Способ легирования поверхности изделий из титана или сплавов на его основе с формированием боридных составляющих хрома и титана методом лазерной обработки Российский патент 2024 года по МПК B23K26/14 B23K26/342 C23C12/02 

Изобретение относится к области обработки материалов лазерным лучом и модификации поверхности при лазерной наплавке легирующих составов и может быть использовано для формирования легированного слоя, обладающего высокой твердостью и износостойкостью на поверхности изделий из титана или сплавов на его основе.

Из уровня техники известен способ получения компактных материалов, содержащих диборид титана, методом самораспространяющегося высокотемпературного синтеза, включающий приготовление реакционной смеси из порошкообразных компонентов в виде ферротитана и ферробора с последующим компактированием и инициированием процесса СВС (Патент РФ №2658566 С2, МПК С22С 29/14, B22F 3/23. 21.06.2018. Бюл. №18). Данный способ предусматривает получение компактных материалов с диборидом титана путем нагрева смеси компонентов, при этом, способ не позволяет формировать легированные слои, содержащие боридные составляющие, на поверхности титана или сплавов на его основе.

Из уровня техники известны способы формирования методом электроискрового легирования износостойких слоев на поверхности деталей из титана или титанового сплава. Данные способы включают нанесение на поверхность обрабатываемых деталей из титана или титанового сплава слоя порошкообразного графита методом фрикционного намазывания (Бойцов А.Г. и др. Упрочнение поверхностей деталей комбинированными способами. М.: Машиностроение, 1991) и материала на основе углерода в виде краски или пасты (Патент РФ №2621750 С2, МПК В23Н 9/00, В23Н 1/00, В23Н 1/06. 07.06.2017. Бюл. №7) с последующей электроискровой обработкой поверхности. Недостатком данных способов является ограничения по регулированию составом легированного слоя, который содержит после обработки карбидные и нитридные составляющие титана.

Из уровня техники известен способ получения наноструктурированной поверхности сталей методом лазерно-плазменной обработки, включающий размещение детали в герметичной камере, заполнение объема камеры инертным газом или газом-модификатором с последующим воздействием лазерным лучом на обрабатываемую поверхность деталей (Патент РФ №2447012 С1. МПК В82В 3/00, С23С 4/12, В23К 26/34, C21D 1/09. 10.04.2012. Бюл. №10). Данный способ предусматривает обработку материала с применением специального оборудования, в частности, герметичной камеры, систем подачи газов и перемещения обрабатываемой детали, что приводит к усложнению его технической реализации.

Наиболее близким по технической сущности является способ модификации металлических поверхностей и устройство, включающий размещение обрабатываемой детали в реакционной камере, формирование потока рабочего газа, содержащего несущий газ и химически активные реагенты и/или легирующие добавки с последующим направлением потока на модифицируемую поверхность и воздействием лазерным импульсно-периодическим излучением (Патент РФ №2425907 С2. МПК С23С 4/12, С23С 16/48, С23С 16/513. 10.08.2011. Бюл. №22). Данный способ применим для азотирования и/или цементации поверхности чугунов и сталей, для легирования чистыми металлами или сплавами с формированием пересыщенных твердых растворов и образованием интерметаллидов, для легирования карбидами тугоплавких металлов (TiC, VC, ТаС, WC и др).

Недостатком прототипа является ограниченная область применения, связанная с необходимостью использования для модифицирования сложного оборудования, включающего реакционную камеру, системы подвода газового потока, подготовки и формирования потока рабочего газа. Также в данном способе в качестве легирующих составляющих предусмотрено использование химически активных газов (азот, аммиак, пропан и др.) или химически активных реагентов в виде паров или аэрозолей. Это снижает область применения указанного способа и усложняет технологический процесс обработки поверхности металлических материалов.

Все это снижает универсальность и техническую применимость прототипа.

Предлагаемый способ является более технически применимым и универсальным для формирования легированного слоя на поверхности деталей из титана или сплавов на его основе.

Повышение универсальности и технической применимости предлагаемого способа выражается в том, что он позволяет проводить процесс легирования поверхности титана или сплавов на его основе с использованием лазерного излучения без использования сложного оборудования и химически активных легирующих сред в виде газовых составляющих.

Способ осуществляется следующим образом.

В начале путем смешивания готовят реакционную смесь, состоящую из порошкообразных компонентов в виде хрома или феррохрома и бора, при этом отношение массы хрома к массе бора в данной смеси находится в пределах от 0,5 до 10. Полученную смесь наносят на поверхность изделий из титана или сплавов на его основе с последующим воздействием на данную область лазерным излучением. В зависимости от формы и геометрии деталей способ предусматривает нанесение реакционной смеси как в виде порошков, так и с использованием клеевого связующего. В случае обработки деталей в горизонтальной плоскости способ допускает нанесение реакционной смеси на поверхность в виде порошков без связующего. Толщину слоя порошкообразной смеси при этом можно варьировать как дисперсностью компонентов смеси, так и при помощи специальных доступных приспособлений (кондукторы в виде пластин с щелью требуемой высоты и др.). Для лучшей фиксации реакционной смеси, особенно при сложном рельефе поверхности обрабатываемого изделия способ допускает применение клеевого связующего - введение связующего к исходной реакционной смеси и последующее ее нанесение на поверхность в виде краски или пасты, либо нанесение клеевого связующего на поверхность обрабатываемого изделия с последующей обсыпкой вышеуказанной области порошкообразной реакционной смесью. После нанесения на поверхность изделия реакционной смеси проводят обработку лазерным воздействием. В зависимости от требуемого технического результата способ допускает проводить обработку как однократным воздействием лазерного излучения в точку на поверхности, так и многократным. Выбор количества импульсов в точку обрабатываемой поверхности и режимы обработки зависят как от состава реакционной смеси, толщины слоя, так и от технических характеристик применяемого для воздействия лазерного устройства. Для обеспечения наиболее оптимальных условий обработки способ допускает применение порошкообразных компонентов реакционной смеси фракцией, не превышающий 1 мм, поскольку использование более крупных составляющих реакционной смеси не позволит получить качественный и однородный слой на поверхности обрабатываемого изделия. С целью получения легированного слоя, сочетающего боридные составляющие и основной металл, способ предусматривает проводить обработку без перекрытия зон точечного лазерного воздействия между собой, а интервал между ними может составлять до 2 диаметров пятна лазерного облучения. Для образования в легированном слое преимущественно боридных составляющих способ допускает обрабатывать поверхность с перекрытием зон точечного лазерного воздействия между собой, при этом область контакта должна составлять не менее 5% от площади пятна лазерного облучения, поскольку меньшая область контакта не приведет к полной обработке поверхности.

С целью регулирования количества боридных составляющих в легированном слое способ предусматривает изготовление реакционной смеси из хрома или феррохрома и бора при отношении массы хрома к массе бора от 0,5 до 10. Соотношение 0,5 вызывает в реакционной смеси избыточное содержание бора, что в процессе обработки лазерным воздействием приводит к формированию в легированной области преимущественно боридов хрома и титана. Отношение массы хрома к бору в реакционной смеси, равное 10, соответствует избыточному количеству хрома, что при обработке, наряду с боридами хрома и титана позволяет получать в легированном слое интерметаллидные составляющие системы титан - хром.

В качестве хромсодержащих компонентов в реакционной смеси способ допускает применение хрома или феррохрома, в том числе и углеродистого. Использование феррохрома в реакционной смеси приводит к формированию при обработке дополнительных составляющих, содержащих железо, а при изготовлении реакционной смеси углеродистого феррохрома позволяет формировать, наряду с боридными составляющими титана и хрома, также их карбиды. В качестве борсодержащих компонентов реакционной смеси способ предусматривает использование аморфного или кристаллического бора. Данные материалы отличаются между собой реакционной способностью, что позволяет регулировать состав легированного слоя при лазерной обработке.

Лазерное воздействие на поверхность титана или сплавов на его основе с нанесенным слоем реакционной смеси вызывает локальный нагрев вследствие как высокой энергии излучения, так и в силу протекания процессов образования боридов хрома и титана при взаимодействии в системе обрабатываемый материал - реакционная смесь. Учитывая высокую активность титана к компонентам воздушной атмосферы, в частности, к азоту и кислороду, способ допускает подачу к зоне обработки инертных газов в виде аргона или гелия. Данные газы предотвращают процессы окисления и нитридообразования титана или сплавов на его основе. Для более простой технической реализации подачу инертных газов способ предусматривает проводить методом обдува обрабатываемой зоны без использования специальных камер.

Для расширения области применения данного способа он предусматривает дополнительное введение к реакционной смеси, состоящей из хрома или феррохрома и бора, порошкообразных добавок алюминия или никеля или сплавов на их основе или их сочетания в количестве, не менее 5% мас. от исходной смеси хрома или феррохрома с бором.

Способ осуществляется следующим образом.

К реакционной смеси, состоящей из хрома или феррохрома и бора, взятых в соотношении массы хрома к массе бора от 0,5 до 10, дополнительно вводят порошкообразные металлы никеля или алюминия или сплавов на их основе или их сочетания, в количестве, не менее 5% мас. от исходной смеси хрома или феррохрома с бором. Известно, что титан способен образовывать стабильные и устойчивые интерметаллидные соединения как с алюминием, так и с никелем. Введение данных компонентов в исходную реакционную смесь позволяет получать в процессе обработки поверхности лазерным воздействием, наряду с боридами хрома и титана, также интерметаллиды системы титан - алюминий или титан - никель. Также известно об образовании интерметаллидов системы никель - алюминий. Это позволяет формировать дополнительно интерметаллиды данной системы в легированном слое при введении к исходной реакционной смеси из хрома или феррохрома и бора совместно никеля и алюминия, а образование интерметаллидов системы никель - алюминий определяется соотношением данных компонентов. Образование в процессе лазерного воздействия совместно с боридными составляющими титана и хрома также интерметаллидов приводит к изменению состава, структуры и свойств легированного слоя на поверхности изделий из титана или сплавов на его основе. Применение в качестве добавок к реакционной смеси из хрома или феррохрома и бора сплавов на основе алюминия и никеля, либо их сочетания также позволяет получать в легированной поверхности наряду с боридами и интерметаллидные соединения. Количество добавок алюминия или никеля или сплавов на их основе или их сочетания к реакционной смеси составляет не менее 5% от массы смеси хрома или феррохрома и бора. Меньшее количество добавок не позволяет в широком диапазоне варьировать состав и свойства легированного слоя вследствие незначительного количества образующихся в ходе обработки фаз с участием компонентов добавок.

Для регулирования количества боридных составляющих в легированном слое способ предусматривает изготовление реакционной смеси из хрома или феррохрома и бора при отношении массы хрома к массе бора от 0,5 до 10. Соотношение 0,5 вызывает в реакционной смеси избыточное содержание бора, что в процессе обработки лазерным воздействием приводит к формированию в легированной области преимущественно боридов хрома и титана. Отношение массы хрома к бору в реакционной смеси, равное 10, соответствует избыточному количеству хрома, что при обработке, наряду с боридами хрома и титана позволяет получать в легированном слое интерметаллидные составляющие системы титан - хром.

В качестве хромсодержащих компонентов в реакционной смеси способ допускает применение хрома или феррохрома, в том числе и углеродистого. Использование феррохрома в реакционной смеси приводит к формированию при обработке дополнительных составляющих, содержащих железо, а при изготовлении реакционной смеси углеродистого феррохрома позволяет формировать, наряду с боридными составляющими титана и хрома, также их карбиды. В качестве борсодержащих компонентов реакционной смеси способ предусматривает использование аморфного или кристаллического бора. Данные материалы отличаются между собой реакционной способностью, что позволяет регулировать состав легированного слоя при лазерной обработке.

Дополнительное введение к упомянутой смеси позволяет формировать в легированном слое также интерметаллиды системы титан - алюминий, титан - никель и, при совместном введении алюминия и никеля, интерметаллиды системы никель - алюминий.

Приготовленную смесь наносят на поверхность изделий из титана или сплавов на его основе с последующим воздействием на данную область лазерного излучения. В зависимости от формы и геометрии деталей способ предусматривает нанесение реакционной смеси как в виде порошков, так и с использованием клеевого связующего. В случае обработки деталей в горизонтальной плоскости способ допускает нанесение реакционной смеси на поверхность в виде порошков без связующего. Толщину слоя порошкообразной смеси при этом можно варьировать как дисперсностью компонентов смеси, так и при помощи специальных доступных приспособлений (кондукторы в виде пластин с щелью требуемой высоты и др.). Для лучшей фиксации реакционной смеси, особенно при сложном рельефе поверхности обрабатываемого изделия способ допускает применение клеевого связующего - введение связующего к исходной реакционной смеси и последующее ее нанесение на поверхность в виде краски или пасты, либо нанесение клеевого связующего на поверхность обрабатываемого изделия с последующей обсыпкой вышеуказанной области порошкообразной реакционной смесью. После нанесения на поверхность изделия реакционной смеси проводят обработку лазерным воздействием. В зависимости от требуемого технического результата способ допускает проводить обработку как однократным воздействием лазерного излучения в точку на поверхности, так и многократным. Выбор количества импульсов в точку обрабатываемой поверхности и режимы обработки зависят как от состава реакционной смеси, толщины слоя, так и от технических характеристик применяемого для воздействия лазерного устройства. Для обеспечения наиболее оптимальных условий обработки способ допускает применение порошкообразных компонентов реакционной смеси фракцией, не превышающий 1 мм, поскольку использование более крупных составляющих реакционной смеси не позволит получить качественный и однородный слой на поверхности обрабатываемого изделия. С целью получения легированного слоя, сочетающего боридные и интерметаллидные составляющие с основным металлом, способ предусматривает проводить обработку без перекрытия зон точечного лазерного воздействия между собой, а интервал между ними может составлять до 2 диаметров пятна лазерного облучения. Для образования в легированном слое преимущественно боридных и интерметаллидных составляющих способ допускает обрабатывать поверхность с перекрытием зон точечного лазерного воздействия между собой, при этом область контакта должна составлять не менее 5% от площади пятна лазерного облучения, поскольку меньшая область контакта не приведет к полной обработке поверхности.

Лазерное воздействие на поверхность титана или сплавов на его основе с нанесенным слоем реакционной смеси вызывает локальный нагрев вследствие как высокой энергии излучения, так и в силу протекания процессов образования боридов хрома, титана и интерметаллидов систем никель - титан, алюминий - титан, никель -алюминий при взаимодействии в системе обрабатываемый материал - реакционная смесь. Учитывая высокую активность как титана, так и составляющих реакционной смеси, особенно алюминия, к компонентам воздушной атмосферы, в частности, к азоту и кислороду, способ допускает подачу к зоне обработки инертных газов в виде аргона или гелия. Данные газы предотвращают процессы нитридообразования титана или сплавов на его основе и окисления компонентов реакционной смеси и металлической основы обрабатываемого материала. Для более простой технической реализации подачу инертных газов способ предусматривает проводить методом обдува обрабатываемой зоны без использования специальных камер.

После нанесения реакционной легирующей смеси проводят обработку поверхности изделий из титана или сплавов на его основе лазерным воздействием. В зависимости от технического оснащения в качестве источника лазерного излучения могут быть использованы как газовые, так и твердотельные лазерные установки. Для автоматизации процесса легирования поверхности могут быть использованы приспособления перемещения обрабатываемого изделия или источника лазерного излучения при помощи координатных станков.

Для практической реализации предлагаемого способа в качестве источника лазерного излучения применяли лазер импульсный сварочный ЛИС 25/2 со следующими основными характеристиками: длина волны лазерного излучения 1,06 мкм; максимальная энергия импульса, не менее 30 Дж; максимальная средняя мощность, не менее 75 Вт; частота повторения импульсов от 1 до 30 Гц; длительность импульсов от 0,1 до 20 мс; диапазон регулирования энергии импульса от 11 до 800 Дж; диаметр светового пятна от 0,25 до 2,0 мм.

Примеры конкретного исполнения:

Пример 1. В качестве легирующей реакционной смеси использовали смесь хрома и бора при отношении массы хрома к массе бора, равное 10 (на 1 г хрома добавляли 0,1 г аморфного бора). В качестве образца использовали пластину из титанового сплава ВТ1-0. Образец помещали на рабочий столик трехкоординатного станка, наносили порошкообразную смесь слоем, толщиной до 0,2 мм и проводили обработку лазерным воздействием с помощью установки ЛИС 25/2. Режим обработки и скорость перемещения образца выбирали из предварительных экспериментов, что позволило получить на обрабатываемой поверхности титанового сплава бориды титана (TiB) и хрома (CrB). Данный состав реакционной смеси имеет незначительное содержание бора, поэтому часть хрома при обработке образовала твердые растворы с титановой основой.

Пример 2. То же, что в примере 1, только в качестве легирующей реакционной смеси применяли смесь хрома и аморфного бора при отношении массы хрома к массе бора, равное 1. После обработки лазерным излучением легированный слой содержал бориды титана (TiB, TiB₂), хрома (CrB₂) и оксид титана (TiO₂). Формирование боридов является следствием взаимодействия компонентов реакционной смеси между собой и основным металлом, а оксид образуется вследствие частичного окисления титана при обработке.

Пример 3. То же, что в примере 2, только для предотвращения окисления в процессе лазерного воздействия в зону обработки подавали инертный газ аргон методом обдува. Для лучшей фиксации реакционной смеси на поверхность образца наносили клеевое связующее на базе клея БФ с последующей обсыпкой поверхности порошкообразным легирующим составом. После обработки легированный слой содержал бориды титана (TiB, TiB₂) и хрома (CrB₂). Сравнительные испытания легированного слоя к абразивному изнашиванию при истирании материалов на электрокорундовой шкурке Р80 показали увеличение износостойкости обработанного образца в 10-12 раз, по сравнению с основным металлом.

Пример 4. В качестве реакционной легирующей смеси применяли смесь хрома и кристаллического бора при отношении массы хрома к массе бора, равное 0,5. Перед нанесением легирующего состава на поверхность наносили клеевое связующее с последующей обсыпкой реакционной смесью. После выравнивания толщины порошкообразной смеси до 0,2 мм проводили обработку поверхности лазерным воздействием с обдувкой образца инертным газом аргоном. Легированный слой на поверхности титанового сплава ВТ1-0 после обработки содержал боридные составляющие титана (TiB, TiB₂) и хрома (CrB₂).

Пример 5. То же, что в примере 3, только к исходной реакционной смеси хрома и бора добавляли порошок алюминия в количестве 20% масс. Полученный после обработки легированный слой, наряду с боридами титана и хрома содержал интерметаллид Al₃Ti.

Пример 6. То же, что в примере 3, только к исходной реакционной смеси хрома и бора добавляли порошок никеля в количестве 30% масс. Полученный после обработки легированный слой, наряду с боридами титана и хрома содержал интерметаллиды NiTi Ni₃Ti.

Пример 7. В качестве реакционной смеси применяли смесь углеродистого феррохрома ФХ800 и бора, взятых при отношении массы хрома к массе бора, равное 1. После приготовления порошкообразной смеси к ней добавляли клеевое связующее (в количестве ~ 10% масс.) и наносили полученную паству на поверхность образца из сплава ВТ1-0. В процессе лазерной обработки в зону воздействия подавали методом обдува аргон. Полученный легированный слой, наряду с боридами титана и хрома содержал также карбидные составляющие титана (TiC) и хрома ((Cr, Fe)₇C₃ (Cr, Те)₂₃С₆).

Результаты экспериментов показывают, что предлагаемый способ является практически применимым и позволяет формировать при лазерной обработке в легированном слое на поверхности изделий из титана или сплавов на его основе боридные составляющие титана и хрома.

Изобретение относится к области обработки материалов лазерным лучом и модификации поверхности при лазерной наплавке легирующих составов и может быть использовано для формирования легированного слоя, обладающего высокой твердостью и износостойкостью на поверхности изделий из титана или сплавов на его основе. Способ включает приготовление реакционной легирующей смеси, состоящей из порошкообразных компонентов в виде хрома или феррохрома и бора, взятых при отношении массы хрома к массе бора от 0,5 до 10 с последующим нанесением вышеупомянутой смеси на поверхность изделия из титана или сплавов на его основе и проведением процесса лазерной обработки. Для формирования дополнительных интерметаллидных составляющих способ предусматривает введение к исходной смеси из хрома или феррохрома и бора добавки алюминия, никеля или сплавов на их основе или их сочетания с последующим проведением лазерной обработки поверхности. Обеспечивается проведение процесса легирования поверхности титана или сплавов на его основе с использованием лазерного излучения без использования сложного оборудования и химически активных легирующих сред в виде газовых составляющих. 4 н. и 4 з.п. ф-лы, 7 пр.

1. Способ легирования поверхности изделий из титана или сплавов на его основе с формированием боридных составляющих хрома и титана методом лазерной обработки, включающий нанесение на обрабатываемую поверхность порошкообразной реакционной смеси с последующей обработкой лазером, отличающийся тем, что в качестве компонентов порошкообразной реакционной смеси используют смесь порошков хрома или феррохрома и бора в массовом соотношении от 0,5 до 10.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что перед нанесением реакционной смеси на поверхность обрабатываемого изделия наносят клеевое связующее, а нанесение реакционной смеси осуществляют путем обсыпки данной области реакционной смесью.

3. Способ по п. 1 или 2, отличающийся тем, что в процессе лазерного воздействия к обрабатываемой поверхности подают инертный газ.

4. Способ легирования поверхности изделий из титана или сплавов на его основе с формированием боридных составляющих хрома и титана методом лазерной обработки, включающий нанесение на обрабатываемую поверхность порошкообразной реакционной смеси с последующей обработкой лазером, отличающийся тем, что в качестве компонентов порошкообразной реакционной смеси используют смесь порошков хрома или феррохрома и бора в массовом соотношении от 0,5 до 10 с порошкообразными добавками алюминия или никеля или сплавов на их основе или их сочетаний в количестве не менее 5 мас.% от исходной смеси хрома или феррохрома с бором.

5. Способ по п. 4, отличающийся тем, что перед нанесением реакционной смеси на поверхность обрабатываемого изделия наносят клеевое связующее, а нанесение реакционной смеси осуществляют путем обсыпки данной области реакционной смесью.

6. Способ по п. 4 или 5, отличающийся тем, что в процессе лазерного воздействия к обрабатываемой поверхности подают инертный газ.

7. Способ легирования поверхности изделий из титана или сплавов на его основе с формированием боридных составляющих хрома и титана методом лазерной обработки, включающий нанесение на обрабатываемую поверхность реакционной смеси с последующей обработкой лазером, отличающийся тем, что реакционную смесь получают путем добавления к порошкообразной смеси порошков хрома или феррохрома и бора в массовом соотношении от 0,5 до 10 клеевого связующего с последующим нанесением на обрабатываемую поверхность в виде краски или пасты.

8. Способ легирования поверхности изделий из титана или сплавов на его основе с формированием боридных составляющих хрома и титана методом лазерной обработки, включающий нанесение на обрабатываемую поверхность реакционной смеси с последующей обработкой лазером, отличающийся тем, что реакционную смесь получают путем добавления к порошкообразной смеси порошков хрома или феррохрома и бора в массовом соотношении от 0,5 до 10, с порошкообразными добавками алюминия или никеля или сплавов на их основе или их сочетаний в количестве не менее 5 мас.% от исходной смеси хрома или феррохрома с бором, клеевого связующего с последующим нанесением на обрабатываемую поверхность в виде краски или пасты.