Формирование керамического покрытия на поверхности алюминиевого сплава ВАЛ10 при лазерном модифицировании в растворе полисиликатов

Введение

В современном машиностроении курс, взятый на уменьшение массы конечных изделий при неизменно высоком уровне эксплуатационных свойств (прочность, износостойкость и пр.), а также на достижение высокой степени автоматизации процесса, является одним из важнейших [1–3]. В данном контексте упрочнение поверхности алюминиевых сплавов, к достоинствам которых относятся низкая плотность и высокая удельная прочность, имеет большие перспективы [4–9]. В то же время низкие показатели твердости являются существенными недостатками этих материалов [10; 11]. Упрочнение поверхностного слоя позволяет повысить износостойкость детали в целом.

В настоящее время существуют различные методы упрочнения поверхности металлов и сплавов [12]. Наряду с использованием термических и химико-термических процессов, напыления и дробеструйной обработки применяются методы формирования свойств поверхности с помощью лазерного воздействия [13]. Современные лазерные установки характеризуются высокой скоростью обработки, локальностью, возможностью широкого регулирования параметров энергии и длительности воздействия в зоне обработки [14].

Технологии лазерной модификации поверхности алюминиевых сплавов, и в частности лазерное легирование, относятся к передовым в сфере повышения стойкости алюминиевых сплавов к коррозии, механическим воздействиям, а также адгезионному и абразивному изнашиванию [15]. На данный момент одним из перспективных методов по созданию защитных покрытий на сплавах алюминия является сплавление лазерным излучением легирующих порошков с подложкой [16]. В качестве легирующих компонентов используют как металлы (Ni, Cr и др.), так и неметаллы (B, Si). Предварительно в состав порошка вводят связующий элемент [17]. Получившуюся массу равномерно наносят на подложку, после чего поверхность обрабатывается лазером [18; 19]. Из-за разницы температур плавления элементов, входящих в состав обмазки и подложки из алюминиевого сплава, перечень компонентов, пригодных к внедрению в состав поверхности алюминиевого образца, сильно ограничен и должен быть сопоставим с температурой плавления алюминия [20]. Использование других составляющих зачастую ведет к существенному снижению качества создаваемого покрытия [21]. Разновидностью описанной технологии можно считать подачу легирующих элементов из жидкой фазы. В этом случае деталь помещается в технологический раствор, и лазерное излучение, образуя парогазовый канал в жидкости, доставляется по нему к поверхности детали.

В последнее время находят применение металлокерамические композитные материалы с матрицей на основе алюминия, упрочненной тугоплавкими керамическими частицами карбида кремния (SiC) [22]. Композиционные материалы с алюминиевой матрицей отличаются высокой удельной прочностью в сочетании с малой плотностью. Легирование частицами карбида кремния позволяет получить материал с низким коэффициентом трения и высокой износостойкостью [23].

Цель данной работы заключалась в исследовании специфики изменения механических свойств керамических покрытий на подложке из алюминиевого сплава ВАЛ10, полученных при воздействии лазерного излучения в ванне с водным раствором полисиликата (ПС), а также в определении параметров обработки, при которых возможно повысить микротвердость поверхностного слоя и его стойкость к истиранию.

Методика исследований
и полученные результаты

Наиболее часто среди неметаллических легирующих компонентов для алюминиевых сплавов используется кремний. Легирование кремнием позволяет получать заэвтектическую структуру на поверхности доэвтектических сплавов с одновременным повышением твердости поверхности. В данной работе формирование покрытий осуществлялось на образцах алюминиевого сплава ВАЛ10, размеры которых составляли 10×10×3 мм. Для лазерной обработки их поверхности был использован твердотельный Nd:YAG-лазер с длиной волны излучения 1,06 мкм в составе установки лазерной сварки ЛИС-25 (ООО ЭИКТЛ «Лаген», Россия). Максимальная энергия в импульсе составляла 25 Дж, длительность импульса – 5 мс, частота следования импульсов – 3 Гц. Во время обработки образец помещался в ванну с водным раствором полисиликата (Na₂O)_n·(SiO₂)_m. Концентрация последнего была определена экспериментально и составила 10–15 %. Увеличение концентрации ПС привело к выделению газовых пузырей из среды, что существенно снижало эффективность доставки лазерного излучения к поверхности образца, и к сильному разбрызгиванию раствора ПС. С другой стороны, при меньшей его концентрации содержание кремния в покрытии заметно падало (рис. 1).

Толщина слоя жидкой среды над поверхностью обрабатываемого образца поддерживалась на уровне 1 мм. Были также изготовлены контрольные образцы, обработанные на воздухе и в дистиллированной воде. В результате рассеяния излучения слоем раствора ПС, находящимся над поверхностью образца, существенно снижалась величина неровностей на поверхности.

Так, для образцов, обработанных на воздухе, размер кратеров на поверхности составлял более 400 мкм, а в случае применения раствора ПС следы воздействия не превышали диаметра 100 мкм (рис. 2).

Созданный лазерной обработкой слой на поверхности металла позволяет повысить долговечность детали и ее работоспособность. Лазерная обработка алюминиевого сплава вызывает перераспределение химических элементов по глубине. Кратеры, образующиеся на поверхности, заполняются соединениями кремния и алюминия. Исследование химического состава образцов проводилось на оже-анализаторе JAMP-10 S (JEOL, Япония). По форме оже-линий был сделан вывод, что алюминий находится в окисленном состоянии, а углерод и кремний – в карбидном (рис. 3).

Размер углублений на поверхности детали и их взаимное расположение обусловлены режимом обработки и концентрацией раствора ПС. Отсутствие перекрытия кратеров не позволяет заполнить всю площадь поверхности, что приводит к разрывам в керамическом слое. На необработанных участках остается выход на поверхность основного металла, а слой керамического покрытия получается неоднородным.

Одним из важных эксплуатационных параметров, определяющих качество поверхностного упрочненного слоя, является износостойкость. Испытания на фреттинг-изнашивание проводились на многофункциональной испытательной системе SRV Testsystem («Optimol Instruments», GmbH, Германия) при комнатной температуре по схеме диск–шарик без смазки. Материал шарика (контртела) – инструментальная сталь ШХ15 после упрочняющей термической обработки; амплитуда колебаний составляла 3 мм, частота – 2 Гц, нагрузка на образец – 10 Н, длительность испытаний – 10 мин. По полученным результатам можно сделать вывод, что величина износа поверхности образца сплава ВАЛ10 после лазерной обработки в растворе ПС составила менее 40 мкм, а на необработанном – 60 мкм. Коэффициент трения для обработанного образца при испытаниях незначительно превысил 0,8, а для исходного он был заметно выше 1 (рис. 4).

Появление оксидных и карбидных составляющих в поверхностном слое после лазерной обработки должно повлиять на микротвердость. Было проведено исследование микротвердости поверхности образца из алюминиевого сплава ВАЛ10 с нанесенным оксидным покрытием на микротвердомере ПМТ-3М (ЛОМО, Россия). В качестве индентора использовалась 4-гранная алмазная пирамида Виккерса. Полученные результаты показывают, что средний размер диагонали отпечатка составил 50 мкм при нагрузке 0,196 Н и выдержке 15 с, что эквивалентно твердости 14,8 кг/мм². Микротвердость исходного образца была определена тем же методом и составила 9,1 кг/мм², т.е. ниже на 62,6 %, по сравнению с модифицированным образцом с покрытием. Образованием соединений более высокой твердости на поверхности алюминиевого сплава в сравнении с основным материалом можно объяснить и снижение коэффициента трения.

Заключение

Анализ модифицированной поверхности образцов алюминиевого сплава ВАЛ10 показал зависимость свойств поверхностного слоя от режимов процесса модификации. Изменение параметров лазерной обработки (частоты следования импульсов, коэффициента заполнения поверхности), а также концентрации и толщины слоя раствора над поверхностью образца позволяет регулировать величину воздействия и в конечном итоге – химический состав элементов образующегося покрытия.

В ходе исследования установлено, что лазерная обработка образцов сплава ВАЛ10 в растворе полисиликатов существенно влияет на их эксплуатационные характеристики, в частности повышает стойкость поверхности к истиранию и обеспечивает ее упрочнение.