Повышение пластичности алюминиевого сплава амг6 воздействием лазерного излучения

Сплав АМг6, относящийся к системе Аl– Mg–Мn, обладающий повышенной коррозионной стойкостью в различных средах и хорошей свариваемостью, имеет достаточно высокие пластические и удельные прочностные характеристики, что предопределило его применение в авиастроении, судостроении, автомобилестроении, а также в ракетостроении [1-3]. Несмотря на довольно значительное увеличение растворимости магния в алюминии при повышении температуры, упрочнение при закалке сплава АМг6 весьма незначительно, поэтому такой сплав как и другие магналии относят к термически не упрочняемым [4-5 и др.].

Одним из прогрессивных методов улучшения физико-механических свойств металлических материалов является лазерное воздействие [6-8 и др.], к специфическим особенностям которого относят то, что плотность мощности сфокусированного излучения может превосходить практически все существующие источники нагрева. Целесообразность применения данного

Трегуб Валерий Иванович, кандидат технических наук, доцент кафедры технологии металлов и авиационного материаловедения.

Осетров Евгений Леонидович, инженер.

Трегуб Николай Валерьевич, магистрант.

Малов Сергей Анатольевич, инженер.

Никифоров Аркадий Михайлович, учебный мастер метода и его преимущества определяются возможностью бесконтактного, строго дозированного интенсивного подвода энергии на поверхность изделия. Обеспечивается локальность по глубине и площади протекающих в зоне термического влияния физических процессов при сохранении исходных свойств материала в остальном объеме и отсутствии значительных деформаций обрабатываемых деталей. В работах [9, 10 и др.] показана возможность осуществления процессов рекристаллизации алюминиевых сплавов при высоких температурах и малых временах выдержки, имеющих место в случае лазерного нагрева. Замедленный теплоотвод реализуется при толщине обрабатываемого материала, соизмеримой с размерами зоны термического влияния.

Целью данной работы являлось изучение особенностей структуры и свойств алюминиевого сплава АМг6 после лазерного воздействия по сравнению с длительной изотермической выдержкой.

МЕТАЛЛОФИЗИЧЕСКИЕ ИССЛЕДОВАНИЯ В ОБЛАСТИ ВОЗДЕЙСТВИЯ ЛАЗЕРНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ

Режимы стабилизирующего отжига сплава АМг6 [11]: температура 310-335 °С, изотермическая выдержка 2…4 часа, среда – воздух. При более высоких температурах отжига повышается склонность к коррозии, поэтому для полуфабрикатов низкотемпературный отжиг имеет особое значение. Химический состав слава АМг6 представлен в табл. 1.

Таблица 1. Химический состав АМг6 (процентное содержание элементов)

Al алюминий	Mg магний	Mn марганец	Si кремний	Fe железо	Ti титан	Be бериллий	Cu медь	Zn цинк
от 91,1% до 93,68%	от 5,8% до 6,8%	от 0,5% до 0,8%	до 0,4%	до 0,4%	от 0,02% до 0,1%	от 0,0002% до 0,005%	до 0,1%	до 0,2%

Образцы из алюминиевого сплава АМг6 шириной рабочей части 5 мм из листового материала толщиной 2 мм вырезались вдоль направления проката. Для минимизации отклонений геометрических размеров и, следовательно, повышения точности результатов механических испытаний использовался запатентованный способ изготовления образцов [12]. Исследовались образцы двух типов: после изотермической выдержки при температуре 310-335 °С в течение 2…4 часов; после лазерной обработки.

Для проведения исследований использовался технологический CO2 слэб-лазер ROFIN DC 010 с диффузионным охлаждением и высокочастотной накачкой. Основные технические характеристики СО2-лазера ROFIN DC 010: длина волны излучения 10,6 мкм; частота следования импульсов 2…5000 Гц; длительность одиночного импульса 0,026…125 мс; диапазон регулирования выходной мощности 100…1000 Вт; диаметр выходного пятна 20’”10-3 м; расходимость не более 0,3 мрад; поляризация линейная, 45° относительно горизонтальной плоскости.

Осуществлялось воздействие квазинепрерыв-ным лазерным излучением с частотой следования импульсов до 5000 Гц. Температурно-скоростные режимы обработки при воздействии квазинепре-рывного излучения определяются величиной и распределением плотности мощности в пятне нагрева, а также длительностью воздействия и частотой следования импульсов. Применялось устройство формирования лазерного излучения на основе фокусатора излучения в отрезок, поверхность которого образована гиперболическим параболоидом [13]. Измерение распределения интенсивности лазерного излучения в фокальной плоскости фокусатора проводилось измерителем мощности ИМО-2Н, перемещающимся в системе координат, перпендикулярной оси луча, и снабженным квадратной диафрагмой площадью 10-8 м2. Снижение мощности лазерного излучения достигалось при увеличении скважности импульсов. Контроль температурного поля в центре энергетического источника на поверхности образца осуществлялся с помощью бесконтактного инфракрасного пирометра “Кельвин-1300 ЛЦМ” с диапазоном измерения температур 300…1300 °C.

На рис. 1 представлена структура сплава АМг6 после изотермической выдержки и лазер-

а

б

Рис. 1. Структура сплава АМг6 после изотермической выдержки (а) и лазерной обработки (б); увелич. х1000

ной обработки. На фоне α –твердого раствора видны включения фазы β (Mg₂Al₃). Проведенные металлофизические исследования показали, что характер распределения фазы β зависит от температурно-скоростных режимов обработки. Длительная выдержка при температуре 310…335 °С повышает растворимость фазы β в α – растворе.

В отличие от лазерной обработки при изотермической выдержке процесс перераспределения β – фазы практически завершается. Изотермическая выдержка приводит также к измельчению β – фазы. Более дисперсное распределение β – фазы обуславливает рост степени легирования твердого раствора и, следовательно, увеличение сопротивления деформации сплава, что может определять некоторое снижение пластичности сплава АМг6.

ИССЛЕДОВАНИЯ ФИЗИКО-МЕХАНИЧЕСКИХ СВОЙСТВ АЛЮМИНИЕВОГО СПЛАВА АМг6 ПОСЛЕ ЛАЗЕРНОЙ ОБРАБОТКИ

Проведены исследования физико-механических свойств сплава АМг6 после лазерной обработки. Испытания на растяжение образцов проводились при скорости нагружения 1 мм/ мин и температуре 300 K с записью диаграмм растяжения на разрывной машине Tiratest-2200. Время разрушения в условиях одноосного растяжения контролируется временем достижения равномерной деформации, при которой в деформируемом образце возникает поверхностная вязкая трещина в виде шейки. В отсутствие внутренних разрывов сплошности и локализации деформации в группе плоскостей или шейке растягиваемый материал должен разрушаться в результате равномерного утонения. Однако на более поздней стадии процесса деформации материала происходит образование внутренних микротрещин из-за объединения дислокаций в дислокационные несплошности. Характерные диаграммы растяжения образцов сечением 5х2 мм из сплава АМг6 после изотермической выдержки в течение 2…4 часов и лазерной обработки представлены на рис. 2.

Установлен факт повышения пластичности алюминиевого сплава АМг6 в результате протекания ускоренных процессов полигонизации и рекристаллизации при лазерном воздействии по сравнению с длительной изотермической выдержкой. Так, значение модуля упругости после лазерной обработки уменьшается на 10…15 %, т.е. снижается сопротивление материала упругой деформации. После лазерной обработки относительное удлинение при максимальном нагружении, а также относительное удлинение разрушения увеличиваются на 2,5...3 %, более выражены участок сосредоточенной пластической деформации и зона долома. Значение предельной прочности существенно не изменяется.

б

Рис. 2. Характерные диаграммы растяжения образцов сечением 5х2 мм из сплава АМг6 после изотермической выдержки (а) и лазерной обработки (б)

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Таким образом, установлено, что в результате протекания ускоренных процессов полигонизации и рекристаллизации по сравнению с длительной изотермической выдержкой после лазерного воздействия пластичность сплава АМг6 повышается. Значение модуля упругости после лазерной обработки уменьшается на 10…15 %, т.е. снижается сопротивление материала упругой деформации. После лазерной обработки относительное удлинение при максимальном нагружении, а также относительное удлинение разрушения увеличиваются на 2,5...3 %, более выражены участок сосредоточенной пластической деформации и зона долома. Разработанные на основе полученных результатов способы и технологии лазерной обработки, позволяющие улучшить комплекс физико-механических свойств материалов, после проведения прикладных НИР и ОТР найдут применение для изготовления изделий на предприятиях авиационно-космического кластера, а также автомобилестроения, тяжелого машиностроения, энергетики и других отраслей промышленности и в перспективе позволят осуществить импортозамещение.

Работа выполнена при поддержке Министерства образования и науки РФ в рамках реализации ФЦП «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» на 2009 – 2013 годы (государственный контракт П568).