RU2183692C2 - Способ лазерного упрочнения поверхности титана и его сплавов - Google Patents
Способ лазерного упрочнения поверхности титана и его сплавов Download PDFInfo
- Publication number
- RU2183692C2 RU2183692C2 RU2000116229A RU2000116229A RU2183692C2 RU 2183692 C2 RU2183692 C2 RU 2183692C2 RU 2000116229 A RU2000116229 A RU 2000116229A RU 2000116229 A RU2000116229 A RU 2000116229A RU 2183692 C2 RU2183692 C2 RU 2183692C2
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- laser beam
- titanium
- alloys
- laser
- power density
- Prior art date
Links
- 238000000034 method Methods 0.000 title claims abstract description 13
- 229910045601 alloy Inorganic materials 0.000 title claims abstract description 9
- 239000000956 alloy Substances 0.000 title claims abstract description 9
- RTAQQCXQSZGOHL-UHFFFAOYSA-N Titanium Chemical compound [Ti] RTAQQCXQSZGOHL-UHFFFAOYSA-N 0.000 title claims abstract description 8
- 239000010936 titanium Substances 0.000 title claims abstract description 7
- 229910052719 titanium Inorganic materials 0.000 title claims abstract description 7
- 230000003993 interaction Effects 0.000 claims abstract description 9
- 238000011282 treatment Methods 0.000 claims abstract 2
- 230000005855 radiation Effects 0.000 claims description 13
- 238000012545 processing Methods 0.000 claims description 9
- 229910052751 metal Inorganic materials 0.000 abstract description 8
- 239000002184 metal Substances 0.000 abstract description 8
- 125000004122 cyclic group Chemical group 0.000 abstract description 5
- 238000013532 laser treatment Methods 0.000 abstract description 2
- 150000002739 metals Chemical class 0.000 abstract description 2
- 230000000694 effects Effects 0.000 abstract 1
- 239000000126 substance Substances 0.000 abstract 1
- 239000010410 layer Substances 0.000 description 11
- 238000010438 heat treatment Methods 0.000 description 5
- 230000003647 oxidation Effects 0.000 description 3
- 238000007254 oxidation reaction Methods 0.000 description 3
- 239000002344 surface layer Substances 0.000 description 3
- 229910001069 Ti alloy Inorganic materials 0.000 description 2
- 230000015572 biosynthetic process Effects 0.000 description 2
- UFHFLCQGNIYNRP-UHFFFAOYSA-N Hydrogen Chemical compound [H][H] UFHFLCQGNIYNRP-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- QVGXLLKOCUKJST-UHFFFAOYSA-N atomic oxygen Chemical compound [O] QVGXLLKOCUKJST-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 238000009792 diffusion process Methods 0.000 description 1
- 238000009826 distribution Methods 0.000 description 1
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 1
- 230000004927 fusion Effects 0.000 description 1
- 239000011521 glass Substances 0.000 description 1
- 239000001307 helium Substances 0.000 description 1
- 229910052734 helium Inorganic materials 0.000 description 1
- SWQJXJOGLNCZEY-UHFFFAOYSA-N helium atom Chemical compound [He] SWQJXJOGLNCZEY-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 239000001257 hydrogen Substances 0.000 description 1
- 229910052739 hydrogen Inorganic materials 0.000 description 1
- 230000001678 irradiating effect Effects 0.000 description 1
- 238000011089 mechanical engineering Methods 0.000 description 1
- 238000002844 melting Methods 0.000 description 1
- 230000008018 melting Effects 0.000 description 1
- 238000013021 overheating Methods 0.000 description 1
- 239000001301 oxygen Substances 0.000 description 1
- 229910052760 oxygen Inorganic materials 0.000 description 1
- 230000002093 peripheral effect Effects 0.000 description 1
- 239000011148 porous material Substances 0.000 description 1
- 238000011160 research Methods 0.000 description 1
- 238000004381 surface treatment Methods 0.000 description 1
- 238000012360 testing method Methods 0.000 description 1
- 238000009827 uniform distribution Methods 0.000 description 1
Images
Landscapes
- Laser Beam Processing (AREA)
- Heat Treatment Of Articles (AREA)
Abstract
Изобретение относится к технологии лазерной обработки металлов и может быть использовано в машиностроении при упрочнении рабочих поверхностей деталей из титана и его сплавов для повышения их долговечности, стойкости к схватыванию и сопротивлению износа. Способ включает чернение поверхности и последующую обработку в воздушной среде при относительной влажности не более 20% лучом лазера с поперечной модой ТЕМ00 и с перекрытием соседних треков, при этом время взаимодействия лазерного луча с обрабатываемой поверхностью устанавливают в пределах 0,6≤t≤1,5 с, а скорость его перемещения - в пределах 0,2≤V≤1,5 см/с при плотности мощности излучения 103-104 Вт/см2. Техническим результатом является повышение износостойкости и долговечности при циклических нагрузках под напряжением за счет увеличения глубины упрочненного слоя. 1 з.п.ф-лы, 1 табл.
Description
Изобретение относится к технологии лазерной обработки металлов и может быть использовано в машиностроении при упрочнении рабочих поверхностей деталей из титана и его сплавов для повышения их долговечности, стойкости к схватыванию и сопротивлению износа.
Известно, что сплавы на титановой основе обладают низкими антифрикционными свойствами.
Для повышения антифрикционных свойств титановых сплавов применяют термическое оксидирование (1), обеспечивающее образование поверхностного слоя, обладающего высокой твердостью и износостойкостью.
Недостатком термического оксидирования является малая глубина упрочненного слоя. Кроме того, термическое оксидирование предполагает длительную выдержку при высокой температуре, что снижает механические свойства сплавов.
Известно (2), что лазерная обработка ведет к снижению прочностных свойств при циклических нагрузках под напряжением.
Известен также способ лазерной обработки титановых сплавов (3), наиболее близкий по технической сущности к предлагаемому и принятый нами за прототип, в котором проводят чернение обрабатываемой поверхности, облучение поверхности лазерным лучом с энергией импульса 15-20 Дж, временем импульса 1,5-1,8 мс, с диаметром пучка 2 мм в атмосфере гелия при давлении 3•105 Па. При этом сплавы, обработанные по известному способу, обладают недостаточной износостойкостью, так как глубина упрочненного слоя не превышает 0,3 мкм, и пониженными прочностными свойствами при циклических нагрузках под напряжением.
Задачей изобретения является повышение износостойкости, а также долговечности при циклических нагрузках под напряжением титана и его сплавов за счет увеличения глубины упрочненного слоя.
Поставленная задача достигается за счет того, что обработку поверхности осуществляют в воздушной среде, при относительной влажности не более 20% лучом лазера с поперечной модой излучения ТЕМ00, плотностью мощности излучения 103-104 Вт/см2 и коэффициентом перекрытия треков в пределах 0,8±0,1 диаметра луча, при этом время взаимодействия лазерного луча с обрабатываемой поверхностью устанавливают в пределах 0,6≤t≤l,5с, а скорость его перемещения - в пределах 0,2≤V≤1,5 см/с.
Поперечная мода излучения ТЕМ00 обеспечивает равномерное распределение плотности мощности излучения по сечению лазерного луча, что позволяет регулировать степень нагрева металла обрабатываемой поверхности с помощью предложенных параметров режима лазерной обработки и добиваться получения обработанного слоя, равномерного по глубине и свойствам. В то же время в поперечной моде излучения ТЕМ10, TEM01, TEM20 и т д. имеет место неравноменое распределение плотности мощности излучения по сечению луча, затрудняющее процесс регулирования степени нагрева обрабатываемой поверхности. Кроме того, наличие в указанных модах раздельных максимумов плотности мощности излучения приводит к неравномерному нагреву поверхности, где наблюдаются либо оплавленные участки, подвергшиеся повторному нагреву вторым максимумом, либо необработанные участки, оказавшиеся между максимумами. Все это снижает однородность качества обработанной поверхности и ухудшает ее свойства.
Экспериментально установлено, что в диапазоне скоростей 0,2≤V≤1,5 см/с и времени взаимодействия лазерного луча с обрабатываемой поверхностью 0,6≤t≤1,5 с наблюдается максимальная глубина упрочненного слоя в пределах 100-170 мкм. Исследования показали, что при скорости обработки менее 0,2 см/с и времени взаимодействия более 1,5 с образуется малая глубина упрочненного слоя, менее 80 мкм, т.к. степень термодиффузионных процессов невелика из-за малого градиента температур в обрабатываем слое. При этих же условиях в поверхностном слое образуется плотная оксидная пленка, препятствующая дальнейшему насыщению металла кислородом, ответственным за упрочнение.
При скорости более 1,5 см/с и времени взаимодействия менее 0,6с глубина упрочненного слоя также не превышает 80 мкм из-за малого времени взаимодействия лазерного луча с металлом поверхностного слоя.
Обработка с плотностью мощности излучения более чем 104 Вт/см2 приводит к перегреву металла и оплавлению поверхности и как следствие этого образованию пор и трещин, ухудшающих качество поверхности.
Обработка при плотности мощности излучения менее чем 103 Вт/см2 приводит к уменьшению глубины обработанного слоя.
При обработке с коэффициентом перекрытия треков более 0,9 диаметра луча образуется неравномерная толщина упрочненного слоя за счет чередования обработанных и необработанных участков, вследствие снижения температуры нагрева металла в периферийных зонах треков.
При коэффициенте перекрытия треков менее чем 0,7 диаметра лазерного луча на поверхности образуются трещины на участках двойного воздействия луча на металл и оплавление обрабатываемой поверхности.
Обработка в воздушной среде с влажностью более 20% повышает содержание водорода в обрабатываемом слое до 0,015% и более, что приводит к его охрупчиванию.
Указанный способ осуществляют следующим образом: перед упрочнением обрабатываемые поверхности деталей подвергают чернению, а затем обработке в воздушной среде при относительной влажности не более 20% лучом лазера с поперечной модой ТЕМ00, плотностью мощности излучения 103-104 Вт/см2 и коэффициентом перекрытия ближайших треков в пределах 0,8±0,1 диаметра луча, при этом время взаимодействия лазерного луча с обрабатываемой поверхностью устанавливают в пределах 0,6≤t≤1,5 с, а скорость его перемещения - в пределах 0,2≤V≤1,5 см/с.
Пример конкретного выполнения способа: поверхности деталей из титана с 4,5% AL перед упрочнением подвергали чернению, затем обрабатывали в воздушной среде при относительной влажности 10,15,20,30 и 40% лучом лазера с поперечной модой TEM00, TEM01, TEM10, TEM20, плотностью мощности излучения от 5•102 дo 2•104 Вт/см2 путем перемещения его вдоль поверхности со скоростью от 0,1 до 1,6 см/с за время взаимодействия луча от 0,5 до 1,7 с и шагом перемещения в пределах от 0,6 до 1,0 диаметра луча, что обеспечивало коэффициент перекрытия в тех же пределах.
Моду излучения определяли по пятну, оставляемому на органическом стекле во время кратковременного воздействия импульса лазерного луча.
Исследования износостойкости проводились на стенде СИТ-3. Данные испытаний приведены в таблице.
Как видно из таблицы, износостойкость и долговечность при циклических нагрузках под напряжением образцов, обработанных по предлагаемому способу, выше, чем по способу прототипа.
Технико-экономическая эффективность предлагаемого способа выразится в повышении работоспособности деталей из титана и его сплавов за счет повышения долговечности и износостойкости.
ЛИТЕРАТУРА
1. Б.Б.Чечулин, С.С. Ушков и др. Титановые сплавы в машиностроении. - Л. : Машиностроение, 1977 г.
1. Б.Б.Чечулин, С.С. Ушков и др. Титановые сплавы в машиностроении. - Л. : Машиностроение, 1977 г.
2. Лазерное упрочнение поверхности титана. Постников B.C., Томинский В. Р. , Будцова В. В. Межвузовский сборник научных трудов. г. Пермь, 1991 г., стр. 74-78.
З. Н.Д.Томашов, Т.В.Чукаловский и др. Коррозионные и электротехнические свойства титана, поверхностно обработанного методом лазерного облучения. Защита металлов, т. 23, N 3, стр. 338-393, 1987 г. - прототип.
Claims (2)
1. Способ лазерного упрочнения поверхности титана и его сплавов, включающий чернение поверхности с последующей лазерной обработкой, отличающийся тем, что обработку ведут в воздушной среде при относительной влажности не более 20% лучом лазера с поперечной модой ТЕМ00 и с перекрытием соседних треков, при этом время взаимодействия лазерного луча с обрабатываемой поверхностью устанавливают в пределах 0,6≤t≤1,5 с, а скорость его перемещения - в пределах 0,2≤V≤1,5 см/с при плотности мощности излучения 103-104 Вт/см2.
2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что коэффициент перекрытия соседних треков устанавливают в пределах 0,8±0,1 диаметра лазерного луча.
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2000116229A RU2183692C2 (ru) | 2000-06-20 | 2000-06-20 | Способ лазерного упрочнения поверхности титана и его сплавов |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2000116229A RU2183692C2 (ru) | 2000-06-20 | 2000-06-20 | Способ лазерного упрочнения поверхности титана и его сплавов |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2183692C2 true RU2183692C2 (ru) | 2002-06-20 |
| RU2000116229A RU2000116229A (ru) | 2002-08-27 |
Family
ID=20236582
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU2000116229A RU2183692C2 (ru) | 2000-06-20 | 2000-06-20 | Способ лазерного упрочнения поверхности титана и его сплавов |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU2183692C2 (ru) |
Cited By (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2268722C2 (ru) * | 2004-03-01 | 2006-01-27 | Ольга Алексеевна Кост | Способ лечения и профилактики глазных болезней, связанных с ишемией тканей глаза |
| RU2427666C1 (ru) * | 2009-12-21 | 2011-08-27 | Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Сибирский государственный аэрокосмический университет имени академика М.Ф. Решетнева" (СибГАУ) | Способ упрочнения поверхности изделий из титановых сплавов |
| WO2018172859A1 (fr) | 2017-03-22 | 2018-09-27 | Nci-Swissnanocoat Sa | Procede de traitement de surface et produit d' un tel procede |
| RU2686973C1 (ru) * | 2017-12-29 | 2019-05-06 | Общество с ограниченной ответственностью "Новые технологии лазерного термоупрочнения" (ООО "НТЛТ") | Способ получения многослойной модифицированной поверхности титана |
Citations (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| SU1661223A1 (ru) * | 1989-03-13 | 1991-07-07 | Институт проблем литья АН УССР | Способ поверхностной обработки металлов и сплавов |
| EP0592309A1 (fr) * | 1992-10-09 | 1994-04-13 | Gec Alsthom Electromecanique Sa | Procédé de nitruration d'une pièce en alliage de titane et dispositif de projection d'azote et de gaz neutre |
| DE19751337A1 (de) * | 1997-11-19 | 1999-05-27 | Fraunhofer Ges Forschung | Verschleißbeständiger, mechanisch hochbelastbarer und reibungsarmer Randschichtaufbau für Titan oder seine Legierungen sowie Verfahren zu seiner Herstellung |
-
2000
- 2000-06-20 RU RU2000116229A patent/RU2183692C2/ru not_active IP Right Cessation
Patent Citations (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| SU1661223A1 (ru) * | 1989-03-13 | 1991-07-07 | Институт проблем литья АН УССР | Способ поверхностной обработки металлов и сплавов |
| EP0592309A1 (fr) * | 1992-10-09 | 1994-04-13 | Gec Alsthom Electromecanique Sa | Procédé de nitruration d'une pièce en alliage de titane et dispositif de projection d'azote et de gaz neutre |
| DE19751337A1 (de) * | 1997-11-19 | 1999-05-27 | Fraunhofer Ges Forschung | Verschleißbeständiger, mechanisch hochbelastbarer und reibungsarmer Randschichtaufbau für Titan oder seine Legierungen sowie Verfahren zu seiner Herstellung |
Non-Patent Citations (1)
| Title |
|---|
| ТОМАШОВ Н.Д. и др. Коррозионные и электротехнические свойства титана, поверхностно обработанного методом лазерного облучения. Защита металлов, т. 23, № 3, с. 338-345. * |
Cited By (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2268722C2 (ru) * | 2004-03-01 | 2006-01-27 | Ольга Алексеевна Кост | Способ лечения и профилактики глазных болезней, связанных с ишемией тканей глаза |
| RU2427666C1 (ru) * | 2009-12-21 | 2011-08-27 | Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Сибирский государственный аэрокосмический университет имени академика М.Ф. Решетнева" (СибГАУ) | Способ упрочнения поверхности изделий из титановых сплавов |
| WO2018172859A1 (fr) | 2017-03-22 | 2018-09-27 | Nci-Swissnanocoat Sa | Procede de traitement de surface et produit d' un tel procede |
| WO2018172816A1 (fr) | 2017-03-22 | 2018-09-27 | Nci-Swissnanocoat Sa | Procede de traitement de surface d'un article en titane ou en alliage de titane et produit d'un tel procede |
| RU2686973C1 (ru) * | 2017-12-29 | 2019-05-06 | Общество с ограниченной ответственностью "Новые технологии лазерного термоупрочнения" (ООО "НТЛТ") | Способ получения многослойной модифицированной поверхности титана |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| RU2183692C2 (ru) | Способ лазерного упрочнения поверхности титана и его сплавов | |
| Yan et al. | Surface electropulsing-induced texture evolution in electron beam melted Ti-6Al-4V alloy for biomedical application | |
| Zhao et al. | The Effects of Laser‐Assisted Ultrasonic Nanocrystal Surface Modification on the Microstructure and Mechanical Properties of 300M Steel | |
| Akgun et al. | Laser surface modification of Ti-6Al-4V alloy | |
| JP2007507359A (ja) | 放電加工用多層コーティング電極線およびその製造方法 | |
| Tayal et al. | Selective area carburizing of low carbon steel using an Nd: YAG laser | |
| Rathod et al. | Laser surface hardening of ductile irons | |
| Razavi et al. | Effect of laser gas nitriding on the microstructure and corrosion properties of Ti–6Al–4V alloy | |
| RU2462516C2 (ru) | Способ поверхностной обработки изделий из жаропрочных сплавов | |
| RU2281194C1 (ru) | Способ восстановления эксплуатационных свойств деталей машин | |
| Lobankova et al. | Influence of laser radiation on structure and properties of steel | |
| Dahotre et al. | Laser surface melting of W2 tool steel: effects of prior heat treatment | |
| RU2470091C1 (ru) | Способ ионной имплантации поверхностей деталей из титановых сплавов | |
| Pelletier et al. | Laser surface melting of low and medium carbon steels: influence on mechanical and electrochemical properties | |
| JP2008524437A (ja) | 構成部材をケースハードニング処理する方法および同方法を実施する装置 | |
| JPH0576526B2 (ru) | ||
| JP2005068491A (ja) | チタン材の表面硬化処理方法 | |
| RU2210617C1 (ru) | Способ комбинированного борирования углеродистой стали | |
| RU2427666C1 (ru) | Способ упрочнения поверхности изделий из титановых сплавов | |
| Molian et al. | Transformation behaviour of laser processed Fe-5% Cr, Fe-5% Ni and Fe-6% Cr-2% Ni alloys | |
| RU2840325C1 (ru) | Способ лазерного микроструктурирования исполнительной плоской кромки деталей из углеродистой стали | |
| RU2276191C1 (ru) | Способ поверхностного упрочнения металлов | |
| SU1030418A1 (ru) | Способ получени диффузионных покрытий на стал х и чугуне | |
| RU2121004C1 (ru) | Способ лазерно-термической обработки углеродистых сталей | |
| RU2836694C1 (ru) | Способ лазерного микроструктурирования поверхностного слоя углеродистых сталей |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| MM4A | The patent is invalid due to non-payment of fees |
Effective date: 20110621 |