6. Laserowa obróbka powierzchniowa stopów Mg-Al-Zn

Transkrypt

1 6. Laserowa obróbka powierzchniowa stopów Mg-Al-Zn 6.1. Ogólna charakterystyka laserowej obróbki stopów metali Open Access Library Volume 5 (11) 2012 Zaprezentowany w 1960 roku pierwszy laser zosta okre lony mianem wynalazku, który nie b dzie mia zastosowania w praktyce. Jednak z biegiem czasu w miar doskonalenia technologii laserowych oraz ich mo liwo ci aplikacyjnych wypowiedziane s owa straci y na warto ci. Obecnie wiele dziedzin nauki i techniki korzysta z mo liwo ci jakie niesie ze sob u ycie lasera, jak na przyk ad: technologie materia owe, precyzyjne pomiary, sterowanie prac maszyn roboczych, precyzyjne pozycjonowanie sk adanych konstrukcji, medycyna i biologia, techniki wojskowe, holografia, telekomunikacja optyczna i wiele innych. Na szczególn uwag w ród wymienionych zas uguje powierzchniowa obróbka laserowa ró norodnych materia ów, która umo liwia wytworzenie warstwy wierzchniej o grubo ci od dziesi tnych milimetra do kilku milimetrów i o specjalnych w asno ciach u ytkowych, o du ej twardo ci oraz odporno ci na cieranie, jednocze nie przy zachowaniu niezmiennych w asno ci materia u pod o a [17]. Przy w a ciwym doborze warunków obróbki elementy mog by wykonane na gotowo, bez konieczno ci dalszej obróbki wyko czaj cej. Dzi ki bardzo precyzyjnemu dostarczaniu energii, bezkontaktowo ci oraz pe nej automatyzacji, technologie laserowe zyskuj coraz wi ksze znaczenie aplikacyjne. wiatowy przemys ju obecnie w szerokim zakresie wykorzystuje techniki laserowe, a najszersze zastosowanie przemys owe w procesach laserowej obróbki materia ów maj obecnie lasery sta e z elementem czynnym krystalicznym mi dzy innymi Nd:YAG, Yb:YAG, w ród których z uwagi na geometri zastosowanego o rodka czynnego mo na wyró ni lasery pr towe i dyskowe. Ponadto nale y wymieni lasery gazowe CO 2, lasery diodowe, wiat owodowe, czyli w óknowe (zaliczane przez niektórych specjalistów do laserów na ciele sta ym) o mocach wi zki laserowej impulsowej lub ci g ej, dochodz cych do nawet 100 kw (tab ) [17, ]. Lasery HPDL zbudowane s z wielu pojedynczych emiterów diodowych z GaAs, które zestawione s w tzw. pr ty diodowe o przekroju 0,6x0,115 mm i d ugo ci 11 mm (tab ) [ ]. Pr ty diodowe kompletowane s w pakiety, które w nast pnej kolejno ci mocowane s w korpusie miedzianym intensywnie ch odzonym wod. Standardowe pakiety diodowe o wymiarach 182x130x272 mm zapewniaj moc lasera do 2,0 kw. W diodach du ej mocy materia em pó przewodnikowym jest stop GaAs domieszkowany Al, In lub P, natomiast promieniowanie laserowe jest generowane w obszarze z cza powierzchni stykowej materia u 158 L.A. Dobrza ski, T. Ta ski, A.D. Dobrza ska-danikiewicz, M. Król, S. Malara, J. Domaga a-dubiel

2 Struktura i w asno ci stopów Mg-Al-Zn domieszkowanego p i n, w wyniku rekombinacji elektronów i dziur. W pó przewodniku GaAs ( ród o promieniowania fotonowego), w stanie równowagi no ników adunków, elektronów, dziur ich nadmiar jest ograniczony tylko do obszarów typu n i p, spowodowane jest to du Tablica Porównanie podstawowych cech fizycznych i parametrów technicznych laserów spawalniczych [243] Rodzaj lasera Laser CO 2 Nd:YAG pompowany wiat em bia ym pr t krystaliczny Nd:YAG pompowany laserem diodowym pr t krystaliczny Wielomodowy laser w óknowy domieszkowany Yb domieszkowane w ókno Laser dyskowy Nd:YAG O rodek laseruj cy mieszanka gazowa kr ek krystaliczny D ugo emitowanej 10,6 1,06 1,06 1,07 1,03 fali, m Transmisja zwierciad a, w ókno, w ókno, w ókno, w ókno, wi zki soczewki soczewki soczewki soczewki soczewki Typowa rednica w ókna transportuj cego, m Moc wyj ciowa, kw ponad 15 ponad 4 ponad 6 ponad 20 ponad 4 Jako wi zki przy mocy maksymalnej, 3, mm mrad Jako wi zki przy mocy 1,0 kw, 3,7 12 <12 1,8 4 mm mrad Wymagany przegl d urz dzenia, co godz. Wspó czynnik sprawno ci mocy, % Przybli ony koszt lasera na 1,0 kw mocy, USD Zajmowana powierzchnia przez bardzo du a rednia rednia ma a rednia urz dzenie Mobilno lasera ma a ma a ma a du a ma a 6. Laserowa obróbka powierzchniowa stopów Mg-Al-Zn 159

3 Open Access Library Volume 5 (11) 2012 ró nic potencja u w obszarze styku. Przy o enie dodatniego napi cia do obszaru p, a ujemnego do obszaru n powoduje zredukowanie potencja u do poziomu, w którym nast puje swobodny przep yw elektronów i dziur przez z cza p-n i przebiega proces rekombinacji elektronów i dziur (rys ). Przep yw pr du przez pó przewodnik nast puje w wyniku przej cia wi kszej liczby adunków do obszaru z cza p-n i wymiany adunków, które uleg y rekombinacji. Wytworzony nadmiar energii w procesie rekombinacji jest uwalniany w postaci promieniowania laserowego cieplnego. Tablica Dane techniczne pojedynczego diodowego pr ta laserowego [245, 247] Dane techniczne Wielko Wymiary, m 11000x600x115 Typowa moc optyczna, W D ugo fali, m 808, 940, 980 Skok d ugo ci fali w funkcji temperatury, nm/ºc 0,25 Nat enia pr du progowego, A 8-12 Nat enie pr du roboczego, A Sprawno, % Rysunek Schemat przebiegu procesu generacji promieniowania laserowego w z czu diody p-n 160 L.A. Dobrza ski, T. Ta ski, A.D. Dobrza ska-danikiewicz, M. Król, S. Malara, J. Domaga a-dubiel

4 Struktura i w asno ci stopów Mg-Al-Zn W celu uzyskania mo liwie najmniejszej plamki lasera, wymagane jest zastosowanie specjalnych uk adów optycznych i krótkich d ugo ci ogniskowych ze wzgl du na znaczny astygmatyzm wi zki lasera (rys a,b). Specjalna technologia budowy pakietów laserów diodowych ch odzonych intensywnie wod powoduje uzyskanie du ych mocy w laserach diodowych. a) b) Rysunek Emisja promieniowania z pojedynczego pr ta diodowego laserowego (a), sposób ogniskowania promieniowania pakietu diod lasera diodowego du ej mocy (b) 6. Laserowa obróbka powierzchniowa stopów Mg-Al-Zn 161

5 Open Access Library Volume 5 (11) 2012 Materia po obróbce laserowej wykonanej przy u yciu lasera HPDL wykazuje w asno ci ró ni ce si od tych wykonanych z u yciem innych laserów du ej mocy, a w szczególno ci charakteryzuje si bardziej jednorodnym obszarem przetopienia oraz mniejsz chropowato ci powierzchni. Zalety te wynikaj z unikatowych cech lasera HPDL, tj. du ej sprawno ci, ok % (laser o mocy 2,0 kw zu ywa cznie z uk adem ch odzenia lasera 7,5 kw), bardzo wysokiego wspó czynnika absorpcji promieniowania, a tak e liniowego kszta tu wi zki promieniowania laserowego. Ponadto lasery HPDL odznaczaj si stosunkowo nisk cen, du trwa o ci (powy ej h), nie wymagaj dodatkowej obs ugi poza czyszczeniem uk adu optycznego, s atwe w obs udze i mobilne. Obecnie lasery diodowe du ej mocy stosuje si m.in. do lutowania, hartowania, spawania, przetapiania, stopowania, wtapiania oraz ró nych zastosowa obróbki powierzchniowej stopów metali, w tym równie stopów magnezu [17]. Laserowa obróbka cieplna (hartowanie, wy arzanie) obejmuje operacje, umo liwiaj ce wykorzystanie wi zki laserowej jako ród o energii potrzebnej do nagrzania warstwy wierzchniej obrabianego materia u, w celu zmiany jej struktury dla uzyskania odpowiednich w asno ci mechanicznych, fizycznych lub chemicznych polepszaj cych trwa o eksploatacyjn obrabianego przedmiotu. Wysoka temperatura nagrzewania oraz szybkie nagrzewanie i gwa towne ch odzenie towarzysz ce laserowej obróbce cieplnej, pozwalaj uzyska roztwory silnie przesycone, cz sto znacznie odbiegaj ce od równowagowych. Laserowe przetapianie powierzchni (ang. Laser Surface Melting LSM) nast puje w bardzo krótkim czasie, w którym tylko niewielka cz zaabsorbowanej energii cieplnej przenika w g b materia u, co powoduje powstanie du ego gradientu temperatury pomi dzy ciek warstw powierzchniow i pozosta jego mas. W czasie przetapiania nast puje intensywne mieszanie ciek ego metalu wskutek ruchów konwekcyjnych, wywo anych ró nic temperatury pomi dzy przetopion powierzchni i dnem obszaru przetopionego oraz wskutek intensywnego nadmuchu gazu os onowego. Szybkie krzepni cie zachodzi dzi ki istnieniu gradientu temperatury. Laserowe przetapianie warstw wierzchnich materia ów prowadzi do uzyskania du ej odporno ci na cieranie, korozj i erozj, w wyniku tworzenia jednorodnej chemicznie, drobnokrystalicznej warstwy wierzchniej bez zmian sk adu chemicznego materia u. Laserowe stopowanie, zwane tak e wzbogacaniem (ang. Laser Surface Alloying LSA,) jest jedn z najefektywniejszych metod laserowej obróbki powierzchniowej, której istot jest wprowadzenie i równomierne rozmieszczenie w warstwie wierzchniej materia u obrabianego 162 L.A. Dobrza ski, T. Ta ski, A.D. Dobrza ska-danikiewicz, M. Król, S. Malara, J. Domaga a-dubiel

6 Struktura i w asno ci stopów Mg-Al-Zn pierwiastków stopuj cych, które mog by wprowadzone w ró nej postaci, np.: folii, ta my, p ytki, pow oki galwanicznej lub pasty proszkowej [17]. Zwykle grubo pow oki materia ów stopuj cych jest zbli ona do grubo ci uzyskanej warstwy wierzchniej i w przypadku ci g ego nagrzewania wynosi od 0,3 do 1,0 mm, a przy nagrzewaniu impulsowym od 0,3 do 0,4 mm (rys ) [ ]. Rysunek Schemat laserowego przetapiania; 1 g owica laser, 2 wi zka laserowa, 3 próbka, 4 przetapiany materia stopuj cy, 5 dysza z gazem, 6 - warstwa stopowana [244, ] Wzajemne intensywne wymieszanie si materia ów (osnowa, wzmocnienie) zachodzi w jeziorku na skutek ruchów konwekcyjnych, grawitacyjnych oraz w wyniku ci nienia wi zki laserowej [ , 252]. Cech charakterystyczn procesu laserowego stopowania jest wyst powanie na granicy przetopionej warstwy oraz pod o a du ego gradientu temperatury, co w efekcie prowadzi do gwa townego och adzania i krzepni cia ciek ego metalu. Osi gane w tych warunkach szybko ci ch odzenia dochodz do K/s, natomiast pr dko ci krzepni cia niejednokrotnie przekraczaj 20 m/s, co w przypadku niektórych materia ów mo e powodowa samohartowanie cienkiej warstwy materia u pod o a [ ]. 6. Laserowa obróbka powierzchniowa stopów Mg-Al-Zn 163

7 Open Access Library Volume 5 (11) 2012 Warstwa wierzchnia otrzymana w procesie stopowania laserowego wykazuje struktur i w asno ci odmienne w porównaniu do struktury i w asno ci materia u pod o a i materia u stopuj cego. Morfologia uzyskanej quasi-kompozytowej warstwy odznacza si du jednorodno ci oraz prawid ow dyspersj wprowadzonych cz stek na ca ej g boko ci przetopienia z wyj tkiem bardzo cienkiej warstwy nasycenia dyfuzyjnego. W asno ci stopowanej warstwy wierzchniej zale ne s od pod o a, materia u stopuj cego oraz od parametrów procesu stopowania, jednak niemal zawsze, bogata w sk adniki stopowe otrzymana warstwa wierzchnia odznacza si wi ksz ni pod o e twardo ci, wytrzyma o ci zm czeniow, lepszymi w asno ciami trybologicznymi i antykorozyjnymi, przy jednoczesnym wzro cie chropowato ci, skutkiem czego na elementach po stopowaniu, cz sto wykowywana jest obróbka, maj ca na celu wyg adzenie powierzchni. O warunkach procesu stopowania laserowego decyduj : g sto mocy wi zki laserowej oraz czas ekspozycji wi zki laserowej na materia, który waha si mi dzy tysi cznymi a dziesi tnymi cz ciami sekundy. W a ciwy dobór tych warunków zapewnia wymagane cechy geometryczne i w asno ci mechaniczne uzyskanej warstwy wierzchniej. Wraz ze wzrostem g sto ci mocy wi zki laserowej lub zmniejszaniem si szybko ci skanowania wzrasta grubo otrzymanej warstwy, dla ni szych g sto ci mocy wi zki lasera lub wi kszych pr dko ci skanowania, g boko stopowania, a w rezultacie grubo powsta ej warstwy wierzchniej maleje. Warto ci te powinny zawiera si w odpowiednim przedziale, albowiem dla za wysokiej g sto ci mocy wi zki laserowej lub za niskiej pr dko ci skanowania, materia stopowany zaczyna sublimowa, pozostawiaj c niewielkie w ery na powierzchni. Je eli g sto mocy wi zki laserowej jest zbyt niska lub pr dko skanowania za wysoka, struktura stopowanej warstwy mo e okaza si niejednorodna. Znaczenie ma tak e odpowiedni dobór materia u stopuj cego do pod o a, ze wzgl du na temperatur topnienia i sublimacji, która w celu jednorodnego wymieszania powinna by zawarta w w skim przedziale warto ci. W zasadzie przy przetapianiu wyst puje plazma i parowanie materia u [ ]. Plazma dwojako wp ywa na przetapianie, z jednej strony ekranuje ona jeziorko przed dalszym poch anianiem energii z wi zki laserowej, przez co hamuje sublimacj, z drugiej za strony poprzez ci nienie w asne doprowadza do wymieszania stopionych sk adników. Wi zka laserowa powoduje ponadto powstanie lejkowatego zag bienia w jeziorku ciek ego metalu, które jest zjonizowanym gazem, a na granicy ciek y metal-plazma utrzymywana jest nieustannie zaburzana, chwiejna równowaga. W celu uregulowania wp ywu plazmy na jeziorko 164 L.A. Dobrza ski, T. Ta ski, A.D. Dobrza ska-danikiewicz, M. Król, S. Malara, J. Domaga a-dubiel

8 Struktura i w asno ci stopów Mg-Al-Zn ciek ego metalu, stosuje si ró ne technologiczne metody jej aktywacji lub niwelacji. Jedn z metod ograniczania wp ywu plazmy na jeziorko ciek ego metalu jest zdmuchiwanie ob oku plazmy przez strug gazu oboj tnego. Wprowadzany gaz (np. argon) cz sto jest dodatkowo podgrzewany, co zapobiega pogarszaniu efektu energetycznego. Natomiast intensyfikowanie wp ywu plazmy przeprowadzane jest przy u yciu zdmuchiwania ob oku plazmy, ale przy jednoczesnym kierowaniu powtórnym do strefy obróbki odbitego pierwotnie promieniowania laserowego przez uk ad zwierciade p askich lub zwierciadlan czasz [ ]. Laserowe wtapianie jest procesem polegaj cym na dostarczaniu cz stek wzmocnienia w obszar ciek ego materia u osnowy, topionego wskutek dzia ania wi zki laserowej [17]. Materia wtapiany mo e by doprowadzany do ciek ego jeziorka warstwy przetopionej w postaci proszków lub drutu (rys ). W celu zapobiegania utlenianiu si materia u podczas wtapiania, stosowane s ochronne strumienie gazów oboj tnych, np. argonu lub helu. Rysunek Schemat laserowego wtapiania; 1 g owica lasera, 2 wi zka laserowa, 3 próbka, 4 warstwa stopowana, 5 dysza z gazem ochronnym, 6 wtapiany materia stopuj cy [ ] Proces wtapiania realizowany jest przy u yciu laserów o pracy ci g ej, poniewa materia wzmacniaj cy mo e by podawany do strefy przetopieniowej tylko w momencie nagrzewania laserowego, nie wykonuje si wtapiania w trakcie przerw mi dzy impulsami grzejnymi. Pod wzgl dem metodyki badawczej laserowe wtapianie jest technologi bardzo zbli on do 6. Laserowa obróbka powierzchniowa stopów Mg-Al-Zn 165

9 Open Access Library Volume 5 (11) 2012 technologii laserowego stopowania, z t ró nic, e w przypadku wtapiania wyst puje znikome wzbogacenie wytworzonej warstwy wierzchniej pierwiastkami zastosowanego wzmocnienia, poniewa materia wzmacniaj cy ulega jedynie nieznacznemu rozpuszczeniu w osnowie warstwy quasi-kompozytowej lub zupe nie si nie rozpuszcza [17, ]. Powierzchnia uzyskana przez wtapianie jest stosunkowo g adka, a przez uzyskanie wymiarów podobnych do wymiarów ko cowych, obróbka wyko czaj ca ograniczona jest zwykle do minimum. Metod wtapiania laserowego, zale nie od sk adu chemicznego materia u stopuj cego, mo na uzyskiwa warstwy metaliczne, ceramiczne, lub kompozytowe, które to wykazuj lepsze w asno ci od materia u pod o a. Laserowe natapianie, zwane równie platerowaniem lub napawaniem (ang. Laser Surface Cladding LSC), jest procesem polegaj cym na stopieniu du ej masy materia u natapianego (plateruj cego) i cienkiej warstwy materia u pod o a. Natapianie wykonywane jest w warunkach zbli onych do stopowania, a stosunek grubo ci przetopionego materia u pod o a do grubo ci warstwy natapianej, wynosi zwykle 1/10. W procesie tym wymieszanie obu materia ów jest minimalne. Na granicy pow oki i pod o a tworzy si strefa przej ciowa, której sk ad chemiczny zale y od udzia u materia u z nadtopionego pod o a. W ten sposób krzepn cy materia natapiany czy si metalurgicznie z pod o em (rys ). Rysunek Schemat natapiania: 1 g owica lasera, 2 wi zka laserowa, 3 warstwa napawana, 4 próbka, 5 dysza z gazem ochronnym, 6 wtapiany materia napawany [ ] 166 L.A. Dobrza ski, T. Ta ski, A.D. Dobrza ska-danikiewicz, M. Król, S. Malara, J. Domaga a-dubiel

10 Struktura i w asno ci stopów Mg-Al-Zn Techniki natapiania laserowego mo na podzieli na [ ]: jednoetapowe charakteryzuje si ci g ym dop ywem materia u dodatkowego, w postaci proszku niesionego w strumieniu gazu oboj tnego, drutu litego lub proszkowego podawanego do obszaru jeziorka napoiny utworzonego na napawanej powierzchni, dwuetapowe materia dodatkowy jest nak adany na pod o e jako lu no nasypany proszek, pasta lub pow oka wykonana inn technik, a nast pnie jest przetapiany wi zk laserow. Proszek w procesie natapiania mo e by podawany wspó osiowo lub zewn trznie w obszar oddzia ywania wi zki promienia laserowego. Typowa grubo waha si w granicach od 0,5 do 2 mm, a w szczególnych przypadkach mo e osi ga nawet 5 mm. Powlekanie du ych powierzchni realizowane jest przy nak adaniu cz ciowo zachodz cych na siebie pojedynczych ciegów o szeroko ci dochodz cej do 20 mm. Ze wzgl du na ma moc poch anian przez natapian powierzchni, nawet przy braku wst pnego podgrzania materia u nie wyst puj odkszta cenia termiczne. Ponadto mo na te natapia materia identyczny z materia em pod o a, celem regeneracji cz ci do danych wymiarów lub otrzyma nowe elementy, odpowiednio natapiaj c warstw po warstwie, a do uzyskania ostatecznego kszta tu przedmiotu. Do podstawowych warunków natapiania laserowego nale y zaliczy moc wi zki promieniowania laserowego [kw] decyduj c przede wszystkim o g boko ci wtopienia w materia pod o a, pr dko natapiania [m/min] oraz nat enie [g/s] i pr dko podawania proszku [mm/min], które wp ywaj na kszta t natopionej warstwy i g boko wtopienia w materia pod o a. Ponadto cz sto jako jeden z warunków technologicznych natapiania podaje si d ugo ogniskow wi zki laserowej [mm], która wp ywa bezpo rednio na wymiary ogniska wi zki laserowej, po o enie ogniska wi zki laserowej wzgl dem natapianej powierzchni przedmiotu [mm], oraz wymiary ogniska wi zki laserowej [mm]. Odr bn lecz niemniej wa n zmienn natapiania laserowego jest rodzaj (zale ny od sk adu chemicznego u ytego materia u dodatkowego) i nat enie przep ywu gazu ochronnego [l/min]. Gaz ochronny stosowany jest w celu ochrony metalurgicznej jeziorka ciek ego metalu przed dost pem tlenu (oboj tny) lub wr cz przeciwnie, w celu zainicjowania dodatkowej reakcji chemicznej zachodz cej w ciek ym metalu powoduj cej np. wydzielanie w glików lub azotków (aktywny). Nale y jednak zwróci szczególn uwag na precyzj doboru nat enia gazu ochronnego, co w przypadku b dnego ustalenia mo e skutkowa wydmuchiwaniem ciek ego metalu z obszaru ciek ego jeziorka. Natapianie laserowe jest procesem ci le zautomatyzowanym. Lasery diodowe du ej mocy, umo liwiaj znaczne rozszerzenie zastosowania tej technologii w przemy le, z uwagi na ich 6. Laserowa obróbka powierzchniowa stopów Mg-Al-Zn 167

11 Open Access Library Volume 5 (11) 2012 ni szy koszt w porównaniu z laserami gazowymi i sta ymi. Szczególne w asno ci metody natapiania pozwalaj czy materia y o bardzo ró nych w asno ciach. Najcz ciej nak ada si warstwy odporne na korozj, arowytrzyma e oraz odporne na zu ycie cierne, lizgowe i erozyjne [244]. Szerok grup materia ów odpornych na zu ycie, nanoszonych metod laserow, stanowi kompozyty zawieraj ce w gliki w osnowie metalicznej Struktura i w asno ci stopów Mg-Al-Zn po obróbce laserowej Analiz wp ywu obróbki powierzchni przy zastosowaniu lasera diodowego du ej mocy (HPDL) wykonano na odlewniczych stopach magnezu Mg-Al-Zn (tab ), w powierzchni których wtapiano w gliki tytanu, wolframu, wanadu, niobu, krzemu, tantalu i tlenku aluminium (tab ). Obróbk laserow odlewniczych stopów magnezu (wtapianie) wykonano technik podawania proszku w sposób ci g y do obszaru przetopionego jeziorka poprzez dozowanie proszku przy u yciu fluidyzacyjnego podajnika. Podajnik proszku po czony by z butl gazu transportuj cego oraz dysz podawania proszku (rys b). W uk adzie podawania proszku pr dko podawania gazu transportuj cego wynosi a 5 l/min. Po wst pnych próbach do bada przyj to moc lasera w zakresie 1,2-2,0 kw oraz pr dko wtapiania 0,25; 0,50; 0,75; 1,0 m/min. Badania wykaza y, e optymaln geometri pojedynczej cie ki laserowej uzyskano przy wtapianiu z pr dko ci 0,75 m/min z wy czeniem proszków Al 2 O 3 oraz NbC, dla których pr dko optymalna zosta a ustalona odpowiednio jako 0,50 m/min oraz 0,25 m/min. Tablica W asno ci proszków ceramicznych u ytych do wtapiania laserowego W asno WC TiC VC NbC SiC TaC Al 2 O 3 G sto, kg/m 3 15,69 4,25 5,36 7,6 3,44 15,03 3,97 Twardo, HV Temperatura topnienia, C Wielko min. 0,7-0,9 < 1,0 <10 <10 < ziarna, m max. >5 >6,4 >1,8 <45 <75 < L.A. Dobrza ski, T. Ta ski, A.D. Dobrza ska-danikiewicz, M. Król, S. Malara, J. Domaga a-dubiel

12 Struktura i w asno ci stopów Mg-Al-Zn W wyniku w a ciwego doboru warunków wtapiania mo liwe jest osi gni cie na powierzchni, jednolitego kompozytu z o onego z osnowy (stop Mg) i wtopionych twardych cz stek ceramicznych [17]. Przy okre laniu warunków procesu nale y wzi pod uwag kilka istotnych czynników, z których najwa niejsze to: ró nica g sto ci mi dzy cz stkami zastosowanych w glików lub tlenku (TiC, WC, VC, SiC, NbC, Al 2 O 3 ) i osnow stopu; a tak e ró nice absorpcji energii wi zki pomi dzy u ytymi proszkami i odlewniczymi stopami magnezu Mg-Al-Zn. Wtapianie proszków w glików i Al 2 O 3 w odlewnicze stopy magnezu MCMgAl12Zn1, MCMgAl9Zn1, MCMgAl6Zn1, MCMgAl3Zn1 odby o si przy zastosowaniu lasera diodowego du ej mocy HPDL Rofin DL 020. Wykorzystany laser jest urz dzeniem o du ej mocy, uniwersalnym i stosowanym w in ynierii materia owej, m.in. do napawania, spawania, przetapiania i wtapiania powierzchniowego. W sk ad wyposa enia zastosowanego lasera wchodzi y m.in.: stolik roboczy obrotowy i poruszaj cy si w p aszczy nie XY, dysza z podajnikiem proszku do wzbogacania lub napawania, dysza gazu ochronnego, g owica laserowa, uk ad zasilania i ch odzenia, oraz system komputerowy steruj cy prac lasera i po o eniem stolika roboczego. Wtapianie wykonano w os onie argonu, w celu ochrony pod o a przed utlenianiem (rys a, tab ). Próbka poddawana wtapianiu laserowemu znajdowa a si w os onie nadmuchu gazu ochronnego z dwóch dysz, jednej skierowanej osiowo do obrabianej laserowo próbki, a drugiej skierowanej prostopadle do obszaru jeziorka (rys c). Nat enie przep ywu gazu os onowego (Argonu 5.0) wynosi o 12 l/min. Odleg o dyszy od próbki nie przekracza a 20 mm. Na jednej powierzchni próbek prostopad o ciennych wykonywano jedn lub dwie cie ki po wtapianiu laserowym, przy ró nej mocy lasera i pr dko ci wtapiania. Kszta t lica ciegu odlewniczych stopów magnezu MCMgAl3Zn1, MCMgAl6Zn1, MCMgAl9Zn1, MCMgAl12Zn1 po wtapianiu laserowym w glikami oraz tlenkiem aluminium przy u yciu lasera diodowego du ej mocy HPDL przedstawiono na rysunkach Stwierdzono wyra ny wp yw warunków procesu, w szczególno ci mocy wi zki laserowej oraz Tablica Dane techniczne lasera HPDL Rofin DL 020 D ugo fali promieniowania laserowego, nm Zakres p ynnej regulacji mocy, W D ugo ogniskowa wi zki laserowej mm 82 Zakres g sto ci mocy w p aszczy nie ogniska wi zki laserowej, kw/cm² 0,8-36,5 Wymiary ogniska wi zki laserowej, mm 1,8 x 6,8 6. Laserowa obróbka powierzchniowa stopów Mg-Al-Zn 169

13 Open Access Library Volume 5 (11) 2012 a) b) c) Kierunek wtapiania Rysunek a) Laser HPDL Rofin DL 020, b) podajnik, c) schemat laserowego wtapiania odlewniczych stopów magnezu;1 g owica lasera, 2 dysza transportuj ca gaz os onowy i proszek, 3 wi zka lasera, 4 gaz, 5 proszek, 6 dysza z gazem, 7 obszar przetopienia, 8 materia wzbogacany powierzchniowo, 9 nadmuch gazu ochronnego zastosowanych cz stek u ytych proszków na kszta t lica i topografi powierzchni [17]. Po wtapianiu proszków TiC oraz WC z zastosowanym podajnikiem, powierzchnia lica charakteryzuje si du regularno ci bez widocznych p kni i wyp ywek na boki ciegu (rys ). W przypadku VC powierzchnia przetopienia cechuje si p askim kszta tem, jednak z widocznymi nieci g o ciami warstwy wierzchniej (rys , 6.2.8). Dla zastosowanych cz stek SiC badania metalograficzne potwierdzi y, e otrzymana warstwa quasi-kompozytowa odznacza si wyra n wypuk o ci strefy przetopionej widoczn ponad powierzchni materia u pod o a (rys , ). W przeciwie stwie do techniki wtapiania proszków w glika tytanu 170 L.A. Dobrza ski, T. Ta ski, A.D. Dobrza ska-danikiewicz, M. Król, S. Malara, J. Domaga a-dubiel

14 Struktura i w asno ci stopów Mg-Al-Zn Rysunek Widok lica przetopienia warstwy wierzchniej odlewniczego stopu magnezu MCMgAl3Zn1 po wtapianiu proszku TiC; moc lasera 1,2 kw, pr dko wtapiania 0,75 m/min Rysunek Widok lica przetopienia warstwy wierzchniej odlewniczego stopu magnezu MCMgAl12Zn1 po wtapianiu proszku TiC; moc lasera 1,2 kw, pr dko wtapiania 0,75 m/min Rysunek Widok lica przetopienia warstwy wierzchniej odlewniczego stopu magnezu MCMgAl3Zn1 po wtapianiu proszku WC; moc lasera 1,6 kw, pr dko wtapiania 0,75 m/min Rysunek Widok lica przetopienia warstwy wierzchniej odlewniczego stopu magnezu MCMgAl12Zn1 po wtapianiu proszku WC; moc lasera 2,0 kw, pr dko wtapiania 0,75 m/min i wolframu powierzchnia badanych materia ów ze stopów magnezu uzyskana przez wtapianie w glika niobu charakteryzuje si du nieregularno ci oraz widocznymi wyp ywkami materia u na boki ciegu (rys , ). Natomiast w przypadku wtapiania cz stek proszku Al 2 O 3 mo na zidentyfikowa niewielkie zag bienia w obszarze rodka lica ciegu dla u ytej mocy lasera 1,6 i 2,0 kw (rys , ) [17]. Nieliczne nierówno ci i wg bienia warstwy wierzchniej analizowanych odlewniczych stopów magnezu Mg-Al-Zn z laserowo wtopionymi cz stkami powstaj w nast pstwie intensywnego nagrzewania powierzchni. W zale no ci od rodzaju pod o a, mocy lasera, szybko ci wtapiania, a tak e zastosowanego proszku, powierzchnia jest nierównomiernie nagrzana, co ma bezpo redni wp yw na ukszta towanie si roztopionego materia u w jeziorku przetopienia. Cz materia u stopu odparowuje pod wp ywem wysokiej temperatury panuj cej podczas obróbki laserowej, st d charakterystyczne wg bienia w rodkowej cz ci przetopienia uzyskanych warstw. 6. Laserowa obróbka powierzchniowa stopów Mg-Al-Zn 171

15 Open Access Library Volume 5 (11) 2012 Rysunek Widok lica przetopienia warstwy wierzchniej odlewniczego stopu magnezu MCMgAl3Zn1 po wtapianiu proszku VC; moc lasera 1,6 kw, pr dko wtapiania 0,75 m/min Rysunek Widok lica przetopienia warstwy wierzchniej odlewniczego stopu magnezu MCMgAl12Zn1 po wtapianiu proszku VC; moc lasera 1,6 kw, pr dko wtapiania 0,75 m/min Rysunek Widok lica przetopienia warstwy wierzchniej odlewniczego stopu magnezu MCMgAl3Zn1 po wtapianiu proszku SiC, moc lasera 1,6 kw, pr dko wtapiania 0,75 m/min Rysunek Widok lica przetopienia warstwy wierzchniej odlewniczego stopu magnezu MCMgAl12Zn1 po wtapianiu proszku SiC, moc lasera 2,0 kw, pr dko wtapiania 0,75 m/min Rysunek Widok lica przetopienia warstwy wierzchniej odlewniczego stopu magnezu MCMgAl3Zn1 po wtapianiu proszku NbC, moc lasera 1,6 kw, pr dko wtapiania 0,25 m/min Rysunek Widok lica przetopienia warstwy wierzchniej odlewniczego stopu magnezu MCMgAl12Zn1 po wtapianiu proszku NbC, moc lasera 2,0 kw, pr dko wtapiania 0,25 m/min 172 L.A. Dobrza ski, T. Ta ski, A.D. Dobrza ska-danikiewicz, M. Król, S. Malara, J. Domaga a-dubiel

16 Struktura i w asno ci stopów Mg-Al-Zn Rysunek Widok lica przetopienia warstwy wierzchniej odlewniczego stopu magnezu MCMgAl6Zn1 po wtapianiu proszku Al 2 O 3, moc lasera 1,6 kw, pr dko wtapiania 0,50 m/min Rysunek Widok lica przetopienia warstwy wierzchniej odlewniczego stopu magnezu MCMgAl12Zn1 po wtapianiu proszku Al 2 O 3, moc lasera 2,0 kw, pr dko wtapiania 0,50 m/min Rysunek Zale no chropowato ci przetopienia od mocy lasera odlewniczego stopu magnezu MCMgAl3Zn1 po wtapianiu laserowym Na podstawie wyników pomiarów chropowato ci powierzchni odlewniczych stopów magnezu po laserowym wtapianiu w glików tytanu, wolframu, wanadu, krzemu oraz tlenku aluminium (rys ) stwierdzono, e niezale nie od zastosowanego proszku ceramicznego, chropowato warstw wierzchnich uzyskanych w wyniku przetopienia stopów magnezu Mg-Al-Zn wi zk laserow o mocy w zakresie 1,2-2,0 kw zwi ksza si w porównaniu do chropowato ci nieobrobionej powierzchni i przyjmuje warto ci w przedziale R a =6,4-42,5 m. 6. Laserowa obróbka powierzchniowa stopów Mg-Al-Zn 173

17 Open Access Library Volume 5 (11) 2012 Rysunek Zale no chropowato ci przetopienia od mocy lasera odlewniczego stopu magnezu MCMgAl6Zn1 po wtapianiu laserowym Rysunek Zale no chropowato ci przetopienia od mocy lasera odlewniczego stopu magnezu MCMgAl9Zn1 po wtapianiu laserowym 174 L.A. Dobrza ski, T. Ta ski, A.D. Dobrza ska-danikiewicz, M. Król, S. Malara, J. Domaga a-dubiel

18 Struktura i w asno ci stopów Mg-Al-Zn Rysunek Zale no chropowato ci przetopienia od mocy lasera odlewniczego stopu magnezu MCMgAl12Zn1 po wtapianiu laserowym Dla ka dego pod o a (niezale nie od st enia aluminium) najwi ksz chropowato ci charakteryzuj si próbki po wtapianiu laserowym przy pr dko ci 0,5 m/min z moc lasera 2,0 kw. Przy zachowaniu sta ej pr dko ci i przy niezmiennym nat eniu podawania proszku, wraz ze wzrostem mocy lasera zmniejsza si chropowato powierzchni. W ród badanych odlewniczych stopów magnezu Mg-Al-Zn najmniejsz chropowato ci odpowiednio 4,0 i 5,6 m odznaczaj si materia y MCMgAl9Zn1 i MCMgAl12Zn1 po wtapianiu proszku VC, dla zastosowanej mocy lasera 2,0 kw. Maksymalna zmierzona chropowato powierzchni R a =42,5 m wyst puje w przypadku warstwy wierzchniej stopu MCMgAl9Zn1 po wtapianiu proszku SiC z moc lasera 1,2 kw. Wzrost nieregularno ci powierzchni po laserowej obróbce zwi zany jest z fluktuacj materia u wtapianego wywo an zmianami napi cia przetapianego materia u oraz z poch anianiem energii promieniowania laserowego przez materia wtapiany. Na rysunkach przedstawiono ukszta towanie stref na przekroju poprzecznym ciegu przetopienia odlewniczych stopów magnezu Mg-Al-Zn. Na podstawie bada metalograficznych stwierdzono wyst powanie w ka dej warstwie wierzchniej po laserowej obróbce powierzchniowej badanych odlewniczych stopów magnezu MCMgAl12Zn1 oraz MCMgAl9Zn1 strefy przetopienia (SP) oraz strefy wp ywu ciep a (SWC) [17]. Strefy te, w zale no ci od u ytej 6. Laserowa obróbka powierzchniowa stopów Mg-Al-Zn 175

19 Open Access Library Volume 5 (11) 2012 Rysunek Warstwa wierzchnia stopu magnezu MCMgAl9Zn1 po wtapianiu proszku TiC, moc lasera 1,2 kw, pr dko wtapiania 0,75 m/min Rysunek Warstwa wierzchnia stopu magnezu MCMgAl12Zn1 po wtapianiu proszku TiC, moc lasera 1,6 kw, pr dko wtapiania 0,75 m/min Rysunek Warstwa wierzchnia stopu magnezu MCMgAl3Zn1 po wtapianiu proszku WC, moc lasera 1,6 kw, pr dko wtapiania 0,75 m/min Rysunek Warstwa wierzchnia stopu magnezu MCMgAl9Zn1 po wtapianiu proszku WC, moc lasera 2.0 kw, pr dko stopowania 0,75 m/min Rysunek Warstwa wierzchnia stopu magnezu MCMgAl12Zn1 po wtapianiu proszku SiC, moc lasera 2,0 kw, pr dko wtapiania 0,75 m/min Rysunek Warstwa wierzchnia stopu magnezu MCMgAl12Zn1 po wtapianiu proszku SiC, moc lasera 1,6 kw, pr dko wtapiania 0,75 m/min mocy lasera oraz proszku ceramicznego, maj ró n grubo, a tak e kszta t. W przypadku wtapiania proszków TiC, WC oraz VC dla stopów MCMgAl6Zn1 stwierdzono minimaln stref wp ywu ciep a, która zwi ksza si wraz ze wzrostem mocy lasera. W przypadku 176 L.A. Dobrza ski, T. Ta ski, A.D. Dobrza ska-danikiewicz, M. Król, S. Malara, J. Domaga a-dubiel

20 Struktura i w asno ci stopów Mg-Al-Zn Rysunek Warstwa wierzchnia stopu magnezu MCMgAl12Zn1 po wtapianiu proszku Al 2 O 3, moc lasera 2,0 kw, pr dko wtapiania 0,50 m/min Rysunek Warstwa wierzchnia stopu magnezu MCMgAl12Zn1 po wtapianiu proszku Al 2 O 3, moc lasera 1,6 kw, pr dko wtapiania 0,50 m/min wtapiania proszków w powierzchni stopów MCMgAl3Zn1 powstaje jedynie strefa przetopienia oraz granica pomi dzy stref przetopienia, a materia em rodzimym (rys ). W wyniku wykonanych bada metalograficznych mo na stwierdzi, e zmiana mocy lasera przy sta ej pr dko ci wtapiania wp ywa wyra nie na zwi kszenie grubo ci obydwu stref w warstwie wierzchniej. U yta moc lasera wp ywa tak e na kszta t oraz wypuk o strefy przetopionej (rys ), wznosz cej si ponad powierzchni materia u poddanego obróbce [17]. Szczegó owe wyniki pomiaru grubo ci stref SP i SWC w funkcji zmian mocy lasera oraz rodzaju materia u stopuj cego, dla zastosowanych proszków przedstawiono na rysunkach Wykonane badania jednoznacznie potwierdzaj proporcjonalny wp yw mocy lasera na grubo zarówno strefy przetopienia jak i strefy wp ywu ciep a [17]. Grubo analizowanych pow ok, oceniana na podstawie komputerowej analizy obrazu wykonanej na zdj ciach z mikroskopu wietlnego i potwierdzona badaniami w skaningowym mikroskopie elektronowym, mie ci si w szerokich granicach i jest funkcj czterech zmiennych, a mianowicie: mocy wi zki lasera, pr dko ci wtapiania, rodzaju materia u wtapianego, a tak e rodzaju pod o a. Najwi ksz grubo warstwy wierzchniej zmierzono po wtapianiu proszku SiC oraz NbC, z moc lasera 2,0 kw dla stopu MCMgAl12Zn1, odpowiednio 3590 m i 3950 m. Dla pozosta ych zastosowanych proszków najwi ksze uzyskane grubo ci warstwy wierzchniej dla stopów MCMgAl12Zn1 i MCMgAl9Zn1 mieszcz si w zakresie m. Najmniejsz grubo ci warstwy wierzchniej w próbkach przetopionych laserowo charakteryzuj si odlewnicze stopy magnezu o st eniu aluminium 3% (MCMgAl3Zn1). Strefa przetopiona tych materia ów, po wtapianiu w glików wolframu, tytanu, wanadu, dla mocy lasera 1,2 kw zawiera si w przedziale m. 6. Laserowa obróbka powierzchniowa stopów Mg-Al-Zn 177

21 Open Access Library Volume 5 (11) 2012 Rysunek Wp yw mocy lasera na grubo strefy przetopionej SP, strefy wp ywu ciep a SWC i warstwy wierzchniej WW odlewniczego stopu MCMgAl3Zn1 po wtapianiu laserowym Rysunek Wp yw mocy lasera na grubo strefy przetopionej SP, strefy wp ywu ciep a SWC i warstwy wierzchniej WW odlewniczego stopu MCMgAl6Zn1 po wtapianiu laserowym W celu obszernej charakterystyki analizowanych przetopie warstwy wierzchniej badanych odlewniczych stopów magnezu wykonano równie pomiary szeroko ci przetopienia. 178 L.A. Dobrza ski, T. Ta ski, A.D. Dobrza ska-danikiewicz, M. Król, S. Malara, J. Domaga a-dubiel

22 Struktura i w asno ci stopów Mg-Al-Zn Rysunek Wp yw mocy lasera na grubo strefy przetopionej SP, strefy wp ywu ciep a SWC i warstwy wierzchniej WW odlewniczego stopu MCMgAl9Zn1 po wtapianiu laserowym Rysunek Wp yw mocy lasera na grubo strefy przetopionej SP, strefy wp ywu ciep a SWC i warstwy wierzchniej WW odlewniczego stopu MCMgAl12Zn1 po wtapianiu laserowym Badania potwierdzaj, e szeroko lica ciegu analizowanych stopów z laserowo wtopionymi cz stkami w glików i tlenku aluminium zmienia si wraz ze zmian zastosowanej mocy lasera, 6. Laserowa obróbka powierzchniowa stopów Mg-Al-Zn 179

23 Open Access Library Volume 5 (11) 2012 Rysunek Zale no szeroko ci przetopienia od mocy lasera odlewniczego stopu magnezu MCMgAl3Zn1 po wtapianiu laserowym Rysunek Zale no szeroko ci przetopienia od mocy lasera odlewniczego stopu magnezu MCMgAl6Zn1 po wtapianiu laserowym pr dko ci wtapiania, a tak e rodzaju u ytego pod o a i przyjmuje warto ci od 3540 do 8320 m (rys ). Najwi ksze szeroko ci przetopie dla poszczególnych proszków zmierzono dla materia ów obrabianych laserowo z moc lasera 2,0 kw. 180 L.A. Dobrza ski, T. Ta ski, A.D. Dobrza ska-danikiewicz, M. Król, S. Malara, J. Domaga a-dubiel

24 Struktura i w asno ci stopów Mg-Al-Zn Rysunek Zale no szeroko ci przetopienia od mocy lasera odlewniczego stopu magnezu MCMgAl9Zn1 po wtapianiu laserowym Rysunek Zale no szeroko ci przetopienia od mocy lasera odlewniczego stopu magnezu MCMgAl12Zn1 po wtapianiu laserowym Wyniki bada metalograficznych wskazuj, e struktura materia u krzepn cego po wtapianiu laserowym charakteryzuje si wyst powaniem obszarów o zró nicowanej morfologii zwi zanej z krystalizacj stopów magnezu (rys ) [17]. Obserwuje si charakterystyczn 6. Laserowa obróbka powierzchniowa stopów Mg-Al-Zn 181

25 Open Access Library Volume 5 (11) 2012 dla tych obszarów wielokrotn zmian kierunku wzrostu kryszta ów. W obszarze znajduj cym si na granicy mi dzy fazami sta i ciek, wyst puj niewielkie dendryty, których g ówne osie zorientowane s zgodnie z kierunkami odprowadzania ciep a. Znacznie mniejsza wielko kryszta ów w tej strefie, w porównaniu do centralnej cz ci przetopienia, jest zwi zana z inicjowaniem procesu krzepni cia na nierozpuszczonych fazach wchodz cych w sk ad osnowy i cz ciowo przetopionych ziarnach materia u rodzimego. Kolejne etapy wzrostu Rysunek Granica przetopienia stopu MCMgAl6Zn1 po wtapianiu proszku TiC, moc lasera 1,6 kw, pr dko wtapiania 0,75 m/min Rysunek Granica przetopienia warstwy wierzchniej stopu MCMgAl12Zn1 po wtapianiu proszku WC, moc lasera 2,0 kw, pr dko wtapiania 0,75 m/min Rysunek Granica przetopienia warstwy wierzchniej stopu MCMgAl9Zn1 po wtapianiu proszku Al 2 O 3, moc lasera 1,6 kw, pr dko wtapiania 0,50 m/min Rysunek Granica przetopienia warstwy wierzchniej stopu MCMgAl9Zn1 po wtapianiu proszku WC, moc lasera 2,0 kw, pr dko wtapiania 0,75 m/min 182 L.A. Dobrza ski, T. Ta ski, A.D. Dobrza ska-danikiewicz, M. Król, S. Malara, J. Domaga a-dubiel

26 Struktura i w asno ci stopów Mg-Al-Zn kryszta ów s ci le zwi zane z zachowaniem uprzywilejowanej orientacji kierunek wzrostu kryszta ów odpowiada kierunkowi najwi kszego gradientu temperatury, przyjmuj c, i obj to materia u ca ej próbki przejmuje ciep o pochodz ce z procesu przetapiania/wtapiania [17]. W wyniku wtapiania laserowego powstaje struktura wolna od wad z wyra nym rozdrobnieniem ziarn materia u rodzimego zawieraj ca g ównie dyspersyjne cz stki zastosowanego w glika TiC, WC, VC, SiC, NbC lub tlenku Al 2 O 3 (rys i oraz ). Rysunek Strefa centralna warstwy wierzchniej stopu MCMgAl12Zn1 po wtapianiu proszku VC, moc lasera 2,0 kw, pr dko wtapiania 0,75 m/min Rysunek Strefa centralna warstwy wierzchniej stopu MCMgAl6Zn1 po wtapianiu proszku SiC, moc lasera 2,0 kw, pr dko wtapiania 0,75 m/min Rysunek Strefa centralna warstwy wierzchniej stopu MCMgAl3Zn1 po wtapianiu proszku Al 2 O 3, moc lasera 2,0 kw, pr dko wtapiania 0,50 m/min Rysunek Strefa centralna warstwy wierzchniej stopu MCMgAl6Zn1 po wtapianiu proszku NbC, moc lasera 2,0 kw, pr dko wtapiania 0,25 m/min 6. Laserowa obróbka powierzchniowa stopów Mg-Al-Zn 183

27 Open Access Library Volume 5 (11) 2012 Badania wykonane w skaningowym mikroskopie elektronowym potwierdzi y wyst powanie strefowej budowy warstwy wierzchniej badanych odlewniczych stopów magnezu (rys ). W strefie przetopionej wyst puje struktura dendrytyczna utworzona zgodnie z ierunkiem odprowadzania ciep a wraz z nierozpuszczonymi cz stkami zastosowanych w glików lub tlenku aluminium. Struktura warstwy przetopionej po laserowej obróbce powierzchniowej, w tym tak e udzia i rozk ad cz stek w glików jest uzale niona od mocy lasera [17]. Stwierdzono, e przetapianie i/lub wtapianie laserowe wp ywa na rozdrobnienie struktury w warstwie wierzchniej przy ca ym stosowanym zakresie mocy lasera, tj. od 1,2 do 2,0 kw. W wyniku obserwacji metalograficznych stopów MCMgAl3Zn1, MCMgAl6Zn1, Rysunek Strefa centralna pomi dzy przetopieniem i pod o em stopu MCMgAl3Zn1 po wtapianiu proszku TiC, moc lasera 1,2 kw, pr dko wtapiania 0,75 m/min Rysunek Granica przetopienia warstwy wierzchniej odlewniczego stopu MCMgAl6Zn1 po wtapianiu proszku WC, moc lasera 1,6 kw, pr dko wtapiania 0,75 m/min Rysunek Strefa centralna warstwy wierzchniej odlewniczego stopu MCMgAl12Zn1 po wtapianiu proszku VC, moc lasera 1,6 kw, pr dko wtapiania 0,75 m/min Rysunek Warstwa wierzchnia stopu MCMgAl9Zn1 po wtapianiu proszku SiC, moc lasera 2,0 kw, pr dko wtapiania 0,75 m/min 184 L.A. Dobrza ski, T. Ta ski, A.D. Dobrza ska-danikiewicz, M. Król, S. Malara, J. Domaga a-dubiel

28 Struktura i w asno ci stopów Mg-Al-Zn MCMgAl9Zn1, MCMgAl12Zn1 stwierdzono równomierne rozmieszczenie cz stek zastosowanych proszków TiC, WC oraz Al 2 O 3 w ca ej strefie przetopienia (rys , , , ). W przypadku wtapiania cz stek SiC z moc lasera 1,2 kw w gliki rozmieszczone s g ównie przy powierzchni warstwy. Dla mocy 2,0 i 1,6 kw w próbkach z materia u MCMgAl12Zn1 oraz MCMgAl9Zn1, dzi ki gwa townemu mieszaniu si roztopionego metalu w jeziorku ciek ego metalu, cz stki SiC rozproszone s w ca ej strefie przetopienia (rys , ). Wyj tek od regu y stanowi odlewnicze stopy magnezu z laserowo wtopionymi cz stkami w glika wanadu, których udzia w strefie przetopienia jest nieznaczny (rys , ). Podobn prawid owo stwierdzono w przypadku wtapiania cz stek w glika niobu, których nie ujawniono w strukturze warstwy przetopionej lub stwierdzono ich niewielki udzia w wytworzonej quasi-kompozytowej warstwie (rys , ). Ponadto w odlewniczych stopach magnezu obrabianych powierzchniowo przy u yciu proszku NbC stwierdzono drobne p kni cia w warstwie wierzchniej materia u. W wyniku wykonanej rentgenowskiej analizy fazowej jako ciowej warstw wierzchnich odlewniczych stopów magnezu Mg-Al-Zn poddanych wtapianiu laserowemu, stwierdzono wyst powanie fazy -Mg, fazy -Mg 17 Al 12, a tak e refleksów pochodz cych od u ytych proszków w glików WC, TiC, VC, SiC oraz tlenku Al 2 O 3 (rys ). Z uwagi na zbyt ma y udzia pozosta ych faz, poni ej progu wykrywalno ci metod rentgenowskiej analizy fazowej (<3%), wchodz cych w sk ad struktury materia u pod o a, nie by a mo liwa ich jednoznaczna identyfikacja na wykonanych rentgenogramach. Rysunek Strefa centralna warstwy wierzchniej odlewniczego stopu magnezu MCMgAl6Zn1 po wtapianiu proszku Al 2 O 3, moc lasera 2,0 kw, pr dko wtapiania 0,50 m/min Rysunek Strefa przetopienia warstwy wierzchniej stopu MCMgAl12Zn1 po wtapianiu proszku NbC, moc lasera 2,0 kw, pr dko wtapiania 0,25 m/min 6. Laserowa obróbka powierzchniowa stopów Mg-Al-Zn 185

29 Open Access Library Volume 5 (11) 2012 a) b) Rysunek Dyfraktogram rentgenowski odlewniczego stopu magnezu MCMgAl12Zn1 po wtapianiu laserowym proszku: a) w glika tytanu, b) w glika krzemu; pr dko wtapiania 0,75 m/min, moc lasera: A 1,2 kw, B 1,6 kw, C 2,0 kw Wyniki rentgenowskiej mikroanalizy jako ciowej i ilo ciowej liniowej, punktowej i powierzchniowej, przy u yciu spektrometru energii rozproszonego promieniowania rentgenowskiego (rys , tab , 6.2.4) uzyskane na podstawie bada wykonanych na przekroju poprzecznym warstw wierzchnich odlewniczych stopów magnezu Mg-Al-Zn 186 L.A. Dobrza ski, T. Ta ski, A.D. Dobrza ska-danikiewicz, M. Król, S. Malara, J. Domaga a-dubiel

30 Struktura i w asno ci stopów Mg-Al-Zn a) b) Rysunek Strefa centralna odlewniczego stopu magnezu MCMgAl9Zn1 po wtapianiu laserowym cz stek WC, moc lasera 2,0 kw, pr dko wtapiania 0,75 m/min; a) struktura, b) liniowa analiza zmian sk adu chemicznego a) b) Rysunek Rozk ad liniowy pierwiastków w strefie centralnej przetopienia stopu MCMgAl9Zn1 po laserowym wtapianiu tlenku aluminium, moc lasera 2,0 kw, pr dko wtapiania 0,50 m/min; a)struktura, b) liniowa analiza zmian sk adu chemicznego obrobionych laserowo przy u yciu proszków TiC, WC, VC, SiC, Al 2 O 3 potwierdzaj wyst powanie zarówno g ównych pierwiastków stopowych wchodz cych w sk ad materia u pod o a i wyst puj cych w nim faz, tj. magnezu, aluminium, cynku, manganu, krzemu (rozdzia 4.2), jak równie pierwiastków wprowadzonych do stopów w procesie wtapiania laserowego tytanu, wolframu, wanadu, krzemu, aluminium oraz tlenu, potwierdzaj c tym samym równie brak rozpuszczalno ci wtapianych cz stek. Ponadto w wyniku przeprowadzonej rentgenowskiej mikroanalizy ilo ciowej uzyskano informacje o masowym i atomowym st eniu poszczególnych 6. Laserowa obróbka powierzchniowa stopów Mg-Al-Zn 187

31 Open Access Library Volume 5 (11) 2012 pierwiastków w badanych punktowo mikroobszarach osnowy i zastosowanych cz stek ceramicznych [17]. Stwierdzono równie wyst powanie w niektórych obszarach wyra nie zwi kszonego st enia aluminium, manganu i krzemu, co wiadczy o wyst powaniu fazy Mn-Al, w wi kszo ci przypadków w postaci sferoidalnej lub iglastej oraz fazy Mg 2 Si o wyra nym kanciastym konturze (rozdzia 4.2) (rys , , tab , 6.2.4). Poniewa wielko poszczególnych elementów struktury, ze wzgl du na jej rozdrobnienie, jest mniejsza od rednicy wi zki, sk ad chemiczny mo e zosta u redniony ze sk adem chemicznym osnowy, w wyniku czego niektóre warto ci st enia pierwiastków mog by zawy one. Rysunek Struktura strefy wp ywu ciep a odlewniczego stopu MCMgAl9Zn1 po wtapianiu laserowym cz stkami SiC, moc lasera 1,2 kw, pr dko wtapiania 0,75 m/min Tablica Wyniki ilo ciowej analizy sk adu chemicznego odlewniczego stopu MCMgAl9Zn1 po wtapianiu laserowym cz stek SiC; miejsca analiz wskazano na rysunku Analiza Pierwiastek St enie pierwiastków w stopie, % masowe atomowe Mg 67,72 70,79 Si 32,28 29,21 Mg 5,77 7,77 Al 58,51 70,95 Mn 35,72 21,28 Mg 90,31 31,18 Al 9,69 8,82 Zn 3,13 1,23 Mg 63,64 67,17 Al 33,23 31,6 188 L.A. Dobrza ski, T. Ta ski, A.D. Dobrza ska-danikiewicz, M. Król, S. Malara, J. Domaga a-dubiel

32 Struktura i w asno ci stopów Mg-Al-Zn a) b) c) d) Rysunek Wykresy nat enia w funkcji energii rozproszonego promieniowania rentgenowskiego odlewniczego stopu MCMgAl9Zn1 po wtapianiu laserowym cz stek SiC; a) analiza 1, b) analiza 2, c) analiza 3, d) analiza 4 (porównaj rys i tab ) Rysunek Struktura odlewniczego stopu magnezu MCMgAl9Zn1 po wtapianiu laserowym cz stek WC, moc lasera 1,6 kw, pr dko stopowania 0,75 m/min 6. Laserowa obróbka powierzchniowa stopów Mg-Al-Zn 189

33 Open Access Library Volume 5 (11) 2012 Tablica Wyniki ilo ciowej analizy sk adu chemicznego odlewniczego stopu magnezu MCMgAl9Zn1 po wtapianiu laserowym cz stek WC; miejsca analiz wskazano na rysunku Analiza 1 2 Pierwiastek St enie pierwiastków w stopie, % masowe atomowe Mg 66,38 69,52 Si 33,62 30,48 Mg 14,63 19,67 Al 47,93 58,06 Mn 37,43 22,27 Na podstawie bada cienkich folii w transmisyjnym mikroskopie elektronowym stwierdzono, e struktur odlewniczych stopów magnezu z laserowo wtopionymi cz stkami w glików i tlenku aluminium stanowi bardzo drobne ziarna roztworu sta ego -Mg o sieci heksagonalnej z grupy przestrzennej P6 3 /mmc, o du ej g sto ci dyslokacji, z wydzieleniami fazy -Mg 17 Al 12 (sie regularna, grupa przestrzenna 143m) oraz faz twardych cz stek u ytych do wtapiania laserowego (rys ). W celu okre lenia wp ywu wtapiania laserowego z u yciem proszku w glika wolframu, tytanu, krzemu, wanadu oraz tlenku aluminium, a tak e wp ywu warunków obróbki laserowej, a w szczególno ci mocy lasera na odporno korozyjn badanych stopów Mg-Al-Zn wykonano badania korozyjne z wykorzystaniem elektrochemicznej metody potencjodynamicznej w 3% wodnym roztworze NaCl. W ich wyniku ustalono zu ycie korozyjne powierzchni badanych materia ów w zale no ci od st enia masowego aluminium, zastosowanego proszku, a tak e mocy lasera. Do bada korozyjnych wybrano warstwy wierzchnie po wtapianiu proszków TiC, WC, SiC, VC oraz Al 2 O 3 ze wzgl du na ich odpowiedni jako (kszta t i ci g o powierzchni) [17]. W badanych materia ach stwierdzono wyst powanie korozji w erowej. Charakter zmian wskazuje na mo liwo inicjacji procesów korozyjnych poprzez mikropory wyst puj ce na powierzchni przetopienia, powoduj ce lokalne zmniejszenie szczelno ci warstw wierzchnich. Przebieg krzywych polaryzacji anodowej, a tak e warto g sto ci pr du korozyjnego, wiadcz o szybko ci rozpuszczania badanych powierzchni We wszystkich badanych próbkach po obróbce laserowej nast pi spadek oporu polaryzacyjnego R p w stosunku do próbek bez wykonanej obróbki laserowej. Studia literaturowe wykazuj du e rozbie no ci odno nie poprawy odporno ci korozyjnej stopów magnezu po obróbce laserowej, a Autorzy ró nych 190 L.A. Dobrza ski, T. Ta ski, A.D. Dobrza ska-danikiewicz, M. Król, S. Malara, J. Domaga a-dubiel

34 Struktura i w asno ci stopów Mg-Al-Zn SE Mg Al Zn Ti C Rysunek Obszar centralny strefy przetopienia odlewniczego stopu MCMgAl6Zn1 po wtapianiu laserowym cz stek w glika tytanu, moc lasera 1,6 kw, pr dko wtapiania 0,75 m/min; obraz uzyskany z wykorzystaniem elektronów wtórnych (SE) oraz mapy rozmieszczenia pierwiastków prac prezentuj jednocze nie, e odporno obrobionych laserowo pod o y ze stopów Mg-Al-Zn ro nie [258] lub maleje [259]. 6. Laserowa obróbka powierzchniowa stopów Mg-Al-Zn 191

35 Open Access Library Volume 5 (11) 2012 a) b) c) d) Rysunek Struktura cienkiej folii odlewniczego stopu magnezu MCMgAl12Zn1 po wtapianiu laserowym cz stek w glika wanadu, moc wi zki lasera 2,0 kw; a) obraz w polu jasnym, b)obraz w polu ciemnym z refleksu [122] VC, c) dyfraktogram z obszaru jak na rysunku a), d) rozwi zanie dyfraktogramu z rysunku c) Nieznaczne przesuni cie krzywych polaryzacji anodowych (ok. 0,1 V), wyznaczonych dla wszystkich warstw wierzchnich badanych odlewniczych stopów magnezu z laserowo wtopionymi cz stkami w glików i tlenku aluminium, w kierunku dodatnim w stosunku do przebiegu krzywych uzyskanych dla odlewniczych stopów magnezu bez wykonanej obróbki laserowej, wskazuje na nieznaczne zwi kszenie odporno ci korozyjnej próbek odlewniczych stopów magnezu po laserowym wtapianiu zastosowanych cz stek, w porównaniu do próbek bez obróbki laserowej. Podwy szenie przebiegu krzywych polaryzacyjnych, pochodz cych od warstw wierzchnich odlewniczych stopów magnezu z laserowo wtopionymi cz stkami, w obszarze anodowym wskazuje natomiast na obecno korozji o charakterze w erowym. 192 L.A. Dobrza ski, T. Ta ski, A.D. Dobrza ska-danikiewicz, M. Król, S. Malara, J. Domaga a-dubiel