vestiftИзвестия Национальной академии наук Беларуси. Серия физико-технических наукProceedings of the National Academy of Sciences of Belarus. Physical-technical series1561-83582524-244XThe Republican Unitary Enterprise Publishing House "Belaruskaya Navuka"10.29235/1561-8358-2026-71-3-198-211vestift-952Research ArticleМАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ, МЕТАЛЛУРГИЯMATERIALS SCIENCES AND ENGINEERING, METALLURGYПоверхностное легирование нержавеющих сталей с использованием волоконного лазераSurface alloying of stainless steels using a fiber laserГолубевВ. С.GolubevV. S.

Голубев Валерий Сергеевич – кандидат физико-математических наук, ведущий научный сотрудник отдела индукционных технологий и термической обработки

ул. Академика Купревича, 10, 220084, Минск

Valery S. Golubev – Cand. Sci. (Physics and Mathematics), Leading Researcher of the Department of Induction Technologies and Heat Treatment

10, Academician Kuprevich St., 220084

gvs_fti@mail.ruВегераИ. И.VegeraI. I.

Вегера Иван Иванович – кандидат технических наук, доцент, директор

ул. Академика Купревича, 10, 220084, Минск

Ivan I. Vegera – Cand. Sci. (Engineering), Associate Professor, Directo

10, Academician Kuprevich St., 220084

vegera@phti.byФизико-технический институт Национальной академии наук БеларусиБеларусьPhysical-Technical Institute of the National Academy of Sciences of BelarusBelarus202629092026713198211Copyright © Голубев В.С., Вегера И.И., 20262026Голубев В.С., Вегера И.И.Golubev V.S., Vegera I.I.Данная работа распространяется под лицензией Creative Commons Attribution 4.0.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://vestift.belnauka.by/jour/article/view/952

Изучены возможности поверхностного легирования нержавеющих сталей мартенситного, аустенитного и ферритного классов (95Х18, 04Х18Н9, 03Х17 соответственно) излучением волоконного иттербиевого лазера с максимальной мощностью 2 кВт. Для легирования использовались порошки ряда химических соединений: карбиды – WC, B4C, TiC, Cr3C2, бориды – W2B5, TiB2. Слой легирующего материала формировался на поверхности предварительно шликерным способом. Толщина нанесенного слоя составляла ~ 150 мкм. Для исключения интенсивного выгорания обработка проводилась при подаче в зону облучения инертного газа – аргона. Исследовалось влияние режимов легирования на микроструктуру, микротвердость, химический состав, качество легированных зон и их геометрические размеры. Отмечено, что максимальные глубины легированных слоев достигались при максимальном энерговкладе излучения при мощности 2 кВт и минимальной скорости сканирования 1 м/мин и находились в пределах 900–1800 мкм. При этом в режиме максимального энерговклада происходит достаточно неплохое перемешивание расплава и в нем практически отсутствуют такие дефекты, как поры и трещины. В зоне легирования, как правило, формируется мелкодисперсная гетерофазная структура в зависимости от рода легирующего материала и режимов лазерной обработки с выделениями исходных легирующих или дополнительно образованных фаз. В целом картина изменения микроструктуры и микротвердости для одинаковых легирующих материалов была схо- жей для всех исследованных сталей. Самые высокие микротвердости в пределах 8300–16500 МПа, 6000–10000 и 9500–13500 МПа в легированных слоях сталей соответственно 03Х17, 04Х19Н9 и 95Х18 достигались при использовании карбида бора (B4C). Проведенные эксперименты по лазерному легированию показали принципиальную возможность поверхностного упрочнения сталей ферритного и аустенитного классов типа 03Х17 и 04Х18Н9 и дополнительного упрочнения сталей мартенситного класса типа 95Х18. Полученные результаты могут быть использованы с целью повышения эксплуатационных свойств, например износо- и коррозионной стойкости, изделий из этих классов сталей.

The potential of surface alloying of martensitic, austenitic, and ferritic stainless steels (95Cr18, 04Cr18N9, 03Cr17, respectively) using a ytterbium fiber laser with a maximum power of 2 kW was studied. Powders of a number of chemical compounds were used for alloying: carbides (WC, B4C, TiC, Cr3C2), borides (W2B5, TiB2). A layer of alloying material was preliminarily formed on the surface using the slip method. The thickness of the applied layer was ~ 150 μm. To prevent intense burnout, the treatment was carried out while supplying an inert gas (argon) to the irradiation zone. The effect of alloying modes on the microstructure, microhardness, chemical composition, quality of alloyed zones, and their geometric dimensions was studied. It was noted that the maximum alloyed layer depths were achieved at maximum radiation input of 2 kW and a minimum scanning speed of 1 m/min, ranging from 900 to 1800 µm. Moreover, at maximum energy input, the melt is fairly well mixed, and defects such as pores and cracks are virtually absent. A finely dispersed heterophase structure typically forms in the alloying zone, depending on the type of alloying material and laser processing modes, with precipitation of the original alloying phases or additionally formed ones. Overall, the pattern of microstructure and microhardness changes for the same alloying materials was similar for all the steels studied. The highest microhardness values, ranging from 8300 to 16500 MPa, 6000 to 10000 MPa, and 9500 to 13500 MPa, were achieved in the alloyed layers of 03Cr17, 04Cr19N9, and 95Cr18 steels, respectively, using boron carbide (B4C). Laser alloying experiments demonstrated the fundamental possibility of surface hardening of ferritic and austenitic steels such as 03Cr17 and 04Cr18N9, and additional hardening of martensitic steels such as 95Cr18. The results obtained can be used to improve operational properties, such as wear and corrosion resistance, of specific products made from these steels.

лазерное легированиеповерхностный слоймикроструктурамикротвердостьраспределение элементовlaser alloyingsurface layermicrostructuremicrohardnesselement distributionReferencesГригорьянц, А. Г. Технологические процессы лазерной обработки / А. Г. Григорьянц, И. Н. Шиганов, А. И. Мисюров; под ред. А. Г. Григорьянца. – М.: МГТУ им. Н. Э. Баумана, 2006. – 664 с.Grigor’yants A. G., Shiganov I. N., Misyurov A. I. Laser Processing Technologies. Moscow, Bauman Moscow State Technical University Publ., 2006. 664 p. (in Russian).Бирюков, В. П. Повышение коррозионной стойкости и триботехнических свойств поверхности сталей при лазерном легировании / В. П. Бирюков, А. Н. Принц, А. А. Якубовский // Ядерная физика и инжиниринг. – 2023. – Т. 14, № 4. – С. 315–320. https://doi.org/10.56304/S2079562922050086Biryukov V. P., Prince A. N., Yakubovsky A. A. Increase high-temperature corrosion resistance and tribotechnical properties of surface steels during laser alloying. Nuclear Physics and Engineering, 2023, vol. 14, no. 4, pp. 315–320 (in Russian). https://doi.org/10.56304/S2079562922050086Krishnakumari, A. Applications of Nd:YAG laser in nano WC surface alloing with low carbon austenitic steel in predicting the microstructure and hardness / A. Krishnakumari, M. Saravanan, J. Sarvvesh // Lasers in Manufacturing and Materials Processing. – 2021. – Vol. 8, iss. 2. – P. 201–215. https://doi.org/10.1007/s40516-021-00145-3Krishnakumari A., Saravanan M., Sarvvesh J. Applications of Nd:YAG laser in nano WC surface alloing with low carbon austenitic steel in predicting the microstructure and hardness. Lasers in Manufacturing and Materials Processing, 2021, vol. 8, iss. 2, рp. 201–215. https://doi.org/10.1007/s40516-021-00145-3Synthesis of Functional Surface Layers on Stainless Steels by Laser Alloying / Z. Duriagina, V. Kulyk, T. Kovbasiuk [et al.] // Metals. – 2021. – Vol. 11, iss. 3. – P. 434–453. https://doi.org/10.3390/met11030434Duriagina Z., Kulyk V., Kovbasiuk T., Vasyliv B., Kostryzhev A. Synthesis of Functional Surface Layers on Stainless Steels by Laser Alloying. Metals, 2021, vol. 11, iss. 3, рp. 434–453. https://doi.org/10.3390/met11030434Surface Alloying of Hardox 600 Steel Using a Fiber Laser / V. S. Golubev, I. I. Vegera, V. E. Hodyush [et al.] // Surface Engineering and Applied Electrochemistry. – 2025. – Vol. 61, iss. 3. – P. 293–300.https://doi.org/10.3103/S1068375525700206Golubev V. S., Vegera I. I., Hodyush V. E., Dyachenko O. V., Protasevich K. V. Surface Alloying of Hardox 600 Steel Using a Fiber Laser. Surface Engineering and Applied Electrochemistry, 2025, vol. 61, iss. 3, pp. 293–300. https://doi.org/10.3103/S1068375525700206Application of Fiber Laser for Surface Alloying of 95Cr18 Steel / V. S. Golubev, I. I. Vegera, V. E. Hodyush [et al.] // Surface Engineering and Applied Electrochemistry. – 2025. – Vol. 61, iss. 6. – P. 824–831. https://doi.org/10.3103/S1068375525700905Golubev V. S., Vegera I. I., Hodyush V. E., Dyachenko O. V., Protasevich K. V. Application of Fiber Laser for Surface Alloying of 95Cr18 Steel. Surface Engineering and Applied Electrochemistry, 2025, vol. 61, iss. 6, pp. 824–831. https://doi.org/10.3103/S1068375525700905Лазерная обработка с изменением химического состава поверхностного слоя / В. С. Голубев, И. И. Веге- ра, О. Чернашеюс, В. В. Чаевский // Вестник Барановичского государственного университета. Серия: Технические науки. – 2019. – Вып. 7. – С. 34–42.Golubev V. S., Vegera I. I., Chernasheyus O., Chaevsky V. V. Laser treatment of materials with change of chemical composition of the surface layer. Vestnik Baranovichskogo gosudarstvennogo universiteta. Seriya: Tekhnicheskie nauki = BarSU Herald. Series: Engineering, 2019, iss. 7, pp. 34–42 (in Russian).Бернацкий, А. В. Лазерное поверхностное легирование стальных изделий: (обзор) / А. В. Бернацкий // Автоматическая сварка. – 2013. – № 12. – С. 3–10.Bernatsky A. V. Laser surface alloying of steel items (review). The Paton Welding Journal, 2013, no. 12, pp. 2–8.Астапчик, С. А. Лазерные технологии в машиностроении и металлообработке / С. А. Астапчик, В. С. Голубев, А. Г. Маклаков. – Мн.: Бел. наука, 2008. – 252 с.Astapchik S. A., Golubev V. S., Maklakov A. G. Laser Technologies in Mechanical Engineering and Metalworking. Minsk, Belorusskaya nauka, 2008. 252 p. (in Russian).Sahoo, K. M. Effect of pulse laser parameters on TiC reinforced AISI 304 stainless steel composite coating by laser surface engineering process / K. M. Sahoo, M. Masanta // Optics and Lasers in Engineering. – 2015. – Vol. 67. – P. 36–48. http://doi.org/10.1016/j.optlaseng.2014.10.010Sahoo K. M., Masanta M. Effect of pulse laser parameters on TiC reinforced AISI 304 stainless steel composite coating by laser surface engineering process. Optics and Lasers in Engineering, 2015, vol. 67, pp. 36–48. http://doi.org/10.1016/j.optlaseng.2014.10.010Effect of WC addition on microstructure and tribological properties of bimodal aluminum composite coatings fabricated by laser surface alloying / Chonggui Li, Shuai Li, Chuanming Liu [et al.] // Materials Chemistry and Physics. – 2019. – Vol. 234. – P. 9–15. https://doi.org/10.1016/j.matchemphys.2019.05.089Chonggui Li, Shuai Li, Chuanming Liu, Youfeng Zhang, Peiran Deng, Yajun Guo, Jinqian Wang, You Wang. Effect of WC addition on microstructure and tribological properties of bimodal aluminum composite coatings fabricated by laser surface alloying. Materials Chemistry and Physics, 2019, vol. 234, pp. 9–15. https://doi.org/10.1016/j.matchemphys.2019.05.089Majumdar, J. D. Mechanical and electro-chemical properties of laser surface alloyed AISI 304 stainless steel with WC+Ni+NiCr / J. D. Majumdar // Physics Procedia. – 2013. – Vol. 41. – P. 335–345. https://doi.org/10.1016/j.phpro.2013.03.086Majumdar J. D. Mechanical and electro-chemical properties of laser surface alloyed AISI 304 stainless steel with WC+Ni+NiCr. Physics Procedia, 2013, vol. 41, pp. 335–345. https://doi.org/10.1016/j.phpro.2013.03.086Ульянин, Е. А. Коррозионностойкие стали и сплавы: справочник / Е. А. Ульянин. – М.: Металлургия, 1980. – 208 с.Ul’yanin E. A. Corrosion-Resistant Steels and Alloys: a Reference Book. Moscow, Metallurgiya Publ., 1980. 208 p. (in Russian).Ивашко, В. В. Скоростная термическая обработка нержавеющей стали 95Х18 / В. В. Ивашко, И. И. Вегера, С. И. Синцов // Современные методы и технологии создания и обработки материалов: сб. материалов VI Междунар. науч.-техн. конф., г. Минск, 14–16 сент. 2011 г.: в 3 кн. / ФТИ НАН Беларуси. – Мн., 2011. – Кн. 2. – С. 165–171.Ivashko V. V., Vegera I. I., Sintsov S. I. High-speed heat treatment of 95Cr18 stainless steel. Sovremennye metody i tekhnologii sozdaniya i obrabotki materialov: sbornik materialov VI Mezhdunarodnoi nauchno-tekhnicheskoi konferentsii, g. Minsk, 14–16 sentyabrya 2011 g. Kniga 2 [Modern Methods and Technologies for the Creation and Processing of Materials: Collection of Materials from the VI International Scientific and Technical Conference, Minsk, September 14–16, 2011. Book 2]. Minsk, Physical-Technical Institute of the National Academy of Sciences of Belarus Publ., 2011, pp. 165–171 (in Russian).Лазерное легирование сталей с использованием порошковых материалов / С. А. Астапчик, В. С. Голубев, О. В. Новикова [и др.] // Весцi Акадэміі навук БССР. Серыя фiзiка-тэхнiчных навук. – 1989. – № 4. – С. 7–13.Astapchik S. A., Golubev V. S., Novikova O. V., Protskevich L. I., Chebot’ko I. S. Laser alloying of steels using powder materials. Vestsi Akademii navuk BSSR. Seryya fizika-tekhnichnykh navuk = Proceedings of the Academy of Sciences of BSSR. Physical-technical series, 1989, no. 4, pp. 7–13 (in Russian).Исследование структуры порошковых материалов на основе алюминия, подвергнутых лазерной обработке / В. С. Голубев, Л. П. Евстратенко, А. П. Ласковнев, И. С. Чеботько // Весцi Акадэміі навук БССР. Серыя фiзiка-тэхнiчных навук. – 1988. – № 1. – С. 32–36.Golubev V. S., Evstratenko L. P., Laskovnev A. P., Chebot’ko I. S. Study of the structure of aluminum-based powder materials subjected to laser processing. Vestsi Akademii navuk BSSR. Seryya fizika-tekhnichnykh navuk = Proceedings of the Academy of Sciences of BSSR. Physical-technical series, 1988, no. 1, pp. 32–36 (in Russian).

The authors declare that there are no conflicts of interest present.