Разработка технологии локального лазерного отжига заготовок из алюминиевого сплава

Лазерная обработка является прогрессивным технологическим методом улучшения эксплуатационных свойств и служебных характеристик деталей [1-3]. Целесообразность и преимущества ее применения определяются возможностью быстрого, строго дозированного интенсивного подвода энергии на поверхность изделия. Способы лазерной обработки являются бесконтактными и предоставляют возможность обработки труднодоступных и локальных областей деталей. Обеспечивается локальность по глубине и площади физических процессов, протекающих в зоне термического влияния, при сохранении исходных свойств материала в остальном объеме и отсутствии значительных деформаций обрабатываемых деталей. Реализация соответствующих условий взаимодействия излучения с веществом позволяет осуществить такие способы лазерной обработки материалов, как, например, термоупрочнение, отжиг и сварку. Конкретность в выборе способов лазерной обработки не ограничивает общность подходов к решению задач по разработке технологических процессов, а результаты исследований представляют самостоятельный научно-практический интерес.

Целью данной статьи является разработка технологии лазерной обработки на примере локального отжига заготовок из нагартован-ного алюминиевого сплава, а также исследование технологических и эксплуатационных свойств обработанного материала.

Разработка технологии локального лазерного отжига перед холодным деформированием заготовок из нагартованного алюминиевого сплава

При традиционной технологии формообразования деталей на специализированном оборудовании силовые и точностные характеристики процесса определяются механическими свойствами материалов (склонностью к упрочнению, пластичностью, прочностью и т.д.). Точность изготовления деталей зависит от точности изготовления штампа и его конструкции. При получении высокоточных деталей это приводит к значительным затратам на проведение термических операций для фиксирования заданных свойств штампуемого материала, на изготовление многочисленных комплектов инструмента, на капитальные вложения в основное оборудование. Устранить эти недостатки возможно путем совмещения формоизменяющих операций с технологической операцией лазерного отжига для получения равновесных структур, обладающих высокой пластичностью и низкой твердостью. В работах [4-5] показана возможность осуществления процессов рекристаллизации сплавов при высоких температурах и малых временах выдержки, имеющих место в случае лазерного нагрева, при соблюдении условия: скорость охлаждения материала после прекращения лазерного воздействия должна быть ниже критической. Замедленный теплоотвод реализуется при толщине обрабатываемого материала соизмеримой с размерами зоны термического влияния.

В результате проведенных исследований

Рис. 1. Структура листового алюминиевого сплава АМг2Н после лазерного отжига:

1 – зона отжига; 2 – исходная структура, увелич. х300

ведения лазерного отжига. Сплав имеет гетерогенную структуру, состоящую из α -твер-дого раствора и выделений фазы β (Mg₂Al₃), которая в исходном состоянии частично растворена. При наличии марганца и примесей железа и кремния имеются марганцовистая фаза (AlMg₂Mn), силицид магния (Mg₂Si) и AlFeSi. При лазерном отжиге происходит рекристаллизация деформированной структуры, а также распад метастабильных фаз с образованием стабильной рекристаллизованной структуры.

на примере конструкционного материала АМг2Н определены температурно-скоростные режимы лазерного отжига нагартованно-го алюминиевого сплава, обеспечивающие снятие наклепа и образование рекристаллизованной структуры. АМг2Н применяется в двигателестроении для сварных и не сварных малонагруженных деталей, от которых требуется высокая коррозионная стойкость (сварные баки, бензо-, и масло- и воздухопроводы). Температура полного (рекристаллизационного) отжига сплава АМг2Н равна T_р.о. = 620...680 K. С увеличением температуры возникает опасность образования крупнокристаллической структуры и, в связи с этим, резкого снижения деформируемости материала. Росту крупного зерна при кристаллизации способствует неравномерное распределение легирующих элементов внутри зерен, а также неравномерная степень пластической деформации. Особую склонность к росту зерна материал имеет после критических степеней холодной деформации ( ε _∂ = 2…15%) при медленном нагреве, поэтому нагрев при полном отжиге проводится с максимально возможной скоростью. Температура лазерного отжига полуфабрикатов из сплава АМг2Н может достигать T = 800...820 K с сокращением времени выдержки.

Определены параметры режима обработки, которые составили: мощность лазерного излучения Q =600 ±7 Вт; скорость обработки υ =0,6 ±0,01 м/с. Для целенаправленног о изменения пространственного распределения мощности воздействующего высокоинтенсивного лазерного излучения применялись системы транспортировки и формирования пучков излучения, включающие в свой состав модули дифракционной оптики (фокусаторы излучения) [6-7]. На рис. 1 представлена структура листового алюминиевого сплава АМг2Н толщиной δ = 1,5 ^. 10^-3 м после про-

Исследование свойств обработанного материала

Для определения предельного относительного удлинения, характеризующего пластичность сплавов и их способность выдерживать заданную пластическую деформацию, проведены испытания на растяжение образцов по методике ГОСТ [8-9]. В ходе испытаний образцов из листового материала АМг2Н были получены следующие результаты: относительное удлинение после разрыва до лазерного отжига имело значение 4,5 % (4,1…4,8 %), а после лазерного отжига – 27,0 % (25,5…29,0 %). Таким образом, повышение предельного относительного удлинения после лазерного отжига составляет 20…25 %. При испытании образцов из листового алюминиевого сплава АМг2Н толщиной = 1,5’”10-3 м были получены следующие результаты: минимальный радиус гиба до лазерного отжига не превышал (3,0…3,7)’”10-3 м, после лазерного отжига – (1,5…2,0)’”10-3 м. Т.е, минимальный радиус гиба после лазерного отжига уменьшается 1,7…2,0 раза. Обработка результатов экспериментальных исследований проводилась с применением методов математической статистики. Погрешность результата испытаний определялась путем статистической обработки группы измерений с учетом случайной и неиск-люченной систематической погрешности.

Для оценки прочностных свойств патрубков, изготовленных по разработанной технологии, были подготовлены промышленные образцы из сплава АМг2 со следующими геометрическими параметрами: наружный диаметр патрубка 30.10-3 м, толщина стенки 10-3 м, угол гиба 0,52 рад. Исследования проводились методом сравнительных испытаний. Опытные образцы изготавливались из нагар-тованных заготовок с локальным лазерным отжигом места гиба. Контрольные образцы из- готавливались из материала той же партии, предварительно подвергнутого полному печному отжигу в течении 40 мин при температуре 620 K. Гибка всех образцов осуществлялась по серийной технологии с одной установки гибочного приспособления. Определялось внутреннее давление разрушения нагнетаемой жидкости . Испытания проводились на гид-роиспытательном стенде, в качестве рабочей жидкости использовался керосин. У контрольных образцов значения давления разрушения находилось в интервале (117…124).105 Па, а у патрубков, изготовленных из нагарто-ванного материала с применением разработанной технологии – в интервале (162…171).105 Па, т.е. выше на 30…40%.

Заключение

В результате проведенных исследований на примере конструкционного материала АМг2Н определены температурно-скоростные режимы лазерного отжига нагартованного алюминиевого сплава, обеспечивающие снятие наклепа и образование рекристаллизованной структуры. Для целенаправленного изменения пространственного распределения мощности воздействующих высокоинтенсивных энергетических потоков применялись системы транспортировки и формирования пучков излучения, включающие в свой состав модули дифракционной оптики (фокусаторы излучения).

Проведены исследования структуры алюминиевого сплава АМг2Н после проведения лазерного отжига. Сплав АМг2Н имеет гетерогенную структуру, состоящую из -твердого раствора и выделений фазы (Mg2Al3), которая в исходном состоянии частично растворена. При лазерном отжиге происходит рекристаллизация деформированной структуры.

Применение разработанного технологического процесса отжига перед холодной штамповкой предоставляет возможность повысить прочность деталей за счет использо- вания нагартованных листовых и трубчатых заготовок. Так, прочность патрубков двигателей летательных аппаратов из алюминиевого сплава АМг2Н увеличивается на 30…40%. Локальный лазерный отжиг претерпевающих пластические деформации участков обеспечивает повышение предельного относительного удлинения на 20…25%, уменьшение минимального радиуса гиба в 1,7…2,0 раза.