RU2819042C1 - Method of forming titanium borides in alloyed layer during laser treatment of surface of articles made from titanium or alloys based thereon - Google Patents
Method of forming titanium borides in alloyed layer during laser treatment of surface of articles made from titanium or alloys based thereon Download PDFInfo
- Publication number
- RU2819042C1 RU2819042C1 RU2023112822A RU2023112822A RU2819042C1 RU 2819042 C1 RU2819042 C1 RU 2819042C1 RU 2023112822 A RU2023112822 A RU 2023112822A RU 2023112822 A RU2023112822 A RU 2023112822A RU 2819042 C1 RU2819042 C1 RU 2819042C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- titanium
- alloying
- powdered
- ferroboron
- laser
- Prior art date
Links
- 239000010936 titanium Substances 0.000 title claims abstract description 74
- 229910052719 titanium Inorganic materials 0.000 title claims abstract description 71
- RTAQQCXQSZGOHL-UHFFFAOYSA-N Titanium Chemical compound [Ti] RTAQQCXQSZGOHL-UHFFFAOYSA-N 0.000 title claims abstract description 70
- 238000000034 method Methods 0.000 title claims abstract description 65
- 229910045601 alloy Inorganic materials 0.000 title claims abstract description 36
- 239000000956 alloy Substances 0.000 title claims abstract description 36
- 238000013532 laser treatment Methods 0.000 title claims description 8
- 239000000203 mixture Substances 0.000 claims abstract description 56
- 238000005275 alloying Methods 0.000 claims abstract description 54
- PXHVJJICTQNCMI-UHFFFAOYSA-N Nickel Chemical compound [Ni] PXHVJJICTQNCMI-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 27
- XAGFODPZIPBFFR-UHFFFAOYSA-N aluminium Chemical compound [Al] XAGFODPZIPBFFR-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 14
- 229910052782 aluminium Inorganic materials 0.000 claims abstract description 14
- 229910052759 nickel Inorganic materials 0.000 claims abstract description 12
- ZOXJGFHDIHLPTG-UHFFFAOYSA-N Boron Chemical compound [B] ZOXJGFHDIHLPTG-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 11
- 229910052796 boron Inorganic materials 0.000 claims abstract description 11
- 239000011230 binding agent Substances 0.000 claims description 19
- 230000015572 biosynthetic process Effects 0.000 claims description 19
- 239000000853 adhesive Substances 0.000 claims description 15
- 230000001070 adhesive effect Effects 0.000 claims description 15
- 239000011261 inert gas Substances 0.000 claims description 8
- 238000007792 addition Methods 0.000 claims description 5
- 239000003973 paint Substances 0.000 claims description 5
- 239000000843 powder Substances 0.000 abstract description 15
- 230000005855 radiation Effects 0.000 abstract description 15
- 239000000463 material Substances 0.000 abstract description 11
- 239000000654 additive Substances 0.000 abstract description 10
- 230000008569 process Effects 0.000 abstract description 10
- 238000011282 treatment Methods 0.000 abstract description 8
- 230000000694 effects Effects 0.000 abstract description 3
- 230000004048 modification Effects 0.000 abstract description 3
- 238000012986 modification Methods 0.000 abstract description 3
- 238000005542 laser surface treatment Methods 0.000 abstract description 2
- 239000004411 aluminium Substances 0.000 abstract 1
- 238000005272 metallurgy Methods 0.000 abstract 1
- 239000000126 substance Substances 0.000 abstract 1
- XEEYBQQBJWHFJM-UHFFFAOYSA-N Iron Chemical compound [Fe] XEEYBQQBJWHFJM-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 20
- 229910000765 intermetallic Inorganic materials 0.000 description 11
- XKRFYHLGVUSROY-UHFFFAOYSA-N Argon Chemical compound [Ar] XKRFYHLGVUSROY-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 10
- 239000007789 gas Substances 0.000 description 10
- 229910052742 iron Inorganic materials 0.000 description 7
- 238000004381 surface treatment Methods 0.000 description 7
- IJGRMHOSHXDMSA-UHFFFAOYSA-N Atomic nitrogen Chemical compound N#N IJGRMHOSHXDMSA-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 6
- 229910052786 argon Inorganic materials 0.000 description 5
- 238000007664 blowing Methods 0.000 description 5
- 229910000979 O alloy Inorganic materials 0.000 description 4
- 230000000996 additive effect Effects 0.000 description 4
- 229910052751 metal Inorganic materials 0.000 description 4
- 239000002184 metal Substances 0.000 description 4
- QYEXBYZXHDUPRC-UHFFFAOYSA-N B#[Ti]#B Chemical compound B#[Ti]#B QYEXBYZXHDUPRC-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 3
- NPXOKRUENSOPAO-UHFFFAOYSA-N Raney nickel Chemical compound [Al].[Ni] NPXOKRUENSOPAO-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 3
- 229910001069 Ti alloy Inorganic materials 0.000 description 3
- 229910033181 TiB2 Inorganic materials 0.000 description 3
- 239000010953 base metal Substances 0.000 description 3
- 238000006243 chemical reaction Methods 0.000 description 3
- 238000010438 heat treatment Methods 0.000 description 3
- 150000004767 nitrides Chemical class 0.000 description 3
- 229910052757 nitrogen Inorganic materials 0.000 description 3
- 230000003647 oxidation Effects 0.000 description 3
- 238000007254 oxidation reaction Methods 0.000 description 3
- 239000011541 reaction mixture Substances 0.000 description 3
- QGZKDVFQNNGYKY-UHFFFAOYSA-N Ammonia Chemical compound N QGZKDVFQNNGYKY-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- ATUOYWHBWRKTHZ-UHFFFAOYSA-N Propane Chemical compound CCC ATUOYWHBWRKTHZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 229910000831 Steel Inorganic materials 0.000 description 2
- 229910010413 TiO 2 Inorganic materials 0.000 description 2
- 230000009471 action Effects 0.000 description 2
- 239000012042 active reagent Substances 0.000 description 2
- QVGXLLKOCUKJST-UHFFFAOYSA-N atomic oxygen Chemical compound [O] QVGXLLKOCUKJST-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 239000004020 conductor Substances 0.000 description 2
- 239000006185 dispersion Substances 0.000 description 2
- 238000010892 electric spark Methods 0.000 description 2
- 239000001307 helium Substances 0.000 description 2
- 229910052734 helium Inorganic materials 0.000 description 2
- SWQJXJOGLNCZEY-UHFFFAOYSA-N helium atom Chemical compound [He] SWQJXJOGLNCZEY-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 230000003993 interaction Effects 0.000 description 2
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 description 2
- 239000001301 oxygen Substances 0.000 description 2
- 229910052760 oxygen Inorganic materials 0.000 description 2
- 238000002360 preparation method Methods 0.000 description 2
- 239000010959 steel Substances 0.000 description 2
- 238000003786 synthesis reaction Methods 0.000 description 2
- 238000012876 topography Methods 0.000 description 2
- 238000003466 welding Methods 0.000 description 2
- 229910018072 Al 2 O 3 Inorganic materials 0.000 description 1
- OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N Carbon Chemical compound [C] OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229910001200 Ferrotitanium Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910000943 NiAl Inorganic materials 0.000 description 1
- 102220479482 Puromycin-sensitive aminopeptidase-like protein_C21D_mutation Human genes 0.000 description 1
- HZEWFHLRYVTOIW-UHFFFAOYSA-N [Ti].[Ni] Chemical compound [Ti].[Ni] HZEWFHLRYVTOIW-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 238000005299 abrasion Methods 0.000 description 1
- 239000000443 aerosol Substances 0.000 description 1
- UQZIWOQVLUASCR-UHFFFAOYSA-N alumane;titanium Chemical compound [AlH3].[Ti] UQZIWOQVLUASCR-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229910021529 ammonia Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000003575 carbonaceous material Substances 0.000 description 1
- 239000012159 carrier gas Substances 0.000 description 1
- 230000008859 change Effects 0.000 description 1
- 239000011248 coating agent Substances 0.000 description 1
- 238000000576 coating method Methods 0.000 description 1
- 238000005056 compaction Methods 0.000 description 1
- 230000000052 comparative effect Effects 0.000 description 1
- 238000011049 filling Methods 0.000 description 1
- 239000003292 glue Substances 0.000 description 1
- 229910002804 graphite Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000010439 graphite Substances 0.000 description 1
- 230000000977 initiatory effect Effects 0.000 description 1
- 238000009434 installation Methods 0.000 description 1
- 235000000396 iron Nutrition 0.000 description 1
- 239000011159 matrix material Substances 0.000 description 1
- 150000001247 metal acetylides Chemical class 0.000 description 1
- 239000007769 metal material Substances 0.000 description 1
- 150000002739 metals Chemical class 0.000 description 1
- 239000003607 modifier Substances 0.000 description 1
- 238000005121 nitriding Methods 0.000 description 1
- TWNQGVIAIRXVLR-UHFFFAOYSA-N oxo(oxoalumanyloxy)alumane Chemical compound O=[Al]O[Al]=O TWNQGVIAIRXVLR-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 230000000737 periodic effect Effects 0.000 description 1
- 239000012254 powdered material Substances 0.000 description 1
- 239000001294 propane Substances 0.000 description 1
- 239000003870 refractory metal Substances 0.000 description 1
- 230000001105 regulatory effect Effects 0.000 description 1
- 239000006104 solid solution Substances 0.000 description 1
- 238000003892 spreading Methods 0.000 description 1
- 230000007480 spreading Effects 0.000 description 1
Abstract
Description
Изобретение относится к области обработки материалов лазерным лучом и модификации поверхности при лазерной наплавке легирующих составов и может быть использовано для формирования легированного слоя, обладающего высокой твердостью и износостойкостью на поверхности изделий из титана или сплавов на его основе.The invention relates to the field of processing materials with a laser beam and surface modification during laser surfacing of alloying compositions and can be used to form an alloy layer with high hardness and wear resistance on the surface of products made of titanium or titanium-based alloys.
Из уровня техники известен способ получения компактных материалов, содержащих диборид титана, методом самораспространяющегося высокотемпературного синтеза, включающий приготовление реакционной смеси из порошкообразных компонентов в виде ферротитана и ферробора с последующим компактированием и инициированием процесса СВС (Патент РФ №2658566 С2, МПК С22С 29/14, B22F 3/23. 21.06.2018. Бюл. №18). Данный способ предусматривает получение компактных материалов с диборидом титана путем нагрева смеси компонентов, при этом, способ не позволяет формировать легированные слои, содержащие боридные составляющие, на поверхности титана или сплавов на его основе.The prior art knows a method for producing compact materials containing titanium diboride using the method of self-propagating high-temperature synthesis, including the preparation of a reaction mixture from powdered components in the form of ferrotitanium and ferroboron, followed by compaction and initiation of the SHS process (RF Patent No. 2658566 C2, IPC C22C 29/14, B22F 3/23. 06/21/2018. This method involves the production of compact materials with titanium diboride by heating a mixture of components, while the method does not allow the formation of alloyed layers containing boride components on the surface of titanium or alloys based on it.
Из уровня техники известны способы формирования методом электроискрового легирования износостойких слоев на поверхности деталей из титана или титанового сплава. Данные способы включают нанесение на поверхность обрабатываемых деталей из титана или титанового сплава слоя порошкообразного графита методом фрикционного намазывания (Бойцов А.Г. и др. Упрочнение поверхностей деталей комбинированными способами. М.: Машиностроение, 1991) и материала на основе углерода в виде краски или пасты (Патент РФ №2621750 С2, МПК В23Н 9/00, В23Н 1/00, В23Н 1/06. 07.06.2017. Бюл. №7) с последующей электроискровой обработкой поверхности. Недостатком данных способов является ограничения по регулированию составом легированного слоя, который содержит после обработки карбидные и нитридные составляющие титана.The state of the art knows methods for forming wear-resistant layers on the surface of parts made of titanium or titanium alloy using electric spark alloying. These methods include applying a layer of powdered graphite to the surface of workpieces made of titanium or titanium alloy using the friction spreading method (Boytsov A.G. et al. Hardening the surfaces of parts using combined methods. M.: Mashinostroenie, 1991) and carbon-based material in the form of paint or pastes (RF Patent No. 2621750 C2, MPK V23N 9/00, V23N 1/00, V23N 1/06. 06/07/2017. Bulletin No. 7) with subsequent electric spark surface treatment. The disadvantage of these methods is the restrictions on regulating the composition of the alloy layer, which contains carbide and nitride components of titanium after processing.
Из уровня техники известен способ получения наноструктурированной поверхности сталей методом лазерно-плазменной обработки, включающий размещение детали в герметичной камере, заполнение объема камеры инертным газом или газом-модификатором с последующим воздействием лазерным лучом на обрабатываемую поверхность деталей (Патент РФ №2447012 С1. МПК В82 В 3/00, С23С 4/12, В23К 26/34, C21D 1/09. 10.04.2012. Бюл. №10). Данный способ предусматривает обработку материала с применением специального оборудования, в частности, герметичной камеры, систем подачи газов и перемещения обрабатываемой детали, что приводит к усложнению его технической реализации.The prior art knows a method for obtaining a nanostructured surface of steels using laser-plasma processing, which includes placing the part in a sealed chamber, filling the chamber volume with an inert gas or a modifier gas, followed by exposure of the processed surface of the parts to a laser beam (RF Patent No. 2447012 C1. MPK V82 B 3/00, С23С 4/12, В23К 26/34, C21D 04/10/2012. This method involves processing the material using special equipment, in particular, a sealed chamber, gas supply systems and movement of the workpiece, which leads to the complication of its technical implementation.
Наиболее близким по технической сущности является способ модификации металлических поверхностей и устройство, включающий размещение обрабатываемой детали в реакционной камере, формирование потока рабочего газа, содержащего несущий газ и химически активные реагенты и/или легирующие добавки с последующим направлением потока на модифицируемую поверхность и воздействием лазерным импульсно-периодическим излучением (Патент РФ №2425907 С2. МПК С23С 4/12, С23С 16/48, С23С 16/513. 10.08.2011. Бюл. №22). Данный способ применим для азотирования и/или цементации поверхности чугунов и сталей, для легирования чистыми металлами или сплавами с формированием пересыщенных твердых растворов и образованием интерметаллидов, для легирования карбидами тугоплавких металлов (TiC, VC, ТаС, WC и др).The closest in technical essence is a method for modifying metal surfaces and a device that includes placing the workpiece in a reaction chamber, forming a flow of working gas containing a carrier gas and chemically active reagents and/or alloying additives, followed by directing the flow onto the modified surface and exposing it to laser pulses. periodic radiation (RF Patent No. 2425907 C2. IPC S23S 4/12, S23S 16/48, S23S 16/513. 08/10/2011. Bulletin No. 22). This method is applicable for nitriding and/or carburization of the surface of cast irons and steels, for alloying with pure metals or alloys with the formation of supersaturated solid solutions and the formation of intermetallic compounds, for alloying with carbides of refractory metals (TiC, VC, TaC, WC, etc.).
Недостатком прототипа является ограниченная область применения, связанная с необходимостью использования для модифицирования сложного оборудования, включающего реакционную камеру, системы подвода газового потока, подготовки и формирования потока рабочего газа. Также в данном способе в качестве легирующих составляющих предусмотрено использование химически активных газов (азот, аммиак, пропан и др.) или химически активных реагентов в виде паров или аэрозолей. Это снижает область применения указанного способа и усложняет технологический процесс обработки поверхности металлических материалов.The disadvantage of the prototype is the limited scope of application associated with the need to use complex equipment for modification, including a reaction chamber, gas flow supply systems, preparation and formation of the working gas flow. Also in this method, the use of chemically active gases (nitrogen, ammonia, propane, etc.) or chemically active reagents in the form of vapors or aerosols is provided as alloying components. This reduces the scope of application of this method and complicates the technological process of surface treatment of metal materials.
Все это снижает универсальность и техническую применимость прототипа.All this reduces the versatility and technical applicability of the prototype.
Предлагаемый способ является более технически применимым и универсальным для формирования легированного слоя на поверхности деталей из титана или сплавов на его основе.The proposed method is more technically applicable and universal for the formation of an alloyed layer on the surface of parts made of titanium or titanium-based alloys.
Повышение универсальности и технической применимости предлагаемого способа выражается в том, что он позволяет проводить процесс легирования поверхности титана или сплавов на его основе с использованием лазерного излучения без использования сложного оборудования и химически активных легирующих сред в виде газовых составляющих.The increased versatility and technical applicability of the proposed method is expressed in the fact that it allows the process of alloying the surface of titanium or titanium-based alloys using laser radiation without the use of complex equipment and chemically active alloying media in the form of gas components.
Способ осуществляется следующим образом.The method is carried out as follows.
Известно, что титан обладает высокой боридообразующей способностью и образует термодинамически стабильные и устойчивые бориды, в частности, диборид титана TiB2 (Г.В. Самсонов, Т.И. Серебрякова, В.А. Неронов. Бориды. М.: Атомиздат.1975. - 376 с). Поскольку боридообразующая способность титана выше, чем железа, то с целью формирования борида титана в процессе лазерной обработки поверхности изделий из титана или сплавов на его основе, способ предусматривает использование в качестве борсодержащего материала порошкообразного ферробора. Для регулирования состава боридных составляющих титана в легированном слое способ допускает использование ферробора различных марок при содержании в них бора не менее 6% масс. Более низкое содержание не приводит к заметному увеличению твердости легированного слоя на поверхности изделий из титана или сплавов на его основе в процессе лазерной обработки вследствие низкого содержания боридных составляющих титана. Порошкообразный ферробор наносят на поверхность изделий из титана или сплавов на его основе с последующим воздействием на данную область лазерным излучением. В зависимости от формы и геометрии деталей способ предусматривает нанесение легирующей добавки как в виде порошка, так и с использованием клеевого связующего. В случае обработки деталей в горизонтальной плоскости способ допускает нанесение ферробора на поверхность в виде порошков без связующего. Толщину слоя ферробора при этом можно варьировать как дисперсностью порошка, так и при помощи специальных доступных приспособлений (кондукторы в виде пластин с щелью требуемой высоты и др.). Для лучшей фиксации легирующей добавки, особенно при сложном рельефе поверхности обрабатываемого изделия, способ допускает применение клеевого связующего - введение связующего к исходному порошкообразному составу из ферробора и последующее его нанесение на поверхность в виде краски или пасты, либо нанесение клеевого связующего на поверхность обрабатываемого изделия с последующей обсыпкой вышеуказанной области порошкообразным ферробором.It is known that titanium has a high boride-forming ability and forms thermodynamically stable and stable borides, in particular titanium diboride TiB 2 (G.V. Samsonov, T.I. Serebryakova, V.A. Neronov. Borides. M.: Atomizdat. 1975 . - 376 s). Since the boride-forming ability of titanium is higher than that of iron, in order to form titanium boride during laser surface treatment of products made of titanium or titanium-based alloys, the method involves using powdered ferroboron as a boron-containing material. To regulate the composition of titanium boride components in the alloyed layer, the method allows the use of ferroboron of various grades with a boron content of at least 6% by weight. A lower content does not lead to a noticeable increase in the hardness of the alloyed layer on the surface of products made of titanium or titanium-based alloys during laser processing due to the low content of titanium boride components. Powdered ferroboron is applied to the surface of products made of titanium or alloys based on it, followed by exposure of this area to laser radiation. Depending on the shape and geometry of the parts, the method involves applying an alloying additive both in the form of a powder and using an adhesive binder. In the case of processing parts in a horizontal plane, the method allows the application of ferroboron to the surface in the form of powders without a binder. The thickness of the ferroboron layer can be varied both by the dispersion of the powder and by using special available devices (conductors in the form of plates with a slot of the required height, etc.). For better fixation of the alloying additive, especially with a complex surface topography of the workpiece, the method allows the use of an adhesive binder - the introduction of a binder to the initial powdered composition of ferroboron and its subsequent application to the surface in the form of paint or paste, or the application of an adhesive binder to the surface of the workpiece with subsequent Sprinkling the above area with powdered ferroboron.
После нанесения на поверхность изделия легирующей добавки в виде порошкообразного ферробора проводят обработку лазерным воздействием. В зависимости от требуемого технического результата способ допускает проводить обработку как однократным воздействием лазерного излучения в точку на поверхности, так и многократным. Выбор количества импульсов в точку обрабатываемой поверхности и режимы обработки зависят как от состава ферробора, толщины слоя, так и от технических характеристик применяемого для воздействия лазерного устройства. Для обеспечения наиболее оптимальных условий обработки способ допускает применение порошкообразного ферробора фракцией, не превышающий 1 мм, поскольку использование более крупных порошков не позволит получить качественный и однородный слой на поверхности обрабатываемого изделия. С целью получения легированного слоя, сочетающего боридные составляющие и основной металл, способ предусматривает проводить обработку без перекрытия зон точечного лазерного воздействия между собой, а интервал между ними может составлять до 2 диаметров пятна лазерного облучения. Для образования в легированном слое преимущественно боридных составляющих способ допускает обрабатывать поверхность с перекрытием зон точечного лазерного воздействия между собой, при этом область контакта должна составлять не менее 5% от площади пятна лазерного облучения, поскольку меньшая область контакта не приведет к полной обработке поверхности.After applying an alloying additive in the form of powdered ferroboron to the surface of the product, laser treatment is carried out. Depending on the required technical result, the method allows for treatment either with a single exposure to laser radiation at a point on the surface, or multiple times. The choice of the number of pulses per point on the surface being treated and the processing modes depend both on the composition of ferroboron, the thickness of the layer, and on the technical characteristics of the laser device used for the impact. To ensure the most optimal processing conditions, the method allows the use of powdered ferroboron in a fraction not exceeding 1 mm, since the use of larger powders will not allow obtaining a high-quality and uniform layer on the surface of the workpiece. In order to obtain an alloyed layer combining boride components and the base metal, the method provides for processing without overlapping the zones of point laser irradiation with each other, and the interval between them can be up to 2 diameters of the laser irradiation spot. To form predominantly boride components in the doped layer, the method allows for surface treatment with overlapping point laser irradiation zones, and the contact area must be at least 5% of the laser irradiation spot area, since a smaller contact area will not lead to complete surface treatment.
Лазерное воздействие на поверхность титана или сплавов на его основе с нанесенным слоем легирующего состава вызывает локальный нагрев вследствие как высокой энергии излучения, так и в силу протекания процессов образования боридных составляющих титана при взаимодействии в системе обрабатываемый материал - ферробор. Учитывая высокую активность титана к компонентам воздушной атмосферы, в частности, к азоту и кислороду, способ допускает подачу к зоне обработки инертных газов в виде аргона или гелия. Данные газы предотвращают процессы окисления и нитридообразования титана или сплавов на его основе. Для более простой технической реализации подачу инертных газов способ предусматривает проводить методом обдува обрабатываемой зоны без использования специальных камер.Laser exposure to the surface of titanium or titanium-based alloys with an applied layer of alloying composition causes local heating due to both high radiation energy and due to the formation of titanium boride components during the interaction of the material being processed - ferroboron in the system. Considering the high activity of titanium to the components of the air atmosphere, in particular to nitrogen and oxygen, the method allows the supply of inert gases in the form of argon or helium to the processing zone. These gases prevent the processes of oxidation and nitride formation of titanium or alloys based on it. For a simpler technical implementation, the method provides for the supply of inert gases by blowing the treated area without the use of special chambers.
Для расширения области применения данного способа он предусматривает дополнительное введение к ферробору порошкообразных добавок алюминия или никеля или сплавов на их основе или их сочетания в количестве, не менее 5% масс, от исходной массы легирующего компонента.To expand the scope of application of this method, it provides for the additional introduction to ferroboron of powdered additives of aluminum or nickel or alloys based on them or their combination in an amount of at least 5% by weight of the initial mass of the alloying component.
Способ осуществляется следующим образом.The method is carried out as follows.
Сначала готовят легирующую порошкообразную смесь путем добавки в ферробор порошков металлов никеля или алюминия или сплавов на их основе или их сочетания, в количестве, не менее 5% масс, от массы ферробора. Известно, что титан способен образовывать стабильные и устойчивые интерметаллидные соединения, как с алюминием, так и с никелем (В.И. Итин, Ю.С. Найбороденко. Высокотемпературный синтез интерметаллических соединений. Томск: Изд-во Том. ун-та. 1989. - 214 с.). Введение данных металлических компонентов в исходную реакционную смесь позволяет получать в процессе обработки поверхности лазерным воздействием, наряду с боридами титана, также интерметалл системы титан - алюминий или титан - никель. Также известно об образовании интерметаллидов системы никель - алюминий. Это позволяет формировать дополнительно интерметаллиды данной системы в легированном слое при введении к исходному составу из ферробора совместно никеля и алюминия, а образование интерметаллидов системы никель - алюминий определяется соотношением данных компонентов. Образование в процессе лазерного воздействия совместно с боридными составляющими титана также интерметаллидов приводит к изменению состава, структуры и свойств легированного слоя на поверхности изделий из титана или сплавов на его основе. Применение в качестве добавок к ферробору сплавов на основе алюминия и никеля, либо их сочетания также позволяет получать в легированной поверхности наряду с боридами и интерметаллидные соединения. Количество добавок алюминия или никеля или сплавов на их основе или их сочетания к реакционной смеси составляет не менее 5% от ферробора. Меньшее количество добавок не позволяет в широком диапазоне варьировать состав и свойства легированного слоя вследствие незначительного количества образующихся в ходе обработки фаз с участием компонентов добавок.First, an alloying powder mixture is prepared by adding nickel or aluminum metal powders or alloys based on them or their combinations to ferroboron in an amount of at least 5% by weight of the ferroboron mass. It is known that titanium is capable of forming stable and stable intermetallic compounds with both aluminum and nickel (V.I. Itin, Yu.S. Naiborodenko. High-temperature synthesis of intermetallic compounds. Tomsk: Tomsk University Publishing House. 1989 . - 214 p.). The introduction of these metal components into the initial reaction mixture makes it possible to obtain, in the process of surface treatment by laser action, along with titanium borides, also an intermetallic system titanium - aluminum or titanium - nickel. The formation of intermetallic compounds of the nickel-aluminum system is also known. This allows additional intermetallic compounds of this system to be formed in the alloyed layer when nickel and aluminum are added to the initial composition of ferroboron, and the formation of intermetallic compounds of the nickel-aluminum system is determined by the ratio of these components. The formation of intermetallic compounds in the process of laser exposure together with the boride components of titanium also leads to a change in the composition, structure and properties of the alloyed layer on the surface of products made of titanium or alloys based on it. The use of aluminum and nickel-based alloys or their combinations as additives to ferroboron also makes it possible to obtain intermetallic compounds in the alloyed surface along with borides. The amount of additions of aluminum or nickel or alloys based on them or their combinations to the reaction mixture is at least 5% of ferroboron. A smaller amount of additives does not allow the composition and properties of the alloyed layer to be varied over a wide range due to the insignificant amount of phases formed during processing with the participation of additive components.
Для регулирования боридных составляющих титана в легированном слое способ предусматривает использование ферробора, содержание бора в котором составляет не менее 6% масс. Более низкое содержание бора не приводит к заметному увеличению твердости легированного слоя на поверхности изделий из титана или сплавов на его основе в процессе лазерной обработки вследствие низкого содержания боридных составляющих титана.To regulate the boride components of titanium in the alloyed layer, the method involves the use of ferroboron, the boron content of which is at least 6% by weight. A lower boron content does not lead to a noticeable increase in the hardness of the alloyed layer on the surface of products made of titanium or titanium-based alloys during laser processing due to the low content of boride components of titanium.
Порошкообразную смесь, состоящую из ферробора и добавок никеля или алюминия или сплавов на их основе или их сочетания наносят на поверхность изделий из титана или сплавов на его основе с последующим воздействием на данную область лазерным излучением. В зависимости от формы и геометрии деталей способ предусматривает нанесение легирующего состава, как в виде порошка, так и с использованием клеевого связующего. В случае обработки деталей в горизонтальной плоскости способ допускает нанесение смеси на поверхность в виде порошков без связующего. Толщину слоя легирующего состава при этом можно варьировать как дисперсностью компонентов порошкообразных составляющих, так и при помощи специальных доступных приспособлений (кондукторы в виде пластин с щелью требуемой высоты и др.). Для лучшей фиксации легирующей смеси, особенно при сложном рельефе поверхности обрабатываемого изделия, способ допускает применение клеевого связующего - введение связующего к исходному порошкообразному составу и последующее его нанесение на поверхность в виде краски или пасты, либо нанесение клеевого связующего на поверхность обрабатываемого изделия с последующей обсыпкой вышеуказанной области порошкообразной смесью.A powder mixture consisting of ferroboron and additives of nickel or aluminum or alloys based on them or their combinations is applied to the surface of products made of titanium or alloys based on it, followed by exposure of this area to laser radiation. Depending on the shape and geometry of the parts, the method involves applying an alloying composition, both in the form of a powder and using an adhesive binder. In the case of processing parts in a horizontal plane, the method allows the mixture to be applied to the surface in the form of powders without a binder. In this case, the thickness of the alloying composition layer can be varied both by the dispersion of the components of the powdered components, and with the help of special available devices (conductors in the form of plates with a slot of the required height, etc.). For better fixation of the alloying mixture, especially with a complex surface topography of the workpiece, the method allows the use of an adhesive binder - the introduction of a binder to the original powder composition and its subsequent application to the surface in the form of paint or paste, or the application of an adhesive binder to the surface of the workpiece with subsequent sprinkling of the above area with the powder mixture.
После нанесения на поверхность изделия полученной легирующей смеси проводят обработку лазерным воздействием. В зависимости от требуемого технического результата способ допускает проводить обработку как однократным воздействием лазерного излучения в точку на поверхности, так и многократным. Выбор количества импульсов в точку обрабатываемой поверхности и режимы обработки зависят как от состава легирующей смеси, толщины слоя, так и от технических характеристик применяемого для воздействия лазерного устройства. Для обеспечения наиболее оптимальных условий обработки способ допускает применение порошкообразных компонентов легирующей смеси фракцией, не превышающий 1 мм, поскольку использование более крупных порошков не позволит получить качественный и однородный слой на поверхности обрабатываемого изделия. С целью получения легированного слоя, сочетающего боридные и интерметаллидные составляющие и основной металл, способ предусматривает проводить обработку без перекрытия зон точечного лазерного воздействия между собой, а интервал между ними может составлять до 2 диаметров пятна лазерного облучения. Для образования в легированном слое преимущественно боридных и интерметаллидных составляющих способ допускает обрабатывать поверхность с перекрытием зон точечного лазерного воздействия между собой, при этом область контакта должна составлять не менее 5% от площади пятна лазерного облучения, поскольку меньшая область контакта не приведет к полной обработке поверхности.After applying the resulting alloying mixture to the surface of the product, laser treatment is carried out. Depending on the required technical result, the method allows for treatment either with a single exposure to laser radiation at a point on the surface, or multiple times. The choice of the number of pulses per point on the surface being processed and the processing modes depend both on the composition of the alloying mixture, the thickness of the layer, and on the technical characteristics of the laser device used for the impact. To ensure the most optimal processing conditions, the method allows the use of powdered components of the alloying mixture in a fraction not exceeding 1 mm, since the use of larger powders will not allow obtaining a high-quality and uniform layer on the surface of the workpiece. In order to obtain an alloyed layer combining boride and intermetallic components and the base metal, the method provides for processing without overlapping the zones of point laser irradiation with each other, and the interval between them can be up to 2 diameters of the laser irradiation spot. To form predominantly boride and intermetallic components in the alloyed layer, the method allows for surface treatment with overlapping point laser irradiation zones, and the contact area must be at least 5% of the laser irradiation spot area, since a smaller contact area will not lead to complete surface treatment.
Лазерное воздействие на поверхность титана или сплавов на его основе с нанесенным слоем легирующего покрытия вызывает локальный нагрев вследствие как высокой энергии излучения, так и в силу протекания процессов образования боридных и интерметаллидных составляющих при взаимодействии в системе обрабатываемый материал - порошкообразная легирующая смесь. Учитывая высокую активность титана к компонентам воздушной атмосферы, в частности, к азоту и кислороду, способ допускает подачу к зоне обработки инертных газов в виде аргона или гелия. Данные газы предотвращают процессы окисления и нитридообразования как компонентов металлической матрицы (титана), таки и легирующей смеси. Для более простой технической реализации подачу инертных газов способ предусматривает проводить методом обдува обрабатываемой зоны без использования специальных камер.Laser exposure to the surface of titanium or titanium-based alloys with an applied layer of alloying coating causes local heating due to both high radiation energy and due to the formation of boride and intermetallic components during the interaction of the processed material - powdered alloying mixture in the system. Considering the high activity of titanium to the components of the air atmosphere, in particular to nitrogen and oxygen, the method allows the supply of inert gases in the form of argon or helium to the processing zone. These gases prevent the processes of oxidation and nitride formation of both the components of the metal matrix (titanium) and the alloying mixture. For a simpler technical implementation, the method provides for the supply of inert gases by blowing the treated area without the use of special chambers.
После нанесения реакционной легирующей смеси проводят обработку поверхности изделий из титана или сплавов на его основе лазерным воздействием. В зависимости от технического оснащения в качестве источника лазерного излучения могут быть использованы как газовые, так и твердотельные лазерные установки. Для автоматизации процесса легирования поверхности могут быть использованы приспособления перемещения обрабатываемого изделия или источника лазерного излучения при помощи координатных станков.After applying the reaction alloying mixture, the surface of products made of titanium or titanium-based alloys is treated with laser action. Depending on the technical equipment, both gas and solid-state laser systems can be used as a source of laser radiation. To automate the surface alloying process, devices for moving the workpiece or laser radiation source using coordinate machines can be used.
Для практической реализации предлагаемого способа в качестве источника лазерного излучения применяли лазер импульсный сварочный ЛИС 25/2 со следующими основными характеристиками: длина волны лазерного излучения 1,06 мкм; максимальная энергия импульса, не менее 30 Дж; максимальная средняя мощность, не менее 75 Вт; частота повторения импульсов от 1 до 30 Гц; длительность импульсов от 0,1 до 20 мс; диапазон регулирования энергии импульса от 11 до 800 Дж; диаметр светового пятна от 0,25 до 2,0 мм.For the practical implementation of the proposed method, a pulsed welding laser LIS 25/2 with the following main characteristics was used as a source of laser radiation: laser radiation wavelength 1.06 μm; maximum pulse energy, not less than 30 J; maximum average power, not less than 75 W; pulse repetition frequency from 1 to 30 Hz; pulse duration from 0.1 to 20 ms; pulse energy control range from 11 to 800 J; light spot diameter from 0.25 to 2.0 mm.
Примеры конкретного исполнения:Examples of specific execution:
Пример 1. В качестве легирующего состава применяли ферробор с содержанием бора ~ 6% масс.(ФБ6). Данный материал в виде порошка наносили на поверхность образца из титанового сплава ВТ1-0 слоем 0,1 мм без клеевого связующего. Обработку поверхности образца со слоем ферробора лазерным излучением проводили на установке для лазерной сварки и наплавки ЛИС 25/2, образец перемещали с помощью координатного столика. Состав легированной поверхности после обработки содержал боридные составляющие титана (TiB, Т1 В2). Поскольку процесс проводили на воздухе, на поверхности легированного слоя также присутствовали оксиды титана (TiO2) и железа (Fe2O3).Example 1. Ferroboron with a boron content of ~ 6 wt% (FB6) was used as an alloying composition. This material in powder form was applied to the surface of a sample of titanium alloy VT1-0 in a layer of 0.1 mm without an adhesive binder. The surface of the sample with a layer of ferroboron was treated with laser radiation using an LIS 25/2 laser welding and surfacing installation; the sample was moved using a coordinate table. The composition of the alloyed surface after treatment contained titanium boride components (TiB, T1B2 ). Since the process was carried out in air, titanium (TiO 2 ) and iron (Fe 2 O 3 ) oxides were also present on the surface of the alloyed layer.
Пример 2. В качестве легирующего состава применяли ферробор с содержанием бора ~ 17% масс.(ФБ17), в качестве титансодержащего материала - сплав ВТ1-0. Для фиксирования ферробора на поверхности обрабатываемого изделия применяли клеевое связующее на основе клея БФ - смесь порошка ФБ17 со связующим наносили на поверхность образца в виде пасты слоем ~ 0,2 мм. Для предотвращения окисления в зону обработки методом обдува подавали инертный газ аргон. Состав легированного слоя после обработки представлен боридами титана (TiB, TiB2, TiB5) и железа (Fe2B, FeB). Сравнительные испытания легированного слоя к абразивному изнашиванию при истирании материалов на электрокорундовой шкурке Р80 показали увеличение износостойкости обработанного образца в 10-12 раз, по сравнению с основным металлом.Example 2. Ferroboron with a boron content of ~17 wt% (FB17) was used as an alloying composition, and VT1-0 alloy was used as a titanium-containing material. To fix ferroboron on the surface of the workpiece, an adhesive binder based on BF glue was used - a mixture of FB17 powder and binder was applied to the surface of the sample in the form of a paste with a layer of ~0.2 mm. To prevent oxidation, inert gas argon was supplied to the treatment zone using the blowing method. The composition of the alloyed layer after treatment is represented by borides of titanium (TiB, TiB 2 , TiB 5 ) and iron (Fe 2 B, FeB). Comparative tests of the alloyed layer against abrasive wear during abrasion of materials on P80 electrocorundum sandpaper showed an increase in the wear resistance of the treated sample by 10-12 times compared to the base metal.
Пример 3. То же, что в примере 2, только к исходному ферробору ФБ17 добавляли порошок никеля в количестве 20% масс. Фиксирование порошкообразного легирующего состава проводили с помощью клеевого связующего - клей наносили на поверхность образца с последующей обсыпкой порошкообразной смесью. Поверхность образца из сплава ВТ1-0 с легирующим составом толщиной 0,15-0,2 мм обрабатывали лазерным излучением с обдувом поверхности аргоном. Состав легированного слоя обработанного сплава содержал наряду с боридами титана (TiB, TiB2) и железа (Fe2B) также интерметаллид Ni3Ti.Example 3. The same as in example 2, only nickel powder was added to the initial ferroboron FB17 in an amount of 20 wt%. The powdered alloying composition was fixed using an adhesive binder - the adhesive was applied to the surface of the sample, followed by sprinkling with the powdery mixture. The surface of a sample made of VT1-0 alloy with an alloying composition 0.15-0.2 mm thick was treated with laser radiation while blowing the surface with argon. The composition of the alloyed layer of the treated alloy contained, along with borides of titanium (TiB, TiB 2 ) and iron (Fe 2 B), also the intermetallic compound Ni 3 Ti.
Пример 4. В качестве легирующего состава применяли ферробор ФБ17 с добавкой алюминия в количестве 30% масс. Состав лигатуры наносили на поверхность образца из сплава ВТ1-0 в виде пасты (смесь порошкообразных материалов с клеевым связующим) с последующей обработкой лазерным воздействием в воздушной атмосфере. Легированный слой содержал бориды титана (TiB, TiB2) и железа (Fe2B), интерметаллид Al3Ti и оксиды титана (TiO2), железа (Fe2O3) и алюминия (Al2O3).Example 4. Ferroboron FB17 with the addition of aluminum in an amount of 30 wt.% was used as an alloying composition. The alloy composition was applied to the surface of a VT1-0 alloy sample in the form of a paste (a mixture of powdered materials with an adhesive binder) followed by laser treatment in an air atmosphere. The alloyed layer contained borides of titanium (TiB, TiB 2 ) and iron (Fe 2 B), intermetallic compound Al 3 Ti and oxides of titanium (TiO 2 ), iron (Fe 2 O 3 ) and aluminum (Al 2 O 3 ).
Пример 5. В качестве легирующего состава применяли ферробор ФБ17 с добавками алюминия и никеля в количестве 30% масс, при соотношении никеля к алюминию 1:1. Легирующий состав наносили на поверхность сплава ВТ1-0 в виде пасты, в процессе лазерного воздействия в зону обработки подавали методом обдува аргон. Состав легированного слоя после обработки представлен боридами титана (TiB, Т1В2), железа (Fe2B) и интерметаллидами Ni3Ti, Al3Ti, NiAl.Example 5. Ferroboron FB17 with additions of aluminum and nickel in an amount of 30% by weight was used as an alloying composition, with a nickel to aluminum ratio of 1:1. The alloying composition was applied to the surface of the VT1-0 alloy in the form of a paste; during laser exposure, argon was supplied to the treatment zone using the blowing method. The composition of the alloyed layer after treatment is represented by titanium borides (TiB, T1B 2 ), iron (Fe 2 B) and intermetallic compounds Ni 3 Ti, Al 3 Ti, NiAl.
Результаты экспериментов показывают, что предлагаемый способ является практически применимым и позволяет формировать при лазерной обработке в легированном слое на поверхности изделий из титана или сплавов на его основе боридные составляющие титана.The experimental results show that the proposed method is practically applicable and allows the formation of boride components of titanium during laser processing in an alloyed layer on the surface of products made of titanium or titanium-based alloys.
Claims (8)
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2819042C1 true RU2819042C1 (en) | 2024-05-13 |
Family
ID=
Citations (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2007499C1 (en) * | 1991-06-04 | 1994-02-15 | Гуреев Дмитрий Михайлович | Method of surface alloying of articles made of metals and alloys |
| RU2007104837A (en) * | 2004-07-09 | 2009-02-27 | Фраунхофер-Гезельшафт Цур Фёрдерунг Дер Ангевандтен Форшунг Э.В. (De) | METHOD FOR PRODUCING WEAR-RESISTANT AND HIGH FATIGUE STRENGTH SURFACE LAYERS ON ITEMS FROM TITANIUM ALLOYS AND ITEMS PRODUCED BY THIS METHOD |
| RU2425907C2 (en) * | 2009-04-28 | 2011-08-10 | Учреждение Российской Академии Наук Сибирское Отделение Ран Институт Лазерной Физики | Procedure for modification of metal surfaces and device |
| RU2015132566A (en) * | 2015-08-04 | 2017-02-09 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Казанский национальный исследовательский технический университет им. А.Н. Туполева - КАИ" (КНИТУ-КАИ) | METHOD OF LASER PROCESSING OF PRODUCT (OPTIONS) AND DEVICE FOR ITS IMPLEMENTATION (OPTIONS) |
| US20190283135A1 (en) * | 2016-07-18 | 2019-09-19 | Board Of Regents, University Of Texas System | Nano/micro scale porous structured alloys using selective alloying process based on elemental powders |
| RU2786263C1 (en) * | 2022-03-24 | 2022-12-19 | Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт физического материаловедения Сибирского отделения Российской академии наук | Method for laser alloying of tool steel with boron carbide and aluminum powders |
Patent Citations (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2007499C1 (en) * | 1991-06-04 | 1994-02-15 | Гуреев Дмитрий Михайлович | Method of surface alloying of articles made of metals and alloys |
| RU2007104837A (en) * | 2004-07-09 | 2009-02-27 | Фраунхофер-Гезельшафт Цур Фёрдерунг Дер Ангевандтен Форшунг Э.В. (De) | METHOD FOR PRODUCING WEAR-RESISTANT AND HIGH FATIGUE STRENGTH SURFACE LAYERS ON ITEMS FROM TITANIUM ALLOYS AND ITEMS PRODUCED BY THIS METHOD |
| RU2425907C2 (en) * | 2009-04-28 | 2011-08-10 | Учреждение Российской Академии Наук Сибирское Отделение Ран Институт Лазерной Физики | Procedure for modification of metal surfaces and device |
| RU2015132566A (en) * | 2015-08-04 | 2017-02-09 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Казанский национальный исследовательский технический университет им. А.Н. Туполева - КАИ" (КНИТУ-КАИ) | METHOD OF LASER PROCESSING OF PRODUCT (OPTIONS) AND DEVICE FOR ITS IMPLEMENTATION (OPTIONS) |
| US20190283135A1 (en) * | 2016-07-18 | 2019-09-19 | Board Of Regents, University Of Texas System | Nano/micro scale porous structured alloys using selective alloying process based on elemental powders |
| RU2786263C1 (en) * | 2022-03-24 | 2022-12-19 | Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт физического материаловедения Сибирского отделения Российской академии наук | Method for laser alloying of tool steel with boron carbide and aluminum powders |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| Buytoz et al. | Dry sliding wear behavior of TIG welding clad WC composite coatings | |
| US5294462A (en) | Electric arc spray coating with cored wire | |
| US8203095B2 (en) | Method of using a thermal plasma to produce a functionally graded composite surface layer on metals | |
| Agarwal et al. | Synthesis of boride coating on steel using high energy density processes: comparative study of evolution of microstructure | |
| US9108276B2 (en) | Hardface coating systems and methods for metal alloys and other materials for wear and corrosion resistant applications | |
| US5966585A (en) | Titanium carbide/tungsten boride coatings | |
| US20150315693A1 (en) | Hardface coating systems and methods for metal alloys and other materials for wear and corrosion resistant applications | |
| JPH0474423B2 (en) | ||
| Vespa et al. | Analysis of WC/Ni-based coatings deposited by controlled short-circuit MIG welding | |
| EP1077272A1 (en) | Titanium carbide/tungsten boride coatings | |
| RU2819042C1 (en) | Method of forming titanium borides in alloyed layer during laser treatment of surface of articles made from titanium or alloys based thereon | |
| RU2819010C1 (en) | Method of alloying surface of articles made from titanium or alloys on its basis with formation of boride components of chromium and titanium by laser processing | |
| RU2819007C1 (en) | Method of forming boride components of titanium on surface of articles from iron-carbon alloys during laser processing | |
| Pyachin et al. | Formation of intermetallic coatings by electrospark deposition of titanium and aluminum on a steel substrate | |
| US5820940A (en) | Preparation of adhesive coatings from thermally reactive binary and multicomponent powders | |
| Paustovskii et al. | Optimization of the composition, structure, and properties of electrode materials and electrospark coatings for strengthening and reconditioningof metal surfaces | |
| US3947269A (en) | Boron-hardened tungsten facing alloy | |
| WO2014105239A1 (en) | Hardface coating systems and methods for metal alloys and other materials for wear and corrosion resistant applications | |
| RU2205094C2 (en) | Method for electron-beam surfacing | |
| SE440463B (en) | HARD WELDED METAL SURFACE AND SETS AND MEANS TO MAKE IT | |
| RU2691431C1 (en) | Boron-aluminizing method of steel surface | |
| RU2693988C1 (en) | Method for surfacing iron aluminide on steel surface | |
| US4178193A (en) | Method of improving corrosion resistance with coating by friction | |
| Akhtar et al. | Effect of laser remelting on surface composite layer of nickel aluminide coated steel substrate | |
| RU2809611C2 (en) | Method for producing metal-ceramic materials, including volumetric porous materials containing titanium nitride by self-propagating high-temperature synthesis |