Отбор микроструктуры при лазерной перекристаллизации конструкционной стали

ВЕСТНИК
УДМУРТСКОГО
УНИВЕРСИТЕТА

ФИЗИКА
2005. №4

УДК 548.075

М. Д. Кривилев, Д. А. Данилов, Е. В. Харанжевский,
П. К. Галенко

ОТБОР МИКРОСТРУКТУРЫ ПРИ ЛАЗЕРНОЙ
ПЕРЕКРИСТАЛЛИЗАЦИИ КОНСТРУКЦИОННОЙ СТАЛИ

Проведено прогнозирование микроструктуры для процесса высокоскоростной
лазерной перекристаллизации поверхности конструкционной стали. Для прогнозирования микроструктуры использовалась модель высокоскоростной кристаллизации с учетом локального неравновесия как на фронте кристаллизации, так и в поле диффузии. Анализ микроструктуры дан по диаграмме
микроструктур (ДМ), которая показывает тип морфологии кристаллической
структуры в зависимости от величины температурного градиента и локальной
скорости кристаллизации. Методом численного эксперимента исследована взаимосвязь между кристаллической микроструктурой, скоростью кристаллизации и величиной температурного градиента. Определен переход к бесструктурной кристаллизации в области высоких скоростей как переход к абсолютной морфологической устойчивости фронта. Для оценки вклада локальной
неравновесности в поле диффузии результаты моделирования сопоставлены с
результатами по модели, учитывающей локальную неравновесность только на
фронте высокоскоростной кристаллизации.

Ключевые слова: высокоскоростная кристаллизация, сплавы, лазерная обработка, микроструктура, моделирование.

Введение

Высокоскоростная кристаллизация является современным методом получения материалов, обладающих улучшенными физическими и механическими свойствами. Материалы, полученные этим методом, используются в современных экспериментальных разработках и промышленных технологиях, таких как затвердевание жидких металлических капель на холодной подложке, спиннингование, обработка поверхности электронным
или лазерным лучом, атомизация, электромагнитная/электростатическая
левитация, сварка. Важная проблема, решение которой необходимо для качественного проведения экспериментальных измерений и отработки промышленных технологий, заключена в разработке адекватной модели прогнозирования кристаллической микроструктуры. Физические процессы
неравновесного зародышеобразования и роста фаз могут быть качественно и количественно изучены методами математического моделирования, a
результаты представлены в виде карты отбора микроструктур, функционально зависящей от управляющих параметров рассматриваемой системы.
В условиях высокоскоростной обработки поверхности лазерным излучением, экспериментальное исследование диаграммы микроструктур (ДМ)

М. Д. Кривилев, Д. А. Данилов, Е. В. Харанжевский, П. К. Галенко

было выполнено Гиллом и Курцем [1] при изучении зависимости формирующейся в процессе перекристаллизации микроструктуры от скорости
кристаллизации и химического состава для сплава Al-Cu. В целях получения ДМ методом компьютерного моделирования была развита модель
формирования микроструктуры в Al-Cu сплавах [2]. В случае обработки
поверхности лазерным лучом с плавлением результаты экспериментального и теоретического изучения были представлены в координатах “химический состав – скорость роста” через скорость сканирования как наиболее
удобный параметр процесса. В дальнейшем Норман с соавторами [3] расширили область применимости ДМ на процессы быстрого затвердевания.
Был изучен процесс затвердевания металлических капель при распылении
и падении в газовой среде (т.н. drop tube processing), а также в экспериментах с использованием метода электромагнитной левитации. Экспериментально полученная ДМ была представлена для сплава фиксированного химического состава и показывала зависимость типа микроструктуры
от размера капель при распылении. Рассчитанная теоретически ДМ в координатах “переохлаждение расплава – химический состав” показывала
структурный переход в переохлажденных каплях в условиях электромагнитной левитации. Как результат этих исследований ДМ фактически стала
методикой проверки адекватности моделей затвердевания равновесных и
метастабильных фазовых диаграмм. По этой причине построение ДМ является достаточно эффективным способом прогнозирования микроструктуры в процессах высокоскоростного затвердевания.
В настоящей работе предлагается дальнейшее развитие описания микроструктуры при лазерной обработке в терминах ДМ. Используются экспериментальные данные и результаты теоретического описания процесса
лазерной обработки поверхности образцов из конструкционной стали [4–6].
ДМ рассчитывается в координатах “температурный градиент — локальная
скорость кристаллизации” для предсказания морфологии кристаллической
микроструктуры в стали.

1. Результаты предыдущих исследований

На микроструктуру, формирующуюся при лазерной перекристаллизации поверхности стали, оказывает наибольшее влияние скорость V роста
фронта кристаллизации и градиент GL температуры на фронте со стороны жидкой фазы [7, 8]. Этими величинами можно управлять, изменяя
скорость Vb движения луча лазера и плотность мощности E лазерного
излучения.
В работах [4,5] были получены результаты экспериментального исследования микроструктуры в зоне лазерного плавления образцов из конструкционной стали (C=2,29 ат.%, Mn=0,71 ат.%, Si=0,62 ат.%, S=0,003
ат.%, P=0,004 ат.%, Cr=0,21 ат.%, Ni=0,26 ат.%). Исследована микроструктура при изменении скорости Vb сканирования луча лазера в пределах от 0,01 до 0,17 м/с. В этом диапазоне скорости в процессе затвер