Κατεργασία κράματος αλουμινίου με laser

Abstract

Η ανάπτυξη νέων τεχνικών βελτίωσης των επιφανειακών ιδιοτήτων διαφόρων τεχνολογικών υλικών έχει καταστεί ένας από τους κυριότερους στόχους των ερευνητών στο χώρο της επιστήμης των υλικών. Μία από τις τεχνικές αυτές είναι η κατεργασία της επιφάνειας με διάφορους τύπους laser, όπως είναι π.χ. τα laser CO2, Nd:YAG και Excimer. Αντικείμενο της παρούσας διπλωματικής εργασίας ήταν η επιφανειακή κατεργασία κράματος αλουμινίου 5754 με δέσμη παλμικού laser Nd:YAG, μήκους κύματος ακτινοβολίας 355nm, διάρκειας παλμού 10 ns και συχνότητας 10 Hz. Τα δοκίμια ακτινοβολήθηκαν με διαφορετικές πυκνότητες ισχύος (140 MW/cm2, 110 MW/cm2, 80 MW/cm2 και 60 MW/cm2) και διαφορετικό αριθμό παλμών ανά βήμα (50 pps, 100 pps, 150 pps και 200 pps) και μελετήθηκε η επίδραση της επιφανειακής κατεργασίας, στη δομή και τη χημική τους σύσταση, καθώς και σε ορισμένες τεχνολογικές ιδιότητες όπως, στην τραχύτητα, στη μικροσκληρότητα και στην αντοχή του σε διαβρωτικό περιβάλλον 0.3M NaCl. Η μορφολογία και η χημική σύσταση των δοκιμίων μελετήθηκε με Οπτικό Μικροσκόπιο Jenavert SL 100 και Ηλεκτρονικό Μικροσκόπιο Σάρωσης Jeol6380LV. Παρατηρήθηκε ότι η επιφάνεια των δοκιμίων που έχουν υποστεί επιφανειακή τήξη με το laser, παρουσιάζει το χαρακτηριστικό ανάγλυφο «λόφων» και «κοιλάδων». Ο δομικός τους χαρακτηρισμός έγινε με τη βοήθεια του περιθλασίμετρου ακτίνων – Χ μάρκας Bruker D8 Focus. Στο διάγραμμα περίθλασης ακτίνων – Χ του ακατέργαστου κράματος διακρίνονται κορυφές των ενδομεταλλικών ενώσεων, Mg2Si, FeAl3 και του αδιάλυτου πυριτίου, οι οποίες δεν παρατηρούνται μετά την επιφανειακή κατεργασία με το laser. Επίσης αναπτύσσονται οξείδια στην επιφάνεια που βρέθηκε να είναι κυρίως Al2O3 και Fe2O3. Η τραχύτητα των κατεργασμένων και μη δοκιμίων, μετρήθηκε με Προφιλόμετρο Perthen Perthometer. Με την αύξηση της πυκνότητας ισχύος και με την αύξηση του αριθμού των παλμών ανά βήμα αυξάνεται η τραχύτητα της επιφάνειας των κατεργασμένων δοκιμίων. Με τη βοήθεια μικροσκληρόμετρου HMV 2000 Shimadzu πραγματοποιήθηκαν μικροσκληρομετρήσεις και διαπιστώθηκε ότι η μικροσκληρότητα στα επιφανειακά κατεργασμένα δοκίμια, είναι μεγαλύτερη κοντά στην επιφάνεια σε σχέση με το ακατέργαστο (as received) κράμα και ότι η σκληρότητα μειώνεται από την επιφάνεια προς το εσωτερικό του δοκιμίου. Τέλος τα πειράματα ποτενσιοδυναμικής διάβρωσης έγιναν με τη χρήση Ποτενσιοστάτη – Γαλβανοστάτη της EG&G Instruments Princeton Applied Research. Τα επιφανειακώς κατεργασμένα δοκίμια βρέθηκε να παρουσιάζουν καλύτερη αντιδιαβρωτική συμπεριφορά σε σχέση με το ακατέργαστο (as received) δοκίμιο. Παράλληλα παρατηρείται ότι η αύξηση της πυκνότητας ισχύος της δέσμης του laser βελτιώνει την αντιδιαβρωτική ικανότητα των κατεργασμένων δοκιμίων. Επιπλέον, για σταθερή πυκνότητα ισχύος, η αντιδιαβρωτική ικανότητα των κατεργασμένων δοκιμίων μειώνεται με την αύξηση των παλμών.

Surface treatments are performed today on an industrial and research scale. The use of laser beam technology in order to improve the properties of materials’ surface, which can determine the performance of a material, has been extensively studied, mainly by using Nd:YAG, CO2 and Excimer lasers. The present study deals with Nd:YAG laser treatment of 5754 aluminum alloy. Specimens of this alloy were irradiated in atmospheric air with pulsed Nd:YAG laser with wavelength λ = 355 nm, pulse duration 10 ns and frequency of pulses 10 Hz. Each specimen was irradiated under different conditions. These conditions were determined by changing the following laser parameters: - Power density (140 MW/cm2, 110 MW/cm2, 80 MW/cm2 και 60 MW/cm2) - Pulses per step (50 pps, 100 pps, 150 pps και 200 pps) All the treatments were performed with 30% overlapping of successive laser pulses. Moreover, all the experiments were carried out so that one parameter was kept constant while the other varied. The surface morphology and chemical composition of the aluminum alloy specimens before and after laser irradiation, was examined by using optical microscopy (Jenavert SL 100 )and scanning electron microscopy (Jeol6380LV). The appearance of “valleys” and “hills” was noticeable on the surface of the laser – treated aluminum alloy. The laser and non – laser – treated aluminum alloy was examined using Philips diffractometer with CoKa radiation (λ=0.1791) and an iron filter. Diffraction peaks which could be assigned to Mg2Si, FeAl3 and Si are noted in the X – rays diffraction spectra of as – received aluminum alloy. These diffraction peaks were not noticed in the X – rays diffraction spectra of laser – treated specimens, where diffraction peaks of oxides such as Al2O3 and Fe2O3 are clearly observed. A Mahr Perthen profilometer was used to measure the roughness of the non treated and laser – treated surfaces. Surface roughness was found to increase by increasing power density and the number of pulses per step. Microhardness measurements were made on cross – sections of laser – and non – laser treated samples as a function of depth, with a HMV 2000 Shimadzu microhardness tester. The microhardness of the surface layers of the laser treated specimens was higher than that of the as – received specimen and decreased by depth increase. The corrosion behavior of the as – received and laser – treated specimens was examined in 0.3 NaCl solution by using an EG&G Instruments Princeton Applied Research Galvanostat – Potentiostat. The corrosion behavior of laser – treated specimens was found to be a function of laser power density and number of pulses per step.