Галина Ивановна Бровер, доктор технических наук, профессор кафедры материаловедения и технологии металлов
344003, г. Ростов-на-Дону, пл. Гагарина, 1
ScopusID
Galina I. Brover, Dr. Sci. (Eng.), Professor of the Materials Science and Technology of Metals Department
1, Gagarin Sq., Rostov-on-Don, 344003
ScopusID
Елена Евгеньевна Щербакова, кандидат технических наук, доцент кафедры материаловедения и технологии металлов
344003, г. Ростов-на-Дону, пл. Гагарина, 1
ResearcherID, ScopusID
Elena E. Shcherbakova, Cand. Sci. (Eng.), Associate Professor of the Materials Science and Technology of Metals Department
1, Gagarin Sq., Rostov-on-Don, 344003
ResearcherID, ScopusID
Елена Борисовна Борисенко, ведущий научный сотрудник лаборатории физико-химических основ кристаллизации
142432, Московская обл., г. Черноголовка, ул. Академика Осипьяна, 2
Elena B. Borisenko, Leading Researcher at the Laboratory of Physical and Chemical Bases of Crystallization
2, Academician Osipyan Str., Chernogolovka, Moscow region, 142432
Введение. При проведении импульсной лазерной обработки и модифицирования поверхности цветных сплавов и покрытий на их основе возникает ряд до сих пор не решенных проблем. В частности, не увязаны экстремальные термодеформационные условия лазерной обработки с особенностями структурообразования и формирования свойств в облученных композициях «покрытие – медная подложка». Недостаточно аргументированно обоснован и доказательно проведен металлофизический анализ возможности и причин повышения прочности сцепления покрытий с металлической (медной) подложкой при высокоскоростной лазерной обработке. Для обоснованного выбора технологических параметров режима поверхностного упрочнения изделий из цветных сплавов, а также для получения на их поверхности качественных работоспособных композиционных слоев требуется решение приведенных выше вопросов и задач. Целью данной статьи явилось определение возможности и условий повышения прочности сцепления хромового покрытия с медной подложкой при лазерном облучении композиции.Материалы и методы. Металлофизические исследования в работе проводились на образцах цветных сплавов системы Cu–Zn с хромовым электрохимическим покрытием толщиной 20 мкм. Композиция «медная подложка — хромовое покрытие» облучалась на установке «Квант-16» с плотностью мощности излучения 70–250 МВт/м2. В работе использовались металлографический структурный анализ, сканирующая зондовая микроскопия, дюрометрические исследования.Результаты исследования. Расчетным путем установлено, что возникающие в лазернооблученных композициях «хромовое покрытие – медная подложка» динамические и термические напряжения составляют около 320 МПа. Металлофизическими исследованиями обнаружено, что в экстремальных термодеформационных условиях лазерной обработки на границе покрытия с медной основой проявляется эффект контактного плавления. В поверхностных облученных слоях медного сплава Л62 обнаружен эффект динамической рекристаллизации. Это выражается в формировании на поверхности сплава с исходным размером зерна 25 мкм мелких зерен размером 4,5–5,0 мкм. Обсуждение и заключение. Установлено, что прочность сцепления хромового покрытия с подложкой из медных сплавов повышает лазерное облучение с плотностью мощности излучения 150 МВт/м2. Это происходит за счет формирования в зоне контакта переходной области глубиной 2–4 мкм со структурой, состоящей из участков взаимно нерастворимых твердых растворов на основе хрома и меди. На основании анализа диаграммы состояния «медь — хром» и модели температурного поля при лазерном облучении хромового покрытия высказано предположение о протекании в переходной зоне от покрытия к медной подложке контактного плавления. Показано, что инициирующее влияние на наблюдаемые процессы структурообразования в зонах лазерного облучения оказывают термострикционные напряжения, расчетные количественные значения которых составили около 320 МПа. Установлено, что такой уровень возникающих в медных сплавах при лазерном облучении напряжений достаточен для пластической деформации и динамической рекристаллизации металла и способствует формированию мелкозернистой структуры (4,5–5,0 мкм) при исходном размере зерен 25 мкм. Анализ результатов исследований облученных композиций «покрытие – медная подложка» позволил сделать вывод, что они расширяют технологические возможности лазерного метода упрочнения материалов и позволяют гарантированно обеспечивать высокую работоспособность облученных изделий с покрытиями
Introduction. During pulsed laser processing and modification of the surface of non-ferrous alloys and coatings based on them, several still unresolved issues arise. In particular, the extreme thermal deformation conditions of laser processing are not linked to the peculiarities of structure formation and formation of properties in irradiated “coating — copper substrate” compositions. A metal physical analysis of the possibility and reasons for increasing the adhesion strength of coatings to a metal (copper) substrate during high-speed laser processing is insufficiently substantiated and evidence-based. To make a reasonable choice of technological parameters for the surface hardening mode of non-ferrous alloy products, as well as for obtaining high-quality workable composite layers on their surface, it is necessary to solve the above issues and tasks. The aim of this article is to determine the possibility and conditions for increasing the adhesion strength of a chrome coating to a copper substrate under laser irradiation of the composition.Materials and Methods. Metal physical studies in the work were carried out on samples of non-ferrous alloys of the Cu–Zn system with a chrome electrochemical coating with a thickness of 20 μm. The “copper substrate — chrome coating” composition was irradiated at a Kvant-16 installation with a radiation power density of 70–250 MW/m2. Metallographic structural analysis, scanning probe microscopy, and durometric studies were used in the work.Results. It has been calculated that the dynamic and thermal stresses arising in the laser-irradiated compositions “chrome coating — copper substrate” were about 320 MPa. Metal physical studies revealed that, in extreme thermal deformation conditions of laser treatment, the effect of contact melting was manifested at the boundary of the coating with the copper base. Dynamic recrystallization occurred in the surface layers of the irradiated L62 copper alloy, resulting in the formation of grains with a size of 4.5–5.0 μm on the surface of the alloy with an initial grain size of 25 μm.Discussion and Conclusion. It has been found that the adhesion strength of a chrome coating to a copper alloy substrate increased laser irradiation at a radiation power density of 150 MW/m2. This was due to the formation of a transition region 2–4 μm deep in the contact zone with a structure consisting of sections of mutually insoluble solid solutions based on chromium and copper. Based on the analysis of the copper —chromium state diagram and the model of the temperature field under laser irradiation of the chromium coating, it was suggested that contact melting occurred in the transition zone from the coating to the copper substrate. It was shown that thermostrictive stresses, the calculated quantitative values of which were about 320 MPa, had an initiating effect on the observed processes of structure formation in the laser irradiation zones. It was found that such a level of stresses arising in copper alloys under laser irradiation was sufficient for plastic deformation and dynamic recrystallization of the metal and contributed to the formation of a fine-grained structure (4.5–5.0 μm) with an initial grain size of 25 μm. An analysis of the results of studies of irradiated compositions "coating — copper substrate" allowed us to conclude that they expanded the technological capabilities of the laser method of hardening materials and ensure guaranteed high performance of irradiated products with coatings
The authors declare that there are no conflicts of interest present.