стали 35Л, высокоуглеродистой инструментальной У8, высокоуглеродистой легированной быстрорежущей Р6М5 и низкоуглеродистой легированной нержавеющей стали 12Х18Н9Т8.

Лазерная обработка проводилась на универсальных технологических установках непрерывного действия типа "Комета" и импульсно-периодического действия типа "Квант" по известным методикам, описанным в работах А.Г. Григорьянца, А.Н. Сафонова, В.С. Коваленко и др. В качестве изменяющегося параметра лазерного излучения были выбраны длительность импульса и плотность мощности, приводящие в свою очередь к изменению энергетических параметров воздействия луча на материал. Необходимо отметить отсутствие известных литературных данных по изучению влияния длительности импульса на структурные характеристики обработанного материала.

Для изучения качества поверхностного слоя деталей и его эксплуатационных характеристик после лазерной обработки проводились металлографические, дюрометрические и прочностные исследования. Металлографические исследования выполнялись на микроскопах МИМ-9, "Matavert", "Univar" фирмы "Reichert" (Австрия) и "Epival" фирмы "Karl Zeis Jena" (Германия) при увеличениях в диапазоне 25…1000. Измерение микротвердости (поверхностной и по глубине зоны лазерного воздействия) осуществлялось в соответствии с требованиями ГОСТ 9450-76 на шлифах образцов с использованием микротвердомера ПМТ-3. За окончательную величину микротвердости принималось среднеквадратичное значение для результатов 5…10 измерений. Прочностные испытания (для определения относительного удлинения, относительного сужения, предела упругости, предела текучести, предела прочности при растяжении) выполнялись по ГОСТ 1497-73 на разрывной машине Р-20. Определение ударной вязкости осуществлялось по ГОСТ 9454-78 на маятниковом копре PSW-300 с максимальной работой удара 300 Дж.

Третья глава посвящена проведению теоретических исследований процесса массопереноса легирующих элементов и трансформации неметаллических включений при лазерной обработке деталей из железоуглеродистых сплавов.

Предложен механизм аномального массопереноса легирующих элементов под воздействием лазерного излучения. Он основывается на различии оптических свойств неметаллических включений, находящихся в основном металле, и самой матрицей и, следовательно, на разном характере взаимодействия их с лучом лазера. Неметаллические включения, расположенные в ЗЛВ, поглощают большее количество энергии по сравнению с основным металлом, так как они имеют высокие значения степени черноты и теплоемкости. В связи с этим неметаллические включения получают большее количество энергии, что приводит к появлению градиента температуры не только в глубь от обрабатываемой поверхности, но и по направлению от неметаллического включения к зернам металла, т.е. может иметь место сток тепла к включениям. При этом основную роль играет скорость нагрева материала. При высоких скоростях наблюдается быстрый переход твердая фаза - газ. Поскольку неметаллические включения располагаются, как правило, по границам зерен (по дефектам структуры), то в этом месте образуются газовые каналы, которые могут превращаться в газожидкостные за счет некоторой потери теплоты. По этим каналам происходит перенос сублимированных элементов к поверхности детали, причем движение газовой и жидкостной фаз подчиняется законам турбулентной диффузии. Коэффициенты диффузии при такой модели переноса на 5-6 порядков выше, чем при описании диффузии по гидродинамической, флуктуационной или активационным моделям. При достижении поверхности происходит падение температуры переносимого материала, сопровождаемое диссоциацией неметаллического включения на ионы металла и неметалла. Неметаллическая составляющая выносится из детали, а большая часть металлической остается в поверхностном слое за счет того, что имеет более высокую температуру возгонки.

Кроме того, разработана электромагнитная модель массопереноса. Лазерное излучение является электромагнитным и должно взаимодействовать со свободными и орбитальными электронами металла, находящегося в жидком или твердом состоянии. Результирующий магнитный момент атома складывается из всех магнитных моментов электронов, величина его и направление существенно зависит от физических свойств данного вещества: атом может быть парамагнитным и диамагнитным. Направление силы, действующей в данной точке неоднородного магнитного поля, противоположно силе, действующей на диамагнитный атом. Из этого следует, что диамагнетик выталкивается из неоднородного магнитного поля, а парамагнитный атом втягивается в него. Диамагнитные и парамагнитные атомы будут разделяться в жидкой пленке металла. При этом следует ожидать, что диамагнитные атомы перемещаются в глубь жидкого металла, а парамагнитные - к поверхности детали.

При наличии большого градиента магнитной индукции в зоне термического влияния в твердой фазе на атомы химических элементов будет действовать сила со стороны неоднородного магнитного поля, которая будет способствовать интенсификации диффузионных процессов. Некоторые элементы могут двигаться к границе раздела сред жидкого и твердого металла, другие - в противоположную сторону. Распределение химических элементов, входящих в состав расплава и твердого металла, происходит по аналогии с действием гравитационного поля. С той разницей, что в гравитационном поле разделение компонентов происходит под действием силы тяжести в зависимости от плотности, а в нашем случае - под действием силы со стороны неоднородного магнитного поля в зависимости от величины магнитного момента данного атома и его направления.

Таким образом, можно считать, что градиент магнитного поля будет являться аналогом ускорения свободного падения, магнитный момент атома - аналогом плотности. При известном направлении градиента магнитной индукции в соответствующей области пространства компоненты могут распределяться так, как показано на рис.1.

Рис. 1. Изменение вектора направления сил, действующих на элементы в поле действия градиента магнитной индукции: - магнитный момент витка с током; - сила, действующая на элементы в ЗЛВ; x - удельная магнитная восприимчивость; - градиент магнитного поля по оси соленоида (координате х)

Из рисунка следует, что у поверхности детали в зоне интенсивного лазерного излучения будет находиться больше элементов с парамагнитными свойствами и большими магнитными моментами и, наоборот - в удалении от поверхности будут находиться элементы с диамагнитными свойствами.

Развивая теорию аномального массопереноса, были проведены исследования напряжений, возникающих в неметаллических включениях при восприятии лазерного излучения. В процессе лазерного оплавления неметаллические включения, находящиеся в зоне термического воздействия, испытывают два цикла термических напряжений - при нагреве и охлаждении. В каждом случае в окрестностях неметаллического включения металлическая матрица испытывает напряжения, характер которых зависит от теплофизических характеристик включения. В процессе нагрева наиболее опасными являются неметаллические включения, имеющие больший, чем у стали коэффициент термического расширения. Такие включения с повышением температуры создают растягивающие напряжения в металле, превышающие его предел прочности, особенно при температурах, близких к температуре солидус, и вызывают образование микротрещин, способных соединяться между собой. Наиболее вероятным направлением разрушения металла и развития микротрещины является направление, по которому происходит снижение прочностных характеристик металла, а именно встречное лазерному лучу. По этой причине существует вероятность образования микротрещин-каналов, пересекающих зону термического влияния и соединяющихся с жидким металлом. По ним возможна миграция легкоплавких неметаллических включений и диффузия элементов из зоны термического влияния в зону оплавления.

Процесс затвердевания, наступающий после прекращения действия лазерного излучения, проходит с продвижением фронта затвердевания в том же направлении, в котором шло развитие трещин. Возникающие при этом напряжения в металле зоны термического влияния способствуют выдавливанию жидкой легкоплавкой неметаллической фазы впереди фронта затвердевания.

В основе разработки математической модели лежит принцип, утверждающий, что при лазерной обработке материала имеет место распространение температурного (концентрационного) поля, суть которого заключается в том, что в любой момент времени перемещающийся с конечной (а не бесконечной) скоростью фронт разделяет все пространство на две зоны: зону температурного (концентрационного) влияния и невозмущенную зону. Этот основной принцип распространения любой субстанции не находит своего отражения в классических моделях. В основу дальнейших рассуждений положено предположение, что при высокоинтенсивном возмущении поля (концентрации или температуры) линейная связь между потоками и градиентами соответствующих субстанций наступает через определенный период _r, который можно назвать временем релаксации. В этом параметре находят свое непосредственное отражение причинно-следственные отношения.

Для лазерного возмущения температурного поля в первом приближении найти период _r можно, исходя из специфики распространения температурного поля. При нашем предположении в модель вносится свойство инерции тепла, по причине которой при интенсивном возмущении температурного поля происходит запаздывание теплоотвода во внутренние слои металла. Тепло локализуется в приповерхностном слое некоторой толщины _m. Отношение квадрата этого характерного размера к параметру a, характеризующему скорость изменения температурного поля, может быть принято за верхнюю оценку времени релаксации.

Согласно этим предположениям связь между потоком и градиентом субстанции (например, температуры) выражается уравнением с запаздывающим аргументом

. (1)

С учетом его, а также закона сохранения получим соответствующее уравнение переноса тепла с отклоняющимся аргументом:

. (2)

В приведенных здесь и ниже формулах a - коэффициент температуропроводности;

- коэффициент теплопроводности;

t_и - длительность импульса;

q₀ - плотность мощности лазерного излучения;

R₀ - коэффициент поглощения лазерного излучения;

t - время; T - температура; x - расстояние от поверхности детали.

Для систем, характеризующихся малым периодом релаксации, разложив в (2) функцию потока в ряд и воспользовавшись первым приближением, получим более приемлемую для практики связь между потоком и градиентом температуры

(3)

и соответствующее ему уравнение теплопереноса

. (4)

Анализ составляющих уравнения (4) показывает, что второе слагаемое на порядок больше первого, т.е. на рассматриваемом промежутке процесс приобретает чисто волновой характер. Спустя промежуток _r начинается диссипация этих волн.

Таким образом, на основании предложенной теоретической модели можно получить экспериментальные данные взаимосвязи эксплуатационных свойств деталей машин с условиями их обработки, реализуемые по основным направлениям, связанным с единством процессов силового, температурного и химического воздействия на деталь как при ее изготовлении, так и при эксплуатации.

Используя предложенную релаксационную модель распространения тепла, в работе произведен расчет температурного поля твердого тела при воздействии на его поверхность высокоинтенсивного лазерного импульса длительностью _r. Для расчета принята следующая структура импульса излучения:

, (5)

где , (6)

т.е. рассмотрен практически важный квазистационарный режим воздействия лазерного излучения на поверхность твердого тела эффективной тепловой мощностью источника q₀ и эффективным коэффициентом поглощения лазерного излучения R (t).

При указанных ограничениях поставленная задача может быть сформулирована как задача распространения температурного поля в полубесконечном теле, на поверхность которого воздействует высокоинтенсивный импульс излучения лазера, работающего в квазистационарном режиме. Для этого необходимо решить уравнение распространения температурного поля

; ; (7)

при следующих краевых условиях:

; (8)

; (9)

; (10)

. (11)

Решение этой поставленной краевой задачи имеет вид:

(12)

где через обозначена скорость распространения тепла, а точнее изотермы температурного поля, а I₀ - функция Бесселя мнимого аргумента нулевого порядка.

Оценку различий в характере распространения температурного поля, описываемого предлагаемой релаксационной и известной по работам Н.Н. Рыкалина феноменологической моделями, можно увидеть при рассмотрении процесса на поверхности детали, т.е. при x = 0. Исходя из общего решения, изменение температуры на поверхности описывается

по релаксационной модели:

, (13)

по феноменологической модели:

, (14)

где I₁ - функция Бесселя мнимого аргумента первого порядка.

Существенное различие обнаруживается в начальный период нагрева. Согласно феноменологическому представлению температура должна изменяться от нуля на величину температурного возмущения, тогда как по релаксационной модели скачкообразное изменение потока энергии вызывает скачкообразное изменение температуры поверхности. Это соответствует основному предположению, заложенному в релаксационную модель - наличию времени запаздывания между градиентом температуры и потоком тепла, т.е. инерционности в распространении температурного поля. Для большого периода действия лазерного излучения в период установившейся стадии распространения температуры закон изменения ее на поверхности становится одинаковым для обеих моделей.

Использование релаксационного метода при описании физических процессов, протекающих в ЗЛВ, позволяет значительно полнее отразить и сблизить математические описания и реальные процессы.

В четвертой главе представлено экспериментальное подтверждение возможности изменения химического состава поверхностного слоя изделия путем управляемого легирования за счет энергетических характеристик лазерного излучения, а также изучена взаимосвязь процессов перераспределения легирующих элементов и трансформации неметаллических включений с процессами формирования структуры ЗЛВ и обеспечиваемыми при этом эксплуатационными свойствами поверхностного слоя обработанной детали.

В работе приведены экспериментальные данные по изучению процессов аномального массопереноса и трансформации неметаллических включений в стальных изделиях после лазерной обработки с различными режимами, подтверждающие результаты теоретических исследований.

Влияние воздействия лазерного излучения на перераспределение легирующих элементов целесообразно рассматривать на низколегированных сталях с малым количеством добавок, если они равномерно распределены в матрице, не образуют ликваций и связанных с ними микронеоднородностей. С этой позиции в качестве материала исследуемых образцов была выбрана сталь 20ГМЛ.

При обработке образцов из стали 20ГМЛ импульсно-периодическим лазером с фиксированной энергией в импульсе, равной 12 Дж, плотностью мощности излучения q = 4^.10⁵ Вт/см² и q = 5^.10⁵ Вт/см², частотой следования импульсов f = 1 Гц, но при разной длительности импульсов ЗЛВ отличается по глубине, однако имеет сходное строение и структуру.

В результате проведения микрорентгеноспектрального анализа был установлен характер перераспределения основных легирующих элементов - молибдена и марганца - в поверхностном слое образцов при воздействии импульсного лазерного излучения. На рис.2 показано распределение Mo и Mn при воздействии излучения с различной длительностью импульса.

Анализируя перераспределение Mn по ЗЛВ можно сказать, что наиболее сильное изменение концентрации происходит в зоне оплавления, где подвижность атомов наиболее велика. На границе зоны оплавления, как правило, наблюдается наличие экстремума концентрации - минимального при длительности импульса 1,5 и 2,5 мс и максимального при 4 мс. Характер распределения по зоне оплавления неодинаков - монотонное убывание от поверхности к границе при 1,5 и 2,5 мс, монотонное возрастание при 2 мс и скачкообразное изменение концентрации с наличием ступенчатых участков при 4 мс. Распределение Mn в зоне закалки из твердого состояния характеризуется стабильностью относительно определенного уровня; содержание Mn на этом участке незначительно меньше среднего значения его концентрации в основном металле.

Анализируя перераспределение Mn по ЗЛВ можно сказать, что наиболее сильное изменение концентрации происходит в зоне оплавления, где подвижность атомов наиболее велика. На границе зоны оплавления, как правило, наблюдается наличие экстремума концентрации - минимального при длительности импульса 1,5 мс и 2,5 мс и максимального при 4 мс. Характер распределения по зоне оплавления неодинаков - монотонное убывание от поверхности к границе при 1,5 и 2,5 мс, монотонное возрастание при 2 мс и скачкообразное изменение концентрации с наличием ступенчатых участков при 4 мс. Распределение Mn в зоне закалки из твердого состояния характеризуется стабильностью относительно определенного уровня; содержание Mn на этом участке незначительно меньше среднего значения его концентрации в основном металле.

Рис.2. Распределение элементов по ЗЛВ в поверхностном слое образцов из стали 20ГМЛ: а) _и=1,5 мс; б) _и=2 мс; в) _и=2,5 мс; г) _и=4 мс.

Таким образом, можно утверждать, что существуют режимы импульсной лазерной обработки, приводящие к уменьшению содержания Mn в поверхностном слое или, наоборот, к его резкому увеличению.

Анализ результатов перераспределения Мо показывает, что основные изменения (как и в случае с Mn) происходят в зоне оплавления поверхности, там, где подвижность атомов наиболее велика. Причем во всех случаях происходит снижение содержания Мо в этой области. Концентрация элемента по зоне оплавления заметно не изменяется, однако при переходе к границе ЗТВ происходит подъем до уровня исходной концентрации или чуть выше.

Известно, что увеличение содержания Mn повышает точку А₄ и снижает точку А₃ диаграммы состояния железо-цементит, расширяя тем самым область существования -модификации железа, в результате чего образуется аустенитная фаза. Таким образом, после изучения перераспределения Mn по ЗЛВ становится возможным объяснение того эффекта, что в различных работах было обнаружено различное количество аустенита в зоне оплавления поверхности углеродистых сталей, содержащих Mn, - от 8 до 70 %. Вполне естественно, что при обработке, обеспечивающей увеличение содержания Mn в зоне оплавления поверхности, будет наблюдаться большее количество аустенита, чем при обработке, приводящей к снижению концентрации Mn.

Зная эффект зависимости перераспределения Mn от режимов импульсной лазерной обработки, можно регулировать технологию обработки применительно к деталям, имеющим разное функциональное назначение. Для деталей, работающих в условиях трения и не испытывающих динамических и циклических нагрузок, нужно обеспечить высокую твердость и износостойкость поверхностного слоя. Это достигается получением структуры мелкодисперсного мартенсита. Однако чаще всего трущиеся детали машин работают в условиях знакопеременных или динамических нагрузок. Структура мартенсита имеет значительные внутренние напряжения за счет пересыщения -решетки железа углеродом. Поэтому для данных условий работы желательно наличие менее напряженной структуры аустенита. Сочетание мелкодисперсного мартенсита и аустенита обеспечивает высокую твердость поверхностного слоя при достаточно высоких показателях предела прочности. Регулируя режимы лазерной обработки, можно достичь наиболее благоприятной структуры рабочего поверхностного слоя детали.

Химический анализ, проведенный на микрорентгеноспектральном анализаторе "Camebax", позволяет количественно оценить содержание легирующих элементов в ЗЛВ после воздействия на образец из стали 20ГМЛ лазерного излучения различной длительности импульса. Для анализа выбирали участки зоны оплавления, зоны закалки из твердого состояния и основного металла, свободные от неметаллических включений. Размер зоны измерения, где проводились исследования, равнялся 2 мкм. Результаты анализа приведены в табл.1.