Vpliv laserskega pretaljevanja površine na integriteto površine aluminijevih zlitin

(1)

UNIVERZA V LJUBLJANI Fakulteta za strojništvo

Vpliv laserskega pretaljevanja površine na integriteto površine aluminijevih zlitin

Diplomsko delo visokošolskega strokovnega študijskega programa I. stopnje Strojništvo

Rok Anderle

Ljubljana, februar 2022

(2)

(3)

(4)

(5)

UNIVERZA V LJUBLJANI Fakulteta za strojništvo

Vpliv laserskega pretaljevanja površine na integriteto površine aluminijevih zlitin

Diplomsko delo visokošolskega strokovnega študijskega programa I. stopnje Strojništvo

Rok Anderle

Mentor: prof. dr. Roman Šturm, univ. dipl. inž.

Ljubljana, februar 2022

(6)

(7)

(8)

(9)

Zahvala

Zahvaljujem se mentorju prof. dr. Romanu Šturmu za vso podporo, pomoč, strokovne in jasne razlage ter usmeritev teme diplomske naloge.

Iskreno se zahvaljujem zaposlenim v Laboratoriju za toplotno obdelavo in preiskavo materialov na Fakulteti za strojništvo, posebej asist. dr. Dunji Ravnikar ter Vanetu Kralju za vso pomoč pri izvedbi raziskovalnega dela diplomske naloge.

Zahvaljujem se vsem sošolcem, prijateljem, cimrom, s katerimi smo si skupaj lajšali in lepšali študentska leta.

Velik hvala tudi moji družini, ki me je podpirala in potrpežljivo spremljala na študentski poti.

Hvala pa tudi moji Barbari za vse spodbudne besede, pomoč in potrpežljivost pri nastajanju diplomske naloge.

(10)

ii

(11)

(12)

iv

(13)

Izvleček

UDK 621.9.048:669.715:620.17(043.2) Tek. štev.: VS I/954

Vpliv laserskega pretaljevanja površine na integriteto površine aluminijevih zlitin

Rok Anderle

Ključne besede:

• aluminijeve zlitine

• lasersko pretaljevanje

• utrjevanje površine

• trdota

• hrapavost površine

• korozija

• elektrokemično merjenje korozije

V diplomski nalogi so predstavljeni eksperimenti in ovrednoteni rezultati preiskav in analiz, kjer smo raziskovali vpliv laserskega pretaljevanja na integriteto površine aluminijevih zlitin 2017 in 7075. Lasersko pretaljevanje je toplotna obdelava, kjer z zelo lokalnim segrevanjem površine spremenimo mikrostrukturo materiala. Kadar gre za obdelavo manjšega dela površine, je omenjeni postopek veliko hitrejši v primerjavi s klasičnimi postopki toplotne obdelave.

V okviru diplomske naloge smo iskali optimalne pogoje za lasersko pretaljevanje aluminijevih zlitin serije 2017 in 7075. Z različnimi parametri smo lasersko pretalili vzorce in jih nato pripravili za mikroskopiranje. Nato smo na podlagi analize mikrostrukture prereza vzorca določili optimalne pogoje, s katerimi smo lasersko pretalili površino vzorcev. Po laserskem pretaljevanju smo del vzorca pripravili za analizo mikrotrdote, mikrostrukture in hrapavosti, del vzorca pa smo pripravili za meritve elektrokemijske korozije.

Z izvedbo diplomske naloge smo želeli ugotoviti ali je lasersko pretaljevanje primerno za aluminijeve zlitine serije 2017 in 7075 ter kako lasersko pretaljevanje vpliva na njuno mikrostrukturo, mikrotrdoto, hrapavost ter korozijsko odpornost.

(14)

vi

(15)

Abstract

UDC 621.9.048:669.715:620.17(043.2) No.: VS I/954

Influence of laser surface melting of aluminium alloys on surface integrity

Rok Anderle

Key words:

• aluminium alloy

• laser surface remelting

• surface hardening

• hardness

• surface roughness

• corrosion

• electrochemical corrosion measurements

In this thesis, experiments and results of the research of laser surface remelting impact on surface integrity of aluminium alloys 2017 and 7075 are presented. Laser surface remelting is heat treatment of material, where microstructure of material by very local heating of the surface is changed.. This method is much faster than conventional heat treatment methods when only a small part of the surface is treated. Optimal parameters for laser surface remelting were defined. Each sample was prepared for microscopic analysis and microstructure research. Samples were then remelted under optimal parameters. After that, samples for analysis of hardness, microstrucure, surface roughness and corrosion were prepared. All results are shown and validated in graphs, pictures and data tables.

The purpose of the assignment is to define if laser surface remelting is appropriate method for aluminium alloys 2017 and 7075. We also tried to determine impact of laser surface remelting on hardness, microstrucure, surface roughness and corrosion.

(16)

viii

(17)

Kazalo

1 Uvod ... 1

1.1 Ozadje problema... 1

1.2 Cilji ... 1

2 Teoretične osnove in pregled literature ... 3

2.1 Vsebina ... 3

2.2 Aluminijeve zlitine ... 3

2.2.1 Aluminij ... 3

2.2.2 Zgodovina uporabe ... 4

2.2.3 Aluminijeve zlitine ... 5

2.2.3.1 Aluminijeva zlitina 2017 T451 ... 6

2.2.3.2 Aluminijeva zlitina 7075 T651 ... 7

2.3 Metode utrjevanja aluminijevih zlitin ... 8

2.3.1 Lasersko pretaljevanje ... 8

2.3.2 Lasersko legiranje ... 9

2.3.3 Lasersko oblaganje ... 10

2.3.4 Udarno lasersko utrjevanje ... 11

2.3.5 Udarno utrjevanje s trdimi delci ... 13

2.3.6 Utrjevanje z globokim valjanjem ... 13

2.3.7 Kavitacijsko utrjevanje ... 15

2.4 Korozija aluminijevih zlitin ... 18

2.4.1 Splošno o koroziji ... 18

2.4.2 Korozija aluminija ... 18

2.4.3 Nastanek oksidne plasti ... 18

2.4.4 Korozijska odpornost in hitrost korozije ... 19

2.4.5 Vrste korozije ... 20

2.4.5.1 Galvanska korozija aluminija ... 20

2.4.5.2 Jamičasta korozija ... 20

2.4.5.3 Napetostno korozijsko pokanje ... 21

3 Metodologija raziskave ... 23

3.1 Vsebina ... 23

3.2 Laserski sistem ... 23

(18)

x

3.3 Mikroskop ... 25

3.4 Priprava vzorcev... 25

3.5 Potek iskanja optimalnih parametrov laserskega pretaljevanja ... 26

3.5.1 Parametri laserskega pretaljevanja vzorca 1 ... 27

3.5.6 Optimalni pogoji laserskega pretaljevanja ... 36

3.6 Lasersko pretaljevanje vzorca s prekrivanjem žarka ... 37

3.7 Analiza hrapavosti površine vzorca ... 39

3.8 Merjenje mikrotrdote ... 39

3.9 Merjenje elektrokemične korozije ... 40

3.10 Spremljanje korozijskega potenciala ... 41

3.11 Ciklična potenciodinamična polarizacija ... 42

3.12 Tafelova polarizacija ... 43

3.13 Merjenje elektrokemične korozije vzorcev aluminijevih zlitin 2017 T451 in 7075 T651 ... 44

4 Rezultati in diskusija ... 47

4.1 Analiza velikosti prereza pretaljenega območja pri različnih pogojih laserskega pretaljevanja ... 47

4.2 Rezultati hrapavosti in topografije površine ... 50

4.3 Rezultati mikrotrdote po Vickersu (HV) ... 53

4.4 Rezultati meritev elektrokemične korozije ... 56

4.4.1 Rezultati meritev potenciala odprtega kroga (OCP)... 56

4.4.2 Rezultati ciklične potenciodinamične polarizacije aluminijeve zlitine 2017 . 58 4.4.3 Rezultati ciklične potenciodinamične polarizacije aluminijeve zlitine 7075 T651 60

5 Zaključki ... 65

Literatura ... 67

(19)

Kazalo slik

Slika 2.1: Gibanje svetovne produkcije aluminija v zadnjih 120 letih [3] ... 5

Slika 2.2: Lasersko pretaljevanje ... 9

Slika 2.3: Lasersko legiranje [9] ... 10

Slika 2.4: Razlika med laserskim legiranjem in laserskim oblaganjem [10] ... 11

Slika 2.5: Metoda direktne ablacije in metoda zaprte ablacije [13] ... 12

Slika 2.6: Zaprta ablacija s prekrivnim medijem [11] ... 12

Slika 2.7: Zaostale napetosti pri metodah laserskega udarnega utrjevanja [11] ... 13

Slika 2.8: Globoko valjanje [14] ... 14

Slika 2.9: Hrapavost po globokem valjanju [14] ... 15

Slika 2.10: Dogodki, ki so vključeni v nastanek poškodbe zaradi kavitacije [16] ... 15

Slika 2.11: Ustvarjanje kavitacije a) z Venturijevo cevjo in b) s šobo [18] ... 16

Slika 2.12: Shema kavitacijskega utrjevanja [19] ... 16

Slika 2.13: Površina aluminijeve zlitine po kavitacijskem utrjevanju [17] ... 17

Slika 2.14: Tipične plastične deformacije po a) kavitacijskem utrjevanju b) utrjevanju s trdimi delci [18] ... 17

Slika 2.15: Shema naravne oksidne plasti, ki se tvori na površini aluminija [21] ... 19

Slika 2.16: Jamičasta korozija [20]... 21

Slika 3.1: Laser BU 80 Nd:YAG ... 25

Slika 3.2: Vloženi vzorec ... 26

Slika 3.3: Prerez sledi lasersko pretaljene aluminijeve zlitine 200x povečava ... 27

Slika 3.4: Prerez sledi laserskega pretaljevanja pri različnih pogojih obdelave vzorca 1 aluminijeve zlitine 2017 T451 ... 28

Slika 3.6: Prerez sledi laserskega pretaljevanja pri različnih pogojih obdelave vzorca aluminijeve zlitine 2017 T451 ... 29

(20)

xii

Slika 3.14: Prerez sledi laserskega pretaljevanja pri optimalnih pogojih obdelave vzorca

aluminijeve zlitine 2017 T451 ... 36

Slika 3.15: Prerez sledi laserskega pretaljevanja pri optimalnih pogojih obdelave vzorca aluminijeve zlitine 7075 T651 ... 37

Slika 3.16: Prerez pretaljenega vzorca aluminijeve zlitine 2017 ... 38

Slika 3.17: Prerez lasersko pretaljene aluminijeve zlitine 7075 T651 ... 38

Slika 3.18: Hrapavost Ra ... 39

Slika 3.19: Merjenje trdote po Vickersu [2] ... 40

Slika 3.20: Primer korozijske celice [26]... 41

Slika 3.21: Elektrokemijski korozijski preizkus v korozijski celici ... 41

Slika 3.22: Primer rezultata metode potenciala odprtega kroga ... 42

Slika 3.23: Primer ciklične polarizacije aluminija [26] ... 43

Slika 3.24: Tafelova polarizacija (zeleno) [26] ... 44

Slika 3.25: Nastavljeni parametri ciklične potenciodinamične polarizacije ... 45

Slika 3.26: Primer ciklične polarizacije aluminijeve zlitine ... 46

Slika 4.1: Prerez sledi pretaljenega dela vzorca ... 47

Slika 4.2: Odvisnost širine x pretaljenega območja od energije žarka vzorca 2017 T451 ... 48

Slika 4.3: Odvisnost višine y pretaljenega območja od energije žarka vzorca 2017 T451 ... 48

Slika 4.4: Odvisnost širine x pretaljenega območja od energije žarka vzorca 7075 T651 ... 49

Slika 4.5: Odvisnost višine y pretaljenega območja od energije žarka vzorca 7075 T651 ... 49

Slika 4.6 Smeri merjenja hrapavosti na pretaljenem vzorcu ... 50

Slika 4.7: Pretaljeni vzorec 2017 T451 ... 51

Slika 4.8: Topografija vzorca 2017 T451 ... 52

Slika 4.9: Pretaljeni vzorec 7075 T651 ... 52

Slika 4.10: Topografija vzorca 7075 T651 ... 53

Slika 4.11: Meritve mikrotrdote po globini vzorca 2017 ... 53

Slika 4.12: Mikrotrdota po globini pretaljene aluminijeve zlitine 2017 T451 ... 54

Slika 4.13: Mikrotrdota po globini pretaljene aluminijeve zlitine 7075... 54

Slika 4.14: Pretaljevanje s prekrivanjem ... 55

Slika 4.15: Primerjava potencialov odprtega kroga po različnih obdelavah aluminijeve zlitine 2017 ... 56

Slika 4.16: Primerjava potencialov odprtega kroga po različnih obdelavah aluminijeve zlitine 7075 ... 57

Slika 4.17: Primerjava potenciala odprtega kroga osnovnega materiala aluminijevih zlitin 2017 T451 in 7075 T651 ... 57

Slika 4.18: Primerjava rezultatov ciklične polarizacije po raznih obdelavah aluminijeve zlitine 2017 T451 ... 58

Slika 4.19: Rezultati metode ciklične potenciodinamične polarizacije osnovnega materiala aluminijeve zlitine 2017 T451 ... 58

Slika 4.20: Rezultati metode ciklične potenciodinamične polarizacije pretaljene površine aluminijeve zlitine 2017 T451 ... 59

Slika 4.21: Rezultati metode ciklične potenciodinamične polarizacije pretaljene in brušene površine aluminijeve zlitine 2017 T451 ... 59

(21)

Slika 4.22: Primerjava rezultatov ciklične potenciodinamične polarizacije po raznih obdelavah aluminijeve zlitine 7075 T651 ... 61 Slika 4.23: Rezultati metode ciklične potenciodinamične polarizacije osnovnega materiala

aluminijeve zlitine 7075 T651 ... 61 Slika 4.24: Rezultati metode ciklične potenciodinamične polarizacije pretaljene površine

aluminijeve zlitine 7075 T651 ... 62 Slika 4.25: Rezultati metode ciklične potenciodinamične polarizacije pretaljene in brušene površine aluminijeve zlitine 7075 T651 ... 62

(22)

xiv

(23)

Kazalo preglednic

Preglednica 2.1: Lastnosti aluminija [2] ... 4 Preglednica 2.2: Sestava in lastnosti aluminijevih zlitin [4] ... 5 Preglednica 2.3: Sestava zlitine 2017 T451 [7] ... 7 Preglednica 2.4: Mehanske in termične lastnosti zlitine 2017 T451 [8] ... 7 Preglednica 2.5: Sestava zlitine 7075 [7] ... 8 Preglednica 2.6: Mehanske in termične lastnosti zlitine 2017 [8] ... 8 Preglednica 3.1: Parametri laserskega pretaljevanja površine vzorca 1 ... 27 Preglednica 3.2: Parametri laserskega pretaljevanja površine vzorca 2 ... 29 Preglednica 3.3: Parametri laserskega pretaljevanja površine vzorca 3 ... 30 Preglednica 3.4: Parametri laserskega pretaljevanja površine vzorca 4 ... 32 Preglednica 3.5: Parametri laserskega pretaljevanja površine vzorca 5 ... 34 Preglednica 3.6: Optimalni pogoji laserskega pretaljevanja ... 36 Preglednica 4.1: Hrapavost pretaljenega vzorca aluminijeve zlitine 2017 ... 50 Preglednica 4.2: Hrapavost pretaljenega vzorca aluminijeve zlitine 7075 ... 51 Preglednica 4.3: Rezultati meritev mikrotrdote na pretaljenem vzorcu brez prekrivanja in s

prekrivanjem aluminijeve zlitine 2017 T451 ... 55 Preglednica 4.4: Rezultati meritev mikrotrdote na pretaljenem vzorcu brez prekrivanja in s

prekrivanjem aluminijeve zlitine 7075 T651 ... 56 Preglednica 4.5: Rezultati ciklične polarizacije aluminijeve zlitine 2017 T451 ... 60 Preglednica 4.6: Rezultati ciklične polarizacije aluminijeve zlitine 7075 T651 ... 63

(24)

xvi

(25)

Seznam uporabljenih simbolov

Oznaka Enota Pomen

Z / vrstno število

Ar g/mol molska masa

 kg/m³ gostota

Tl °C temperatura vrelišča

Tg °C temperatura tališča

0 m specifična električna upornost

 W/mK toplotna prevodnost

cp kJ/kgK specifična toplota

 K^-1 linearni razteznostni koeficient

E GPa modul elastičnosti

lr mm referenčna dolžina

Rm MPa natezna trdnost

Ra m aritmetična srednja vrednost hrapavosti

Eocp mV potencial odprtega kroga

Ep mV prebojni potencial

Erev mV reverzibilni potencial

Erp mV potencial repasivacije

Ekor mV korozijski potencial

i mA/cm² gostota toka

ikor mA/cm² korozijski tok

HV / mikrotrdota po Vickersu

βA / nagnjenost anodnega dela ciklično potenciometrične krivulje

βK / nagnjenost katodnega dela ciklično potenciometrične krivulje

Al / aluminij

Cu / baker

Mn / mangan

Mg / magnezij

Zn / cink

Si / silicij

Nd / neodim

O2 / kisik

H2 / vodik

(26)

xviii

(27)

1 Uvod

1.1 Ozadje problema

Aluminijeve zlitine so vsesplošno uporabljen material v različnih industrijah. Svetovna poraba aluminija v zadnjem stoletju eksponentno narašča. Aluminij in njegove zlitine so priljubljene predvsem zaradi majhne gostote, relativno dobrih mehanskih lastnosti, sposobnosti ustvarjanja zaščitnega oksidnega filma, ki ščiti pred korozijo, ter relativno dobre električne prevodnosti.

V tej diplomski nalogi smo preučili material iz serije aluminijevih zlitin 2017 in 7075. V seriji 2017 je glavni legirni element baker, v seriji 7075 pa cink. Oba materiala izhajata iz vrst materialov, ki se jih da toplotno obdelati. Materiala sta v splošni uporabi v transportu, letalstvu in drugih aplikacijah, kjer je zahtevana relativno visoka trdnost materiala.

Eden od možnih načinov utrjevanja površine je lasersko pretaljevanje, pri katerem površino materiala v debelini okoli 0,2 mm pretalimo z laserskim žarkom, pri čemer se material relativno hitro stali in strdi. Pri tem pride do spremembe mikrostrukture ter posledično sprememb lastnosti materiala. V tej diplomski nalogi smo preučili primernost laserskega pretaljevanja za aluminijevi zlitini serij 2017 in 7075 ter analizirali integriteto površine po obdelavi z laserskim pretaljevanjem. Iskali smo optimalne parametre za lasersko pretaljevanje zlitin. Zanimala nas je predvsem korozijska obstojnost materiala po laserskem pretaljevanju.

1.2 Cilji

V diplomski nalogi bodo predstavljeni različni načini utrjevanja površin, in sicer mehanski in toplotni načini utrjevanja aluminijevih zlitin. Prikazani bodo različni mehanizmi korozije v aluminiju ter povezave med nastankom korozije ter zunanjimi vplivi. Izvedeno bo lasersko pretaljevanje aluminijevih zlitin serij 2017 in 7075. Zanima nas, kako lasersko pretaljevanje vpliva na te dve zlitini, zato bomo preverjali integriteto površine po obdelavi. To bomo izvedli z meritvami mikrotrdote, hrapavosti površine, analizo mikrostrukture ter elektrokemijskem merjenjem korozije. Zanima nas predvsem, če bomo z laserskim pretaljevanjem izboljšali lastnosti površine ali jih poslabšali. Vemo, da sta bili zlitini

(28)

Uvod

2

predhodno že toplotno obdelani, zato obstaja verjetnost, da bomo lastnosti površine poslabša.

(29)

2 Teoretične osnove in pregled literature

2.1 Vsebina

V tem poglavju se bomo osredotočili na že znana dejstva o obravnavani temi. Predstavljeni bodo podatki o aluminiju in njegovih zlitinah, različni načini utrjevanja površin ter teoretično ozadje korozijskih lastnosti aluminija.

2.2 Aluminijeve zlitine

2.2.1 Aluminij

Aluminij je kemijski element s simbolom Al in vrstnim številom 13. Je mehka, nemagnetna in lahka kovina sivobele barve. Za kisikom in silicijem je aluminij tretji najpogostejši element v zemljini skorji. V elementarni obliki je v naravi zelo redek, najpogostejša aluminijeva ruda pa je boksit [1].

Aluminij je pomemben in priljubljen zaradi majhne gostote, dobre korozijske odpornosti in dobre toplotne ter električne prevodnosti. V čisti obliki se bolj redko uporablja, primer uporabe čistega aluminija so električni vodniki. Aluminiju dodajamo različne legure, ki izboljšajo njegovo livnost, preoblikovalnost in mehanske lastnosti [1].

Fizikalne in kemijske lastnosti čistega aluminija so predstavljene v preglednici 2.1.

(30)

Teoretične osnove in pregled literature

4

Preglednica 2.1: Lastnosti aluminija [2]

LASTNOSTI VREDNOST ENOTA

Oznaka Al /

Vrstno število [Z] 13 /

Molska masa [Ar] 26,98 g/mol

Gostota [] 2700 kg/m³

Temperatura vrelišča [Tl] 2060 °C

Temperatura tališča [Tm] 660,1 °C

Specifična električna upornost [0]

0,028 m

Toplotna prevodnost [] 229 W/mK

Specifična toplota [cp] 0,896 kJ/kgK

Linearni razteznostni koeficient [α], pri 100 °C

0,0000238 K^-1

Modul elastičnosti [E] 70 GPa

Natezna trdnost [Rm] 130 MPa

2.2.2 Zgodovina uporabe

Do odkritja aluminija je prišlo dokaj pozno. Danski znanstvenik Hans Christian Ørsted je leta 1825 prvič pridobil skoraj čisti aluminij, njegovo delo je nadaljeval nemec Friedrich Vöhler, ki je izpopolnjeval postopke pridobivanja aluminija ter podrobno raziskoval lastnosti aluminija. Do sredine 20. stoletja je aluminij veljal za zelo drag material, saj še ni bil proizvajan v večjih količinah [1].

Aluminij je postal pomemben tehnološki material predvsem zaradi majhne gostote ter korozijske odpornosti. Imel je pomembno vlogo pri gradnji letal v 2. svetovni vojni. Po vojni je uporaba aluminija naraščala, sedaj pa je prisoten v vsakdanjem življenju. Uporablja se ga za zahtevno obremenjene konstrukcije v letalstvu, avtomobilih, kot embalaža v prehrambni industriji, v elektrotehniki itd [1].

Aluminij je danes prisoten v vsakdanjem življenju. Slika 2.1 prikazuje kako se je proizvodnja aluminija v zadnjih dvajsetih letih podvojila [3].

(31)

Slika 2.1: Gibanje svetovne produkcije aluminija v zadnjih 120 letih [3]

2.2.3 Aluminijeve zlitine

Pri aluminijevih zlitinah na splošno govorimo o zlitinah, ki jih ni možno toplotno obdelovati (serija 1xxx, 3xxx, 4xxx in 5xxx), in zlitinah, ki se lahko toplotno obdelujejo (serije 2xxx, 6xxx in 7xxx). Za zlitine, ki jih ni možno toplotno obdelovati, splošno velja, da imajo visoko odpornost proti splošni koroziji. V preglednici 2.2 je predstavljena sestava in lastnosti različnih aluminijevih zlitin [4].

Preglednica 2.2: Sestava in lastnosti aluminijevih zlitin [4]

Serija Sestava Natezna

trdnost Rm [MPa]

Tališče

Tg [°C] Gostota  [kg/m³]

Toplotna prevodno st pri 20

°C

 [W/mK]

Specifična električna upornost

pri 20°C

0

[mm²/m]

1xxx Al 70-175 645-

660

2700-2720 225-243 0,026- 0,033 2xxx Al-Cu-Mg (1-2

%Cu)

170-310

502-

645 2760-2840 113-193 0,034- 0,062 2xxx Al-Cu-Mg-Si

(3–6 % Cu)

380-520

3xxx Al-Mn-Mg 140-280 629-

657 2710-2730 159-193 0,034- 0,043

4xxx Al-Si 105-350 575-

630

2680 163 0,040

5xxx Al-Mg (1–2 % Mg)

140-280

574-

657 2640-2710 117-201 0,032- 0,059 5xxx Al-Mg-Mn (3–6

% Mg)

280-380

6xxx Al-Mg-Si 150-380 570-

655

2690-2710 153-218 0,029- 0,043

7xxx Al-Zn-Mg 380-520 477-

645 2780-2830 137-180 0,036- 0,052 7xxx Al-Zn-Cu-Mg 520-620

(32)

6

Aluminijeve zlitine serije 1xxx so serije z najmanj 99% aluminija. Te zlitine imajo v primerjavi z drugimi zlitinami zelo majhno trdnost, so pa zelo primerne za preoblikovanje ter obdelovanje. Široko so uporabljene v elektrotehniki. Zlitin serije 1xxx ni možno toplotno obdelati [4].

Aluminijeve zlitine serije 2xxx so serije, kjer je glavni legirni element baker (0,7-6,8%).

To aluminijevo zlitino je možno toplotno obdelovati, uporablja se v aplikacijah, kjer je zahtevana večja trdnost konstrukcije (letalstvo). S staranjem se lahko dosežejo primerljive trdnosti materiala jeklenim zlitinam [4].

Aluminijeve zlitine serije 3xxx so serije, kjer je glavni legirni element mangan (0,05-1,8%).

Te zlitine imajo dobro korozijsko odpornost, primerne so za preoblikovanje in so uporabne pri povišanih temperaturah. Uporablja se jih v toplotnih izmenjevalcih v vozilih in v elektrarnah. Niso primerne za konstrukcije, kjer je zahtevana boljša trdnost materiala [5].

Aluminijeve zlitine serije 4xxx so serije, kjer je glavni legirni element silicij (0,6-21,5%).

Silicij zniža temperaturo taljenja zlitine in izboljša njegovo fluidnost. Ker silicija ne moremo toplotno obdelovati, te zlitine niso primerne za toplotno obdelavo [5].

Aluminijeve zlitine serije 5xxx so serije, kjer je glavni legirni material magnezij (0,2- 6,2%). Teh aluminijevih zlitin ni možno toplotno obdelati, imajo pa relativno visoko trdnost.

Široko so uporabljene v transportu in gradbeništvu. Znane so po dobri varilnosti, niso pa primerne za visokotemperaturne aplikacije [5].

Aluminijeve zlitine serije 6xxx so serije kjer sta glavna legirna elementa silicij in magnezij (1%). Veljajo za zmerno trdne aluminijeve zlitine. Med zlitinami, ki jih je mogoče toplotno obdelovati so primerljivo odporne proti splošni koroziji z zlitinami, ki jih ni možno toplotno obdelovati. Ker jih je lahko preoblikovati in imajo možnost utrjevanja se zelo pogosto uporabljajo v izdelkih za avtomobilsko industrijo [4] [5].

Aluminijeve zlitine serije 7xxx so serije, kjer je glavni legirni element cink (0,8-12%). Te zlitine imajo relativno visoko trdnost in dobro odpornost proti koroziji. Uporabljajo se v letalstvu, vesoljski tehniki, zahtevni športni opremi. Zlitine te serije so primerne za toplotno obdelavo [4] [5].

2.2.3.1 Aluminijeva zlitina 2017 T451

Aluminijeva zlitina 2017 T451 je podserija skupine 2xxx, v kateri je glavni legirni element baker. Oznaka T451 pomeni, da je bila zlitina naravno starana. Velja za bolj uporabljene skupine aluminijevih zlitin, ki jo lahko toplotno obdelujemo in dosegamo relativno velike trdnosti. Zlitine te skupine se težko varijo in so korozijsko slabše odporne zaradi prisotnosti bakra [6].

V preglednici 2.3 je prikazana sestava zlitine 2017, v preglednici 2.4 pa mehanske in termične lastnosti.

(33)

Preglednica 2.3: Sestava zlitine 2017 T451 [7]

Element Masni delež [%]

Aluminij 91,5-95,5

Krom 0,1

Baker 3,5-4,5

Železo 0,7

Magnezij 0,4-0,8

Mangan 0,4-1

Silicij 0,2-0,8

Titan 0,15

Cink 0,25

Ostalo 0,15

Preglednica 2.4: Mehanske in termične lastnosti zlitine 2017 T451 [8]

Lastnost Vrednost Enota

Modul elastičnosti [E] 72,4 GPa

Poissonov količnik 0,33 /

Linearna temperaturna

razteznost 0…100°c [] 23,8×10^-6 [1/K]

Tališče [Tm] 513-641 °C

2.2.3.2 Aluminijeva zlitina 7075 T651

Aluminijeva zlitina 7075 je podserija skupine 7xxx, v kateri je glavni legirni element cink.

Oznaka T651 pomeni, da je bila zlitina umetno starana. Poleg cinka pogosto zlitine te skupine vsebujejo še magnezij in baker. Ta skupina ima med vsemi najboljše mehanske lastnosti, kar pa dosežemo s toplotno obdelavo. Uporabljajo se kot glavni material v letalstvu, v transportnih sredstvih in drugih močno obremenjenih konstrukcijah. Visoko trdnostne zlitine imajo običajno slabšo odpornost na napetostno korozijsko pokanje in se pogosto uporabljajo v nekoliko prestaranem stanju, s čimer se zagotovi boljšo kombinacijo trdnosti in žilavosti ter odpornost na korozijo [6].

V preglednici 2.5 je prikazana sestava zlitine 7075, preglednica 2.6 pa prikazuje mehanske in termične lastnosti.

(34)

8

Preglednica 2.5: Sestava zlitine 7075 [7]

Element Masni delež [%]

Aluminij 87,1-91,4

Krom 0,18-0,28

Baker 1,2-2

Železo 0,5

Magnezij 2,1-2,9

Mangan 0,3

Silicij 0,4

Titan 0,2

Cink 5,1-6,1

Ostalo 0,15

Preglednica 2.6: Mehanske in termične lastnosti zlitine 2017 [8]

Lastnost Vrednost Enota

Modul elastičnosti [E] 71,7 GPa

Poissonov količnik 0,33 /

Linearna temperaturna

razteznost 0…100°c [] 23,6×10^-6 [1/K]

Tališče [Tm] 477-635 °C

2.3 Metode utrjevanja aluminijevih zlitin

2.3.1 Lasersko pretaljevanje

Pretaljevanje je neaditivni postopek utrjevanja površine obdelovanca, kjer z dodano energijo za kratek čas stalimo tanek sloj površine obdelovanca, kot je prikazano na sliki 2.2. Hitro taljenje in strjevanje površine povzročita spremembo mikrostrukture na pretaljenem območju. Na hitro utrjeni površini se poviša trdota in poveča odpornost proti obrabi. Pri pretaljevanju površine imamo na prerezu obdelovanca modificirano plast, ki je sestavljena iz pretaljene cone in toplotno vplivne oz. kaljene cone. Mikrostrukturne spremembe pri postopku utrjevanja s pretaljevanjem so odvisne od temperaturnega poteka obdelave površine [9].

Za pretaljevanje se kot vir energije pogosto uporablja laser. Laser nam ponuja mnogo različnih možnosti za oblikovanje temperaturnega poteka obremenitve površine obdelovanca. Globina pretaljene cone je tako odvisna od moči in časa trajanja osvetljevanja površine z laserjem. Pri AlSi zlitini se lahko s postopkom laserskega utrjevanja dobi do trikrat večja trdota površine obdelovanca. Trdota se z globino zmanjšuje vse do konca

(35)

pretaljenega materiala, kjer je enaka osnovnemu materialu. Pri pretaljevanju z laserjem moramo paziti, da ne pride do uparjanja materiala [9].

Slika 2.2: Lasersko pretaljevanje

2.3.2 Lasersko legiranje

Lasersko legiranje je postopek pri katerem se z dodajanjem materiala (legure) utrjuje površina obdelovanca. Legure se dodaja na površino obdelovanca in se jih s pomočjo laserskega žarka stali skupaj z osnovnim materialom. Nanašanje dodanega materiala je možno z vpihovanjem v laserski snop ali prednanosom na površino obdelovanca. Laserski žarek stali osnovni material in dodani material (legure), ki sta popolnoma topna v trdnem stanju. Če se dodani material ne stali v celoti, se delci dodanega materiala vežejo z osnovnim.

Pri laserskem legiranju je potrebno biti pazljiv na nastavljene parametre. Premočan laserski snop lahko povzroči nastanek razpok, prešibek laserski snop pa ne stali dodanega materiala in tako vpliva na hrapavost površine [10].

Z laserski legiranjem se lahko utrjuje lokalna področja. Postopek lahko natančno kontroliramo. Dobra lastnost laserskega legiranja je tudi visoka hitrost strjevanja, kar se posledično pozna v fini mikrostrukturi [10].

Na sliki 2.3 je shematsko prikazan postopek laserskega legiranja v prerezu obdelovanca.

(36)

10

Slika 2.3: Lasersko legiranje [9]

2.3.3 Lasersko oblaganje

Lasersko oblaganje je postopek kjer se dodani material večinoma ne meša z materialom obdelovanca. Namen laserskega obleaanja je predvsem, da izboljša lastnosti površin. Poveča se korozijska in obrabna odpornost. Lasersko oblaganje nam lahko tudi poveča izolativnost ali pa prevodnost površine obdelovanca. Najpogostejši material obloge je keramika. Obloga je pred taljenjem lahko v obliki žice ali prahu. Obloga je lahko že prednanešena ali pa se jo dodaja pod laserski snop skupaj z zaščitnim plinom. Laserski snop stali nanešeno oblogo in minimalni del površine. Obloga se v majhnem delu spoji z osnovnim materialom. Postopek je dokaj drag, uporablja se ga na delih, kjer je potrebno na lokalnem področju povečati obrabno odpornost [9].

Na sliki 2.4 je shematsko prikazana razlika med laserskim legiranjem in laserskim oblaganjem, kjer je vidno v kolikšni meri se spoji material pri posamezni obdelavi.

(37)

Slika 2.4: Razlika med laserskim legiranjem in laserskim oblaganjem [10]

2.3.4 Udarno lasersko utrjevanje

Udarno lasersko utrjevanje deluje na principu koriščenja energije udarnih valov. Za nastanek udarnih valov se površino obdelovanca obseva z izredno kratkimi laserskimi bliski z visoko gostoto moči. Pri obsevanju pride do lokalnega uparjanja materiala in nastanka plazme, ki povzroči nastanek udarnih valov, ki se širijo v obdelovanec in tako mehansko utrjujejo površino [11].

Poznamo 3 načine laserskega udarnega utrjevanja:

• Metoda direktne ablacije

• Metoda zaprte ablacije brez prekrivnega medija

• Metoda zaprte ablacije s prekrivnim medijem

Pri metodi direktne ablacije (slika 2.5 levo) se lasersko svetlobo usmeri direktno na obdelovanec. Površina obdelovanca se zato uparja in pri tem se pojavlja plazma. Udarni val pri nastanku plazme ni usmerjen v obdelovanec, ampak se širi tudi v okolico in je zato globina mehanskega utrjevanja manjša kot pri metodah zaprte ablacije. Površina je po utrjevanju groba, zaradi temperaturnega vplivanja se pojavijo natezne zaostale napetosti, ki so nezaželene.

Pri metodi zaprte ablacije brez prekrivnega medija (slika 2.5 desno) je obdelovanec potopljen v zaporni medij (npr. voda). Laserski žarek usmerimo na površino obdelovanca, tam pride do uparjanja osnovnega materiala in nastanka plazme. Zaporni medij (voda) skrbi, da se omeji širjenje plazme in usmeri udarni val v obdelovanec. Udarni val zato deluje dlje in pod večjim tlakom kot pri metodi direktne ablacije [11].

(38)

12

Slika 2.5: Metoda direktne ablacije in metoda zaprte ablacije [13]

Pri metodi zaprte ablacije s prekrivnim medijem (prikazano na sliki 2.6) je material potopljen v zaporni medij in je premazan s prekrivnim medijem (absorberjem). Prekrivni medij ima dve vlogi: omogoča nastanek plazme in ščiti osnovni material. Pri tem postopku z laserjem posvetimo na prekrivni medij (absorber), ki se upari. Na prekrivnem mediju nastane plazma, zaradi katere ne prihaja do odnašanja (ablacije) osnovnega materiala. Osnovni material tako koristi le mehanski učinek udarnega vala, ki nastane ob obsevanju prekrivnega medija [11].

Slika 2.6: Zaprta ablacija s prekrivnim medijem [11]

(39)

Na sliki 2.7 je prikazan graf zaostalih napetosti pri metodah laserskega udarnega utrjevanja.

Želimo si negativne vrednosti zaostalih napetosti. Z metodami zaprtih ablacij so dosežene negativne vrednosti zaostalih napetosti, pri direktni ablaciji pa pozitivne vrednosti.

Slika 2.7: Zaostale napetosti pri metodah laserskega udarnega utrjevanja [11]

2.3.5 Udarno utrjevanje s trdimi delci

Udarno utrjevanje s trdimi delci je proces utrjevanja materiala pri katerem na površino izstreljujemo delce določene oblike in primerne trdote v primerjavi z obdelovancem. Delci, ki jih izstreljujemo so iz različnih materialov (jeklena litina, keramika, steklo, polimerna zrna), najpogosteje so okrogle oblike, premera od 0,2 – 3,0 mm. Na površino obdelovanca jih izstrelimo s pomočjo različnih naprav, ki delujejo na princip gravitacije, rotacijskega kolesa, sesanja ali stisnjenega zraka [12].

Udarno utrjevanje s trdimi delci je zaradi fleksibilnosti primerno za obdelavo izdelkov z zahtevnejšimi oblikami, stopničastimi prehodi in za obdelavo robov po postopkih odrezovanja. S trdimi delci utrjujemo razne vzmeti, gredi in turbinske lopatice. Velikost, oblika in način izstreljevanja trdih delcev morajo biti prilagojeni materialu obdelovanca. Pri prekomerni obremenitvi površine lahko pride do porušitve površine in korozije [12].

2.3.6 Utrjevanje z globokim valjanjem

Utrjevanje z globokim valjanjem je postopek s katerim lahko utrdimo površino, večinoma na rotirajočih delih. Glavna naloga globokega valjanja je, da utrdi površino in poskrbi za nastanek negativnih zaostalih napetosti. Globoko utrjevanje je neodrezivni postopek, kjer z valjem pritiskamo na površino in jo malo deformiramo. Hrapavost površine po globinskem

(40)

14

valjanju je manjša, trdota površine pa je večja. Primer globokega utrjevanja aluminija je prikazan na sliki 2.8 [12].

Slika 2.9 prikazuje hrapavost površine po struženju obdelovanca in po globokem valjanju.

Hrapavost površine po globokem valjanju je manjša kot po struženju.

Slika 2.8: Globoko valjanje [14]

(41)

Slika 2.9: Hrapavost po globokem valjanju [14]

Poleg globokega valjanja poznamo še končno in oblikovno valjanje, katerih glavni namen ni utrjevanje in ustvarjanje zaostalih napetosti. S končnim valjanjem želimo doseči čim manjšo hrapavost površine brez odvzema materiala, z oblikovnim valjanjem pa točno določeno obliko [15].

2.3.7 Kavitacijsko utrjevanje

Kavitacija je pojav, kjer zaradi razmer v fluidu nastane mehurček, ki raste in se nato sunkovito sesede (implodira). To povzroči nastanek udarnih valov pod visokimi tlaki in temperaturami. Razlog za nastanek kavitacije je krajevno zmanjšanje tlaka. Kavitacije se v strojništvu radi izogibamo, saj povzroča poškodbe na strojnih delih (črpalkah, turbinah, lopaticah). V zadnjem času se veliko raziskuje koristi kavitacije na področju medicine in biotehnologije [16].

Kavitacija se začne na mestu z lokalno nižjim tlakom, kjer pride do uparjanja. Mehurčki nato rastejo in se združujejo v oblake dokler se zmanjšuje tlak v sistemu. Ko se tlak okoli mehurčkov poveča, se mehurčki sesedejo (kolapsirajo/implodirajo) sami vase. Pri tem pride do pojava mikro curka in udarnih valov. Ponavljajoči se postopek kavitacije na površini izdelkov lahko privede do trajnih poškodb, kot je prikazano na sliki 2.10 [16].

Slika 2.10: Dogodki, ki so vključeni v nastanek poškodbe zaradi kavitacije [16]

(42)

16

Pri kavitacijskem utrjevanju se uporablja pojav nastanka udarnih tlačnih valov in mikrocurkov za utrjevanje materiala. Prednost takega procesa v primerjavi z utrjevanjem s trdimi delci je v manjši hrapavosti površine po obdelavi, saj ne pride do trčenj s trdimi delci.

Pri kavitacijskem utrjevanju ne prihaja do odnašanja (erozije) materiala, saj se površina plastično deformira, a ne prihaja do odnašanja materiala. Metoda ima začetke okoli leta 1990, ko so učinke kavitacije uporabljali pri odpravi zaostalih napetosti, ki so povzročale napetostno korozijo nerjavnih jekel v jedrskih elektrarnah [17].

Za ustvarjanje kavitacije pri kavitacijskem utrjevanju uporabljamo Venturijevo cev ali pa posebne šobe, ki ustvarjajo kavitacijo, kot je prikazano na sliki 2.11 [17].

Slika 2.11: Ustvarjanje kavitacije a) z Venturijevo cevjo in b) s šobo [18]

Shematski potek kavitacijskega utrjevanja je prikazan na sliki 2.12, kjer je razvidno, da se mehurček sesede na površini izdelka, izven cone vbrizga. Slika 2.13 pa prikazuje površino aluminijeve zlitine po kavitacijskem utrjevanju.

Slika 2.12: Shema kavitacijskega utrjevanja [19]

(43)

Slika 2.13: Površina aluminijeve zlitine po kavitacijskem utrjevanju [17]

Pri kavitacijskem utrjevanju se uporablja pojav nastanka udarnih valov in mikrocurkov za utrjevanje materiala. Kavitacijski mehurček ali oblak potuje od izvora kavitacije do površine obdelovanca, kjer kolapsira ter z mikrocurkom in udarnim valom preoblikuje površino. Oba pojava pozitivno prispevata k ustvarjanju tlačnih zaostalih napetosti in k boljši korozijski odpornosti materiala. Potrjene so tudi izboljšave na področju utrujanja materiala po kavitacijskem utrjevanju [17].

Na sliki 2.14 so prikazane tipične plastične deformacije površin materiala po kavitacijskem utrjevanju in po utrjevanju s trdimi delci.

Slika 2.14: Tipične plastične deformacije po a) kavitacijskem utrjevanju b) utrjevanju s trdimi delci [18]

(44)

18

2.4 Korozija aluminijevih zlitin

2.4.1 Splošno o koroziji

Korozija pomeni uničujoči razpad kovine, ki temelji na kemičnih in elektrokemičnih reakcijah. Do začetka procesa korozije pride zaradi termodinamične nestabilnosti materiala v določenem okolju (trdnina, tekočina, talina ali plin). Glede na vrsto okolja ločimo kemično ali elektrokemično korozijo. Podobno so mehanizmi korozije kemični ali pa elektrokemični.

Elektrokemična korozija nastane z nastajanjem električnega toka, imenovanega korozijski tok. Kemična korozija je posledica delovanja več različnih kemičnih reakcij. Do korozije lahko pride v vodnih raztopinah, raztaljenih soleh in kovinah ali v plinu [9].

2.4.2 Korozija aluminija

Aluminij je termodinamično nestabilna kovina. Splošno velja, da so vse aluminijeve zlitine odporne proti koroziji v rahlo agresivnih medijih. Aluminijeve zlitine so uporabne zaradi nastanka pasivnega filma sestavljenega iz tankih oksidnih plasti debeline nekaj nanometrov, ki se ob stiku z zrakom na povsem naraven način tvorijo na površini kovine in s tem zmanjšajo korozijo zlitine [9].

Če aluminijeve zlitine niso izpostavljene snovi ali stanju, ki uničuje zaščitni sloj so popolnoma zaščitene pred korozijo. Če pa so izpostavljene močnemu agresivnemu okolju se zaščitni sloj lahko poškoduje in povzroči korozijski razpad materiala. Posledica je razkroj materiala ter posledično ekološko onesnaženje okolja in ekonomske izgube. Na končne korozivne lastnosti aluminija oz. njegovih zlitin vplivajo kemijske lastnosti oksidov [4] [9].

2.4.3 Nastanek oksidne plasti

Aluminij na svoji površini tvori oksidno plast, ki predstavlja pomembno pregrado med aluminijem in okoljem. Ta pregrada deluje samozaščitno in aluminijevim zlitinam daje termodinamsko stabilnost v korozivnem okolju. Oksidna plast je močno vezana v površju aluminija in je v normalni atmosferi sestavljena iz dveh delov. Ko aluminij pride v stik z zrakom se v nekaj milisekundah tvori kompaktna amorfna zaščitna snov oksidov, kot je prikazano na prerezu na sliki 2.15. Debelina te plasti, ki se tvori v zraku pri sobni temperaturi je od 5-10 nm. Ta pojav je temperaturno neodvisen. Debelina končne notranje zaščitne oksidne plasti pa je odvisna od temperature. Na površini nastale notranje oksidne plasti se tvori debelejša poroznejša plast hidratiziranega oksida. Drugi sloj se na površini ustvarja več tednov. Sestavljen je iz prekrivnega oksidnega sloja, odvisen pa je predvsem od zunanje atmosfere oz. korozijskega medija v katerem se nahaja [4] [9] [20].

(45)

Slika 2.15: Shema naravne oksidne plasti, ki se tvori na površini aluminija [21]

Debelina oksidne plasti se veča z naraščanjem temperature, s potopitvijo v vodo pri temperaturi vrelišča ali z uporabo pare. V določenih razmerah se ob poškodbi oksidne plasti, le ta ponovno obnovi, v določenih okoljih pa obnovitev aluminijeve oksidne plasti ni mogoča [4].

2.4.4 Korozijska odpornost in hitrost korozije

Pomembna lastnost aluminijevih materialov je njihova korozijska odpornost. V zadnjem času se zaradi izboljšanih mehanskih lastnosti vse bolj uporabljajo aluminijeve zlitine, vendar pa je njihova slabost ta, da imajo manjšo odpornost proti koroziji kakor čisti aluminij.

Na korozijsko odpornost vpliva oksidna plast. Z vsebnostjo nečistoč v aluminiju se slabša tudi korozijska odpornost. Odpornost aluminija je večja, če se okrog njega tvori oksidna površinska plast. Ta plast je obstojna pri pH med 5,0 in 8,5 (največja stabilnost pri pH=5,0).

Na obstojnost oksidne plasti vplivajo temperatura, specifična oblika nastale plasti ter snovi, ki se prisotne v plasti in lahko z aluminijem tvorijo topne komplekse ali netopne soli. V kislem okolju pride do nastanka Al³⁺, v bazičnem pa pride do tvorbe aluminata (Al2O2-) [4].

Korozijo je možno upočasniti oz. zaustaviti tako, da spodbudimo tvorjenje oksidov, ki tako nastanejo hitreje kakor se oksidna plast razgrajuje. Tako npr. v kromovi in žveplovi kislini lahko spodbudimo nastajanje oksidne plasti z anodizacijo. Na tak način spodbudimo raztapljanje aluminija in nastanek oksidov na površini. Korozijska odpornost je odvisna od oksidnega filma s katerim je aluminij prekrit, od stopnje hidratacije oksida in od poroznosti nastalih pasivnih filmov. Na hitrost poteka korozije pomembno vpliva tudi koncentracija prisotnega kisika. Ob stiku s kisikom je aluminij sposoben hitre oksidacije površine. Proces korozije je v raztopinah, ki vsebujejo kisik zelo hiter, dušik in vodik pa na korozijo nimata vpliva [4] [9].

Korozija aluminija v določenih kislinah poteka počasneje, npr. v ocetni, dušikovi in žveplovi kislini. Z nižanjem temperature (pod 25°C) se hitrost korozijske reakcije upočasnjuje, z

(46)

20

višanjem temperature (do 80°C) pa se hitrost korozivne reakcije povečuje, potem pa se nad temperaturo nad 80°C ponovno začne zmanjševati [4].

2.4.5 Vrste korozije

Glede na morfologijo nastalih kristalnih zrn ki je povezana z mikrostrukturo kovine ali pa pogoji, ki so povzročili korozijo ločimo več različnih tipov korozij:

• Navadna ali splošna korozija,

• lokalna korozija: špranjska korozija, jamičasta korozija,

• metalurško vplivana korozija: interkristalna korozija, selektivno raztapljanje,

• mehansko podprta degradacija: erozivna korozija, udarna erozivna korozija, torna korozija, kavitacija, korozijsko utrujanje,

• pokanje zaradi delovanja okolja: napetostno korozijsko pokanje, poškodbe zaradi delovanja vodika, krhkost zaradi delovanje raztaljene kovine in krhkost, ki je posledica različnih izločanja pri toplotni obdelavi [9].

V nadaljevanju so predstavljene galvanska in jamičasta korozija ter napetostno korozijsko pokanje.

2.4.5.1 Galvanska korozija aluminija

Aluminijeve zlitine imajo od drugih kovin večinoma negativnejši potencial in v galvanskem členu z njimi predstavljajo anodo. Pri tem pride do t.i. galvanske korozije. Eden od stikov, ki je nevaren za nastanek korozije je stik z bakrovimi zlitinami (npr. stik aluminijeve zlitine in lesa, impregniranega z modro galico). Do galvanske korozije pride v okoljih, kjer je prisotna visoka koncentracija soli (npr. morska obala). Možno je, da aluminijeva zlitina deluje kot katoda (aluminij ima pozitivnejši potencial od druge kovine- npr. nerjavečega jekla) in tako pride do zaščite aluminijeve zlitine. Do tega pojava lahko pride še pri stiku aluminija z magnezijevimi ali cinkovimi zlitinami, ki imajo bolj negativen korozijski potencial kot aluminij [4].

2.4.5.2 Jamičasta korozija

Jamičasta korozija je najpogostejša oblika korozije na aluminijevih zlitinah. Značilno je, da deluje lokalno in ne po celi površini. V določenih nevtralnih vodnih raztopinah postane raztopina v jamici kisla, zato se zaščitna plast ni več sposobna tvoriti. Do porušitve pride zaradi pospešenega raztapljanja osnovnega materiala na prosti površini. Ob stiku kloridnega iona na površini oksidne plasti se plast na šibkih točkah pretrga in tvorijo se nekaj nanometrov široke mikrorazpoke, kot je prikazano na sliki 2.16 [9].

(47)

Slika 2.16: Jamičasta korozija [20]

2.4.5.3 Napetostno korozijsko pokanje

Do napetostnega korozijskega pokanja pride pri tistih aluminijevih zlitinah, ki vsebujejo razmeroma velike količine topnih zlitinskih elementov kot so baker, magnezij, silicij in cink.

Ko pride do pokanja je značilno, da se razpoka nato širi po interkristalnem korozijskem modelu. Gre za interkristalen napad na meji med kristalno površino in naslednjo fazo. Anodo predstavlja meja kristalnih zrn, katodo pa predstavljajo izločene faze na mejah kristalnih zrn.

Odpornost povečamo tako, da povečamo meje med kristalnimi zrni, kar dosežemo npr. z dodajanjem bakra. Dodatek silicija odpornost na to vrsto korozije zmanjša. Na korozijsko pokanje imajo večjo odpornost prestarane zlitine (zaradi povečanega izločanja bakra med mejami kristalnih zrn). Zlitine, ki vsebujejo skandij in cirkonij povečajo korozijsko odpornost. Pomembna je tudi površina kristalnih zrn. Korozijsko pokanje lahko povzroči tudi vodik, in sicer takrat, ko je površina kristalnih zrn pod kritično mejo [9].

(48)

22

(49)

3 Metodologija raziskave

3.1 Vsebina

V tem delu bo predstavljen postopek iskanja optimalnih parametrov laserskega pretaljevana.

Predstavljeni bodo tudi postopki meritev in analiz, s katerimi smo prišli do končnih rezultatov.

3.2 Laserski sistem

Laserski sistemi v sodobni tehnologiji predstavljajo pomemben pripomoček pri raznih obdelavah materialov. Laserski sistemi imajo številne in zelo pomembne prednosti pred običajnimi obdelavami, in sicer omogočajo dobro vodljivost žarka, možnost obdelave poljubnih in zelo kompleksnih geometrij ter možnost sprememb parametrov obdelave.

Laserski sistemi so sestavljeni iz resonatorja z dvema ali več zrcali in aktivno snovjo, vzbujevalnika ter hladilnega sistema. Med ogledali je prisoten aktivni medij, ki v vzbujenem stanju ojača osciliranje svetlobe s pojavom stimulirane emisije (Light amplification by the stimulated emission of radiation; LASER) [22].

Razlika med lasersko in navadno svetlobo je v tem, da so v žarku navadne svetlobe sevanja različnih valovnih dolžin, različnih frekvenc, amplitud in usmerjenosti, laserski žarek pa vsebuje konstantno amplitudo in enotno frekvenco svetlobe [22].

Pri postopku stimulirane emisije foton ustrezne energije, ki je dovolj blizu stanju vzbujenega atoma stimulira atom, da odda (emitira) foton in s tem preide v osnovno stanje. Oddani foton je identičen upadlemu (stimulirajočemu). Tak foton ima enako fazo, frekvenco in polarizacijo. Efekt stimulirane emisije omogoča optično ojačane laserske svetlobe [9].

Poznamo več vrst laserjev, ki jih v splošnem delimo glede na aktivno snov. Pri našem delu smo uporabili trdninski laser Nd: YAG.

(50)

Metodologija raziskave

24

Lasersko pretaljevanje smo opravili na pulznem laserju nemškega proizvajalca OR LASER,s tipsko oznako BU 80 Nd:YAG. Iz tipske oznake se vidi, da gre za trdninski laser. Podatki o laserju so sledeči:

• Valovna dolžina žarka je 1054 nm

• Največja moč žarka, ki se jo da nastavljati procentualno je 80 W

• Frekvenco pulza se lahko nastavlja od 0,5-20 Hz

• Čas trajanja pulza se lahko nastavlja od 0,4-30 ms

Laser ima vgrajen mikroskop in vodeno obdelovalno mizico ter opcijo vpihovanja zaščitnega plina na obdelovalno površino. Laser Nd:YAG je sestavljen iz resonatorja in medija, v katerem nastane laserski žarek. Laserski žarek nastane iz energijskega vira za vzbujanje atomov v trdninskem mediju. Osrednji del laserja predstavlja ovalni kristal v trdnem stanju.

Njegova kemična oznaka je Y3Al3012. Gre za pravilno kritaliziran aluminijev oksid (granat), gostitelji pa so ioni Nd³⁺. Kristal je obdan z itrijem, kar pripomore k čistejši nastali laserski svetlobi. Premer kristala je 8 do 12 mm, njegova dolžina pa je od 50 do 200 mm [23].

Laser Nd:YAG deluje po principu štiri nivojskega sistema. Ko kristal obsvetljujemo z bliskovno lučjo, v njem vzbujamo atome, zaradi česar pride do nastanka laserskega žarka.

Velikost kristala vpliva na obliko, izkoristek in divergenco laserskega žarka. Vzporedno s kristalom je nameščenih ena ali več podolgovatih luči, odvisno glede na velikost aktivnega elementa oz. od moči laserja. Zaradi vidne svetlobe kristal emitira lasersko svetlobo z valovno dolžino 1,064 µm. Ksenonska luč oddaja najprimernejšo svetlobo za vzbujanje atomov v trdninskem mediju. Napajana je z možnim utripnim električnim tokom, ki ga v zelo kratkem času požene visoka napetost. Moč laserskega žarka lahko upravljamo s spreminjanjem napetosti, časa trajanja utripa in frekvence utripov. Med samim osvetljevanjem moramo uporabiti hladilni sistem, saj je zaradi velike moči, ki je dovedena s ksenonsko lučjo potrebno hladiti celoten resonator. Resonatorji so različnih oblik, razlikujejo se predvsem v vrsti ogledal, ki vplivajo na obliko žarka, porazdelitev energije v žarku in premer žarka. Hladimo jih z deionizirano vodo, ki predstavlja popolni izolator.

Laserski žarek, ki nastaja gre iz resonatorja preko optičnega kabla do optičnega sistema. V optičnem sistemu ga lahko poljubno oblikujemo glede na potrebe varjenja. Obliko laserskega žarka in njegovo delovanje določajo še drugi elementi v in okoli resonatorja. Q pretvornik omogoča delovanje laserja v kratkih laserskih bliskih visokih moči [23].

Na sliki 3.1 je prikazan laser na katerem smo izvedli lasersko pretaljevanje vzorcev aluminijevih zlitin.

(51)

Slika 3.1: Laser BU 80 Nd:YAG

3.3 Mikroskop

Pri preučevanju vzorcev smo uporabili različne mikroskope:

• Optični mikroskop Ortophan proizvajalca Leitz, ki je povezan z računalnikom in omogoča analizo vzorcev s pomočjo programa AnalySis

• optični digitalni mikroskop Keyence, ki omogoča analizo topografije vzorca in druge analize površine.

3.4 Priprava vzorcev

Pripravili smo 5 vzorcev vsake obravnavane zlitine v dimenzijah 50×50×10 mm. Po razrezu smo jih zbrusili na brusnem papirju granulacije 600, da smo odstranili oksidno plast in nečistoče na površini vzorcev in ji premazali s sprejem Graph 33, ki poveča absorptivnost površine. Nato smo opravili lasersko pretaljevanje z različnimi parametri laserskega žarka, ki bodo predstavljeni v naslednjem poglavju. Po pretaljevanju smo vzorce označili in jih razrezali v vzorce dimenzij približno 20×10×10 mm, ki smo jih nato vložili v bakelit.

Vlaganje je potekalo v ročni hidravlični stiskalnici. Vzorec smo stiskali 8 minut pri temperaturi 180°C in ga nato 8 minut ohlajali. Ko se je vzorec ohladil smo ga pobrusili z brusnimi papirji različne granulacije (600, 800, 1000, 1200), spolirali in jedkali v Kellerjevem jedkalu (sestava jedkala: 2 ml HF + 3ml HCl + 5ml HNO3 + 190ml H2O).

Vloženi in spolirani vzorec je prikazan na sliki 3.2.

(52)

26

Slika 3.2: Vloženi vzorec

3.5 Potek iskanja optimalnih parametrov laserskega pretaljevanja

Vzorce posameznih aluminijevih zlitin smo postavili na primerno podlago na vodeni mizici laserja. S pomočjo mikroskopa smo lahko določili točno lokacijo žarka, na kontrolnem ekranu smo lahko določili parametre. Ker smo iskali optimalne parametre smo na ekranu najprej spremenili določen parameter in nato naredili eno sled dolgo približno 15 mm. Potem smo parameter spremenili in naredili novo sled. Tako smo za vsako zlitino pridobili 5 vzorcev s skupaj 31 sledmi, ki so imele vsaka drugačen parameter. Spodaj so našteti parametri, ki smo jih pri posameznem vzorcu spreminjali:

• vzorec 1, spreminjanje moči pulza ob pravokotni obliki pulza (square pulse shape)

• vzorec 2, spreminjanje moči ob padajoči obliki poteka moči pulza (decreasing step pulse)

• vzorec 3, spreminjanje časa trajanja pulza ob pravokotni obliki pulza (square pulse shape)

• vzorec 4, spreminjanje časa trajanja pulza ob padajoči obliki poteka moči pulza (decreasing step pulse)

• vzorec 5, spreminjanje oblike moči pulza

Po laserskem pretaljevanju aluminijeve zlitine smo vzorce pripravili za mikroskopiranje po postopku opisanem v prejšnjem poglavju. Primer zajete slike med mikroskopiranjem je prikazan na spodnji sliki 3.3. Na vzorcih je razvidno pretaljeno območje ter morebitne napake v njem.

(53)

Slika 3.3: Prerez sledi lasersko pretaljene aluminijeve zlitine 200x povečava

3.5.1 Parametri laserskega pretaljevanja vzorca 1

Pri prvem vzorcu smo spreminjali moč pulza žarka, ki je imel pravokotno obliko pulza.

Ostalih parametrov nismo spreminjali. Vrednosti posameznih parametrov so prikazane v preglednici 3.1.

Preglednica 3.1: Parametri laserskega pretaljevanja površine vzorca 1

Moč [W]

Energija

žarka [J] Čas [ms] Frekvenca pulza [Hz]

Hitrost pomika [mm/s]

Oblika pulza

20,8 0,2

5,5 5 1,5

24,0 1,96

27,2 3,26

30,4 4,32

33,6 5,30

36,8 6,28

Sliki 3.4 in 3.5 sta posneti na mikroskopu Ortophan z lečami z 200-kratno povečavo. Prvi parameter vzorca 1 aluminijeve zlitine 7075 T451 z močjo 20,8W je bil prešibek, da bi pustil vizualne sledi na vzorcu, zato ta del ni prikazan. Iz slike 3.4 in slike 3.5 se vidi, da se z večanjem moči žarka povečuje tudi globina in širina pretaljenega območja. Pri vseh vzorcih

(54)

28

se pojavijo razpoke, ki so posledica napetostnih zaostalih napetosti. V nekaterih vzorcih so tudi vidne poroznosti, mehurčki, prišlo je tudi do izparevanja litine. Na vzorcih sta vidna dva polkroga. Večji polkrog je sled pulza, ki je posvetil na del, kjer je vzorec prerezan. Manjši polkrog je sled naslednjega žarka, kateri je deloma prekril prvega.

Slika 3.4: Prerez sledi laserskega pretaljevanja pri različnih pogojih obdelave vzorca 1 aluminijeve zlitine 2017 T451

(55)

3.5.2 Parametri laserskega pretaljevanja vzorca 2

Pri drugem vzorcu smo spreminjali moč pulza žarka, ki se mu je spreminjal tudi potek pulza (padajoča oblika pulza). Ostalih parametrov nismo spreminjali. Vrednosti posameznih parametrov so definirane v preglednici 3.2. Pri takem poteku pulza smo predvideli, da bomo najprej predrli tršo oksidirano plast aluminija in nato zmanjševali moč pulza. S tem bi zmanjšali možnost nastanka razpok, ki bi bile posledica napetostnih zaostalih napetosti, ki bi nastale zaradi prevelike toplotne obremenitve materiala.

Moč [W]

Energija

Oblika pulza

24,0 1,06

5,5 5 1,5

27,2 1,80

30,4 2,56

33,6 3,24

36,8 3,94

Tudi pri teh vzorcih, katerih prerezi so bili mikroskopirani in zajeti na mikroskopu Ortophan z lečami z 200-kratno povečavo in so prikazani na sliki 3.6 in 3.7, je prišlo do napak v materialu, vendar niso tako izrazite, kot pri vzorcu 1. Prav tako kot pri vzorcu 1 se z večanjem energije pulza veča pretaljeno območje v globino in širino.

Slika 3.6: Prerez sledi laserskega pretaljevanja pri različnih pogojih obdelave vzorca aluminijeve zlitine 2017 T451

(56)

30

3.5.3 Parametri laserskega pretaljevanja vzorca 3

Pri tretjem vzorcu smo spreminjali čas trajanja pulza, ki je imel pravokotno obliko pulza.

Ostalih parametrov nismo spreminjali. Vrednosti parametrov so definirane v preglednici 3.3.

Moč [W] Energija žarka

[J]

Čas [ms] Frekvenca pulza [Hz]

Oblika pulza

28,0

2,64 4,0

5 1,5

2,94 4,5

3,22 5,0

3,52 5,5

3,80 6,0

4,08 6,5

4,34 7,0

Slike prerezov vzorcev 3 aluminijevi zlitin serij 2017 T451 in 7075 T651 so bile narejene na mikroskopu Ortophan z lečami z 200-kratno povečavo in so prikazane na slikah 3.8 in 3.9.

Tudi pri vzorcu 3 je prišlo do napak v materialu. Pojavljajo se razpoke, poroznost in izparevanje materiala.

(57)

(58)

32

3.5.4 Parametri laserskega pretaljevanja vzorca 4

Pri četrtem vzorcu smo spreminjali čas trajanja pulza. Pulz je imel padajočo obliko padanja moči. Ostalih parametrov nismo spreminjali. Vrednosti parametrov so definirane v preglednici 3.4. Podobno kot pri vzorcu 2 smo s padajočo obliko pulza želeli preprečiti pokanje pretaljenega dela vzorca.

Moč [W]

Energija žarka

[J]

Čas [ms] Frekvenca pulza [Hz]

Hitrost pomika

[mm/s] Oblika pulza

28,0

1,50 4,0

5 1,5

1,66 4,5

1,88 5,0

2,06 5,5

2,20 6,0

2,36 6,5

2,56 7,0

Slike prerezov vzorcev 4 aluminijevi zlitin serij 2017 T451 in 7075 T651 so bile zajete na mikroskopu Ortophan z lečami z 200-kratno povečavo in so prikazane na slikah 3.10 in 3.11.

Pri vzorcu 4 so vidne razpoke, pri daljšem času trajanja pulza pa tudi izparevanje materiala.

Napake sicer niso tako izrazite, kot pri prejšnjih vzorcih.

(59)

(60)

34

3.5.5 Parametri laserskega pretaljevanja vzorca 5

Pri petem vzorcu smo spreminjali obliko poteka pulza. Ostalih parametrov nismo spreminjali. Vrednosti parametrov so definirane v preglednici 3.5.

Moč [W] Energija

Oblika pulza

32,0

2,46

5,0 5 1,5

2,34

2,30

1,80

Slike prerezov vzorcev 5 aluminijevi zlitin serij 2017 T451 in 7075 T651 so bile posnete na mikroskopu Ortophan z lečami z 200-kratno povečavo in so prikazane na slikah 3.12 in 3.13.

Vsak vzorec ima svojo obliko pulza, pojavljajo se nekatere napake, ki so se pojavljaje že pri prejšnjih vzorcih. Vizualno pa so se najbolje izkazali vzorci, kjer energija pulza narašča. Pri tem vzorcu ni vidnih razpok, izparevanj in ostalih napak. Zato smo parametre teh vzorcev izbrali za optimalne pogoje laserskega pretaljevanja aluminijevih zlitin 2017 in 7075.