Поверхностное легирование нержавеющих сталей с использованием волоконного лазера

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, TiB_2. 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.

1. Григорьянц, 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.

2. 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/S2079562922050086

3. Krishnakumari, 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/s40516-021-00145-3

4. Synthesis 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/met11030434

5. Surface 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/S1068375525700206

6. Application 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/S1068375525700905

7. Лазерная 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.

8. Бернацкий, А. В. Лазерное поверхностное легирование стальных изделий: (обзор) / А. В. Бернацкий // Автоматическая сварка. – 2013. – № 12. – С. 3–10.

9. Астапчик, С. А. Лазерные технологии в машиностроении и металлообработке / С. А. Астапчик, В. С. Голубев, А. Г. Маклаков. – Мн.: Бел. наука, 2008. – 252 с.

10. 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.2014.10.010

11. Effect 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.2019.05.089

12. Majumdar, 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.2013.03.086

13. Ульянин, Е. А. Коррозионностойкие стали и сплавы: справочник / Е. А. Ульянин. – М.: Металлургия, 1980. – 208 с.

14. 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.

15. 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.

16. 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.