Национальный исследовательский ядерный университет «МИФИ», Москва, Россия:

В. И. Польский, доцент кафедры физических проблем материаловедения
В. Л. Якушин, профессор кафедры физических проблем материаловедения
П. С. Джумаев, ассистент кафедры физических проблем материаловедения, эл. почта: PSDzhumaev@mephi.ru
В. Н. Петровский, доцент кафедры лазерной физики

Исследованы изменения структурно-фазового состояния, элементного состава и степени поверхностного упрочнения деталей из деформированных титановых сплавов ВТ16 и ВТ3-1, применяемых в авиационной промышленности, после обработки лазерным излучением и потоками высокотемпературной импульсной плазмы. Обработку образцов из титанового сплава ВТ16 лазерным излучением проводили в установке МЛ3-06ЛД, предназначенной для автоматической обработки изделий из различных материалов сфокусированным пятном мощного твердотельного излучателя иттербиевого волоконного лазера ЛС-07-ОМ с максимальной мощностью непрерывного выходного излучения от 500 до 700 Вт и диаметре пучка 20 мм. Обработку потоками высокотемпературной импульсной плазмы проводили в экспериментальной установке типа z-пинч «Десна-М» гелиевой плазмой с плотностью энергии до 100 Дж/см². Установлено, что на поверхности сварного шва титанового сплава ВТ16, полученного в импульсной лазерной установке МЛ3-06ЛД в защитной атмосфере аргона, формируется «чешуйчатый» рельеф застывшего расплава. Наблюдали заметные колебания значений микротвердости по ширине шва от 3500 МПа по краям до 5300 МПа в середине. Установлено, что лазерная поверхностная обработка титанового двухфазного сплава ВТ16 в защитной среде аргона устраняет образование оксидной пленки, образующейся при обработке на воздухе, при этом микротвердость поверхности повышается в 1,5–1,7 раза. Последовательная обработка образцов в лазерной установке МЛ4-1 и потоками высокотемпературной импульсной (~15 мкс) гелиевой плазмы с плотностью энергии до 100 Дж/см2 в установке типа z-пинч приводит к сглаживанию исходной поверхности деталей из сплава ВТ3-1, к образованию упорядоченной гексагональной ячеистой (~200 мкм) субмикроструктуры и повышению в два раза (до ~7200 МПа) микротвердости обрабатываемой поверхности.

Работа выполнена в рамках центра «Ядерные системы и материалы» при государственной поддержке Программы повышения конкурентоспособности НИЯУ МИФИ (соглашение с Минобрнауки РФ от 27 августа 2013 г. № 02.а03.21.0005).

1. Поута Дж. М. Модифицирование и легирование поверхности лазерными, ионными и электронными пучками / под ред. Дж. М. Поута и др. — М. : Машиностроение, 1987. — 424 с.
2. Yakushin V., Polsky V., Kalin B. Erosion of tungsten and its brazed joints with bronze irradiated by pulsed deuterium plasma flows // J. of Nuclear Materials. 2013. Vol. 442. P. 237–241.
3. Tuominen J. Resent developments in high power laser cladding Techniques // Proc. of 31^st. ICALEO. 2012. P. 192–196.
4. Диденко А. Н., Лигачев А. Е., Куракин И. Б. Воздействие пучков заряженных частиц на поверхность металлов и сплавов. — М. : Энергоатомиздат, 1987. — 184 с.
5. Чистяков Г. B. Лазерные технологии в машиностроении // Новые промышленные технологии. 2010. № 3. С. 22–25.
6. Шапеев В. П., Исаев В. И., Черепанов А. Н. Численное моделирование лазерной сварки стальных пластин // Физическая мезомеханика. 2011. № 14. С. 107–114.
7. Погребняк А. Д., Ремнев Г. Е., Чистяков С. А., Лигачев А. Е. Модификация свойств металлов под действием мощных ионных пучков // Известия вузов. Физика. 1987. № 1. С. 52–65.
8. Муравьев В. И. Особенности формирования поверхности среза титановых сплавов лазерным излучением // Упрочняющие технологии и покрытия. 2007. № 9. С. 10–17.
9. Lee J., Jang J., Joo B., Son Y., Moon Y. Laser surface hardening of AISI H13 tool steel // Transactions of Nonferrous Metals Society of China. 2009. Vol. 19, No. 4. Р. 917–920.
10. Lee J., Jang J., Joo B., Son Y., Moon Y. Effect of nano-CeO₂ on microstructure properties of TiC/TiN + Ti(CN) reinforced composite coating // Bull. Mater. Sci. 2012. Vol. 35, No. 3. P. 399–401.
11. Turichin G. A., Zemlyakov E. V., Pozdeeva E. Yu., Tuominen J. Technological possibilities of laser cladding with help of powerful fiber laser // Metal Science and Heat Treatment. 2012. Vol. 54, No. 3/4. P. 139–144.
12. Yermachenko V. M., Vdovin Yu. A., Mironov V. D. Technology of Polishing of Titanium Surface Using the Fiber-Laser Radiation // Laser Physics. 2010. Vol. 20, No. 6. P. 1537–1544.
13. Witzel J., Kelbassa I., Gasser A., Backes G. Increasing the deposition rate of Inconel 718 for LMD // Proc. 29^th Int. Cong. On aplications of lasers and electro-optics ICALEO, 2010. P. 304–310.
14. Калин Б. А., Якушин В. Л., Польский В. И. Упрочнение поверхности и повышение износостойкости металлических материалов при обработке потоками высокотемпературной импульсной плазмы // Физика и химия обработки материалов. 2010. № 2. C. 21–27.
15. Dzhumaev P. S., Petrovsky V. N., Polsky V. I., Yakushin V. L. Surface hardening of structural materials by laser cladding with nickel alloys // Non-ferrous Metals. 2015. No. 1. P. 50–55.