LASEROWA MODYFIKACJA WARSTWY WIERZCHNIEJ STOPÓW ALUMINIUM

- 135 - Soliditication ofmetals and Al ł oys, No.28, 1996 Krzepnięcie Metali i Stopów. Nr 28, 1996 PAN- Oddzial Katow1 ce; PL. ISSN 0208-9386 LASEROWA MODYFIKACJA WARSTWY WIERZCHNIEJ STOPÓW ALUMINIUM OPIEKUN Zenon ORŁOWICZ Władysław Instytut Budowy Maszyn i Lotnictwa Politechnika Rzeszowska ul. W. Pola 2 35-959 RZESZÓW, POLSKA STRESZCZENIE W artykule przedstawiono rezultaty laserowej modyfikacji mikrostruktury na drodze przetopienia i szybkiej krystalizacji trzech stopów aluminium. Analizowano mikrostrukturę i rozkłady mikrotwardości na przekrojach poprzecznych przetopionych warstw. Przeprowadzono także punktową mikroanalizę ilościową w wybranych obszarach. ABSTRACT The article present the effect of laser - modifed surface three different aluminium alloys is investigated during remelting and quick crystallization. Structure and disposition of microhardness of aluminium alloys tested after laser remelting is also presented. And point quantitative electron probe microanalysis from choose of structure of alloys, are also executed. 1. WSTĘP Rozwój techniki wymuszany jest produkcją wyrobów zaspokajających rosnące potrzeby człowieka, od których wymagana jest wysoka trwałość, niezawodność i bezpieczeństwo ich użytkowania. Napotyka on na wiele barier, z których głównąjest bariera materiałowa. Barierę tę można usuwać tworząc nowe materiały o odpowiednich, lepszych właściwościach, lub modyfikując istniejące, nie w całej objętości, lecz w ich warstwie wierzchniej. Od warstwy wierzchniej bowiem zależy wiele cech jak: wytrzymałość zmęczeniowa, zużycie trybologiczne i korozyjne oraz inne właściwości użytkowe. W ostatnich kilkunastu latach coraz powszechniej są stosowane i intensywnie doskonalone niekonwencjonalne sposoby obróbki powierzchni, wśród których

- 136- istotne znaczenie ma obróbka laserowa. Specyficzne właściwości wiązki laserowej, pozwalające skupić dostarczoną energię w postaci ciepła precyzyjnie w warstwie wierzchniej, czynią technikę laserową narzędziem szczególnie dogodnym w inżynierii powierzchni. Obecnie istnieje wiele możliwości modyfikacji warstwy wierzchniej laserem, wśród których duże znaczenie posiada przetopienie i szybka krystalizacja. Ta możliwość pozwala na uzyskiwanie nowych tworzyw metalicznych, międzymetalicznych oraz ceramicznych. W tworzywach metalicznych w zależności od składu stopu i szybkości jego chłodzenia ze stanu ciekłego możliwe staje się uzyskanie morfologicznych zmian w mikrostrukturze, rozszerzenie zakresu występowania faz równowagowych lub tworzenie się nowych, międzymetalicznych faz krystalicznych bądź też wytworzenie faz amorficznych [1,2]. Lasery dużej mocy są nowym narzędziem stosowanym do spawania i modyfikacji wierzchniej warstwy metali i stopów. 2. BADANIA 2.1. Materiały Badania przeprowadzono na trzech stopach aluminium; dwóch odlewniczych: AK 51 i AISW830 i jednym przerabianym plastycznie M309. Stopy odlewnicze po odlaniu były wyżarzone stabilizująco w temp. 350 C przez 8h a stop M309 przesycony z temp. 510 C w wodzie i starzony w temp. 180 oc przez 8 h. Składy chemiczne analizowanych stopów zestawiono w tablicy 1. Tablica 1. Składy chemiczne stopów aluminiowych obrobionych laserem. Table 1. Compositions of. experimental aluminium alloys. Gatunek Składniki stopowe % Stopu S i C u Mg M n Ni T i Fe AK51 5.20 1.30 0.46 0.30-0.09 0.85 *AISW830 11.40 0.80-0.30 - - 0.30 *M309 0.50 4.15 1.46-1.84-0.32 *Oznaczenie wg ASTM (stopy USA) Z n Al B+Be+Cr 0.22 reszta - 0.15 reszta ~ 0.35 - reszta -

- 137- Obróbkę laserową wykonano stosując laser CO~ typu LN - 25 - IGLAN w firmie VUKOV ( Presov - Słowacja ) stosując jednakowe parametry dla wszystkich badanych stopów: moc promieniowania 2,4 kw oraz prędkość 600 m/min. skanowania wiązki 2.2. Analiza metalograficzna i pomiary mikrotwardości Stopy aluminium laserowo przetopione w warstwie wierzchniej badano metalagraficznie na zgładach, mechanicznie polerowanych trawionych odczynnikiem Mi1AI (0,5 cm 3 HF, 99,5 cm 3 H"O destyl.), przy użyciu metalograficznego mikroskopu świetlnego Neophot 2. Pomiary mikrotwardości wykonano przy użyciu mikrotwardościomierza Vickersa prod. japońskiej stosując obciążenie 300g przy czasie całkowitego obciążenia 15s. Rysunki 1 a - 3a ilustrują makrostruktury poprzecznch przekrojów badanych stopów. Natomiast rysunki 1 b - 3b przedstawiają zmiany wartości mikrotwardości w funkcji odległości od powierzchni. b) ;::::, ::: - ~ ~ :::,:: :: ::;: l~ tcd. ---;--=-- -- j \._.- - --- j l C,Ol O ~ M ~ ~ l ~ U ~ ~ 1 Odległość od pow. próbki, mm Rys. 1. Makrostruktura a) 1 zmiany wartości mikrotwardości od powierzchni próbki b)) dla stopu AK51 po obróbce laserem. Trawiono odczynnikiem Mi1AI. 1 - warstwa laserowa, 2 - mater i ał rodzimy. Fig. 1. Macrostructure of AK 51 aluminium alloy after laser remelting of surface a) disposition of microhardness b) Etch Mi1 Al. 1 -laser of layer, 2- native materia l.

- 138- O 02040608 l t; L41.6l.S l Odległość od paw. próbki, mm Rys.2. Makrostruktura a), zmiany wartości mikrotwardości od powierzchni próbki b) dla stopu AISW830 po obróbce laserem. Trawiono odczynnikiem Mi1AI. 1 -warstwa laserowa, 2- materiał rodzimy. Fig.2. Macrostructure of AISW830 aluminium alloy after laser remelting of surface a) disposition of microhardness b) Etch MiAl. 1 -Laser of layer, 2- native materia!. b) Ali ~--\ J --.. 11 '\ > l.. 3)+ ~ l! ~ ~ l.~--------------~ 0 ~ ~ ~ ~ l ~ ~ ~ ~ O dle;iłosć od pow. próbki. mm Rys. 3. Makrostruktura a) zmiany wartości mikrotwardości od powierzchni próbki b) dla stopu M309 po obróbce laserem. Trawiono odczynnikiem Mi1AI. 1 -Warstwa laserowa, 2 - strefa przejściowa, 3 - materiał rodzimy. Fig. 3. Macrostrukture of M309 aluminium alloy aft er laser remelting of surface. a)disposition of microhardness b) Etch Mi1 Al. 1 - laser of layer, 2 - temparary zone, 3 - native materia!. 2.3. Punktowa mikroanaliza rentgenowska. W celu ustalenia zmian składu chemicznego warstwy wierzchniej stopów aluminium poddanych obróbce laserowej, przeprowadzono rentgenowską ilościową analizę punktową korzystając z przystawki EDX ( LINK, ISIS system, Oxford, Anglia), połączonej z elektronowym mikroskopem skaningowym Novascan 30. Wyniki mikroanalizy punktowej zestawiono w tablicy 2. Natomiast rysunki 4-6 ilustrują

- 139- mikrostruktury stopów z zaznaczonymi miejscami ilościowej mikroanalizy rentgenowskiej. 2 ~~.;;. ~.\._ Rys. 4. Mikrostruktura stopu AK51 : a) 1 - strefa przetopienia laserem, 2 - materiał rodzimy, b) szczegół z obszaru 2, c) szczegół z obszaru 1. l - obszar mikroanalizy w osnowie materiału rodzimego, li -obszar mikroanalizy w warstwie przetopionej laserem. Fig. 4. Microstrukture of AK51 alloy: a) 1 - layer of laser remelting, 2 - native materia l, b) detail from 2 area, c) detaill from 1 area.

- 140- rodzimy, b) szczegół z obszaru 2, c) szczegół z obszaru L l - obszar mikroanalizy w osnowie materiału rodzimego, li- obszar mikroanalizy w warstwie przetopionej laserem. Fig. 5. Microstrukture of AISW830 alloy; a) 1 - layer of laser remelting, 2 - native materia!, b) detail from 2 area, c) detaill from 1 area. l - electron probe microanalysis from matrix of native materia!, li - electron probe microanalysis from layer of laser remelting. 'i~jł~~~f~. ~ " ' ~ - ~... -.. <:; : :-' '~ -. ~ '1~._,:]t _.,.~-.----- - I~ o ' -.. c::< ~J;, : ~ ł 2 -~ -;~.- ~ "-~i:i_h. ~~..J. -~:-;, tor.., :- \ l 120 J.Wl l ~. ' Rys 6. Mikrostruktura stopu M 309: a) 1 rodzimy, b) szczegół z obszaru 2, c) szczegół z obszaru 1. l - obszar mikroanalizy w osnowie materiału rodzimego, li -obszar mikroanalizy w warstwie przetopionej laserem..... "",.,,...,.. -.,>U':) Fig. 6. Microstructure of M 309 alloy; a) 1 - layer of laser remelting, 2 - native materia!, b) detail from 2 area, c) detail from 1 area. l - electron probe microanalysis from matrix of native materia!, li- electron probe microanalysis from layer of laser remelting. Tablica 2. Wyniki ilościowej mikroanalizy rentgenowskiej z obszarów l i 11 dla badanych stopów. Table 2. The results of point quantitative electron probe microanalysis from l and 11 area investigated aluminium alloys.

- 141 - Gatunek stopu S i C u Mg Składniki stopowe, % M n Ni T i Fe Z n Al AK51 0,2 1,1 O 0,20 0,51 reszta ----------- ----------- ----------- ----------- ----------- ----------- ----------- ----------- ---------- 11 4,22 1,O 0,40 0,22 0,75 0,20 reszta AISW830 l M 309 11 11 0,15 4,8 0,48 0,78 0,75 3,80 0,95 4,20 1,56 0,12 reszta 0,25 0,25 reszta 1,30 reszta 2,10 0,45 reszta 3. ANALIZA WYNIKÓW BADAŃ Laserowe przetopienie warstwy wierzchniej (W. W.) stopu AK51 spowodowało rozpuszczenie wszystkich faz pierwotnych jak: wydzieleń Si, drobnych faz AI4Si2 Fe oraz wtórnych Mg2Si, AI2Cu wydzielonych w osnowie a [3] (rys. 4b) a wykrystalizowanie ultradrobnych ziarn roztworu stałego a (rys. 4c) W. W. praktycznie nie zawiera innych wydzieleń. Obróbka laserowa charakteryzując się bardzo dużym i prędkościami nagrzewania dochodzącymi do 10 14 K/s oraz szybkościami chłodzenia sięgającymi 10 8 Ki s sprzyja tworzeniu w tym stopie takiej W. W., której gruboś ć dochodzi do ok. 1 mm (rys. 1 a). Punktowa analiza rentgenowska (tablica 2) potwierdza, że prawie wszystkie dodatki stopowe przes zły w roztwór stały a. Takie zmiany mikrostruktury wpływając wprawdzie w niewielkim stopniu na wzrost mikrotwardości W. W. (rys. 1 b) radykalnie zmieniły jej morfologię w stosunku do materiału rodzimego (rys. 4b). Odmienna jest mikrostruktura W.W. w stopie AISW830 (rys. Sc). W wyniku przetopienia laserem powstała warstwa o grubości średnio ok. 1,5 mm (rys. 2a) i mikrotwardości przeszło 2 krotnie większej niż materiału rodzimego (rys. 2b) złożona z bardzo drobnych dendrytów roztworu stałego a i obszarów

- 142- złożona z bardzo drobnych dendrytów roztworu stałego a obszarów międzydendrytycznych złożonych z bardzo drobnych cząstek. Dendryty a są silnie przesycone krzemem. Zawierają około 50% ogólnej zawartości krzemu (tablica 1 i tablica 2). Prawie w całości rozpuszczone są w nich pozostałe składniki stopowe jak: Cu, Mn i Fe. Przestrzenie międzydendrytyczne krzepnące później stanowią prawdopodobnie mieszaninę bardzo drobnych kryształów Si i faz AI 4 SbFe w roztworze a. Z kolei w stopie M309 przetopienie jego powierzchni powoduje powstanie trzech warstw (rys. 3a). W.W. o grubości 1-1,2 mm, którą stanowią bardzo drobne ziarna roztworu stałego a (rys. 6c). Mikrotwardość tej warstwy jest największa (rys. 3b). Punktowa il ośc i owa mikroanaliza rentgenowska potwierdza, że fazy pierwotne jak: cząstk i Si oraz wtórne AlsCu3Ni i AI 2 Cu Mg [4] uległy rozpuszczeniu i przeszły do roztworu a (rys. 6c, tablica 2). Obserwuje się także w tym stopie, w W.W. występowanie pośredniej strefy o średniej twardości (rys. 3a i 3b). Strefę tą stanowi roztwór stały a z częściowo rozpuszczonymi fazami pierwotnymi (rys. 6b). 4. WNIOSKI Przeprowadzone badania materiałów poddanych laserowej modyfikacji powierzchni przez szybkie przetopienie i gwałtowne ochłodzenie pozwalają stwierdzić, że : w stopie AK51 powstała W. W. o średniej grubości około 1 mm, twardości nieznacznie większej od materiału rodzimego, lecz o mikrostrukturze stanowiącej ultradrobne ziarna roztworu stałego a, prawie wszystkich pierwiastków występujących w stopie,

- 143- w stopie AISW830, W. W. stanowią bardzo drobne dendryty a przesycone Si, Cu, Mn i Fe, oraz przestrzenie międzydendrytyczne, w których prawdopodobnie występują ultradrobne cząstki Si i faz międzymetalicznych w roztworze a. Grubość tej warstwy wynosi średnio około 1,Smm i jest ona dwukrotnie większa od materiału rodzimego, w trzecim stopie aluminium M309, stwierdza się występowanie oprócz głównej W.W. złożonej z przesyconego roztworu a wszystkimi pierwiastkami występującymi w stopie, strefy pośredniej złożonej z roztworu a, częściowo przesyconego pierwiastkami z rozpuszczonych faz. Twardość W. W. jest o około 50% większa niż materiału rodzimego. Obserwuje się też trzy wyraźne poziomy wartości twardości. LITERATURA 1. Perez, Mat. Sci. Forum, 1990 t. 59, nr 60. 2. Major, R. Ciach, Laserowa modyfikacja warstwy wierzchniej stopów aluminium i stali, Nowoczesne Technologie w Inżynierii Powierzchni, l Ogólnopolska Konf. Naukowa, Łódź '94, str. 289-295. 3. Tokarski, Metaloznawstwo metali i stopów nieżelaznych w zarysie, Wyd. " Śląsk ", 1986, str. 158-164. 4. Kołaczew, W.A.Litwinow, W.J. Eljagin, Mietałłowiedienije i tiermiczeskaja obrabotka cwietnych mietałow i spławow, Moskwa, Mietałłurgia 1972, str. 86-94.