Анотація до роботи:

Похмурська Г.В. „Формування структурної гетерогенності в металах при лазерній обробці та її вплив на основні експлуатаційні властивості” - Рукопис.

Дисертація на здобуття вченого ступеня доктора технічних наук. Спеціальність 05.02.01 - матеріалознавство. - Запорізький національний технічний університет МОН України, м. Запоріжжя, 2006.

Дисертація присвячена теоретико-експериментальному дослідженню впливу лазерної обробки поверхні сталей і сплавів на основі алюмінію і магнію, у тому числі з газотермічними захисними і відновними покриттями різного хімічного складу на формування структурно-напруженого стану оброблених шарів. Досліджено вплив вторинної гетерогенності структури, яка виникає при застосуванні локалізованих джерел енергії для нагрівання поверхні сталей і сплавів, на їх міцність при різних видах навантаження, характеристики і механізм зношування за умов сухого і абразивного тертя, електрохімічні та корозійні властивості. У роботі вивчено механізм лазерного модифікування - армування легких сплавів твердими частинками з порошків та порошкових сумішей SiC, Al-TiO₂, Al-В₄С, Al-SiC. Сформульовано нові наукові засади вибору схем лазерної обробки матеріалів із врахуванням умов їх експлуатації, зроблено рекомендації щодо ефективності практичного застосування досліджених видів і режимів лазерного модифікування поверхні сплавів і покриттів.

На основі теоретико-експериментальних досліджень лазерної обробки поверхні сталей, алюмінієвих і магнієвих сплавів, у тому числі з газотермічними покриттями, встановлено закономірності формування їх структурно-напруженого стану та його вплив на основні експлуатаційні властивості зміцнених виробів, сформульовано нові наукові засади вибору схем лазерної обробки матеріалів з урахуванням умов їх експлуатації.

1. Встановлено, що гартування стальних циліндричних стержнів безперервним лазерним променем створює анізотропію структури у приповерхневих шарах, вплив якої на міцність і характер руйнування суттєво залежить від напрямку прикладання сили. Вперше показано, що гартування поверхні по гвинтовій лінії забезпечує найкращі результати під час скручування зразків у напрямку коли загартовані доріжки працюють на стискування. Закручування у протилежному напрямку незначно підвищує міцність зразків, але зумовлює розтріскування загартованих доріжок на початку пластичної деформації зразка. Гартування за спірального переміщення лазерного променя по циліндричній поверхні за певними режимами підвищує границю міцності під час розтягу приблизно в 1,2...1,3 рази проти незагартованої сталі із збереженням високої пластичності і є ефективнішим за гартування вдовж твірної циліндричної поверхні.

2. Лазерне гартування нержавіючої хромистої сталі збільшує опір її втомному і корозійно-втомному руйнуванню, коли для вуглецевих і низьколегованих сталей така обробка помітно підвищує тільки границю втоми і майже не впливає на зміну умовної границі корозійної втоми, що пов'язано з присутністю у поверхневому шарі мартенситної фази, більш чутливої до сумісного впливу корозивного середовища і механічних напружень. Гартування циліндричних стержнів по спіральній лінії забезпечує вищий опір їх втомному руйнуванню порівняно з гартуванням вздовж твірних циліндричної поверхні. Встановлено вплив схеми гартування на зародження і швидкість росту втомної тріщини у сталевих пластинках з боковим концентратором напружень. Показано, що ефективнішою є обробка коли зона перекриття загартованих доріжок не співпадає з вершиною концентратора напружень.

3. Застосування для обробки металів лазерного променя зумовлює виникнення вторинної структурної і електрохімічної гетерогенності поверхні, що створює передумови пониження її корозійної тривкості, головно за рахунок інтенсивнішого розчинення зон перекриття загартованих доріжок. Але корозійна тривкість мартенситу, одержаного після лазерного гартування вуглецевих сталей, вища ніж мартенситу, що утворюється внаслідок пічного гартування. Зменшуючи ширину зони термічного впливу, в цілому можна забезпечити досить високий рівень корозійної тривкості сталі після її лазерного гартування, навіть вищий, ніж, наприклад, після традиційного пічного гартування.

4. Встановлено вплив лазерного оплавлення на зміну структури і властивостей газотермічних покриттів, одержаних на сталях і алюмінієвих сплавах з економно легованих порошкових дротів системи Fe-Cr-B-Al. Показано, що такою обробкою, за оптимальних режимів, можна знизити їх поруватість з 10...15% практично до нуля, значно вирівняти структуру і хімічний склад, суттєво підвищити силу їх зчеплення з основою, покращити трибологічні та електрохімічні характеристики.

Запропоновано математичну модель зародження в покриттях тріщин і визначено шляхи зниження їх схильності до тріщиноутворення за такої обробки.

Виявлено, що введення у покриття незначної кількості нікелю або міді значно підвищує їх схильність до оплавлення, покращує зовнішній вигляд, через підвищення змочуваності сталі розплавленим металом.

5. Вперше встановлено, що застосовуючи лазерне оплавлення газополуменевих чи електродугових покриттів з порошкових дротів системи Fe-Cr-B-Al з підвищеною концентрацією в них алюмінію, можливо синтезувати композиційні металокерамічні покриття з високою зносотривкістю, у яких твердою матричною фазою є переважно Al₂O₃ з включеннями зерен твердого розчину хрому у залізі. Розкрито закономірності та механізм абразивного зношування таких покриттів.

6. Встановлено закономірності і механізм лазерного армування поверхні алюмінієвих і магнієвих сплавів дисперсними частинками SiC. Виявлено, що ці частинки, за короткочасного оплавлення поверхні сплаву, взаємодіють з розплавом алюмінію з утворенням дрібнодисперсних карбідів Al₄C₃ голчастої форми та частинок вільного силіцію. Крім того, має місце дифузія алюмінію у поверхневі шари карбіду силіцію, які з досягненням концентрації алюмінію 3...3,5% відшаровуються від поверхні зерен SiC. Така обробка дає можливість одержати на алюмінієвих сплавах армовані твердими частинками різної природи шари, які забезпечують у 50...70 разів вищий опір сплавів зношуванню жорстко закріпленим абразивом і майже удвічі - за сухого тертя з загартованою сталлю. Для збільшення товщини армованого шару до 2...3 мм запропоновано здійснювати попередній підігрів сплавів безпосередньо перед армуванням до 150...250С.

7. Показано, що електрометалізаційні покриття з порошкових дротів системи Al+SiC, Al+B₄C або Al+TiO₂ приблизно у 40, 50 і 70 разів відповідно підвищують зносотривкість магнієвого сплаву АМ20 за умов сухого тертя з загартованою сталлю ШХ15, але вони мають низьку силу зчеплення з основою, що зумовлює їх відшарування у місцях гострих переходів, надрізів та обмежує застосування за умов контактного і ударного навантажень. Лазерне оплавлення у всіх випадках суттєво підвищує адгезію покриттів, але дещо знижує їх опір зношуванню. Після оплавлення висока зносотривкість (більш ніж на порядок порівняно з вихідним сплавом) характерна для покриттів, що містили SiC і TiO₂ . Інші оплавлені покриття збільшують зносотривкість всього у 1,5…2,5 рази порівняно з незахищеним сплавом. Якісно подібні результати одержано також на сплавах AZ31 і AZ91. Лазерне оплавлення вказаних покриттів на магнієвих сплавах покращує їх корозійну тривкість у воді майже у 2 рази.

8. Встановлено, що за схильністю до загальної корозії в розчинах хлоридів магнієві сплави можна розмісити в порядку (в міру зростання) AM 20 > AZ 91 AE 42 > AZ31. Лазерна обробка, завдяки гомогенізації структури, підвищує корозійну тривкість всіх досліджуваних сплавів. Після оплавлення за корозійною стійкістю сплави можна розмістити у наступній послідовності: AZ 31 > AZ 91 > AM 20 > AE 42. Для сплаву AZ91, схильного до локальної корозії, оплавлення змінює механізм корозії з локального на більш загальний, на оплавленій поверхні практично відсутні глибокі корозійні враження, які спостерігаються для вихідного матеріалу. Лазерна обробка сплаву АМ20 повністю усуває характерну для цього сплаву ниткасту корозію.

Вплив структурної неоднорідності магнієвих і алюмінієвих сплавів на зміну електрохімічних характеристик чіткіше проявляється зі зниженням агресивності корозивного середовища.

Основний зміст дисертації оприлюднено в наступних роботах:

1. Електродугові відновні та захисні покриття / В.І. Похмурський, М.М. Студент, В.М. Довгуник, Г.В. Похмурська, І.Й. Сидорак. – Львів: Національна академія наук України; Фізико-механічний інститут ім. Г.В.Карпенка, 2005. – 192 с.

2. Похмурська Г.В. Вплив режимів лазерної обробки на структуру та витривалість

низьковуглецевої сталі // Фіз.-хім. механіка матеріалів. – 2001. – № 5. – С. 117-119.

3. Похмурська Г.В. Міцність циліндричних зразків, лазерно загартованих уздовж твірної та по спіралі // Фіз.-хім. механіка матеріалів. – 2002. – №1. – С. 83-86.

4. Похмурська Г.В. Зміна структури поверхневого шару плакованого алюмінієм сплаву Д16 під час його лазерного нагрівання // Фіз.-хім. механіка матеріалів. – 2002. – №6. – С 99-101.

5. Похмурська Г.В. Утворення тріщин у газотермічних покривах залежно від умов їх лазерного переплавлювання // Фіз.-хім. механіка матеріалів. – 2003. – №1. – С. 59-62.

6. Похмурська Г.В. Вплив умов лазерного гартування на зародження і ріст утомних тріщин у зразках з вирізом // Фіз.-хім. механіка матеріалів. – 2003. – №3. – C.123-124.

7. Похмурська Г.В. Руйнування лазерно загартованих циліндричних стрижнів внаслідок закручування та розтягування // Фіз.-хім. механіка матеріалів. – 2004. – №1. – С. 60-64.

8. Похмурська Г. Вплив технології газотермічного напилення покриттів системи Fe-Cr-B-Al на їхню будову й опір абразивному спрацюванню // Машинознавство. – 2004. – № 4 (82). – С. 50 - 54.

9. Чекурін В.Ф., Похмурська Г.В. Математична модель розтріскування лазерно модифікованих металопорошкових покривів // Фіз.-хім. механіка матеріалів. – 2004. – №5. – С. 18 - 22.

10. Pokhmurska A., Ciach R. Microstructure and properties of laser treated electric arc sprayed and plasma sprayed coatings // Surface & Coating Technology. –2000. –V. 125. – P. 415-418.

11. Tribological properties of arc sprayed coatings obtained from FeCrB and FeCr-based powder wires / H. Pokhmurska, V.Dovgunyk, M.Student, E. Bielanska, E.Beltowska // Surface and Coatings Technology. – 2002. – № 151-152. – Р. 490-494.

12. Похмурська Г.В., Крупа Р.Б., Студент М.М. Абразивна зносостійкість лазерно модифікованих електрометалізаційних покриттів з порошкових дротів ФМІ-2 // Проблеми трибології. – 2002. – № 2. - С. 75- 80.

13. Похмурська Г.В., Довгуник В.М., Студент М.М. Зносотривкість лазерно модифікованих електродугових покривів з порошкового дроту ФМІ-2 // Фіз.-хім. механіка матеріалів.– 2003. – № 4. – С. 61-64.

14. Вплив лазерного модифікування поверхні сплавів на основі алюмінію карбідом силіцію на їх електрохімічні властивості / Г.В.Похмурська, Н.Р.Червінська, Х.Р.Сметана, Б.Вілаге, А.Ванк // Вісник Національного технічного університету „Харківський політехнічний інститут”. – 2005. – № 16. – С. 126-129.

15. Вплив лазерного модифікування поверхні алюмінієвих сплавів карбідом силіцію на їх структуру та зносотривкість / Г.В.Похмурська, М.М.Студент, Х.Р.Сметана, А.Ванк, Г.Подлесяк, Т.Геніг // Проблеми трибології. – 2005. – № 2. – С. 132-138.

16. Вплив лазерного гартування на корозійну втому вуглецевої та нержавіючої сталей / Г.Похмурська, В.Каліта, Я.Хоффман, О.Камінський // Фіз.-хім. механіка матеріалів. – 2000. – Спец. вип. № 1. – С. 241-243.

17. Корозійні властивості покриттів, одержаних газотермічним розпиленням порошкових дротів / Г.Похмурська, Н.Червінська, А.Ванк, В.Каліта // Фіз.-хім. механіка матеріалів. – 2004. – Спец. вип. – № 4. – С. 525-528.

18. Структура та властивості алюмінієвих сплавів, лазерно модифікованих карбідом

силіцію / Г.В.Похмурська, М.М.Студент, Н.Р.Червінська, Х.Р.Сметана, А.Ванк, Т.Геніг, Г.Подлесяк // Фіз.-хім. механіка матеріалів. – 2005. – №3. – С. 34-40.

19. Pokhmurska H., Kwiatkowski L., Kalita W. Corrosion behaviour of laser remelted aluminium alloy // Фіз.-хім. механіка матеріалів. – 2002. – Спец. вип. – №3. – С.559-564.

20. Funcionally graded substrate layers of magnesium alloys produced by electron beam technolology / B.Wielage, A.Wank, H.Pokhmurska, S.Thiemer // Archives of Metallurgy and Materrials. – 2005. – V. 50. – Iss. 1. – P 241-250.

21. Похмурська Г., Каліта В., Чекурін В. Вплив схеми і умов лазерного гартування циліндричних стрижнів на їх міцність і пластичність / Механіка руйнування матеріалів і міцність конструкцій. Під ред. акад. НАН України Панасюка В.В. – Львів: Фізико-механічний ін-т ім. Г.В.Карпенка НАНУ. – 2004. – С. 807-812.

22. Похмурська Г., Камінський О., Муха З. Вплив лазерної обробки на зародження втомних тріщин в легованих сталях // Механіка руйнування матеріалів і міцність конструкцій. – Львів: Каменяр, 1999. –Вип. 2. – Т. 3. – С. 170-173.

23. Laserdispergieren von SiC in Aluminiumlegierungen zum partiellen Verschleisschutz / K.J.Matthes, T.Honig, B.Wielage, A.Wank, H.Podlesak, H.Pokhmurska // Schweissen und Schneiden. – 2006. – V.58. –- №3. – Р. 119-122.

24. Оптимізація структури сталі 65Г за допомогою лазерної обробки / А.Похмурська, Ю.Арабський, Р.Арабський, З.Дурягіна, О.Бончик // Solidification of Metals and Alloys. – 1996. – No 27. – P. 187-190.

25. Wplyw obrobki laserowej na odpornosc na scieranie powierzchni stali eutektycznej / A.Pokhmurska, O.Kaminski, V.Dovhunyk, Z.Mucha, W.Kalita // Solidification of Metals and Alloys. –2000. – V.l.2. – № 42. – Р. 291-296.

26. Odpornosc korozyjna stopu alumіnium z powloka natryskiwana metoda lukowa / V.Pokhmurskii, H.Pokhmurska, N.Chervinska, M.Student // Ochrona Przed Korozja. – 2002. – № 11A. – S. 187-190.

27. Wielage B., Pokhmurska H., Wank A. Elektronenstrahldispergiren von Leichtmetallen // Schriftenreihe Werkstoffe und werkstofftechhnische Anwendungen. –2003. – Band 16. – Teil 1. – S. 196-202.

28. Verfahrensentwicklung zum Laserdispergieren von Si-Hartstoffen in Aluminium-legiеrungen zum partiellen Verschleisschutz / T.Hoenig, K.-J.Matthes, B.Wielage, H.Pokhmurska, H.Podlesak // Schriftenreihe Werkstoffe und werkstofftechnische Anvendungen. – 2005. – Band 022. – S. 91 – 96.

29. Corrosion properties of SiC reinforced surface layers of aluminium alloys by laser beam melt injection / B.Wielage, A.Wank, H.Pokhmurska, H.Podlesiak, K.J.Matthes, T.Hoenig, V.Pokhmurskii, N.Chervinska // Inzynieria powierzchni. – 2005. – № 2A. – P. 147-153.

30. Pokhmurska A.V. Electrometallization coatings structure modification under laser action // Inzynieria Povierzchni. Warszawa. –1997. – S. 149-152.

31. Corrosion behaviour of laser remelted aluminium alloy / H.Pokhmurska, L.Kwiatkowski, W.Kalita, J.Hoffman // Proceeding of SPIE. Volume 5229 Laser Technology VII: Applications of Lasers, edited by W. L. Wolinski, Z. Jankiewicz, R. Romaniuk, SPIE, Bellingham, WA, 2003. – V. 59. – P. 260-265.

32. Powierzchniowe hartowanie laserowe stali dla narzedzi skrawajacych / A.Pochmurska, A.Bonczyk, Yu.Arabski, R.Arabski // Krzepniecie Metali і Stopow. – 1998. – № 36/28. –

S. 217-222.