Роль карбидов в формировании структуры и свойств сталей при импульсном лазерном облучении

   Введение. В современных научных публикациях не существует однозначного суждения и аргументированного металлофизического обоснования роли карбидной фазы облучаемых материалов в формировании требуемой структуры и достижении заданной степени упрочнения поверхностных слоев сталей при импульсной лазерной обработке, особенно в зоне лазерной закалки из твердого (аустенитного) состояния. Решение этого вопроса имеет большое значение, так как позволяет обоснованно и целенаправленно конструировать требуемую структуру поверхностных слоев изделий разного функционального назначения с высокими эксплуатационными свойствами. Сложность и недостаточно подробная изученность процесса структурообразования в поверхностных слоях сталей при экстремальном тепловом воздействии импульсного лазерного излучения потребовали проведения серии металлофизических экспериментов по изучению тонкого строения сталей после скоростной высокотемпературной закалки.

   Целью данной статьи явилось получение, количественная оценка и критический анализ массива результатов металлофизических исследований и оценка степени влияния карбидной фазы на формирование структуры и свойств поверхностных слоев сталей в процессе импульсной лазерной закалки на разных режимах, то есть с оплавлением и без оплавления поверхности образцов.

   Материалы и методы. В работе поверхностному лазерному облучению на установке «Квант 16» подвергались углеродистые и легированные инструментальные стали. Плотность мощности излучения составляла 70–200 МВт/м². При проведении металлофизических исследований использовались оптическая, сканирующая зондовая и электронная микроскопия; методы дифрактометрического, спектрального и дюрометрического анализа сталей до и после лазерной обработки.

  Результаты исследования. Показано, что лазерная обработка сталей с плотностью мощности излучения 130–200 МВт/м² приводила к локальному изменению химического состава в лазерно-оплавленных зонах пятна, частичному или полному растворению присутствующих в облучаемом металле карбидов и к увеличению количества остаточного аустенита в оплавленных зонах до 40–60 %. Установлено, что на стали Р6М5 максимально возможная твердость облученных зон достигалась при растворении 30 % карбидов, на сталях 9ХС, ХВГ — 60–70 %. Показано, что при импульсном лазерном облучении с q = 70–125 МВт/м², то есть без оплавления поверхности стали, вокруг включений карбидов под действием термо-деформационных напряжений на границах композиции «карбид – стальная матрица» формировались «белые зоны». Они обладали нетравимостью, дисперсностью строения и повышенной твердостью (10–12 ГПа). Определено, что максимальная твердость лазерно-закаленного металла в зонах лазерной закалки из твердого состояния достигалась в случае, если «белые зоны» занимали 40 % облученной области стали. Установлено, что дисперсность карбидов в этом случае составляла 0,5–1,5 мкм.

   Обсуждение и заключение. Результаты проведенных исследований свидетельствуют о том, что для получения наилучшего сочетания твердости и вязкости облученных зон при лазерной обработке с оплавлением поверхности сталей разного химического состава необходимо растворить разное количество карбидов. Дисперсное строение лазерно-оплавленных зон стали, наряду с достаточно большим содержанием остаточного аустенита, предопределяют возможность повышения эксплуатационных характеристик облученных материалов, особенно в условиях действия внешних ударных нагрузок. Анализ проведенных металлофизических исследований, облученных без оплавления поверхности сталей, позволил сделать вывод, что для получения высокой степени упрочнения необходимо и целесообразно обеспечить присутствие в структуре облучаемой стали определенного объема дисперсных карбидов. Формирующаяся при лазерной обработке без оплавления поверхности стали структурная композиция «белых зон» способствует получению уникального уровня эксплуатационных свойств. Результаты выполненных исследований вносят вклад в теорию структурообразования сталей в условиях экстремального теплового воздействия, а также позволяют осуществлять рациональный выбор режимов поверхностной лазерной обработки изделий и гарантированно обеспечивать их работоспособность.

1. Гуреев Д.М., Ямщиков С.В. Основы физики лазеров и лазерной обработки материалов. Самара: Издательство Сам. ун-т; 2001. 393 с.

2. Клебанов Ю.Д., Григорьев С.Н. Физические основы применения концентрированных потоков энергии в технологиях обработки материалов. Москва: Издательство МГТУ «Станкин»; 2005. 220 с.

3. Xinxin Li, Yingchun Guan. Theoretical fundamentals of short pulse laser – metal interaction: A review. Nanotechnology and Precision Engineering. 2020;3(3):105–125. doi: 10.1016/j.npe.2020.08.001

4. Gabdrakhmanov A., Galiakbarov A., Gaisin I. Increasing efficiency of the laser action to materials. Materials Today: Proceedings. 2019;19(5):1965–1967. doi: 10.1016/j.matpr.2019.07.052

5. Brover A.V., Brover G.I., Topolskaya I.A. Wear resistance structural aspects of materials after laser processing. In: IOP Conference Series: Materials Science and Engineering. 2020;969: 012008. doi: 10.1088/1757-899X/969/1/012008

6. Decheng Kong, Chaofang Dong, Xiaoqing Ni, Liang Zhang, Cheng Man, Guoliang Zhu, et al. Effect of TiC content on the mechanical and corrosion properties of Inconel 718 alloy fabricated by a high-throughput dual-feed laser metal deposition system. Journal of Alloys and Compounds. 2019;803(1):637–648. doi: 10.1016/j.jallcom.2019.06.317

7. Chengkuan Ma, Zhibin Xia, Yifeng Guo, Weifeng Liu, Xuhui Zhao, Qiang Li, et al. Carbides refinement and mechanical properties improvement of H13 die steel by magnetic-controlled electroslag remelting. Journal of Materials Research and Technology. 2022;19:3272–3286. doi: 10.1016/j.jmrt.2022.06.090

8. Zia Ullah Arif, Muhammad Yasir Khalid, Ehtsham ur Rehman, Sibghat Ullah, Muhammad Atif, Ali Tariq. A review on laser cladding of high-entropy alloys, their recent trends and potential applications. Journal of Manufacturing Processes. 2021;68(B):225–273. doi: 10.1016/j.jmapro.2021.06.041

9. Li Xing, Wang Quanjie, Zhang Qirui, Guan Yingchun, Zhou Wei. Interface analyses and mechanical properties of stainless steel/nickel alloy induced by multi-metal laser additive manufacturing. Journal of Manufacturing Processes. 2023;91:53–60. doi: 10.1016/j.jmapro.2023.02.038

10. Vimalraj S., Varahamoorthi R., Umesh Bala A., Karthikeyan R. Modeling and optimizing the laser parameters for corrosion resistance in 316 SS laser hardfaced surface using tungsten carbide. Materials Today: Proceedings. 2020;26(2):2485–2490. doi: 10.1016/j.matpr.2020.02.529

11. Bo Li, Bo Qian, Yi Xu, Zhiyuan Liu, Jianrui Zhang, Fuzhen Xuan. Additive manufacturing of ultrafine-grained austenitic stainless steel matrix composite via vanadium carbide reinforcement addition and selective laser melting: Formation mechanism and strengthening effect. Materials Science and Engineering: A. 2019;745:495–508. doi: 10.1016/j.msea.2019.01.008

12. Yong Chen, Hui Chen, JingQing Chen, Jun Xiong, Ying Wu , ShiYun Dong. Numerical and experimental investigation on thermal behavior and microstructure during selective laser melting of high strength steel. Journal of Manufacturing. 2020;57:533–542. doi: 10.1016/j.jmapro.2020.06.041

13. Niendorf T., Leuders S., Riemer A., Richard H.A., Tröster T., Schwarze D. Highly anisotropic steel processed by selective laser melting. Metallurgical and Materials Transactions B. 2013;44(4):794–796. doi: 10.1007/s11663-013-9875-z

14. Michael Katancik, Saereh Mirzababaei, Milad Ghayoor, Somayeh Pasebani. Selective laser melting and tempering of H13 tool steel for rapid tooling applications. Journal of Alloys and Compounds. 2020;849:1563–1572. doi: 10.1016/j.jallcom.2020.156319

15. 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. doi: 10.1007/s11015-022-01375-2

16. Benarji K., Ravi kumar Y., Jinoop A.N., Paul C.P., Bindra K.S. Effect of WC composition on the microstructure and surface properties of laser directed energy deposited SS 316-WC Composites. Journal of Materials Engineering and Performance. 2021;30(9):6732–6742. doi: 10.1007/s11665-021-05971-2

17. Brover A.V., Brover G.I., Moysova O.B. The role of local plastic deformation in the formation of structure and properties of materials under extreme heating. In: IOP Conference Series: Materials Science and Engineering. 2019;680(1):556–562. doi: 10.1088/1757-899X/680/1/012019

18. Бровер А.В., Бровер Г.И. О протекании процесса рекристаллизации в быстрорежущих сталях при импульсном лазерном облучении. Вестник Донского государственного технического университета. 2011;11(9):1601–1610. URL: https://www.vestnik-donstu.ru/jour/article/view/895/890 (дата обращения: 25. 08. 2023).

19. Pustovoit V.N., Dombrovskii Y.M., Dolgachev Y.V. Structural identification of the phenomenon of “white zone”. Metal Science and Heat Treatment. 2017;59:3–7. doi: 10.1007/s11041-017-0092-2

20. Brover A.V., Brover G.I. The morphology of carbide and nitride coatings on steels after laser irradiation. Materials Science Forum. 2020;989:145–151. doi: 10.4028/www.scientific.net/MSF.989.145