Морфология и свойства лазернооблученной композиции «хромовое покрытие – медная подложка»

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

1. Ломаев Г.В., Харанжевский Е.В. Упрочняющая обработка поверхности методом высокоскоростной лазерной перекристаллизации. Металловедение и термическая обработка металлов. 2002;3:27–32.

2. Kumar H, Bhaduri GA, Manikandan SGK, Kamaraj M, Shiva S. Effect of Laser Surface Processing on the Microstructure Evolution and Multiscale Properties of Atmospheric Plasma Sprayed High-Entropy Alloys Coating. Journal of Thermal Spray Technology. 2023;32:831–850. https://doi.org/10.1007/s11666-022-01491-0

3. Brover GI, Shcherbakova EE. Morphology and Properties of Chemical Coatings on Steels after Extreme Thermal Laser Radiation Effects. Metallurgist. 2023;66:1105–1113. https://doi.org/10.1007/s11015-023-01423-5

4. Brover AV. Adaptation of Structures of Steel Laser Hardening Zones to Friction Conditions. Vestnik of Don State Technical University. 2020;20(1):87–92. https://doi.org/10.23947/1992-5980-2020-20-1-87-92

5. 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;803:637–648. https://doi.org/10.1016/j.jallcom.2019.06.317

6. Soumya Sobhan Dash, Daolun Chen. A Review on Processing–Microstructure–Property Relationships of Al-Si Alloys: Recent Advances in Deformation Behavior. Metals. 2023;13(3):609. https://doi.org/10.3390/met13030609

7. Xu Yang, Yang Qi, Wenqi Zhang, Yilong Wang, Haihong Zhu. Laser Powder Bed Fusion of C18150 Copper Alloy with Excellent Comprehensive Properties. Materials Science and Engineering: A. 2023;862:144512. https://doi.org/10.1016/j.msea.2022.144512

8. Xiangpeng Tang, Xiaohong Chen, Fujia Sun, Lei Li, Ping Liu, Honglei Zhou, et al. A Study on the Mechanical and Electrical Properties of High-Strength CuCrZr Alloy Fabricated Using Laser Powder Bed Fusion. Journal of Alloys and Compounds, 2022;924:166627. https://doi.org/10.1016/j.jallcom.2022.166627

9. Platl J, Rainer DBSc, Leitner H, Turk C, Galbusera FMSc, Ali Gökhan Demir, et al. Potential Causes for Cracking of a Laser Powder Bed Fused Carbon-free FeCoMo Alloy. BHM Berg- und Hüttenmännische Monatshefte. 2022;167:325–331. https://doi.org/10.1007/s00501-022-01238-y

10. Лякишев Н.П. Диаграммы состояния двойных металлических систем. Москва: Машиностроение; 1996–2000. 350 с.

11. Sambit Sahoo, Rajat Mishra, Nishkarsh Srivastava, Amit Arora. FEM Simulation of Pulsed Laser Welding of High-Carbon Alloy Steel: Using Different Heat Source Models. Transactions of the Indian Institute of Metals. 2023;66:1005–1013. https://doi.org/10.1007/s12666-023-03008-x

12. Матюнин В.М., Кудряков О.В., Варавка В.Н., Марченков А.Ю. Микромеханика малых деформаций в металлических сплавах при лазерном облучении. Заводская лаборатория. Диагностика материалов. 2022;88(10):66–72. https://doi.org/10.26896/1028-6861-2022-88-10-66-72

13. Pustovoit VN, Dombrovskii YuM, Dolgachev YuV. Structural Identification of the Phenomenon of “White Zone”. Metal Science and Heat Treatment. 2017;59:3–7. https://doi.org/10.1007/s11041-017-0092-2

14. Фролов В.А., Якивьюк О.В., Фролов В.Ф., Ворошилов Д.С. Исследование структуры литых и деформированных полуфабрикатов из алюминиевых сплавов, экономно легированных скандием. В: Материалы XVIII Международной научно-технической Уральской школы-семинара металловедов — молодых ученых. Екатеринбург: УрФУ; 2017. С. 627–631.

15. Смитлз К.Дж. Металлы: справочник. Москва: Металлургия; 1980. 448 с.