Если у вас возникли сложности с курсовой, контрольной, дипломной, рефератом, отчетом по практике, научно-исследовательской и любой другой работой - мы готовы помочь.
Предоплата всего
Подписываем
17
КИЇВСЬКИЙ НАЦІОНАЛЬНИЙ УНІВЕРСИТЕТ
ІМЕНІ ТАРАСА ШЕВЧЕНКА
ДМИТРЕНКО Тетяна Анатоліївна
УДК 539.2: 669: 536.76
ФОРМУВАННЯ СТРУКТУРИ ПОВЕРХНЕВИХ
ШАРІВ НЕЛЕГОВАНИХ СТАЛЕЙ
ПРИ ЛАЗЕРНОМУ ЛЕГУВАННІ ДИБОРИДОМ ТИТАНУ
01.04.13 - фізика металів
Автореферат
дисертації на здобуття наукового ступеня
кандидата фізико-математичних наук
Київ –
Дисертацією є рукопис.
Робота виконана на кафедрі фізичного матеріалознавства Запорізького національного університету Міністерства освіти і науки України.
Науковий керівник: доктор фізико-математичних наук, професор Гіржон Василь Васильович,
Запорізький національний університет, завідувач кафедри фізичного матеріалознавства
Офіційні опоненти: доктор фізико-математичних наук, професор Башев Валерій Федорович,
Дніпропетровський національний університет, завідувач кафедри металофізики
кандидат фізико-математичних наук, доцент Захаренко Микола Іванович,
Київський національний університет імені Тараса Шевченка, доцент кафедри фізики металів
Провідна установа: Донецький національний університет Міністерства освіти і науки України, кафедра фізики твердого тіла і фізичного матеріалознавства, м. Донецьк
Захист відбудеться “ 25 ” червня 2007 р. о 16 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 26.001.23 в Київському національному університеті імені Тараса Шевченка за адресою: 03680, м. Київ, проспект акад. Глушкова, 2, корп. 1, ауд. 500.
З дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці Київського національного університету імені Тараса Шевченка за адресою: 01033, м. Київ, вул. Володимирська, 58.
Автореферат розісланий “ 15 ” травня 2007 р.
Вчений секретар
спеціалізованої вченої ради Д 26.001.23,
доктор фізико-математичних наук,
професор Поперенко Л.В.
Актуальність теми. При використанні висококонцентрованих потоків енергії, зокрема лазерного випромінювання, в поверхневих шарах оброблених матеріалів за рахунок надвисоких швидкостей нагріву та охолодження формується структура певного типу з унікальними фізико-механічними властивостями.
Дослідження процесів поверхневого лазерного легування (ЛЛ) є особливо важливим з точки зору структурно-фазових змін, які відбуваються в матеріалі, що опромінюється, в умовах термодинамічної нерівноважності процесів, обумовлених короткочасністю дії лазерного імпульсу. До них можна віднести зміну механізмів фазових перетворень, специфічні особливості формування та розпаду метастабільних фаз, а також структурні зміни, пов’язані з наявністю значних термічних напружень, що виникають під час автогартування навіть за відсутності фазових переходів.
Більшість відомих досліджень в даній галузі є прикладними, маючи за мету визначення оптимальних технологічних параметрів, застосування яких сприяє максимальному ступеню зміцнення поверхневих шарів. Узагальнення та систематизація існуючих у науковій літературі даних дозволили визначити ряд положень, що розкривають механізми структуроутворення при лазерному легуванні, проте ще не привели до створення цілісної картини явища.
Найчастіше при лазерному легуванні в зону лазерного оплавлення вводять або один конкретний елемент або набір елементів, хімічно не зв’язаних між собою. При використанні в якості легуючої домішки сполук може створюватися додаткова можливість формування нових фаз, що разом з іншими чинниками, притаманними процесам лазерного легування, призводить до зміцнення поверхні.
Вихідним модельним матеріалом для дослідження процесів структуроутворення при лазерному легуванні сполуками, який дозволяє уникнути побічного впливу не лише атомів вуглецю, але й багатьох інших елементів, присутніх у легованих сталях, є армко-залізо. Використання сталей з різним вмістом вуглецю, характерним для доевтектоїдного, евтектоїдного та заевтектоїдного сплавів, дозволяє виявити особливості механізмів формування структури та фазового складу в зоні лазерної дії в залежності від концентрації атомів вуглецю у розплаві.
Зазначена сукупність питань, пов’язаних з особливостями процесів формування структури і властивостей поверхневих шарів сталей при легуванні борвміщуючою сполукою під дією лазерного імпульсу, призвела до розгляду проблеми фізичного трактування цих процесів.
Зв’язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Дисертаційна робота виконувалася в межах держбюджетної НДР Міністерства освіти і науки України в рамках пріоритетного напрямку розвитку науки і техніки № 6 “Нові речовини та матеріали” (тема № 1/04 „Структура та властивості нанокристалічних та лазерно-модифікованих матеріалів на основі заліза”, № держреєстрації 0103У002179).
Мета і задачі дослідження. Робота присвячена встановленню закономірностей формування структури та властивостей поверхневих шарів сталей з різним вмістом вуглецю при лазерному легуванні диборидом титану в залежності від енергетичних параметрів променя та структурно-фазового стану матеріалу основи.
Об’єкт дослідження: процеси взаємодії лазерного випромінювання з поверхнею металу та дисперсними частинками; процеси фазо- та структуроутворення в умовах надшвидкого охолодження в поверхневих шарах Fe-C сплавів при лазерному легуванні диборидом титану; механізм розподілу легуючої речовини в матеріалі матриці.
Предмет дослідження: армко-залізо, доевтектоїдні, евтектоїдні та заевтектоїдні сталі, поверхнево-леговані диборидом титану при використанні лазерного випромінювання.
Методи дослідження: якісний рентгенівський фазовий аналіз, рентгеноспектральний, металографічний та дюрометричний аналізи.
Для досягнення мети були поставлені наступні задачі:
провести аналіз впливу елементів легуючої сполуки TiB на процеси, які відбуваються при лазерній модифікації поверхні зразків армко-заліза, враховуючи роль титану як диспергизатора структури та бору як основного елемента, схильного до формування високотвердих з’єднань;
встановити фізичні закономірності формування фазового складу та структури поверхневих шарів доевтектоїдних, евтектоїдних та заевтектоїдних сталей в залежності від вмісту вуглецю в основній структурі при лазерному легуванні диборидом титану;
виконати комплекс досліджень щодо впливу енергетичних параметрів променя та вихідної структури оброблюваної поверхні сталей на структурно-фазовий стан та фізико-механічні властивості зон лазерного легування;
виявити загальні тенденції процесів фазоутворення в поверхневих шарах нелегованих сталей при імпульсному лазерному легуванні диборидом титану.
За підсумками виконаної дисертаційної роботи отримані нові науково обґрунтовані результати в галузі фізики металів, які в сукупності розв’язують важливу наукову проблему: встановлення фізичних закономірностей формування структурно-фазового стану в поверхневих шарах сталей при лазерному легуванні борвміщуючою сполукою TiBз урахуванням кінетичних факторів теплової дії.
Наукова новизна одержаних результатів:
Вперше проведено комплексне дослідження структури та властивостей поверхневих шарів серійних сталей при імпульсному лазерному легуванні сполукою TiB з урахуванням ключової ролі вуглецю в процесах формування структурно-фазового стану модифікованої поверхні.
Встановлено, що в процесі формування фазового складу поверхневих шарів сталей, лазерно-легованих диборидом титану, бере участь ізоструктурна бориду FeB фаза TiB, формування якої є можливим при короткочасній дії лазерного імпульсу.
Запропоновано механізм структуро- та фазоутворення при імпульсному лазерному легуванні сталей дисперсним порошком дибориду титану в залежності від концентрації вуглецю у вихідній структурі та енергетичних параметрів обробки.
Вперше експериментально визначено, що зміна загального часу високотемпературного циклічного впливу імпульсного випромінювання на матеріал визначає тип бориду, який буде переважно кристалізуватись при фіксованих режимах лазерної обробки.
Практичне значення одержаних результатів.
Поверхневе зміцнення матеріалу без зміни структури та властивостей внутрішнього об’єму за максимально короткий термін дії лазерного імпульсу є досить перспективним з точки зору розробки ресурсозберігаючих технологій, оскільки дозволяє одночасно зменшити витрати на легуючі компоненти та скоротити час процесу за рахунок обробки лише локальних необхідних ділянок.
Результати досліджень щодо впливу лазерного легування на структуру поверхневих шарів нелегованих сталей надають нову фізичну інформацію про умови утворення метастабільних складових в зоні лазерної дії та можуть бути використані в машинобудуванні як більш ефективний і технологічно простіший метод підвищення механічних властивостей поверхонь, що зазнають абразивного зношування або ударного навантаження.
Результати теоретичних розрахунків розподілу температури в зоні лазерної дії можна використовувати для прогнозування максимальних значень температури та швидкості охолодження, які можуть досягатися, в поверхневих шарах оброблених лазером матеріалів.
Особистий внесок здобувача. Дисертація є узагальненням результатів досліджень, які були виконані автором особисто. В роботах [1,2,7,8] проведено комплексне дослідження структури поверхневих шарів армко-заліза після імпульсного лазерного легування диборидом титану з урахуванням впливу розподілу елементів легуючої сполуки в ЗЛВ на фазовий склад та структуру новоутвореного сплаву та встановлено параметри обробки, що призводять до оптимізації структурно-фазового стану, зокрема сприяють поліпшенню міцністних властивостей. Основні результати експериментів з лазерного легування сталей, представлені в роботах [1,3-5,9], виявляють фізичні закономірності процесів структуроутворення в залежності від вмісту вуглецю у вихідній структурі. Надане в [6, 10] обґрунтування механізму структурно-фазових перетворень, які відбуваються у ванні розплаву, узагальнює результати експериментальних досліджень та відображує особисті уявлення автора про закономірності процесів у зоні лазерного впливу при надвисоких швидкостях охолодження розплаву. В основних роботах за темою дисертації автор особисто готував об’єкти для досліджень, виконував вимірювання та розрахунки, приймав участь в обробці експериментальних та розрахункових даних, інтерпретації всіх результатів, а також у підготовці їх до друку. Здобувачем сформульовані основні результати та висновки дисертації, обрано методики досліджень, запропонована удосконалена методика вимірювання мікротвердості, розроблена компьютерна програма переводу даних в формат програми „Буревесник”, проведено теоретичний розрахунок температурних полів в зоні лазерного впливу з урахуванням реального розподілу густини потужності випромінювання не лише в просторі, але й за часом.
Апробація результатів дисертації. Основні результати дисертаційної роботи доповідались та обговорювались на наступних наукових форумах: 7th European Conference on Advanced Materils and Processes (Italy, Rimini, 2001); 15th European Conference on Diamond, Diamond-like Materials, Carbon Nanotubes, Nitrides&Silicon Carbide (Italy, Trentino, Riva del Garda, 2004); науково-практичних симпозіумах „Функциональные покрытия для повышения качества поверхностей изделий машиностроения” в рамках конференції ОТТОМ-4, ОТТОМ-6 (Україна, Харків, 2003, 2005); міжнародних конференціях молодих науковців з теоретичної та експериментальної фізики „Еврика –” та „Еврика – 2004” (Україна, Львів, 2003, 2004)
Публікації. Результати досліджень за темою дисертації опубліковані у 10 друкованих роботах, з них шість статей - у наукових журналах України та інших країн, перелік яких затверджено ВАК України, двох тезах і двох матеріалах конференцій.
Структура дисертації та її обсяг. Дисертаційна робота складається із вступу, 6 розділів, загальних висновків та переліку посилань на першоджерела із 124 найменувань (на 12 сторінках). Повний обсяг дисертації складає 175 сторінок, у тому числі 43 рисунки на 42 сторінках, 7 таблиць на 6 сторінках.
ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ
У вступі обґрунтована актуальність та доцільність обраної теми, сформульовані мета та задачі роботи, зазначено її новизну та практичну значимість отриманих результатів, окреслено особистий внесок здобувача, наведено інформацію про апробацію результатів дослідження та публікації за темою дисертації.
У першому розділі розглянуто сучасний стан проблеми, проведено класифікацію та систематизацію видів лазерного легування, проаналізовано основні закономірності структуроутворення в залежності від параметрів лазерної обробки.
Окремо розглянуто теплофізичні процеси, що супроводжують вплив лазерного випромінювання (ЛВ) на речовину, проаналізовано області існування окремих видів взаємодії лазерного променя з речовиною в залежності від інтенсивності випромінювання та тривалості його впливу. Наведено відомі в науковій літературі рівняння, що описують розподіл температурного поля в зоні лазерного легування та вказано на можливі похибки при теоретичному розрахунку максимальної температури та швидкості охолодження в приповерхневих шарах зони лазерного впливу (ЗЛВ).
Докладно висвітлено питання про фізичні закономірності формування структури при лазерному оплавленні (ЛО) поверхні металевих матеріалів та виділено види лазерної модифікації, при яких відбуваються структурно-фазові зміни, що призводять до зміцнення оброблених ділянок. Одночасно показано зв’язок між структурно-фазовим станом, розподілом температури і швидкістю охолодження, які досягаються в умовах термодинамічної нерівноважності процесів в зоні оплавлення (ЗО).
Детально розглянуто явище масопереносу дисперсних частинок легуючої речовини у ванні розплаву та структурні зміни, що виникають внаслідок неоднорідного розподілу компонентів розплаву в зоні оплавлення та зоні термічного впливу. Зазначено, що основною причиною виникнення конвективних потоків є немонотонність розподілу енергії променя, що призводить до виникнення неоднорідного градіенту температур на вільній поверхні розплаву. Відмічено, що кількість експериментальних підтверджень наявності термокапілярних потоків є незначною.
Проведено порівняльний аналіз структури, властивостей та фазових змін, що відбуваються в дифузійно- та лазерно-борованих поверхневих шарах сталей. Виділено основні механізми формування структури в залежності від концентрації впроваджених атомів легуючої речовини, зокрема бору та титану, структурно-фазового стану матричного матеріалу та енергетичних параметрів застосованого лазерного випромінювання.
З проведеного аналізу літературних даних випливає, що імпульсне лазерне легування металевих сплавів сполуками, зокрема диборидом титану на сьогодні майже не вивчалося, а існуючі літературні дані не надають повного уявлення про характер явищ, які відбуваються при впровадженні часток легуючої речовини в розплав. Окрім того, не існує узагальненого трактування процесів впливу концентрації вуглецю на характер фазоутворення при лазерному легуванні диборидом титану.
У другому розділі обґрунтовано вибір досліджених сталей, наведено методику поверхневого лазерного легування та режими лазерної обробки.
Досліджені зразки сталей різнилися за вмістом вуглецю, концентрація якого відповідала основним загальноприйнятим групам вуглецевих сталей: евтектоїдній, доевтектоїдній, заевтектоїдній. За найпростішу систему, яка не містить вуглець, було обрано армко-залізо.
Вибір дибориду титану TiB в якості легуючої сполуки обґрунтовується не тільки відсутністю досліджень з приводу використання тугоплавких сполук, але й спирається на перспективу утворення в процесі лазерного легування фаз, які сприяють підвищенню твердості та зностійкості поверхневих шарів сталей.
Лазерне легування зразків виконували шляхом оплавлення поверхневого шару з попередньо нанесеною обмазкою за допомогою імпульсного рубінового лазера КВАНТ-12 (л = 0,6739 мкм, =4 мс) з різною густиною потужності випромінювання. Максимальне значення температури на поверхні та температурне поле в зоні лазерного впливу розраховувалися за допомогою оригінальної програми, розробленої на основі викладок, приведених в п’ятому розділі.
За основні методи досліджень були обрані рентгенівський фазовий (РФА), рентгеноспектральний, металографічний та дюрометричний аналізи, які давали змогу виконати дослідження на різних за локальністю структурних рівнях.
Мікроструктуру зони лазерного легування досліджували методами оптичної (МИМ-8, EPIQUANT) та растрової електронної (РЕММА-202) мікроскопії. Якісний рентгенівський аналіз здійснювався за допомогою дифрактометра ДРОН-3М в Мо-К та Со-К випромінюваннях. Мікротвердість вимірювали на приладі ПМТ-3М при навантаженні 100 та 50 г.
У третьому розділі наведено експериментальні результати досліджень структурно-фазового стану поверхонь армко-заліза та низьковуглецевої сталі 30 після лазерного легування диборидом титану.
Аналіз мікроструктури, рентгенографічних та рентгеноспектральних даних зразків армко-заліза, легованих з різними енергетичними параметрами лазерного випромінювання, виявив наявність фаз б-Fe, Fe2Ti та боридів Fe2B, TiB2, TiВ при 30%-вому перекритті лазерних плям. З ростом ступеня перекриття плям зростала кількість новоутворених боридів, що пояснюється, насамперед, багатократною дією лазерного променя на поверхню, внаслідок чого загальний час перебування хімічних компонентів у розплаві зростав. Високі швидкості охолодження (~104-105 К/с) при досить інтенсивній гомогенізації розплаву за рахунок зростання ступеня перекриття лазерних плям створили умови для формування низькобористих сполук, оскільки зняли значну концентраційну неоднорідність розплаву. Водночас, причиною зростання концентрації як високобористих (FeB), так і низькобористих сполук типу Fе2В та метастабільного бориду Fе3Вт (з тетрагональною граткою), стало більш повне розчинення дисперсних часток легуючої сполуки, і, як наслідок, достатнє насичення бором певних ділянок зони лазерного оплавлення до значень, що перевищували евтектичну концентрацію.
Формування високотемпературного бориду титану TiВ при рівноважних умовах є можливим лише при конгруентному плавленні дибориду TiB2 В умовах лазерного оплавлення повна гомогенізація розплаву за короткий термін дії лазерного випромінювання відбутися не встигала, і деякі ділянки містили концентрацію елементів, зокрема бору та титану, що відповідала можливості утворення бориду титану TіB при охолодженні з розплаву.
Згідно з даними рентгеноспектрального аналізу максимальна концентрація титану фіксувалася біля краю лазерної плями, що свідчило про витіснення легуючого елементу в периферійні області. При цьому причинами, що провокували таку особливість розподілу можуть бути не лише процеси виплеску за рахунок ударної хвилі, але й різниця в значеннях коефіцієнтів поверхневого натягу, яка призводила до виникнення так званих течій Марагоні. Окрім того, в процесі кристалізації частина легуючих компонентів (як домішок) мала витискатися на периферію фронтом кристалізації.
Дюрометричний аналіз за глибиною зон лазерного легування модифікованих зразків армко-заліза виявив немонотонну залежність кривої Нм(h). Проте загальна тенденція підвищення мікротвердості з ростом потужності випромінювання зберігалася, оскільки рівень напружень, виникаючих внаслідок значних градієнтів температур в зоні лазерного впливу, зростав. Іншою, не менш важливою, причиною зміни Нм, було більш повне розчинення частинок легуючої сполуки, що в сумарному результаті призводило до зміни фазового складу зони лазерного впливу та до підвищення дефектності модифікованого шару. Максимальне значення мікротвердості було зафіксоване при параметрах обробки, за яких при одночасно високому ступені термічних напружень не відбувалася їх релаксація (були відсутні тріщини). Підвищення значень Нм в поверхневих шарах лазерно-легованих сталей пояснюється зміною морфології співіснуючих фаз, подрібненням зерна та зростанням густини дефектів кристалічної будови внаслідок впровадження легуючих атомів.
Таким чином, було встановлено, що при лазерному легуванні армко-заліза в поверхневих шарах формуються фази FeВ, Fe2В, TiFe2, TiВ, що цілком відповідає рівноважній діаграмі стану потрійної системи Fe-Ті-B. Водночас, швидкісне охолодження дозволяло сформуватися метастабільному бориду Fе3Вт, утворення якого є неможливим при квазірівноважних умовах твердіння розплаву. Формування зони, збагаченої боридами, та загальна диспергізація структури, викликана надвисокими швидкостями охолодження розплаву, призводили до зростання мікротвердості, а зміна енергетичних параметрів променя дозволяла частково керувати ступенем зміцнення поверхні.
Згідно з даними РФА, основними фазами, що формувалися в поверхневих шарах зразків сталі 30, були б-Fe, FeBт, Мe(B,C)р (твердий розчин титану в орторомбічній гратці бороцементиту), ТiB і TiC. Рентгенографічно було встановлено, що з ростом густини потужності збільшувалась частка новоутворених фаз у загальному об’ємі розплаву. Окрім того, було виявлено одночасне формування двох типів боридів: з орторомбічною та тетрагональною ґратками. Аналіз зміни параметрів ґратки орторомбічного бориду вказував на формування бороцементиту Мe(B,С)р. Формування кристалів метастабільної фази типу FeBт при нерівноважних умовах ЛО відбувалося з розплаву, орторомбічні ж кристали борокарбіду Мe(B,С)р виникали внаслідок розпаду перенасиченого твердого розчину. Отже, основними факторами, що відповідали за тип бориду, який формувався при ЛЛ, були ступінь нерівноважності та концентрація легуючої сполуки, які знижувались з ростом густини потужності лазерного випромінювання. Ще однією причиною утворення ізоструктурної до карбіду FeС фази Мe(B,С)р була наявність у матричному матеріалі цементитних ділянок. За нерівноважних умов формування вторинних кристалів Мe(В,С)р супроводжувалося заміщенням атомів вуглецю атомами бора, що й призводило до зміни параметрів елементарної комірки. При цьому атоми вуглецю можна вважати „стабілізаторами” такої гратки. Повторне легування, не зважаючи на більше повне насичення легуючою сполукою поверхневих шарів, характеризувалося більш значною концентрацією ромбічного бороцементиту Мe(С,В)р. Отриманий результат є досить неоднозначним, і може пояснюватись тим, що для формування бороцементиту Мe(С,В)р були необхідні більш рівноважні умови, при яких би встигав відбутися розпад перенасиченого твердого розчину. Формування ж тетрагональної модифікації FeВт відбувалося в ділянках із значною концентрацією легуючої сполуки, тобто, було характерне для негомогенізованих ділянок ЗЛВ.
Таким чином, в умовах нерівноважної кристалізації ванни розплаву при ЛЛ низьковуглецевої сталі атоми вуглецю, конкуруючи з атомами бору, сприяли формуванню не лише метастабільного бориду типу FeBт з тетрагонально граткою, але й бороцементиту з орторомбічною граткою.
Четвертий розділ присвячено аналізу результатів досліджень процесів структуроутворення в поверхневих шарах евтектоїдних та заевтектоїдних сталей. Фазовий склад поверхні зразків сталі У7 мав помітні розбіжності з раніше отриманими даними на зразках армко-заліза та сталі 30 (табл.1). Враховуючи, що глибина проникнення рентгенівського променя є обмеженою, і поверхня частково являла собою механічну суміш матриці та дисперсних часток легуючого з'єднання, було проведено пошаровий РФА легованих зразків з метою виявлення розподілу фаз в ЗЛВ (табл.1). Внаслідок короткочасноcті дії лазерного імпульсу та малої товщини обмазки відбулося неповне насичення зразка легуючою сполукою, тому в безпосередньо прилягаючих до поверхні ділянках зони лазерного впливу формувалася високобориста фаза FeB та метастабільний борид FeB. Головною причиною утворення високотемпературного бориду FeB згідно з даними рівноважної діаграми стану повинна бути концентрація бору, що перевищує евтектичне значення. Однак можна припустити, що деякі структурні складові зони лазерного легування можуть брати участь у процесах формування фаз, які твердіють за більш низьких температур, граючи роль затравочних кристалів.
Таблиця 1
Пошаровий усереднений фазовий склад ЗЛВ сталі У7 після лазерного легування диборидом титана
|
Фазовий склад |
||
|
Вихідний зразок |
б-Fe + FeC |
|
|
Лазерна обробка поверхні |
б-Fe + FeC + г-Fe |
|
|
Лазерне легування поверхні диборидом титану |
б-Fe + FeC + г-Fe + TiB |
|
|
Зміна фазового складу за глибині ЗЛВ, мкм |
10 |
б-Fe + FeC + г-Fe + FeB + FeB + TiB +TiB |
|
б-Fe + FeC + г-Fe + FeB + FeB +TiB + TiB |
||
|
б-Fe + FeC + г-Fe + FeB + TiB |
||
|
б-Fe + FeC + г-Fe + FeB + TiB |
||
|
б-Fe + FeC + г-Fe + FeB +TiB |
||
|
б-Fe + FeC + г-Fe + FeB +TiB |
||
|
б-Fe + FeC + г-Fe + TiB |
||
|
б-Fe + FeC + г-Fe + FeB +TiB + FeB +TiB |
||
|
б-Fe + FeC + г-Fe +TiB + TiB |
Такою фазою може бути фаза TiВ, що твердіє при температурі 2300 К і за своєю структурою є ізоструктурною до бориду FeВ. Непрямим підтвердженням цього припущення стало одночасне фіксування на рентгенограмах дифракційних максимумів відбитків від ґраток фаз FeВ та TiВ. Для більш глибоких шарів ЗЛВ спостерігалася схильність до формування стабільного бориду FeB, оскільки концентрація легуючих компонентів на цій глибині була близькою до евтектичної. Така концентраційна неоднорідність виникала внаслідок ряду факторів. Ще на стадії перебування металу в рідкому стані відбувався процес переносу часток легуючих елементів у напрямку від центра ванни розплаву до її країв з утворенням вихороподібних потоків. Внаслідок цього приповерхневі ділянки, особливо периферійні зони, значно збагачувались легуючими елементами, що створювало умови для кристалізації фази FeB. При досягненні температур твердіння низькобористих фаз із збідненого бором розплаву виділялися кристали метастабільного бориду FeB. Центральні ділянки розплаву значно більший проміжок часу знаходилися в рідкому стані. Тому за цей період встигала відбутися часткова гомогенізація розплаву, внаслідок якої концентрація бору знижувалася до значень, які відповідали доевтектичному рівню, характерному для всього розплаву в цілому.
Для уточнення експериментальних даних, пов’язаних з утворенням
г-фази заліза, було проведене легування зразків сталі У7 з більш високими енергетичними параметрами лазерного променя, які дозволяли досягти більш повного насичення поверхневих шарів легуючими компонентами. За результатами РФА було зафіксовано фазовий склад, аналогічний виявленому при легуванні зразків армко-заліза та сталі 30: б-Fe та фази TiB, FeB, FeBт, TiС та Мe(B,C)р. При проведенні порівняльної характеристики не було виявлено г - Fe, що свідчило про достатню насиченість розплаву атомами бору, які зменшували стабільність аустеніту.
Завершальний етап серії експериментів щодо впливу кількості вуглецю на процеси фазоутворення було проведено на зразках високовуглецевої конструкційної сталі У12 із вмістом вуглецю, що перевищує евтектоїдний поріг. Основними фазами, зафіксованими в поверхневих шарах легованих зразків, були: б-Fe, бориди FeB, FeBт, Мe(B,С)р, TiВ, та сліди фаз TiC та FeB. Фазовий склад залишався майже незмінним при легуванні з різним ступенем перекриття лазерних плям або при зміні густини потужності. Однак, при густині потужності випромінювання 680 МВт/м дифракційні максимуми відображень від ґраток фаз FeB, FeBт, Мe(B,С)р мали більш високу інтенсивність, ніж при 800 МВт/м. Це пояснюється, насамперед, зростанням глибини проплавлення при підвищенні густини потужності ЛВ, що, в свою чергу, викликало збільшення загального об’єму розплаву і, як наслідок, зменшення концентрації легуючих елементів у локальних ділянках. Крім того, концентрація цих фаз зростала по мірі збільшення ступеня перекриття лазерних плям. Даний факт пояснюється зростанням ступеня гомогенності розплаву в результаті більш повного розчинення компонентів легуючої обмазки.
Мікроструктура зон лазерного впливу мала типовий шаруватий вигляд. При цьому зона оплавлення була дрібнодисперсною, границі зерен металографічно чітко не виявлялися. Детальний аналіз косого шліфа ЗТВ виявив поблизу границі зони оплавлення і зони термічного впливу голчасті кристали, тобто світла зона, яка слабко взаємодіяла з травником (перехідна область між оплавленою і термічно зміцненою зоною), вростала голками в зону оплавлення. Аналогічний ріст кристалів було зафіксовано у місцях перекриття двох зон лазерного оплавлення. Виникнення подібної структури можна пояснити епітаксіальною кристалізацією розплаву на підкладинці лише в тих місяцях, де розплав досить значний проміжок часу знаходився у рідкому стані. Однак, при лазерному легуванні диборидом титану завдяки наявності у ванні розплаву титану, який, концентруючись на границях зростаючого зерна аустеніту, формував карбід ТіС, не дозволяючи розростатися аустенітному зерну, стовпчаста структура кристалів не спостерігалося.
З метою вивчення розподілу мікротвердості за площею поперечного перерізу плями лазерного впливу були побудовані об'ємні діаграми зміни мікротвердості ділянок легованих поверхонь (рис.1). Вони дозволили простежити за зміною Нм безпосередньо по всій площі ЗЛВ. При цьому максимум мікротвердості припадав на центральні та крайові області поверхневих ділянок плями, де концентрація легуючих елементів сприяла утворенню високобористої фази. Збільшення ступеня перекриття лазерних плям призводило до зниження мікротвердості оплавлених ділянок, проте, у цілому, розкид значень Нм ставав менш помітним, що вказувало на формування більш однорідної структури. Якщо на діаграмах виділити ділянки, для яких характерними є максимальні значення Нм, то їх розташування можна пояснити характером розподілу легуючих компонентів у ванні розплаву. Більша частина лігатури вихороподібними потоками переноситься в певні ділянки ЗЛВ (рис.2), внаслідок чого області, збагачені легуючими компонентами, виявляються місцями утворення фаз з підвищеною твердістю (боридів і борокарбідів), яким на діаграмах розподілу мікротвердості відповідали ділянки з максимальними значеннями Нм. Таким чином, картина розподілу фаз, обумовлена структурно-концентраційною неоднорідністю ванни розплаву досить повно характеризувалася розподілом значень мікротвердості в зоні лазерного впливу.
У п’ятому розділі проведено аналіз температурного поля, що виникає в металі під дією імпульсного лазерного випромінювання з урахуванням розподілу енергії в імпульсі за часом. При створенні сплавів методом лазерного легування застосування в якості лігатури тугоплавкого з’єднання при наявності матриці, що плавиться за більш низьких температур, призводить до деяких труднощів, пов’язаних з можливістю руйнування матеріалу основи ще до того, як буде розплавлена обмазка. Розрахунок температурних полів в зоні лазерного легування за стандартними уявленнями показав, що температури, які досягаються на поверхні при застосованих параметрах лазерного випромінювання, сягають значень, при яких відбувається випаровування матричного матеріалу. Загальноприйнята ідеалізація теплових джерел найчастіше для спрощення математичних розрахунків не враховує реальну структуру лазерного імпульсу (вважає його постійною на протязі дії імпульсу, яка описується функцією Хевісайда f), що призводить до помітних відхилень розрахованих даних від експериментальних. Тому в роботі було запропоновано модель, яка описує реальну пічково-хаотичну структуру імпульсу, що залежить від часу, протягом якого діє імпульс. Було знайдено аналітичний розв’язок рівняння теплопровідності при застосуванні такого реального фактору у вигляді:, де
T=T(r;х;t)–поле температур у матеріалі; а-коефіцієнт температуропроводності; r- віддалення точки від осі променя; с - радіус лазерної плями; ф –тривалість імпульсу; z –змінна інтегрування і побудовано розподіл температур в зоні лазерного впливу (рис.3).
Розв’язок задачі теплопровідності показав, що різниця між розподілами температурних полів, що породжуються імпульсами лазерного випромінювання з різними факторами часу, була найбільш суттєвою на малих глибинах та в ті моменти часу, коли потужність випромінювання наближалася до максимальної.
Використання фактору часу f (функція Хевісайда) призводило до завищеного майже на 40 % максимального значення досягненої на поверхні температури та швидкості охолодження розплаву. Достовірність отриманих результатів підтверджували дані про більш повне розчинення обмазки в евтектоїдних та заевтектоїдних сталях: з ростом концентрації вуглецю змінювались теплофізичні характеристики сталевих зразків, внаслідок чого максимальна температура на поверхні сплаву зростала.
Шостий розділ узагальнює експериментальні результати та описує можливі механізми формування структури у складній системі, що знаходиться під дією численних чинників.
В процесі структуроутворення в зоні лазерного впливу значну роль у формуванні підсумкової картини розподілу легуючих елементів і новостворених фаз відігравали дифузійні, гідродинамічні та кристалізаційні процеси. Розрахунок температурних полів підтверджував досягнення температури плавлення легуючої сполуки, однак повного розплавлення часток легуючої сполуки за час дії імпульсу не відбувалося. Занурені у ванну розплаву елементи лігатури за рахунок ударної хвилі і дії радіальних сил, що виникали внаслідок різниці коефіцієнтів поверхневого натягу, обумовлених різницею температур в периферійних та центральних ділянках ванни розплаву, відносилися до краю зони оплавлення і захоплювалися термокапілярними плинами. Аналіз мікроструктури зразків підтвердив наявність ефекту Марагоні, згідно з яким у ванні розплаву здійснювалося переміщення часток TiВвихровими потоками, що в остаточному підсумку позначалося на формуванні концентраційного поля. Часткам, що розчинялися, це дозволяло більш рівномірно розподілитися в розплавленому шарі, однак підвищений вміст бору та титану спостерігався в приповерхневих шарах і навколо центрів вихорів. Саме ця особливість розподілу легуючих компонентів значною мірою визначала тип бориду, який переважно кристалізувався при надшвидкому охолодженні з розплаву.
По закінченні дії лазерного імпульсу твердіння розплаву визначалося процесами епітаксіальної кристалізації, сегрегації атомів-домішок та швидкістю руху межі поділу тверда фаза-рідина. Границя ванни розплаву і матриці характеризувалася нагріванням до температур аустенизації, тобто епітаксіальна кристалізація кристалів заліза повинна була відбуватися на підкладинці фази з ГЦК-граткою. Проте, як показали наочно результати металографічного аналізу, проростання вглиб розплаву кристалів аустеніту не відбувалося. Причиною порушення процесів такої кристалізації було формування тугоплавких включень карбіду ТіС. Необхідно зауважити, що процеси сегрегації конкурували з процесами „заморожування” розплаву, що призводило до впровадження атомів вуглецю і бору в ГЦК-гратку заліза та утворення твердого розчину заміщення титану в залізі.
Умови, оптимальні для утворення високобористих сполук, були максимально вираженими поблизу поверхні відкритої ванни розплаву, оскільки саме ці ділянки значно насичувались елементами, що входять до складу легуючої сполуки. З пересиченого розчину в першу чергу виділялися кристали бориду TiB, які за рахунок ізоструктурності виступали затравкою (підкладинкою) для утворення кристалів монобориду FeB. Наступними формувалися кристали низькобористих фаз FeB та FeBт. При охолодженні нижче температур евтектоїдного перетворення, особливо при перенасиченні аустеніту вуглецем та бором, відбувалося утворення мартенситу та бороцементиту. Ці процеси проходили в твердому стані, тому переважне утворення бороцементиту було більш ймовірним, оскільки в твердому стані процеси дифузії уповільнювалися, і при формуванні кристалів з граткою типу FeC позиції атомів вуглецю могли захоплюватися атоми бору.
Таким чином, в чотирьохкомпонентній системі (Fe-C-Ti-B), що зазнала низки високотемпературних перетворень під дією ЛВ, необхідно виділити такі основні моменти впливу вуглецю на формування структурних особливостей цієї складної системи. По-перше, з ростом концентрації вуглецю збільшується температурний інтервал аустенізації, що призводить до більш повної гомогенізації розплаву за вуглецем та до стабілізації г-фази. По-друге, зростання концентрації вуглецю спричиняє зміну теплофізичних характеристик вихідного матеріалу, що, в свою чергу, призводить до підвищення максимально досягаємої температури поверхні і до більш повного розчинення легуючої сполуки. По-третє, основна роль у формуванні борокарбіду належить вуглецю, бо при нерівноважних умовах утворення фази з орторомбічною граткою є більш енергетично вигідним. Фази FeС та FeВ мають ізоструктурні гратки, тому їх подібність можна вважати причиною можливості утворення борокарбідів. По-четверте, формування стійкого до розчинення карбіду титану ТіС порушує процеси епітаксіальної кристалізації аустеніту та значно подрібнює структуру ЗЛВ. З ростом концентрації вуглецю внаслідок цього мікротвердість оплавлених ділянок значно зростала.
Розглядаючи загальну картину структуроутворення при лазерному легуванні, треба зауважити, що вирішальну роль у цих процесах відігравала надвисока швидкість охолодження розплаву. Внаслідок цього в зоні лазерного легування формувалася гетерофазна структура зі значною кількістю дисперсних кристалів боридів, яка характеризувалася високими термічними напруженнями та високою густиною дефектів кристалічної будови, що є ознакою гартування з рідкого стану. Саме завдяки цьому зростала мікротвердість лазерно-легованих шарів сталей. Окрім того, особливу увагу потрібно звернути на ступінь перекриття лазерних плям, яка є важливим чинником, що регулює процеси фазоутворення при ЛЛ сталей. Час перебування компонентів у розплавленому стані значною мірою визначає ступінь гомогенності розплаву. Якщо проміжок часу, протягом якого матеріал знаходився у розплавленому стані, є незначним, то для швидкотвердіючого розплаву будуть характерними лікваційні неоднорідності з підвищеним вмістом бору та титану, що призводить до утворення помітної частки фаз TiB та FeB. Оскільки час перебування у розплаві є прямо пропорційним загальному часу впливу лазерного променя на матеріал, то з ростом перекриття плям зростає ступінь гомогенності розплаву, що призводить до формування низькобористих (FeB, FeB) сполук. Отже, можна стверджувати, що збільшення числа імпульсів, а в остаточному підсумку –загального часу короткочасного циклічного впливу на матеріал, призводить до формування більш однорідного структурно-фазового стану легованої поверхні.
ЗАГАЛЬНІ ВИСНОВКИ
В умовах значного переохолодження розплаву при кристалізації лазерно-легованих поверхонь сталей формується багатофазна дисперсна концентраційно-неоднорідна структура з нерівноважним розподілом фаз за глибиною оплавленого шару та підвищеними значеннями мікротвердості.
Утворення фази TiB, що твердіє при високих температурах та наявність матричних кристалів FeC, призводить за рахунок ізоструктурності граток до формування кристалів фаз FeB та Мe(B,C)р.
Ріст концентрації вуглецю у вихідній структурі призводить до значного підвищення максимальної температури та максимальної швидкості охолодження, які досягаються на поверхні розплаву при фіксованих параметрах лазерного випромінювання.
Розрахунок температурного поля в зоні лазерного впливу, що передбачає врахування реальної часової структури імпульсу лазерного випромінювання, дозволив отримати розподіл температур, при якому максимальна температура поверхні відповідає експериментальним даним.
В умовах нерівноважної кристалізації ванни розплаву при лазерному легуванні сталей диборидом титану атоми вуглецю, конкуруючи з атомами бору, сприяють формуванню не лише метастабільних боридів типу FeBт з тетрагональною граткою, але й бороцементиту Мe(B,С)р з ромбічною граткою.
При високих швидкостях охолодження розплаву (10К/с) підвищення ступеня перекриття лазерних плям при лазерному легуванні сприяє формуванню стабільного бориду FeB, що пов’язано зі зростанням часу знаходження металу у розплавленому стані.
Збільшення загального часу високотемпературного впливу імпульсного лазерного випромінювання з фіксованою густиною потужності на поверхню Fe-C сплавів, при лазерному легуванні диборидом титану призводить до зміни кількості новоутворених боридів в зоні лазерної дії від максимальної концентрації до повної їх відсутності у послідовності FeB, FeB, FeB
Зростання кількості вуглецю у вихідній структурі залізовуглецевих сплавів при лазерному легуванні диборидом титану призводить до підвищення термічної стабільності бороцементиту за рахунок більш повної гомогенізації розплаву за вуглецем.
Основні результати дисертації опубліковані в таких роботах:
1. Гіржон В.В., Мальцева Т.А. Структурно-фазовий стан поверхневих шарів сталей після лазерного легування боридом титану // Вісник Запорізького державного університету. - №2. - 2000. –С.157-161.
. Гиржон В.В., Мальцева Т.А., Золотаревский И.В. Лазерное легирование поверхности армко-железа боридом титана // Физика и химия обработки материалов. - №5. –. - С.53-58.
. Гиржон В.В., Мальцева Т.А. Особенности формирования структуры поверхностных слоев стали У7 при лазерном легировании боридом титана TiB// Металлофизика и новейшие технологии.- 2004. - Т.26, №3. –С. 325-334
. Гиржон В.В., Мальцева Т.А. Структурное состояние поверхностных слоев стали 30 после лазерного легирования боридом титана TiB // Металлофизика и новейшие технологии. - 2005. –Т. 27, №10. –-1316.
. Гиржон В.В., Мальцева Т.А., Лазерное легирование стали У12 боридом титана TiB // Металлофизика и новейшие технологии. - 2006. –Т. , №10. –С.1383-1396
. Гіржон В.В., Мальцева Т.А. Закономірності процесів структуроутворення в залізовуглецевих сплавах при лазерному легуванні боридом титану TiB // Вісник Київського університету, серія: фізико-математичні науки. - 2006. - №3. –С. 462-469
. Структурно-фазовые изменения в поверхностных слоях армко-железа при лазерном легировании боридом титана TiB. /Гиржон В.В., Мальцева Т.А //Сб. статей докладов 4-го научно-практического симпозиума „Функциональные покрытия для повышения качества поверхностей изделий машиностроения” в рамках конференции ОТТОМ-4. –Украина, Харьков, 19-23 мая, 2003. –С. 225-228
. Лазерне легування поверхні армко-заліза боридом титану / Гіржон В.В, Мальцева Т.А. // Тези доповідей Міжнародної конференції молодих науковців з теоретичної та експериментальної фізики „Еврика –”, Україна, Львів, 19-21 травня 2003. –С.36.
Особливості формування структури поверхневих шарів сталі У7 при лазерному легуванні боридом титану TiB // Гіржон В.В., Мальцева Т.А. // Тези доповідей Міжнародної конференції молодих науковців з теоретичної та експериментальної фізики „Еврика –”, Україна, Львів, 19-21 травня 2004. –С.159.
Структурно-фазовые превращения в поверхностных слоях железоуглеродистых сплавов после лазерного легирования боридом титана. /Гиржон В.В.,.Мальцева Т.А //Сб. статей докладов 6-го научно-практического симпозиума „Функциональные покрытия для повышения качества поверхностей изделий машиностроения” в рамках конференции ОТТОМ-6. –Украина, Харьков, 16-20 мая, 2005. –С. 273-275
Дмитренко Т.А. Формування структури поверхневих шарів нелегованих сталей при лазерному легуванні диборидом титану. –Рукопис.
Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата фізико-математичних наук за спеціальністю 01.04.13 –фізика металів. –Київський національний університет ім.Т.Шевченка, Київ, 2007.
Дисертацію присвячено дослідженню процесів структуроутворення в поверхневих шарах нелегованих сталей при лазерному легуванні диборидом титану в залежності від режимів обробки та структурно-фазового стану матеріалу основи. Отримано нові результати, які в сукупності освітлюють проблему встановлення фізичних закономірностей формування нового сплаву в залежності від вмісту вуглецю при лазерному легуванні борвміщуючою сполукою ТіВ.
В роботі запропоновано механізм кристалізації ванни розплаву при лазерному легуванні диборидом титану за умов надшвидкого нагрівання та охолодження, встановлено зв’язок між характером новоутворених фаз та вмістом вуглецю в базовому матеріалі, висвітлено процеси формування концентраційного поля в залежності від технологічних параметрів лазерної обробки. Досліджено вплив легуючих елементів на тип новосформованої структури та фізико-механічні властивості зон лазерного легування. Результати моделювання розподілу температурного поля в області дії лазерного променя можуть бути застосовані для прогнозування умов, необхідних для формування певної структури поверхневого легованого шару, при розробці технологій зміцнення поверхневих шарів лазерним легуванням.
Ключові слова: лазерна обробка, диборид титану, фаза, бориди на основі заліза, метастабільний стан, вуглецеві сталі, нерівноважні умови кристалізації, гетерофазна структура, лазерне легування, мікроструктура, мікротвердість.
Дмитренко Т.А. Формирование структуры поверхностных слоёв нелегированных сталей при лазерном легировании диборидом титана. –Рукопись.
Диссертация на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук по специальности 01.04.13 –физика металлов. –Киевский национальный университет им.Т.Шевченка, Киев, 2007.
Диссертация посвящена исследованию процессов структурообразования в поверхностных слоях сталей при лазерном легировании диборидом титана в зависимости от режимов обработки и структурно-фазового состояния матричного материала. Получены новые результаты, которые в совокупности освещают проблему установления физических закономерностей формирования нового сплава в зависимости от содержания углерода в основной структуре стали при лазерном легировании борсодержащим соединением ТіВ.
Исследованы особенности процессов кристаллизации ванны расплава армко-железа и нелегированных сталей, различающихся по содержанию углерода, при лазерном легировании диборидом титана в зависимости от энергетических параметров лазерного луча, концентрации легирующего материала, внедренного в ванну расплава, и суммарного времени воздействия на каждый участок поверхности. Установлено, что при лазерном легировании образуются следующие фазы FeВ, Fe2В, TiFe2 TiВ, что полностью согласуется с равновесной диаграммой состояния системы Fe-Ті-B. Одновременно сверхбыстрое охлаждение позволяет сформироваться метастабильному бориду Fе3Вт, образование которого невозможно в равновесных условиях твердения расплава. Кроме того, внедрение в ванну расплава легирующих элементов и сверхбыстрое охлаждение приводят к росту микротвердости легированных участков железа, а изменение параметров обработки позволяет варьировать степенью упрочнения поверхности. Присутствие атомов углерода в неравновесных условиях твердения способствует образованию метастабильного бороцементита Ме3(В,С)р с орторомбической решеткой, причем стабилизаторами решетки в этом случае выступают атомы углерода. С ростом концентрации углерода в основной структуре количество бороцементита возрастает, что подтверждает влияние ключевых элементов микроструктуры на структурно-фазовое состояние новообразованного сплава.
Послойный рентгенофазовый анализ лазерно-легированной стали У7 подтвердил концентрационную неоднородность ванны расплава, возникающую вследствие термокапиллярных явлений, сопровождающих процесс лазерного воздействия. В результате легирующий материал неравномерно распределяется в зоне лазерного влияния, что в свою очередь приводит к неоднородной кристаллизации и формированию некоторых структурных составляющих только в определенных участках зоны лазерного легирования. Данная картина распределения фаз подтверждается также распределением значений микротвердости в зоне оплавления.
Выделены такие основные моменты влияния углерода на формирование структурных особенностей системы Fe-C-Ti-B, которая претерпела ряд высокотемпературных изменений под действием лазерного излучения: во-первых, с ростом концентрации углерода увеличивался температурный интервал аустенизации, что приводило к более полной гомогенизации расплава по углероду и к стабилизации аустенита; во-вторых возрастание количества углерода вызывало смену теплофизических характеристик исходной структуры и способствовало повышению максимально достигаемой температуры на поверхности расплава и максимально достигаемой скорости охлаждения; в-третьих, основная роль в формировании борокарбида принадлежала углероду, поскольку при неравновесных условиях образование фазы с орторомбической решеткой является более выгодным, особенно когда атомы углерода могут свободно замещаться атомами бора вследствие изоструктурности решеток фаз FeC и FeB; в-четвертых, формирование тугоплавкого карбида титана TiC тормозило процессы эпитаксиальной кристаллизации и приводило к измельчению структуры, вследствие чего микротвердость оплавленных участков возрастала.
Результаты моделирования распределения температур в области ЗЛВ могут быть использованы для прогнозирования условий, необходимых для формирования определенной структуры поверхностного легированного слоя.
Ключевые слова: лазерная обработка, диборид титана, фаза, бориды на основе железа, метастабильное состояние, углеродистые стали, неравновесные условия кристализации, гетерофазная структура, лазерное легирование, микроструктура, микротвердость.
Formation of surface layers structure of plain carbon steels during the laser alloying by titanium diborid. - Manuscript.
Thesis of candidate degree of physics and mathematics speciality 01.04.13 - physics of metals. The Shevchenko Kyiv national university, Kyiv, 2007.
Thesis deals with the study of structure formation processes in the surface layers of plain carbon steels during the laser alloying depending on treatment regimes and structure phase state of matrix material. New results give the opportunity to establish regularities of new alloy formation depending on the content of carbon during laser alloying by boron-based compound.
The mechanism of fusion crystallization during laser alloying by titanium diborid under condition of ultraspeed heating and cooling rates is proposed. Correlation between type of formed phases and content of carbon in base material is established. Processes of the concentration distribution formation depending on the technological parameters of laser treatment are studied. The influence of alloying elements on the type of formed structure and physics and mechanical properties of the laser alloying areas is explored. The results of the temperature field distribution simulation in a laser beam area can be applied for forecast of conditions which are necessary for formation of certain structure of surface alloyed layer, for development of surface layers strengthening technologies by laser alloying.
Keywords: laser treatment, titanium diborid, phase, iron based borides, metastable state, carbon steel, non-equilibrium conditions of crystallization, geterophase structure, laser alloying, microstructure, microhardness.