СОДЕРЖАНИЕ
ВВЕДЕНИЕ........................................................... 5
1 УПРОЧНЕНИЕ ПОВЕРХНОСТИ МЕТАЛЛОВ И СПЛАВОВ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ КОН1 ЦЕНТРИРОВАННЫХ ПОТОКОВ ЭНЕРГИИ.. 13
1.1 Упрочнение металлов и сплавов легированием поверхности с использованием плазменной и электронной обработки................... 13
1.1.1 Импульсные плазменные способы упрочнения поверхности металлов и сплавов............................................ 13
1Л .2 Упрочнение поверхности с использованием
электровзрывного легирования............................ 16
1Л .3 Упрочнение поверхности при электронной обработке 19
1.2 Основные особенности упрочнения металлов и сплавов с использованием электровзрывного легирования и электронно-пучковой обработки........................................................ 21»
1.3 Цель и задачи исследования................................... 32
2 ОБОРУДОВАНИЕ, МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДИКИ ИССЛЕДОВАНИИ 33
2.1 Оборудование для осуществления комбинированной обработки.. 33
2.1.1 Лабораторная электровзрывная установка ЭВУ60/10
для получения импульсных многофазных плазменных струй и особенности методики проведения электровзрывного легирования........................................ 33
2.1.2 Оборудование для обработки поверхности материалов низкоэнергетическими сильноточными электронными пучками и особенности методики ее проведения.................. 42
2.2 Материалы для исследования процессов электровзрывного леги- ■
рования металлов.............................................. 44
2.3 Режимы обработки, методы исследования структуры, фазового состава и свойств зоны легирования................................ 48
2
3 ВЛИЯНИЕ ВАКУУМНОГО ОТЖИГА И ЭЛЕКТРОПНО-1ТУЧКОВОЙ
ОБРАБОТКИ НА ЗОНУ ЭЛЕКТРОВЗРЫВНОГО НАУГЛЕРОЖИВАНИЯ СПЛАВОВ ТИТАНА....................................... 55
3.1 Влияние вакуумного отжига на структуру и свойства титана..... 55
3.2 Влияние электронно-пучковой обработки па структуру поверхности после науглероживания................................... 50
3.3 Внедрение результатов исследований по науглероживанию титана 63
3.4 Выводы....................................................... 70
4 ЭЛЕКТРОВЗРЫВНОЕ АЛИТИРОВАІЇИЕ И ПОСЛЕДУЮЩАЯ
ЭЛЕКТРОННО-ПУЧКОВАЯ ОБРАБОТКА ТЕХНИЧЕСКИ
ЧИСТОГО ТИТАНА ВТ 1-0............................................ 67
4.1 Градиент микротвердости поверхности электровзрывного алити-рования титана после электронно-пучковой обработки.......... 67
4.2 Влияние электронно-пучковой обработки на рельеф и состояние поверхности электровзрывного алитирования титана............ 69
4.3 Послойные исследования строения и структурно-фазовых состояний, формирующихся при электронно-пучковой обработке поверхности электровзрывного алитирования титана.............. 77
4.4 Анализ градиента фазового состава и дефектной субструктуры формирующихся в технически чистом ти гане при электроннопучковой обработке поверхности после электровзрывного алитирования .................................................... 79
4.5 Выводы....................................................... 88
5 ЭЛЕКТРОВЗРЫВНОЕ БОРОАЛИГИРОВАНИЕ
И ПОСЛЕДУЮЩАЯ ЭЛЕКТРОННО-ПУЧКОВАЯ ОБРАБОТКА
ТЕХНИЧЕСКИ ЧИСТОГО ТИТАНА ВТ 1 -0................................ 91
5.1 Градиент микротвердости поверхности электровзрывного бороа-
литирования титана после электронно-пучковой обработки 91
3
5.2 Влияние электронно-пучковой обработки на рельеф и состояние поверхности электровзрывного бороалитирования титана......... 92
5.3 Послойные исследования строения и структурно-фазовых состояний, формирующихся при электронно-пучковой обработке поверхности электровзрывнош бороалитирования титана............ 99
5.4 Анализ фадиента фазового состава и дефектной субструктуры, формирующихся в технически чистом титане после электровзрывного бороалитирования при электронно-пучковой обработке............................................................ 102
5.5 Внедрение результатов исследований но электровзрывному али-тированию, бороалитированию и последующей электроннопучковой обработке............................................ 112
5.6 Выводы.................................................... 115
ЗАКЛЮЧЕНИЕ....................................................... 118
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ............................................... 120
ПРИЛОЖЕНИЕ А СПРАВКИ О ВНЕДРЕНИИ РЕЗУЛЬТАТОВ ИССЛЕДОВАНИЙ 140
)
4
ВВЕДЕНИИ
Легирование поверхности - это один из наиболее эффективных способов упрочнения и защиты поверхности конструкционных и инструментальных сталей и сплавов. Его применение в ряде случаев позволяет отказаться от разработки и использования новых высокопрочных материалов. Вместе с тем, методы традиционной химико-термической обработки в силу высокой энергоемкости и длительности экономически оправдывают себя только в условиях массового производства. Существенное снижение затрат на упрочнение оказывается возможным в том случае, когда с целью нагрева поверхности и активизации насыщающих сред используются такие источники энергии как электрические токи и разряды, а ускорение процессов диффузии осуществляется путем нагрева поверхности выше температуры плавления.
Способы поверхностного легирования, использующие
концентрированные потоки энергии (КПЭ), например, лазерное излучение, мощные электронные и ионные пучки, плазменные потоки и струи, являются еще более экономичными. Они позволяют проводить обработку локально, только в тех местах, которые непосредственно испытывают разрушение в процессе эксплуатации детали. По экспертным оценкам [1] применение различных методов поверхностной обработки с использованием КПЭ в таких отраслях промышленности как автомобильная, авиационная и космическая, в общем машиностроении неуклонно возрастает и сопоставимо с использованием различных методов нанесения покрытий. Эффективность применения новых технологий, использующих КПЭ для поверхностною упрочнения, обусловлена также достигнутым уровнем развития оборудования для их реализации.
Среди различных способов обработки КПЭ для целей легирования особый интерес вызывают плазменные способы. Это связано с тем, что в ряде случаев само плазмообразующее вещество, например азот, может использоваться для легирования. Важной особенностью импульсной плазменной обработки поверхности является возможность изменять поглощаемую плотность мощности в
5
широких пределах. Для этого, как правило, используются емкостные накопители энергии, при разряде которых на плазмообразующее вещество определенной массы, энергия переносится на облучаемую поверхность. В отличие от лазерных источников энергии плазменные потоки и струи позволяют проводить об-работку больших площадей (в некоторых случаях ~ 10-100 см“) за один импульс. Взаимодействие плазмы с поверхностью в импульсном режиме сопровождается не только высокими значениями поглощаемой плотности мощности,
но и давления па поверхность. В результате облучаемая поверхность нагревает-
0
ся выше температуры плавления, формируется зона оплавления, которая насыщается легирующими элементами (как компонентами плазмы, так и материалом предварительно нанесенных покрытий). После окончания импульса зона оплавления и легирования охлаждается с высокой скоростью, поэтому в ней формируются закалочные структуры.
Анализ различных способов, импульсной плазменной модификации поверхности материалов показывает, что интерес к их разработке был и остается высоким. Актуальность этих исследований заключается, прежде всего, в том, что применение каждого из них ограничивается решением лишь определенного круга задач. Это стимулирует разработки новых альтернативных способов, дополняющих и расширяющих возможности друг друга. Один из таких конструктивно простых способов, получивший развитие в последнее десятилетие, состоит в легировании поверхности импульсными плазменными струями, формируемыми при электрическом взрыве проводников. Так же как и при других аналогичных способах обработки, электровзрывное легирование (ЭВЛ) проводится с оплавлением поверхности, а распределение легирующих элементов но глубине осуществляется конвективными процессами. Важная особенность ЭВЛ заключается в том, что источником легирующих элементов является сама многофазная струя продуктов взрыва, а результаты определяются совместным действием теплового, силового и химического факторов воздействия на поверхность. Одновременное протекание при ЭВЛ ряда
6
взаимосвязанных процессов, определяющих формирование новых структурнофазовых состояний и свойств поверхностных слоев, ставят проблему полномасштабного определения его возможностей и управления его результатами, разработки специализированного оборудования с высоким уровнем механизации и автоматизации процесса.
Самостоятельный интерес представляет определение возможных областей использования ЭВЛ, которые ограничиваются в частности тем, что оно проводится с оплавлением поверхности и сопровождается формированием на ней высокоразвитого рельефа. Улучшение качества поверхности после ЭВЛ эффективно достигается при дополнительной электронно-пучковой обработке (ЭПО). Импульсные плазменные струи, используемые для ЭВЛ, и импульсные сильноточные электронные пучки, формируемые на установке, разработанной в Институте сильноточной электроники СО РАН «Соло», хорошо сочетаются друг с другом. Они имеют сопоставимые значения времени импульса, диаметра облучаемой поверхности, интенсивности воздействия, глубины зоны воздействия. Вместе с тем, ЭПО не оказывает значительного давления на поверхность. Приводя к ее оплавлению, она под действием капиллярных и других сил выглаживает рельеф.
Интерес к комбинированной обработке, сочетающей ЭВЛ и последующее элекгрон но-пучковое воздействие, обусловлен также тем, что она должна приводить, не только к выравниванию рельефа поверхности, но и к изменению структурно-фазовых состояний и свойств поверхностных слоев. Изучению этих изменений посвящены работы [2-8], выполненные па углеродистой стали 45, подвергнутой различным* видам ЭВЛ и последующей ЭПО. В них показана перспективность дальнейших исследований в этом новом направлении научных исследований и практических разработок. В частности показано, что такая обработка позволяет уменьшить шероховатость поверхности ЭВЛ и обеспечить при этом уровень микротвердости до семи раз более высоким, чем у стали с феррито-перлитной структурой в исходном состоянии.
Вместе с тем, работы, выполненные в настоящее время по изучению результатов совместного использования ЭВЛ и ЭПО, еще не позволяют выработать развитые модельных представления о процессах и механизмах упрочнения.
Целью настоящей работы было установление закономерностей формирования структурно-фазовых состояний и повышения микротвердости и износостойкости поверхностных слоев титановых сплавов ВТ1-0 и ВТ20 при комбинированной обработке.
Для достижения поставленной цели решены следующие основные задачи:
1)разработаиы способы науглероживания, алитирования, бороалитирования поверхности титана с использованием комбинированной обработки;
2) установлено влияние электронно-пучковой обработки на рельеф упрочняемой поверхности;
3) установлены особенности- структурно-фазовых состояний зоны комбинированного упрочнения;
4) определены распределение микротвердости по глубине зоны комбинированной обработки и износостойкость поверхности.
В результате выполнения работы были получены следующие результаты, характеризующиеся научной новизной:
1)показано, что ЭПО поверхности электровзрывного науглероживания, алитирования и бороалитирования приводит к выглаживанию рельефа, залечиванию микротрещин и микропор;
2)выявлено, что по глубине зоны комбинированного воздействия распола^ются три слоя, закономерно связанные друг с другом: поверхностный слой, граница которого определяется глубиной ЭПО; промежуточный слой с измененным фазовым составом, вызванным ЭВЛ; слой термического влияния, в котором упрочнение достигается вследствие структурно-фазовых изменений
8
основы сплава. Общая глубина зоны воздействия при науглероживании составляет 70, алитировании - 60, а при бороалитировании - 90 мкм;
3)установлено, что упрочнение достигается вследствие формирования многофазной структуры, содержащей нано- и субм икрокристаллические частицы карбидов титана, интерметалл идо в системы титан-алюминий, а при бороалитировании - также бориды алюминия и титана различной морфологии.
Практическая значимость выполненных исследований заключается в том, что они позволили определить режимы комбинированной обработки технически чистого титана, приводящие к кратному повышению функциональных свойств. Установлено, что износостойкость в условиях сухого трения скольжения после электровзрывного науглероживания и последующего вакуумного отжига увеличивается в 2,6 и 10 раз, соответственно, микротвердость поверхности науглероживания возрастает в 12 раз, алитирования - в 3 раза. ГГосле бороалитирования микротвердость возрастает в 5 раз. Результаты работы позволяют рекомендовать способ комбинированной обработки поверхности титана для практического использования.
Апробация результатов исследования. Результаты диссертации представлялись на следующих научных мероприятиях: Всероссийской научно-
практической'конференции «Металлургия: новые технологии, управление, инновации и качество», Новокузнецк, 2008; V и VI Международной конференции, посвященной памяти акад. Г.В. Курдюмова, Черноголовка, 2008, 2010; IX и X Международной научно-технической Уральской школе-семинаре мсталлове-дов-молодых ученых «Фазовые превращения и прочность кристаллов», Екатеринбург, 2008, 2009; Всероссийской научно-технической конференции «Научное наследие И.П. Бардина», Новокузнецк, 2008; Пятнадцатой Всероссийской научной конференции студентов-физиков и молодых учёных, Кемерово-Томск, 2009; II и III Международном российско-китайском семинаре «Влияние электромагнитных полей на структуру и характеристики материалов», Москва, 2009, Шеньжень, 2010; Седьмой международной научно-практической конфс-
9
ренции «Исследование, разработки и применение высоких технологий в промышленности» (Высокие технологии, фундаментальные исследования, образование), С.-Пб., 2009; XVII Международной конференции «Физика прочности и пластичности», Самара, 2009; IV Российской научно-технической конференции «Ресурс и диагностика материалов и конструкций», Екатеринбург, 2009; Всероссийской Байкальской конференции студентов, аспирантов и молодых ученых по наноструктурным материалам, Иркутск, 2009; Международной конференции по физической мезомеханике, компьютерному конструированию и разработке новых материалов, Томск, 2009; Бсрнштейновских чтениях по тсрмо-механической обработке металлических материалов, Москва, 2009; XIX Петербургских чтениях по проблемам прочности, посвященных 130-летию академика АН УССР H.H. Давиденкова, С.-Пб., 2010, V Евразийской научно-практической конференции «Прочность неоднородных структур», Москва, 2010; 50 Международном научном симпозиуме «Актуальные проблемы прочности», Витебск; 2010; Открытой школе-конференции стран СНГ «Ультрамелкозернистые и наноструктурные материалы», Уфа, 2010; Х111 Республиканской конференции «Физика конденсированного состояния», Гродно, 2011; XIV Международного семинара «Структурные основы модифицирования материалов», Обнинск, 2011.
Публикации. Всего по теме диссертации опубликовано 42 работы, в том числе 1 коллективная монография, 17 статей, из них 8 входят в перечень, рекомендованный ВАК для публикации результатов диссертационных исследований, 6 докладов, тезисы 22 докладов на конференциях и других научных мероприятиях.
Основные положения, выносимые на защиту.
1. Способы комбинированной упрочняющей обработки титановых сплавов ВТ1-0 и ВТ20, сочетающие элсктровзрывное науглероживание, алити-рование и бороалитирование поверхности и последующее ее переплавление при электронно-пучковом воздействии.
2. Совокупность экспериментальных данных о структуре поверхности обработки, строении по глубине зоны комбинированного воздействия, ее структурно-фазовых состояниях и свойствах.
3. Модельные представления о процессах формирования структурнофазовых состояний и свойств поверхностных слоев технического титана при комбинированной обработке.
Краткое описание структуры диссертационной работы. Диссертация включает в себя введение, 5 разделов, заключение и приложение, изложена на 150 страницах машинописного текста, содержит 74 рисунка, список литературы состоит из 163 наименований, главы и заключение.
Во введении обоснована актуальность проблемы диссертации, сформулированы цель и задачи исследования, научная новизна и практическая значимость работы, дан обзор содержания диссертации, перечислены положения, выносимые на защиту.
1-й раздел посвящен анализу литературных данных в области научных исследований и практических разработок с целью упрочнения и защиты металлов поверхностным легированием с использованием импульсных плазменных потоков и струй. Основное внимание уделено одно- и двухкомпонентному ЭВЛ и ЭПО поверхности металлов и сплавов, использующих плазменные ускорители с коаксиально-торцевой системой электродов и низкоэнергетические сильноточные электронные пучки соответственно. Рассмотрены основные технологические и физические особенности обоих способов обработки. Показаны возможности и обоснована перспективность их совместного использования. В конце главы сформулированы цель и задачи исследования, раскрыта его научная значимость.
Во 2-м разделе описано оборудование, используемое для осуществления комбинированной обработки. Обоснован выбор технического титана для проведения исследований науглероживания, алитирования и бороалитирования
как способов ЭВЛ. Описаны методики металлографических исследований структурно-фазовых состояний поверхностных слоев после обработки и определения их микротвердости и износостойкости.
В 3-м разделе представлены результаты исследования науглероживания и последующего вакуумного отжига и ЭПО на формирование структурнофазовых состояний и свойств поверхностных слоев технически чистого титана ВТ 1-0 и титанового сплава ВТ20.
В 4-м и 5-м разделах представлены полученные методами определения микротвердости и электронной сканирующей и просвечивающей дифракционной микроскопии тонких фольг результаты исследования влияния ЭПО на зону электровзрывного алитирования и бороалитирования титана соответственно. Проведено сравнение и обсуждение результатов. Высказаны модельные представления о механизмах формирования структуры и свойств поверхностных слоев при комбинированной обработке.
Основная содержание диссертации является обобщением ряда докладов, представленных на конференциях, семинарах и других научных мероприятиях и опубликована в различных изданиях в 2008-2011 гг. [9-24]. В разделе 1 использованы материалы работ [9, 24], раздел 3 написан по материалам работы [10], в разделы 4 и 5 вошли материалы публикаций [11-24].
12
I
1 УПРОЧНЕНИЕ ПОВЕРХНОСТИ МЕТАЛЛОВ И СПЛАВОВ С ИСГТОЛКОВАНИЕМ КОНЦЕНТРИРОВАННЫХ ПОТОКОВ ЭНЕРГИИ
1.1 Упрочнение металлов и сплавов легированием поверхности с использованием плазменной и электронной обработки
1.1.1 Импульсные плазменные способы упрочнения поверхности металлов и сплавов
Химико-термическая обработка (поверхностное легирование) металлов и сплавов с применением КПЭ в настоящее время сложилась в самостоятельную область научных исследований и прикладных работ, имеющую большое значение для современного металловедения [25-34]. Импульсные плазменные способы поверхностной термической и химико-термической обработки можно разделить на две группы. Одни для получения плазмы используют взрывчатые вещества и сжатые газовые смеси, сконцентрированные в замкнутом объеме ударных труб многократного использования и специальных камер, другие -разряд емкостных накопителей энергии через плазмообразующие среды. Для обеих групп характерно, прежде всего, совместное кратковременное (от 10 6 до 10 1 с) воздействие на упрочняемую поверхность высоких температур (103...104 К) и давлений (до 109 Па). В результате обработки происходит внесение в образующийся на поверхности расплав сильно диссоциирующих продуктов взрыва, элементов плазмообразующей среды, конденсированных частиц материалов электродов или порошков, специально вводимых в область взрыва или разряда.
Разработка и использование способов первой группы представляет в основном научный интерес, так как их практическое использование связано с рядом технологических и экономических трудностей. Для практических же применений более перспективными являются способы обработки второй группы.
13
- Київ+380960830922