XIII Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум - 2021

1. ВВЕДЕНИЕ

Плазменнонапылѐнные изделия из чистого оксида алюминия широко применяются в технике (электроника, спецэлектрометаллургия, электротехника, авиация, приборостроение, химическая промышленность, медицина).. Эти изделия могут изготавливаться тонкостенными (иметь толщину стенки менее 1 мм), имеют геометрические размеры точно соответствующие заданным значениям и не коробятся при высоких температурах, обладают высокой огнеупорностью, стойкостью к агрессивным средам, инертны по отношению к большинству металлических расплавов. Эти изделия могут быть получены с различной степенью пористости, которая легко регулируется специальными видами обработки. В то же время плазменнонапылѐнные изделия из чистого оксида алюминия являются очень твѐрдыми и хрупкими. Это очень затрудняет их механическую обработку. Очень часто такие изделия требуется разрезать. Однако произвести можно только при помощи алмазного режущего инструмента. При этом велика вероятность разрушения изделия, а производительность резания мала. В связи с этим большой интерес приобретает возможность лазерной резки таких изделий. Настоящая работа посвящена исследованию именно этого вопроса и поэтому являетсяактуальной.

Ключевые слова: плазменное напыление, оксид алюминия, фазовые превращения, лазерная резка, режимы резания.

Цель работы - исследование возможности осуществления лазерной резки плазменнонапылѐнных изделий из чистого оксида алюмини

2. ТЕОРЕТИЧЕСКАЯЧАСТЬ

Оксид алюминия, его фазовые модификации и ихсвойства.

Оксид алюминия — одно из самых распространенных и востребованных веществ на планете. Из природного сырья с его содержанием добывают металлический алюминий. Он применяется для производства огнеупорных, абразивных материалов, лазеров, синтетических драгоценных камней. Самое главное — он незаменим в качестве катализатора и носителя катализатора для ряда ключевых промышленных процессов.

Оксид алюминия (ОА) — бинарное соединение алюминия и кислорода. В природе распространен как основная составляющая часть глинозема, нестехиометрической смеси оксидов алюминия, калия, натрия, магния и т. д. Глинозем состоит до 98% из α — и γ - модификаций оксида алюминия и представляет собой белый кристаллический порошок.

Выделяют несколько основных разновидностей оксида алюминия. Безводный оксид алюминия имеет несколько модификаций кристаллической формы, различающихся характеристиками и сферами применения. Установлены α-, β- и γ-модификации глинозема, причем α-и γ-Аl2O3 представляют собой чистый оксид алюминия, а β-Аl2O3 — группа алюминатов с высоким содержанием окиси алюминия.

α-оксид алюминия или корунд представляет собой минерал в виде прозрачных кристаллов тригональной сингонии. В зависимости от вида примесей различают красный корунд — рубин (цвет обеспечивается содержанием оксида хрома) и синий — сапфир (за счет примесей оксида титана и оксида железа). Кристаллы корунда являются рабочими телами лазеров, из рубинов изготавливают камни для точныхмеханизмов.

γ-оксид алюминия имеет кубическую форму. В природе γ-форма не обнаружена, ее получают при термической обработке гидратов оксида алюминия, бемита (Аl2О3·Н2О) и гидраргиллита (Аl2O3·ЗН2O). При нагревании γ-Аl2O3 необратимо переходит в α-форму. Используется как носитель катализаторов и осушитель в химических и нефтехимических производствах.

β-оксид алюминия имеет гексагональную сингонию и не является чистым оксидом алюминия, а представляет собой ряд алюминатов щелочных и щелочноземельных металлов, отличающихся весьма высоким содержанием окиси алюминия, со следующими общими формулами: MeO·6Al2O3 и Me2O·11Al2O3, где МеО — это оксиды кальция, бария, стронция и т. д., а Ме2О — оксиды натрия, калия, лития и других щелочных металлов. Содержание щелочных и щелочноземельных оксидов может составлять до 8−10%. При нагревании до 1600−1700°С β-глинозем разлагается на α- Al2O3 с выделением соответствующего оксида в газообразном состоянии. Присутствие β-глинозема в обожженном корундовом материале снижает механическую прочность и особенно его электрофизические свойства и поэтому является нежелательным. β-Al2O3 используется как электропроводящий твердый электролит.

Ценные свойства корунда обеспечивают ему устойчивый спрос в разных отраслях промышленного производства: изделия из корунда востребованы больше, чем из любого другого керамического материала высокого качества. Материал обладает хорошей теплопроводностью, коррозионной стойкостью, сравнительно низкой плотностью (что дает возможность изготавливать изделия небольшой массы), он сохраняет прочность при высоких температурах, обладает изоляционными свойствами, а также дешев по сравнению с другими керамическими материалами.

2.2. Плазменнонапылѐнные изделия из чистого оксидаалюминия

Использование метода плазменного напыления для изготовления изделий из чистого оксида алюминия позволяет получать эти изделия без применения каких-либо связующих веществ. Поэтому использование таких изделий в качестве контейнеров или рабочих ѐмкостей для металлических расплавов и различных функциональных жидкостей не приводит к загрязнению этих расплавов и жидкостей посторонними примесями, способными повлиять на их физические и эксплуатационные характеристики. Кроме того плазменнонапылѐнные изделия из чистых оксидов алюминия обладают высокой огнеупорностью, точностью размеров, стойкостью ко многим агрессивным средам, неплохо противостоят радиации. Благодаря этим качествам плазменнонапылѐнные изделия из чистого оксида алюминия находят всѐ более широкое применения в самых широких областях науки, техники, промышленности, медицины, биологии.

Изделия из чистого оксида алюминия, изготовленные методом плазменного напыления в большинстве случаев представляют собой тела вращения. Внешний вид таких изделий приведѐн на рисунке 2.1.

Рис. 2.1. Внешний вид плазменнонапылѐнных изделий из оксида алюминия.

2.3.Пористость плазменнонапыленных изделий из чистого оксидаалюминия

Плазменнонапыленные изделия, изготовленные из чистого оксида алюминия, являются пористыми. Наличие пористости придает материалу напыленных изделий новые качества, а самому изделию новые сферы применения. Так, например, пористые плазменнонапыленные изделия из оксида алюминия могут быть использованы в качестве жидкостных и газовых фильтров. Пористость оказывает влияние на физические свойства изделия. Изменения пористости материала изделия неизбежно приводит к изменению его теплопроводности и газопроницаемости, что также создает дополнительное количество практических приложений технике, медицине, металлургии.

Исследование внешнего вида и конфигурации пор до и после термической обработки проводили методом растровой электронной микроскопии на металлографических шлифах и изломах этих изделий.

Из полученных данных было установлено, что максимальную пористость имеют плазменнонапыленные изделия не подвергавшиеся термической обработке. Проведение термической обработки не приводит к монотонному снижению пористости материала плазменнонапыленных изделий.

2.4. Фазовый состав и изменения объѐма принагреве.

Термическая обработка приводит к изменению фазового состава материала плазменнонапыленных изделий из чистого оксида алюминия. Сразу после завершения процесса плазменного напыления фазовый состав материала изделий представляет собой набор модификаций оксида алюминия основной объем в котором находитсянаγ. При последующих термических обработках изделий содержание гамма-фазы непрерывно уменьшается, и после обработки при 1100°С количество ее становится равным нулю. Содержание же модификации δ наоборот непрерывно увеличивается и после обработки при данной температуре достигает своего максимума. При этом содержание модификации α изменяется мало, однако, в интервале температур 1100°С -1250°С интенсивность нарастания модификации αрезко возрастает и, после обработки при 1250°С модификация δ полностью переходит в α. Также в плазменнонапыленных образцах из чистого оксида алюминия в интервале температур 800-1100°С образуется модификация ε, которая в дальнейшем при температуре 1100°С переходит в α(корунд).

В ходе работы при эксперименте задавали 6 режимов термической обработки изделия: нагрев до температура 800°С ( режим 1) 950°С (режим 2) 1100°С (режим 3) 1250°С (режим 4) с последующей выдержкой при каждой температуре в течение 1 часа. Фазовый состав материала изделия определяли после завершения термической обработке по каждому из вышеуказанных режимов результате виде графиков приведены на рисунке 2.2.

Рис. 2.2. Графики изменения фазового состава материала плазменнонапыленного изделия из чистого оксида алюминия в зависимости от температуры термической обработки.

Плазменное напыление производили при помощи автоматизированной установки УПН- 350 (Россия), оснащѐнной плазмотроном водяного охлаждения с поперечно обдуваемой дугой и с вращающимся анодом. Подачу порошкового материала осуществляли в прикатодную зону плазмотрона при помощи тарельчатого питателя-дозатора. Плазмообразующим газом являлся сжатый воздух]. Режимы напыления во всех случаях были одинаковыми.

Полученные образцы подвергали термической обработке в открытой камерной печи сопротивления марки LH 30/13 фирмы Nabertherm (Германия). Температура термической обработки составляла 800 °С, 950 °С, 1100 °С и 1300 °С. Выдержка при заданной температуре во всех случаях составляла 1 час.

После завершения процесса термической обработки по каждому из режимов оценивали количество и размеры пор, а также общую пористость материала образца. Измерения проводили методом рентгеновской компьютерной томографии при помощи установки Nanomex (Германия) с последующей обработкой полученных данных в программе Volume Graphics VG Studio MAX 3.2. Такие же измерения проводили на образцах, не подвергавшихся термической обработке. На рис. 2.3. приведѐн рентгеновский томографический снимок материала исследуемого плазменнонапылѐнногообразца.

Рис.2.3. Рентгеновский томографический снимок образца из оксида алюминия, изготовленного методом плазменного напыления (изображение в формате 3D).

Пористость на этом снимке видна в виде пятен и фрагментов синего, зелѐного и красного цветов. Разрешение, достигаемое при измерении пористости на этой установке составляет менее 1мкм.

Фазовые составы материала до и после термической обработки определяли методом количественного фазового анализа при помощи рентгеновского дифрактометра D8 Advance фирмы Bruker AXS (Германия) с использованием специальной программы обработки данных TOPAS.

Как выяснилось увеличение температуры термической обработки приводит одновременно к изменению и размеров (объѐмов) пор и их количества. Изменения эти являются немонотонными. При увеличении температуры термической обработки соотношение между количеством мелких и крупных пор изменяется сначала в сторону сильного снижения количества мелких пор, а затем наоборот, в сторону столь же сильного возрастания их количества.

Поначалу при увеличении температуры термической обработки от комнатной до 800 ^оС наблюдается общее уменьшение количества пор всех размеров (объѐмов). Однако интенсивность снижения количества мелких пор при этом значительно выше, чем крупных.

Увеличение температуры термической обработки до 950 °С сопровождается незначительным увеличением количества пор всех (как малых, так и больших) размеров (объѐмов). Но после проведения термической обработки при температуре 1100 ^оС мелкие поры исчезают вообще, а количество крупных пор наоборот резко возрастает (в 50-100 раз). Кроме того в небольшом количестве появляются ещѐ более крупные поры. Однако после проведения термической обработки при температуре 1300 °С мелкие поры вновь появляются в большом количестве, а количество пор объѐмом резко снижается (в 200-500 раз).

Вышеописанные изменения плотности будут неизбежно приводить к соответствующим изменениям объѐма материала плазменнонапылѐнного изделия. Объѐм материала плазменнонапылѐнного изделия при увеличении температуры вплоть до 1100 °С будет непрерывно увеличиваться, а в интервале температур 1100-1300 °С будет происходить резкое уменьшение его объѐма.

Сопоставляя данные можно легко увидеть, что характер изменения пористости при нагреве соответствует характеру изменения усреднѐнного значения плотности (ρср) при нагреве. В интервале температур от комнатной температуры до 1100 °С, когда усреднѐнная плотность материала непрерывно уменьшается (а объѐм материала, соответственно, увеличивается), пористость также уменьшается. В интервале температур 1100- 1300 °С, когда плотность материала резко возрастает, (а объѐм материала, соответственно, резко уменьшается) пористость также резкоувеличивается.

Учитывая, что изменения количества γ и δ модификаций Al₂O₃ происходят с большей интенсивностью, чем изменение количества α-Al₂O₃, то объѐм материала плазменнонапылѐнного изделия, по-видимому, будет увеличиваться. Пористость при этом закономерно снижается.

Вышеописанные закономерности изменения количества и размеров пор характерны именно для плазменнонапылѐнных изделий из оксида алюминия, материал которых сразу после завершения процесса напыления представляет собой набор фазовых модификаций Al₂O₃, которые при нагреве претерпевают полиморфныепревращения.

2.6. Влияние лазерной обработки на изделия из оксидаалюминия.

Пористость корунда можно снизить, оплавив некоторый объѐм частиц в его составе, создавая на поверхности температур в интервале «температура плавления — температура кипения», примерно в диапазоне от 1100 до 1200⁰С. При воздействии температуры ниже происходит разрушение конгломератов частиц, приводящее к увеличению удельной поверхности и, соответственно, развитию пористости .

Известно, что воздействие концентрированными потоками энергии, в частности, лазерным излучением, обеспечивает высокотемпературный нагрев, отличающийся малой зоной термического влияния. В исследовании воздействие лазерным непрерывным излучением СО₂-лазера с разной мощностью приводит к снижению средней пористости газотермического корундового покрытия с 25 % до 15–18 %. Результаты воздействия лазерного излучения представлены на рисунке 2.4., где изображены поперечные металлографические шлифы металлических образцов с корундовым покрытием, обработанное на разных режимах.

Рис.2.4. Исходное состояние корундового покрытия (а); после воздействия излучениемс плотностью мощности 1,6×10⁶ Вт/см² (б); после воздействия излучением с плотностью мощности 3,8×10⁶ Вт/см²(в).

На определенных режимах лазерное излучение частично или полностью испарило корундовое покрытие (рис.2.5). Эта информация может быть полезна при использовании лазерного излучения для резания корунда, так как изделия из него практически невозможно обрабатывать механическими способами вследствие его хрупкости и низкой трещиностойкости, (при его прочности на сжатие, составляющей 2200 МПа, предел его прочности на изгиб в 7 раз ниже: всего около 300 МПа). Следовательно, лазерная резка корунда возможна с плотностью мощности около 4,5×10⁶ Вт/см².

Рис.2.5. Частично/полностью испарившееся корундовое покрытие после воздействия лазерного излучения с плотностью мощности 4×10⁶ Вт/см² (а), 4,5×10⁶ Вт/см² (б).

В работе сравнивали воздействие на поверхность оксида алюминия лазерной и электронно-лучевой обработки. Изображение обработанных поверхностей с разным увеличением представлены на рисунке 2.6.

Рис. 2.6. Текстурирование поверхности подложек из оксида алюминия (а–в – после лазерной обработки; г–е – после электронной обработки): а, г – макротекстурирование; б, д – микротекстурирование; в, е – нанотекстурирование.

Макротекстурирование при воздействии лазерного и электронного излучений с плотностью мощности 10³–10⁴ Вт/см² связано с глобальным улучшением поверхности и заплавлением межзеренных пор, возникновением полос от сканирования. На границах зон воздействия лазерного и электронного лучей наблюдалась повышенная дефектность.

Микротекстурирование связано с перекристаллизацией α-фазы Al2O3, которая при лазерной обработке приводит к образованию структуры шевронного типа с изменением цвета поверхности вплоть до черного, а при электронной – к увеличению размера кристаллитов.

Нанотекстурирование при лазерной обработке связано с кристаллизацией второй фазы (γ-Al2O3) на поверхности кристаллитов α-Al2O3.

В целом, оба вида обработки поверхности корунда привели к уменьшению шероховатости поверхности и повышению микротвердости приповерхностного слоя.

Можно позаботиться о пористости оксида алюминия на этапах подготовки исходных материалов. Например, зерна корунда можно покрыть фуллереном, который защитит керамические частицы от роста в ходе консолидации. Спекаемые порошки следует предварительно обработать ультразвуком в жидкой среде с последующей просушкой, что позволит избежать агломерирования керамических порошков. Дисперсность частиц оксида тоже играет важную роль: чем она выше, тем меньше будет пористость образцов и выше будут механические свойства готовых изделий.

2.7. Задачиисследования.

Получение плазменнонапылѐнных заготовок из оксидаалюминия

Исследование принципиальной возможности лазерной резкизаготовок

Выбор режимов лазернойрезки

3. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯЧАСТЬ.

3.1. Материалы и методыисследования.

Объектом исследования служил плазменнонапылѐнный квадратный полый контейнер из оксида алюминия, эскиз которого приведѐн на рис 3.1.

Рис. 3.1. Эскиз объекта исследования.

Эксперименты проводили также на плоских образцах размером 100х100х2мм. В качестве материала для напыления использовали электрокорунд белый в виде порошка со средним размером частиц 32 мкм. Плоские образцы после завершения операции плазменного напыления не подвергали никакой термической обработке. Фазовый состав этих образцов соответствовал таблице 4 и представлял собой набор фазовых модификаций оксида алюминия: содержание α-Al2O3 составляло 9.8%, гамма-Al2O3 - 58.9%, дельта- Al2O3 -31.3%. Образец-контейнер после плазменного напыления подвергался термической обработке в течение 1 часа при температуре 1300С. Этот образец полностью состоял из α-Al2O3 (корунда).

Лазерную резку проводили при помощи установки LaserCut FO Standart (Россия), которая комплектуется иттербиевым волоконным лазером. Лазерный комплекс состоит из нескольких элементов. Компрессора, нагнетающего давление до 16 бар; чиллера водяного охлаждения; осушителя воздуха, поступаюшего из компрессора; системы фильтров(для предохранения от попадания жидкостей в оптическую систему); станка, оснащенного иттербиевым волоконным лазером.

Описание конструкции и принципа работы этой установки приведено ниже.

1. Устройство оптической лазернойголовки.

Волоконный лазер — лазер, активная среда и, возможно, резонатор которого являются элементами оптического волокна. При полностью волоконной реализации такой лазер называется цельноволоконным, при комбинированном использовании волоконных и других элементов в конструкции лазера он называется волоконно-дискретным или гибридным. Волоконные лазеры применяются в промышленности для резки металлов и маркировки продукции, сварке и микрообработке металлов, линиях волоконно- оптической связи. Их основными преимуществами являются высокое оптическое качество излучения, небольшие габариты и возможность встраивания в волоконные линии. Волоконный лазер может применяться при резке высокоотражающих материалов, таких как латунь, медь, алюминий, нержавеющая сталь. В установке предусмотрена возможность регулирования мошьности излучения в зависимости от скорости резки, что позволяет получить детали с острыми углами хорошего качества. Лазерное излучение в оптическую головку передается с помошью оптоволоконного кабеля. Для вывода излучения из оптоволокна используется оптический коннектор, который соединяется с коллимирующим устройством.

На выходе из коннектора лазерное излучение имеет высокую расходимость при малом

диаметре. на выходе из коннектора лазерное излучение имеет высокую расходимость при малом диаметре. Коллимирующие устройство уменьшает расходимость, при этом увеличивая диаметр на излучение. После коллимирующего устройства располагается объектив, который фокусирует падающий параллельный пучок на поверхности металла. Объектив состоит из картриджа линзы и фокусирующей линзы. Картридж с линзы перемещают электродвигателем с помощью ПО Unicut и имеет ход + - 20 мм.

Перемещение картриджа позволяет добиться различного положении перетяжке пучка относительно листового материала, соответственно различного диаметра пучка и плотности энергии на поверхности обрабатываемого материала. Для предохранения фокусирующей линзы и попадания на нее окалины пыли и других загрязнений, способных ее повредить, после объектива устанавливается картридж с защитным стеклом. После картриджа с защитным стеклом в оптическую головку попадает режущей газ который расшлаковывает зоны реза выдувая из нее металл а также обдувать защитное стекло тем самым очищая его от продуктов сгорания. В качестве режущих газов используется кислород азот углекислый газ и воздух. Опционально в станках лазерной резки доступна автоматическая газовая в консоль на 4 газа, которая имеет интегрированный в программное управление установкой интерфейс и позволяет дистанционно переключать входящий газы и устанавливать их давление. В корпусе оптической головки установлена керамическая проставка имеющая 2 основных функции, во-первых она изолирует сопло оптической головки от остального корпуса для оптимальной работы емкостного датчика высоты, во-вторых, при боковом ударе сопла о препятствие, керамическая проставка вследствие своей хрупкости разрушается предотвращая повреждение более

дорогостоящих составляющих оптической головки.

2. Выбор фокусирующей линзы.

В оптической головке LH-105 могут использоваться фокусирующие линзы с фокусным расстоянием 150 - 200 мм. Выбор фокусирующей линзы зависит от толщины обрабатываемого материала. При резке тонких металлов толщина до 4 мм для лучшего качество реза рекомендуется использовать линзу с фокусным расстоянием 150 мм, при резке толстых металлов толщина свыше 4 мм линзу с фокусным расстоянием 200 мм.

3. Юстировка оптическойголовки

Для подготовки станка к технологическому процессу необходимо произвести юстировку оптической головки . От точности выполненной настройки существенно зависит качество реза и производительность оборудования. Различают поперечную ( центрирование луча) и продольную юстировку оптической головки ( изменение положения перетяжки пучка относительно обрабатываемого материала).

3.1. Юстировка коллимирующегоустройства.

Если регулировкой фокусирующей линзы не удается настроить перетяжку лазерного пучка на необходимом расстоянии от сопла, следует проверить настройку коллиматора. Для этого коллиматор выкручивается из оптической головки. Во время всего процесса настройки коллиматора необходимо обеспечивать безопасность оптики. С коллиматором следует обращаться бережно, нельзя допускать его свисание на оптоволоконном кабеле, отверстие оптической головки нужно заклеить малярным скотчем. Если необходимо оставить коллиматор на некоторое время в разобранном состоянии, стоит заклеить и его отверстие малярным скотчем.

Проверку настройки коллимирующего устройства нужно проводить вдвоем. Один из проверяющих встает на расстоянии трѐх метров от коллиматора с мишенью, второй направляет на мишень луч пилотного лазера. Перемещая мишень, необходимо найти положение перетяжки лазерного пучка (в этом месте на мишени будет пятно наименьшего диаметра). Если перетяжка располагается на расстоянии трех метров от коллиматора, значит, линза отрегулирована верно. Если же перетяжка находится на каком либо другом расстоянии от коллиматора, то коллимирующее устройство не отъюстировано. Следует передвижением линзы коллиматора добиться расстояния до перетяжки равного трем метрам.

В устройстве имеется два кольца. Внешнее кольцо – регулировочное, отвечает за продвижение линзы коллиматора, внутренние – фокусирующее, предотвращает раскручивание регулировочного кольца. Вращая регулировочное кольцо, и , периодически направляя лазерный пучок на мишень, расположенную на расстоянии трех метров, необходимо получить минимальный размер пятна, затем следует закрутить

фиксирующее кольцо для надежности. Можно нанести небольшое количество лака на стык двух колец, но делать это следует с крайней осторожностью во избежание попадания лак на линзу.

При включении питания происходит первоначальная инициализация – оптическая головка для определения своего положения начинает двигаться вверх с минимальной скоростью до пересечения с концевым датчиком. . Точка остановки будет предельной точкой подъема оптической головки.

Используемые в работе режимы лазерной обработки (резания) приведены в табл. 3.1.

Таблица 3.1. Режимы лазерной обработки образцов.

Режимы	1	2	3	4	5	6	7	8	9
Мощность излучателя при резке, %	100	80	60	50	15	20	25	25	30
Мощность излучателя при прожиге, %	100	100	100	100	15	15	15	15	15
Скорость обработки, мм/ми н	10000	10000	1000	5000	1000	1000	500	100	100

Рентгенофазовый анализ проводили при помощи рентгеновского дифрактометра D8 ADVANCE фирмы Bruker AXS (Германия) с использованием специальной программы обработки данных TOPAS.

Пористость образцов определяли методом рентгеновской компьютерной томографии при помощи установки NANOMEX (Германия) с последующей обработкой полученных

данныхвпрограмме Volume Graphics VG Studio VAX. 3.2.

3.2. Выбор режимов резания образца изкорунда.

Перед началом проведения опыта учитывали, что станок лазерной резки серии LaserCut Standard, который использовался для проведения эксперимента, рассчитан на лазерный раскрой металла. Так как плазменно напыленный образец и чистого оксида алюминия не является металлом, нужно отключить датчик слежения за металлом, позволяющий соплу оптической головки находится на неизменной высоте относительно листовой заготовки. Далее выставляется высота оптической головки, на которой в дальнейшем будет происходить обработка.

Заготовка из чистого оксида алюминия базируется в рабочей зоне станка таким образом, чтобы все элементы подвергающиеся обработке не выходили из рабочей зоны и вероятность соскока сопла с заготовки была минимальной.

Изменяемыми параметрами были скорость резки, мощность резки и мощность прожига. Также во избежание разбрызгивания раскаленных элементов заготовки устанавливается невысокое давление в 1 бар.

После программных настроек делали первый пробный рез (табл. 1). Внешний вид реза приведѐн на рис. 3.2.

Рис.3.2. Изображение реза по режиму 1.

Из рис. 3.2. видно, что в результате этого реза по режиму 1 получилась канавка шириной 0.5мм - 1мм, глубиной 0.1мм . Глубина и ширина канавки были неодинаковыми вдоль длины канавки. В начале рез был узкий и тонкий, но к концу канавки ширина увеличивается. Возможно это связано постепенным набором мощности, который не регулируется и установлен программно . Также наблюдается небольшая «яма» в точке завершения программы резки. Это объясняется постепенным торможением движения лазерного луча.

Для второго экспериментального реза мощность резки убавляли до 80% (режим 2). В результате была получена канавка похожая на ту,чтобыла в первом резе (по режиму 1) только с меньшими габаритами. Ширина канавки 0.2-0.9мм, глубина - 0.05мм. Вид канавки, полученной по режиму 2, приведѐн на рис.3.3.

Рис.3.3. Изображение реза по 2 режиму.

Третий рез при мощности 60% (режим 3) показал тот же результат. Фотография реза приведена на рис. 3.4.

Рис.3.4. Изображение реза по 3 режиму.

При проведении четвѐртого эксперимента была установлена мощность 50% и в половину занижена скорость до значения 5000 мм.мин. (режим 4). В результате получился неравномерный рез шириной 1-1.5мм. Фотография реза по режиму 4 приведена на рис. 3.11.

Рис.3.5. Изображение реза по 4 режиму.

В пятом по счѐту эксперименте увеличивали время прожига (для увеличения времени теплового воздействия) при меньшей мощности в 15% (режим 5). Это привело к сквозному пробитию заготовки. Мощности резки в 15% и скорости в 1000мм/мин оказалось недостаточно, чтобы оставить след на образце рис. 3.6.

Рис.3.6. Изображение реза по 5 режиму

В экспериментах 6,7,8,9 резы проходили с изменением мощности излучателя и скорости обработки и давали схожие результаты – небольшие отметины на заготовке. Внешний вид поверхности образцов, обработанных по режимам 6-9, приведѐн на рис.3.7.

Рис. 3.7. Внешний вид поверхности образцов, обработанных по режимам 6 (а), 7 (б), 8 (в),

9 (г).

При резе по режиму 10 были подобраны значения, позволившие прорезать плазменнонапыленный образец из чистого оксида алюминия. Кромка реза является грубой, с большим количеством неровностей. На обратной стороне образца наблюдается крупный облой из расплавленного оксида алюминия. Вид реза, полученного по режиму 10 приведѐн на рис. 3.8 (а,б).

Рис. 3.8. Вид реза корундового образца по режиму 10.

Таким образом установлено, что для резания изделий из корунда параметры работы установки должны соответствовать режиму 10.

3.3. Лазерная резка нетермообработанныхобразцов.

Лазерная обработка приводит к переходу всех фазовых модификаций оксида алюминия (γ-Al2O3, δ-Al2O3, θ-Al2O3) в конечную устойчивую фазовую модификацию оксида алюминия в корунд (α-Al2O3). Это является главной причиной того, что плазменнонапылѐнные заготовки из оксида алюминия сразу после напыления (до термообработки) имеют в своѐм составе целый набор фазовых модификаций оксида алюминия (альфа,гамма, дельта, тетта- модификации). При нагреве до 1300С эти модификации переходят сначала одна в другую, а затем в альфа- модификацию (в корунд). Эти переходы сопровождаются изменением объѐма материала. Самое сильное изменение объѐма происходит при 1100С, когда происходит превращение в корунд. Если эти переходы происходят при высоком градиенте температуры (как в случае лазерной резки) , то образец трескается и разрушается вследствие резкого изменения объѐма. Если же все переходы завершились и материал полностью представляет собой корунд, то этих объѐмных изменений уже не происходит и образец можно резать без разрушения.

Все попытки разрезать нетермообработанные плазменнонапылѐнные образцы из оксида алюминия заканчивались растрескиванием и разрушением образца. Причиной разрушения является резкое изменение объѐма материала образца вследствие фазовых превращений, вызванных интенсивным тепловым воздействием лазерного излучения. Рис. 3.9.

Рис.3.9. Внешний вид треснувшего образца.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Лазерная резка плазменнонапылѐнных изделий из оксида алюминиявозможна.

Для осуществления лазерной резки плазменнонапылѐнных изделий из оксида алюминия без их разрушения материал изделий должен иметь фазовый состав, соответствующий α-модификации оксида алюминия т.е. представлять собойкорунд. Изделие отличного от образца фазового состава нельзя подвергать лазерной резке т.к. возникающее в зоне резания местное (локальное) расширение объѐма материала приведѐт к растрескиванию и разрушению изделия.

Для полного перевода материала плазменнонапылѐнного изделия из оксида алюминия в корунд изделие следует подвергнуть термической обработке при температуре 1250- 1300С в течение 1часа.

Рекомендуемый режим лазерной резки для плазменнонапылѐнных изделий из оксида алюминия: мощность лазерного излучения - 300Вт; скорость резания - 100мм/мин; фокусное расстояние – (-4.4)мм.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

Беляев И.В., Степнов А.В. Киреев А.В. «Плазменнонапыленные покрытия и изделия из чистого оксида алюминия». 2019. 25-31с

Патент EP №0423370 «Способ плазменного напыления износостойких покрытий». 26.04.2011 Кузьмин В.И., Михальченко А.А., Картаев Е.В.

Оксид алюминия: свойства, способы получения, применение. Ссылка: https://ect-center.com/blog/alumina-1.

Получение, структура и свойства сорбентов [Текст] : Науч.-техн. конференция. 2-10 дек. 1957 г. / М-во высш. образования СССР. Ленингр. технол. ин-т им. Ленсовета. - Ленинград : Госхимиздат. [Ленингр. отд-ние], 1959. - 343 с. : ил.; 23см.

Jinling Liu, Xinyu Huang, Ke Zhao, Zhiwu Zhu, Xinxin Zhu, Linan An. Effect of reinforcement particle size on quasistatic and dynamic mechanical properties of Al-Al2O3 composites//Journal of Alloys and Compounds 797 (2019) 1367-1371.

Е. Я. Губарь, А. М. Пономаренко, И. П. Частоколенко, В. Ю. Шматков, and В. Ю. Васильченко. "Технология получения покрытий на основе Al2O3 с улучшенным комплексом физико-механических и эксплуатационных свойств" Нові матеріали і технології в металургії та машинобудуванні, no. 2, 2014, pp. 41- 44.

Бланк Е.Д., Слепнев В.Н., Галеев И.М., Тополянский П.А. Композиционные детонационные покрытия на основе оксида алюминия. Технологии ремонта, восстановления и упрочнения машин, механизмов, оборудования, инструмента и технологической оснастки. Материалы 10-й Международной научнопрактической конференции 15-18 апреля 2008 г. Ч. 1. Санкт-Петербург. Изд. СПбГПУ, 2008. - С.58-61.

Оковитый В.А., Девойно О.Г., Пантелеенко А.Ф., and Оковитый В.В.. "Керамический материал системы «Оксид титана - оксид алюминия - твердая смазка»" Наука и техника, no. 1, 2011, pp.16-20.

Сокол В.А., Яковцева В.А., and Шиманович Д.Л.. "Особенности применения пористых оксидов алюминия" Доклады Белорусского государственного университета информатики и радиоэлектроники, no. 2 (64), 2012, pp.21-27.

Григорьев М.В., Кульков С.Н. «Исследование механических свойств корундовой керамики при изменении пористости и размеров кристаллитов». Журнал Сибирского федерального университета. Техника и технологии, vol.4, no.1, 2011,pp.113-120.

Код для цитирования: Скопировать