Влияние текстурных эффектов на работоспособность лазерно-облученного инструмента

Введение. Лазерная поверхностная обработка изделий машиностроения позволяет увеличить их долговечность. Однако процесс лазерного упрочнения не отличается стабильностью получаемых результатов, так как при выборе режимов и схем облучения конкретных изделий не учитываются текстурные эффекты в зонах лазерного воздействия. Это приводит к преждевременному износу и даже разрушению рабочих поверхностей облученных изделий. Поэтому целью работы явилось исследование механизма влияния строения лазерно-закаленного слоя на эксплуатационные свойства инструмента.

Материалы и методы. Материалами для данного исследования послужили инструментальные стали Р6М5 и Р18. Импульсное лазерное облучение проводилось на технологической установке «Квант-16» с плотностью мощности излучения 70–250 МВт/м². Использовались сканирующая зондовая и оптическая микроскопия, рентгеноструктурный и дюрометрический методы анализа структуры сталей. Определялись значения прочности сталей на изгиб и ударную вязкость до и после лазерной обработки.

Результаты исследования. Экспериментально доказано, что упрочнять следует участки рабочих поверхностей изделий, подверженные максимальному износу и находящиеся при эксплуатации под действием сжимающих напряжений. Показано, что текстурные эффекты в зонах лазерной обработки приводят к понижению коэффициентов трения и способствуют повышению износо- и адгезионной стойкости поверхностных слоев сталей.

Обсуждение и заключения. Результаты проведенных исследований позволяют осуществлять рациональный выбор режимов и схем поверхностной лазерной обработки изделий различного функционального назначения и гарантированно обеспечивать их работоспособность. Определены возможности повышения конструкционной прочности и свойств инструмента за счет проведения лазерного легирования поверхностных слоев сталей из порошковых покрытий и проведения после лазерного облучения стабилизирующего отпуска. 

1. Tingting G., Suiyuan C., Xueting C., et al. Effect of laser incident energy on microstructures and mechanical properties of 12CrNi2Y alloy steel by direct laser deposition. Journal of Materials Science & Technology. 2019;35(2): 395–402. https://doi.org/10.1016/j.jmst.2018.10.024

2. AlMangour B., Grzesiak D., Yang J.-M. Scanning strategies for texture and anisotropy tailoring during selective laser melting of TiC/316L stainless steel nanocomposites. Journal of Alloys and Compounds. 2017;728:424–435. https://doi.org/10.1016/j.jallcom.2017.08.022

3. Keshavarzkermani A., Sadowski M., Ladani L. Direct metal laser melting of Inconel 718: Process impact on grain formation and orientation. Journal of Alloys and Compounds. 2018;736:297–305. https://doi.org/10.1016/j.jallcom.2017.11.130

4. Su Y., Wang Z., Luet H., et al. Improved wear resistance of directed energy deposited Fe-Ni-Cr alloy via closed-loop controlling laser power. Journal of Manufacturing Processes. 2022;75:802–813. https://doi.org/10.1016/j.jmapro.2022.01.047

5. Бровер А.В., Бровер Г.И., Пустовойт В.Н. Повышение эксплуатационных свойств и качества химических покрытий на сталях и сплавах лазерной обработкой. Вестник Донского государственного технического университета. 2015;1:62–67. https://doi.org/10.12737/10388

6. Zhang K., Deng J., Ding Z., et al. Improving dry machining performance of TiAlN hard-coated tools through combined technology of femtosecond laser-textures and WS2 soft-coatings. Journal of Manufacturing Processes. 2017;30:492–501. https://doi.org/10.1016/j.jmapro.2017.10.018

7. Li S., Chen H., Ting L., et al. Tribological properties of laser surface texturing modified GCr15 steel under graphene/5CB lubrication. Journal of Materials Research and Technology. 2022;18:3598–3611. https://doi.org/10.1016/j.jmrt.2022.04.030

8. Fernández-Lucio P., Villarón-Osorno I., Pereira Neto O., et al. Effects of laser-textured on rake face in turning PCD tools for Ti6Al4V. Journal of Materials Research and Technology. 2021;15:177–188. https://doi.org/10.1016/j.jmrt.2021.08.004

9. Chu Q., Hao S.J., Li W.Y., et al. Impact of shoulder morphology on macrostructural forming and the texture development during probeless friction stir spot welding. Journal of Materials Research and Technology. 2021;12:2042–2054. https://doi.org/10.1016/j.jmrt.2021.04.013

10. Keshavarzkermani A., Sadowski M., Ladani L. Direct metal laser melting of Inconel 718: Process impact on grain formation and orientation. Journal of Alloys and Compounds. 2021;736:297–305. https://doi.org/10.1016/j.jallcom.2017.11.130

11. Yu Z., Zheng Y., Chen J., et al. Effect of laser remelting processing on microstructure and mechanical properties of 17-4 PH stainless steel during laser direct metal deposition. Journal of Materials Processing Technology. 2020;284:116738. https://doi.org/10.1016/j.jmatprotec.2020.116738

12. Brover G.I., Shcherbakova E.E. Aspects of Structure Formation in Surface Layers of Steel after Laser Alloying from Various Coatings. Metallurgist. 2022;66:672–680. https://doi.org/10.1007/s11015-022-01375-2

13. Mao B., Siddaiah A., Menezes P.L., et al. Surface texturing by indirect laser shock surface patterning for manipulated friction coefficient. Journal of Materials Processing Technology. 2018;257:227–233. https://doi.org/10.1016/j.jmatprotec.2018.02.041

14. Yan H., Chen Z., Zhao J. et al. Enhancing tribological properties of WS2/NbC/Co-based self-lubricating coating via laser texturing and laser cladding two-step process. Journal of Materials Research and Technology. 2020;9(5):9907–9919. https://doi.org/10.1016/j.jmrt.2020.07.001

15. Wang T., Wang C., Li J., et al. Microstructure and wear properties of laser-clad NiCo alloy coating on Inconel 718 alloy. Journal of Alloys and Compounds. 2021;879:160412. https://doi.org/10.1016/j.jallcom.2021.160412

16. Jiang P.F., Zhang C.H., Zhang S., et al. Microstructure evolution, wear behavior, and corrosion performance of alloy steel gradient material fabricated by direct laser deposition. Journal of Materials Research and Technology. 2020;9(5):11702–11716. https://doi.org/10.1016/j.jmrt.2020.08.074

17. Liu S., Li Y., Wang Y., et al. Selective laser melting of WC-Co reinforced AISI 1045 steel composites: microstructure characterization and mechanical properties. Journal of Materials Research and Technology. 2022;19:1821–1835. https://doi.org/10.1016/j.jmrt.2022.05.158

18. Brover G.I. Shcherbakova E.E. Features of Steel Structure Formation in Areas of High-Speed Laser Hardening from Liquid State. Metallurgist. 2022;66:529–538. https://doi.org/10.1007/s11015-022-01357-4

19. Liu L., Wang D., Deng G., et al. Laser additive manufacturing of a 316L/CuSn10 multimaterial coaxial nozzle to alleviate spattering adhesion and burning effect in directed energy deposition. Journal of Manufacturing Processes. 2022;82:51–63. https://doi.org/10.1016/j.jmapro.2022.07.038

20. Liu Y.-X., Zhang C.-C., Wang R.-Z., et al. Quantitative evaluations of improved surface integrity in ultrasonic rolling process for selective laser melted in-situ TiB2/Al composite. Journal of Manufacturing Processes. 2022;77:412–425. https://doi.org/10.1016/j.jmapro.2022.03.026

21. Meng X., Zhang K., Guo X., et al.Preparation of micro-textures on cemented carbide substrate surface by plasma-assisted laser machining to enhance the PVD tool coatings adhesion. Journal of Materials Processing Technology. 2021;288:116870. https://doi.org/10.1016/j.jmatprotec.2020.116870