Способ формирования в легированном слое боридов титана при лазерной обработке поверхности изделий из титана или сплавов на его основе 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 В82 В 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.

Известно, что титан обладает высокой боридообразующей способностью и образует термодинамически стабильные и устойчивые бориды, в частности, диборид титана TiB₂ (Г.В. Самсонов, Т.И. Серебрякова, В.А. Неронов. Бориды. М.: Атомиздат.1975. - 376 с). Поскольку боридообразующая способность титана выше, чем железа, то с целью формирования борида титана в процессе лазерной обработки поверхности изделий из титана или сплавов на его основе, способ предусматривает использование в качестве борсодержащего материала порошкообразного ферробора. Для регулирования состава боридных составляющих титана в легированном слое способ допускает использование ферробора различных марок при содержании в них бора не менее 6% масс. Более низкое содержание не приводит к заметному увеличению твердости легированного слоя на поверхности изделий из титана или сплавов на его основе в процессе лазерной обработки вследствие низкого содержания боридных составляющих титана. Порошкообразный ферробор 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 легирующей добавки как в виде порошка, так и с использованием клеевого связующего. В случае обработки деталей в горизонтальной плоскости способ допускает нанесение ферробора на поверхность в виде порошков без связующего. Толщину слоя ферробора при этом можно варьировать как дисперсностью порошка, так и при помощи специальных доступных приспособлений (кондукторы в виде пластин с щелью требуемой высоты и др.). Для лучшей фиксации легирующей добавки, особенно при сложном рельефе поверхности обрабатываемого изделия, способ допускает применение клеевого связующего - введение связующего к исходному порошкообразному составу из ферробора и последующее его нанесение на поверхность в виде краски или пасты, либо нанесение клеевого связующего на поверхность обрабатываемого изделия с последующей обсыпкой вышеуказанной области порошкообразным ферробором.

После нанесения на поверхность изделия легирующей добавки в виде порошкообразного ферробора 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 ферробора, толщины слоя, так и от технических характеристик применяемого для воздействия лазерного устройства. Для обеспечения наиболее оптимальных условий обработки способ допускает применение порошкообразного ферробора фракцией, не превышающий 1 мм, поскольку использование более крупных порошков 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.

Лазерное воздействие на поверхность титана или сплавов на его основе с нанесенным слоем легирующего состава вызывает локальный нагрев вследствие как высокой энергии излучения, так и в силу протекания процессов образования боридных составляющих титана при взаимодействии в системе обрабатываемый материал - ферробор. 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 ферробору порошкообразных добавок алюминия или никеля или сплавов на их основе или их сочетания в количестве, не менее 5% масс, от исходной массы легирующего компонента.

Способ осуществляется следующим образом.

Сначала готовят легирующую порошкообразную смесь путем добавки в ферробор порошков металлов никеля или алюминия или сплавов на их основе или их сочетания, в количестве, не менее 5% масс, от массы ферробора. Известно, что титан способен образовывать стабильные и устойчивые интерметаллидные соединения, как с алюминием, так и с никелем (В.И. Итин, Ю.С. Найбороденко. Высокотемпературный синтез интерметаллических соединений. Томск: Изд-во Том. ун-та. 1989. - 214 с.). Введение данных металлических компонентов в исходную реакционную смесь позволяет получать в процессе обработки поверхности лазерным воздействием, наряду с боридами титана, также интерметалл 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 исходному составу из ферробора совместно никеля и алюминия, а образование интерметаллидов системы никель - алюминий определяется соотношением данных компонентов. Образование в процессе лазерного воздействия совместно с боридными составляющими титана 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 ферробору 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 ферробора. 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 боридных составляющих титана в легированном слое способ предусматривает использование ферробора, содержание бора в котором составляет не менее 6% масс. Более низкое содержание бора не приводит к заметному увеличению твердости легированного слоя на поверхности изделий из титана или сплавов на его основе в процессе лазерной обработки вследствие низкого содержания боридных составляющих титана.

Порошкообразную смесь, состоящую из ферробора и добавок никеля или алюминия или сплавов на их основе или их сочетания 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 легирующего состава, как в виде порошка, так и с использованием клеевого связующего. В случае обработки деталей в горизонтальной плоскости способ допускает нанесение смеси на поверхность в виде порошков без связующего. Толщину слоя легирующего состава при этом можно варьировать как дисперсностью компонентов порошкообразных составляющих, так и при помощи специальных доступных приспособлений (кондукторы в виде пластин с щелью требуемой высоты и др.). Для лучшей фиксации легирующей смеси, особенно при сложном рельефе поверхности обрабатываемого изделия, способ допускает применение клеевого связующего - введение связующего к исходному порошкообразному составу и последующее его нанесение на поверхность в виде краски или пасты, либо нанесение клеевого связующего на поверхность обрабатываемого изделия с последующей обсыпкой вышеуказанной области порошкообразной смесью.

После нанесения на поверхность изделия полученной легирующей 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 легирующей смеси, толщины слоя, так и от технических характеристик применяемого для воздействия лазерного устройства. Для обеспечения наиболее оптимальных условий обработки способ допускает применение порошкообразных компонентов легирующей смеси фракцией, не превышающий 1 мм, поскольку использование более крупных порошков не позволит получить качественный и однородный слой на поверхности обрабатываемого изделия. С целью получения легированного слоя, сочетающего боридные и интерметаллидные 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 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 легирующего покрытия вызывает локальный нагрев вследствие как высокой энергии излучения, так и в силу протекания процессов образования боридных и интерметаллидных составляющих при взаимодействии в системе обрабатываемый материал - порошкообразная легирующая 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 как компонентов металлической матрицы (титана), таки и легирующей смеси. 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 легирующего состава применяли ферробор с содержанием бора ~ 6% масс.(ФБ6). Данный материал в виде порошка наносили на поверхность образца из титанового сплава ВТ1-0 слоем 0,1 мм без клеевого связующего. Обработку поверхности образца со слоем ферробора лазерным излучением проводили на установке для лазерной сварки и наплавки ЛИС 25/2, образец перемещали с помощью координатного столика. Состав легированной поверхности после обработки содержал боридные составляющие титана (TiB, Т1 В₂). Поскольку процесс проводили на воздухе, на поверхности легированного слоя также присутствовали оксиды титана (TiO₂) и железа (Fe₂O₃).

Пример 2. В качестве легирующего состава применяли ферробор с содержанием бора ~ 17% масс.(ФБ17), в качестве титансодержащего материала - сплав ВТ1-0. Для фиксирования ферробора на поверхности обрабатываемого изделия применяли клеевое связующее на основе клея БФ - смесь порошка ФБ17 со связующим наносили на поверхность образца в виде пасты слоем ~ 0,2 мм. Для предотвращения окисления в зону обработки методом обдува подавали инертный газ аргон. Состав легированного слоя после обработки представлен боридами титана (TiB, TiB₂, TiB₅) и железа (Fe₂B, FeB). 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 3. То же, что в примере 2, только к исходному ферробору ФБ17 добавляли порошок никеля в количестве 20% масс. Фиксирование порошкообразного легирующего состава проводили с помощью клеевого связующего - клей наносили на поверхность образца с последующей обсыпкой порошкообразной смесью. Поверхность образца из сплава ВТ1-0 с легирующим составом толщиной 0,15-0,2 мм обрабатывали лазерным излучением с обдувом поверхности аргоном. Состав легированного слоя обработанного сплава содержал наряду с боридами титана (TiB, TiB₂) и железа (Fe₂B) также интерметаллид Ni₃Ti.

Пример 4. В качестве легирующего состава применяли ферробор ФБ17 с добавкой алюминия в количестве 30% масс. Состав лигатуры наносили на поверхность образца из сплава ВТ1-0 в виде пасты (смесь порошкообразных материалов с клеевым связующим) с последующей обработкой лазерным воздействием в воздушной атмосфере. Легированный слой содержал бориды титана (TiB, TiB₂) и железа (Fe₂B), интерметаллид Al₃Ti и оксиды титана (TiO₂), железа (Fe₂O₃) и алюминия (Al₂O₃).

Пример 5. В качестве легирующего состава применяли ферробор ФБ17 с добавками алюминия и никеля в количестве 30% масс, при соотношении никеля к алюминию 1:1. Легирующий состав наносили на поверхность сплава ВТ1-0 в виде пасты, в процессе лазерного воздействия в зону обработки подавали методом обдува аргон. Состав легированного слоя после обработки представлен боридами титана (TiB, Т1В₂), железа (Fe₂B) и интерметаллидами Ni₃Ti, Al₃Ti, NiAl.

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.

Изобретение относится к области обработки материалов лазерным лучом и модификации поверхности при лазерной наплавке легирующих составов и может быть использовано для формирования легированного слоя на поверхности изделий из титана или сплавов на его основе. Способ включает нанесение легирующего порошкообразного состава в виде ферробора с содержанием бора не менее 6 мас.% на поверхность изделия из титана или сплавов на его основе и проведение процесса лазерной обработки. Для формирования дополнительных интерметаллидных составляющих способ предусматривает введение к исходному ферробору добавок 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, 5 пр.

1. Способ легирования поверхности изделий из титана или сплавов на его основе с формированием слоя боридов титана при лазерной обработке, включающий нанесение на обрабатываемую поверхность порошкообразного легирующего состава с последующей обработкой лазерным воздействием, отличающийся тем, что в качестве порошкообразного легирующего состава используют ферробор с содержанием бора не менее 6 мас.%.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что перед нанесением порошкообразного легирующего состава на поверхность обрабатываемого изделия наносят клеевое связующее, а нанесение порошкообразного легирующего состава осуществляется путем обсыпки данной области порошкообразным ферробором.

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 слоя боридов титана при лазерной обработке, включающий нанесение на обрабатываемую поверхность порошкообразного легирующего состава с последующей обработкой лазерным воздействием, отличающийся тем, что в качестве порошкообразного легирующего состава используют ферробор с содержанием бора не менее 6 мас.% с порошкообразными добавками алюминия, или никеля, или сплавов на их основе, или их сочетания в количестве не менее 5 мас.% от массы ферробора.

5. Способ по п. 4, отличающийся тем, что перед нанесением порошкообразного легирующего состава на поверхность обрабатываемого изделия наносят клеевое связующее, а нанесение порошкообразного легирующего состава осуществляется путем обсыпки данной области.

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 слоя боридов титана при лазерной обработке, включающий нанесение на обрабатываемую поверхность легирующего состава с последующей обработкой лазерным воздействием, отличающийся тем, что легирующий состав получают путем добавления к порошкообразному ферробору с содержанием бора не менее 6 мас.% клеевого связующего с последующим нанесением легирующего состава на обрабатываемую поверхность в виде краски или пасты.

8. Способ легирования поверхности изделий из титана или сплавов на его основе с формированием слоя боридов титана при лазерной обработке, включающий нанесение на обрабатываемую поверхность легирующего состава с последующей обработкой лазерным воздействием, отличающийся тем, что легирующий состав получают путем добавления к порошкообразному ферробору с содержанием бора не менее 6 мас.% с порошкообразными добавками алюминия, или никеля, или сплавов на их основе, или их сочетания в количестве не менее 5 мас.% от массы ферробора клеевого связующего с последующим нанесением легирующего состава на обрабатываемую поверхность в виде краски или пасты.