Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Композиционные материалы и покрытия системы Al SiC 8
1.1. Общие сведения 8
1.2. Методы получения композиционных покрытий системы Al-SiC 12
1.3. Особенности взаимодействия между расплавом Al и частицами SiC 13
1.4. Выводы по главе 1 и постановка задач исследования 19
Глава 2. Материалы, оборудование и методы проведения исследований 21
2.1. Состав основного материала и керамических частиц 21
2.2. Материалы связующих веществ, используемые при создании шликерных покрытий 23
2.3. Экспериментальная установка 25
2.4. Методы исследования структуры и свойств композиционных покрытий 30
2.5. Измерение скорости движения порошковых частиц 36
2.6. Измерение температуры подогрева на поверхности подложки 37
2.7. Измерение толщины шликерного слоя 39
2.8. Выводы по главе 2 40
Глава 3. Исследование особенностей получения композиционных покрытий системы AL-SIC методом оплавления шликерного слоя лазерным излучением 41
3.1. Выбор связующих веществ при создании шликерных покрытий 42 Стр.
3.2. Эксперименты по оплавлению шликерных покрытий на основе связующего из поливинилового спирта и частиц SiC 47
3.3. Выводы по главе 3 57
Глава 4. Разработка расчетной методики изучения тепловых процессов при лазерном нанесении покрытий на алюминиевые сплавы 58
4.1. Физическая постановка задачи 59
4.2. Математическая постановка задачи 60
4.3. Построение разностной схемы 61
4.4. Результаты расчетов 66
4.5. Выводы по главе 4 71
Глава 5. Особенности лазерной инжекции частиц sic в расплав алюминия 72
5.1. Эксперименты по лазерной инжекции керамических частиц в расплав 73
5.2. Моделирование процесса проникновения частиц SiC в поверхность алюминия при лазерной инжекции 78
5.3. Технология инжекции частиц SiC в поверхность алюминия с подогревом подложки 91
5.4. Трибологические испытания модифицированных покрытий 99
Общие выводы 105
Список литературы
- Методы получения композиционных покрытий системы Al-SiC
- Измерение скорости движения порошковых частиц
- Эксперименты по оплавлению шликерных покрытий на основе связующего из поливинилового спирта и частиц SiC
- Построение разностной схемы
Методы получения композиционных покрытий системы Al-SiC
В настоящее время для нанесения композиционных покрытий существует несколько технологических методов, таких как: дуговая наплавка [15, 70], плазменное напыление [17, 18], сварка взрывом [15, 16].
Разнообразие методов нанесения покрытий связано с невозможностью удовлетворить одновременно большому количеству требований, связанных с условиями эксплуатации поверхностей, технологией нанесения покрытий и экономичностью.
Одним из основных вопросов при получении покрытий является снижение тепловложения при формировании поверхностного слоя. Одним из путей явилось создание технологии плазменного напыления. Однако, технологии напыления характеризуются слабой адгезией покрытий с подложкой, когезионной прочностью, а также пористостью. Причиной этого является отсутствие при напылении единой жидкой ванны.
Традиционные способы наплавки характеризуются простотой, технологичностью и доступностью оборудования. Однако эти методы связаны со значительным перегревом металла при образовании металлургической связи с подложкой. Основным недостатком является существенное проплавление основы и перемешивание наплавляемого материала с основным металлом. Таким образом, дальнейшее повышение эксплуатационных свойств покрытий во многом связано с разрешением противоречия между необходимостью создавать эти покрытия при существовании единой жидкой ванны основного и присадочного металлов - с одной стороны, и необходимостью минимизировать перегрев этой ванны - с другой. Использование дуговых методов для нанесения композиционных покрытий ограничено. Это связано с необходимостью создания специальных присадочных прутков из композиционного материала [15].
Использование высококонцентрированных источников тепла, таких как электронный и лазерный лучи, для преодоления указанного противоречия является одним из эффективных и простых решений. Применение лазерных технологий для получения покрытий началось еще в 80-е годы прошлого века [19, 20, 21]. Но и в настоящее время идет развитие лазерных технологий применительно к вопросам создания защитных композиционных покрытий [69] и материалов [71], а также модифицировании лазерным излучением поверхности алюминиевых сплавов [22, 23, 24, 25]. В основном эти работы выполнялись зарубежными исследователями и имеют ограниченность предоставленных сведений. Поэтому для того, чтобы полностью разобраться в вопросе создания композиционных покрытий системы Al-SiC с применением лазерных технологий, необходимо провести ряд дополнительных исследований.
В работе [26] на алюминиевую подложку из сплава АА6061 предварительно наносилось покрытие, содержащее частицы SiC. По данной технологии на поверхности алюминиевых образцов получили композиционное покрытие. В результате износостойкость образцов с композиционным покрытием значительно увеличилась по сравнению с основным сплавом. Размер частиц SiC для получения удовлетворительных результатов должен быть 45 мкм и меньше.
В процессе обработки композиционных материалов с алюминиевой матрицей, армированной частицами SiC, возникает проблема развития процессов химического взаимодействия частиц упрочнителя и расплавом матрицы.
Для дисперсно-упрочнённых композиционных материалов системы Аl-SiC является характерным протекание химической реакции между расплавом алюминиевой матрицы и частицами карбидами кремния с образованием карбидов алюминия [27, 28-32]. Из работ [27, 28, 29, 30] известно, что взаимодействие между расплавом алюминия и частицами карбида кремния начинается при температуре 923 К. При значениях температур ниже 923 К взаимодействие не происходит даже при длительном времени нахождения в расплаве. На Рисунке 1.4а показана микроструктура образца, содержащего 40% SiC с размером менее 50 мкм, нагретого до температуры 840 К и выдержанного в течение 1200 часов [28]. На фотографии структуры отсутствуют продукты взаимодействия и наблюдается скольная огранка частиц карбида кремния.
В интервале температур 923-1620 К можно наблюдать взаимодействие при нахождении в расплаве в течение 0,1-2 часов. В данном диапазоне температур образуется карбид алюминия Al4C3 и выделяется чистый кремниий по следующей химической реакции:
Согласно работам [27, 28, 29] данная реакция протекает достаточно быстро. В образце, выдержанном в течение 5 мин при температуре 1150 К можно наблюдать образование карбида алюминия Al4C3. На Рисунке 1.4б показана микроструктура образца. Карбид алюминия Al4C3 выделяется на поверхности частиц SiC в форме тёмных кристаллов. Неравномерность распределения Al4C3 по поверхности приводит к нарушению скольной огранки частиц карбида кремния. Основной металл сплава представляет из себя доэвтектический сплав Al – Si.
Количество карбидов алюминия Al4C3 и Si напрямую зависит от температуры расплава и времени выдержки. На Рисунке 1.4в показана микроструктура образца, выдержанного в течение 1 часа при температуре 1270 К. В результате взаимодействия материал матрицы насыщается кремнием и материала матрицы кремнием и имеет вид заэвтектического сплава Al – Si. Размеры кристаллов Al4C3 увеличиваются и объединяются вокруг частиц карбида кремния.
Измерение скорости движения порошковых частиц
Полиэфирные ненасыщенные смолы являются продуктами взаимодействия реакционноспособных полимеров и мономеров. При комнатной температуре жидкие смолы стабильны в течение многих месяцев и даже лет, но при добавлении перекисного инициатора затвердевают за несколько минут. Отверждение происходит в результате реакции присоединения и превращения двойных связей в простые; при этом не образуется никаких побочных продуктов. В качестве присоединяющегося мономера чаще всего используют стирол. Он взаимодействует с реакционноспособными двойными связями полимерных цепей, сшивая их в прочную трехмерную структуру. Реакция протекает с выделением теплоты, которая способствует более полному и интенсивному протеканию процесса отверждения. При отверждении смолы в реакцию обычно вступает около 90 % имеющихся в полимере двойных связей [39]. В работе использовалась ненасыщенная изофталиевая неопентильгликолиевая полиэфирная смола В71731AL производства фирмы «Cray Valley». В качестве катализатора отверждения смолы использовался пероксид метилэтилкетона. Катализатор добавлялся в количестве 1% от массы смолы. Основные свойства: - плотность – 1600-1700 кг/м3; - условная вязкость по ВЗ-246 – 40-70 с.
Поливиниловый спирт – это искусственный водорастворимый синтетический термопластичный полимер. Пленкообразующие, эмульгирующие и склеивающие свойства поливинилового спирта позволяют использовать его в различных отраслях и сферах. Поливиниловый спирт устойчив к воздействию масел, жиров и растворителей. Он не имеет запаха и нетоксичен, имеет высокую прочность на растяжение и гибкость, а также обладает высоким содержанием кислорода. Однако, эти свойства поливинилового спирта находятся в прямой зависимости от влажности, при повышении которой он впитывает воду. Вода, которая действует как пластификатор, уменьшает прочность поливинилового спирта. Он полностью распадается и быстро растворяется в ней [40].
Основные свойства поливинилового спирта [41]: - плотность - от 1190 до 1310 кг/м3; - температура плавления - 200 0С; - температура кипения - 228 0С. Для подготовки раствора поливинилового спирта необходимо взять 30 г. вещества (белый порошок ПВС) и залить 500 мл воды. Подождать 15-20 мин чтобы порошок смог немного набухнуть. Затем на паровой бане постоянно помешивая довести раствор до прозрачного вязкого состояния. При наличии в растворе каких-либо механических примесей отфильтровать полученный раствор.
Данный стенд представляет собой полностью автоматизированную систему, управление которой происходит от ЧПУ промышленного робота ABB IRB 2400 (Рисунок 2.1). Использование промышленного робота позволяет обрабатывать практически любое изделие со сложной пространственной конфигурацией. Технические характеристики промышленного робота приведены в Таблице 4.
Вес, кг 280 В качестве источника лазерного излучения использовался современный волоконный лазер (Рисунок 2.2), который имеет высокое качество излучения, высокий КПД, а также возможность доставки излучения по гибкому оптическому световоду на большие расстояния без потери качества. Также данный лазер имеет открытую систему управления, что позволяет без особых проблем встраивать его в производственные линии, а также создавать технологические комплексы на его основе. Оптические характеристики лазера приведены в
Порошок из бункера через калиброванное отверстие ссыпается на вращающийся диск. С диска порошок собирается скребком и за счет избыточного давления транспортирующего газа поступает в порошковый шланг и транспортируется непосредственно в зону обработки. В бункере установлен миксер с электроприводом, обеспечивающий равномерную подачу порошка на диск. От скорости вращения диска зависит количество транспортируемого порошка. Регулировка оборотов диска осуществляется встроенным контроллером.
Трибологические испытания проводили на образцах с модифицированной поверхностью, в которую внедрялись частицы карбида кремния. Трибологические испытания материалов проводят в соответствии с требованиями эксплуатации деталей. Они представляют собой комплексную оценку антифрикционных, противоизносных и противозадирных свойств, а также изменения их функционального поведения в процессе работы. Такие испытания проводятся либо в лабораторных условиях на испытательных образцах с простой геометрической формой (пластина, цилиндр, сфера и т.д.), либо на специальных установках и опытных стендах, образцы для которых представляют собой серийные детали [43].
Общий состав типовой машины трения включает в себя следующие узлы: привод, устройство для закрепления исследуемых образцов, устройство нагружения, устройство контроля выходных параметров, а также ряд вспомогательных устройств, обеспечивающих особые условия проведения испытаний [43].
Для проведения трибологических испытаний проводили на установке МТУ-01 (ТУ 4271-001-29034600-2004) в условиях сухого трения скольжения.
На Рисунке 2.8 показана схема трибологических испытаний. По поверхности неподвижного диска с нанесенным модифицированным слоем скользит торец вращающейся втулки, которая выступает в роли контртела. Материал втулки - сталь 40Х с твердостью HRC 45. Рисунок 2.8. Схема трибологических испытаний на машине трения МТУ-01
Для измерения скорости движения частиц использовалась высокоскоростная камера Fastvideo-500М (Рисунок 2.9). Скоростная камера модели Fastvideo-500M сделана на базе 10-битной высокочувствительной монохромной КМОП-матрицы формата 1,43" с разрешением 1280 х 1024 и прогрессивной развёрткой. Камера позволяет регистрировать видео сигнал с частотой до 500 кадров в секунду при максимальном разрешении. При уменьшении количества строк и их длины возможно пропорциональное повышение частоты сканирования: для области размером 624 х 480 можно получить 2000 кадров в секунду, а для области 240 х 180 получаем до 10000 кадров в секунду. Стандартное программное обеспечение Fastvideo Lab позволяет управлять основными параметрами скоростной камеры, а также настройками для проведения съёмки. Полученные изображения могут сохраняться на диск компьютера в формате BMP или вся серия может быть записана в виде AVI-файла. Программное обеспечение позволяет осуществлять как непрерывный просмотр серии кадров с заданной скоростью, так и покадровый просмотр.
В эксперименте использовался порошок карбида кремния SiC с размером частиц 80-100 мкм. Для того, чтобы можно было различить отдельные треки эксперименты проводились с минимально возможным расходом порошка 0,89 г/мин.
Для измерения скорости движения частиц была произведена съемка потока частиц порошка с помощью высокоскоростной камеры. На кадрах фиксировались отдельные треки (Рисунок 2.10), измерялась их длина. При известном времени экспозиции вычислялась скорость движения частицы. В нашем случае съемка велась при следующих параметрах: скорость записи 534 кадра в секунду, время выдержки 1862 мкс.
Эксперименты по оплавлению шликерных покрытий на основе связующего из поливинилового спирта и частиц SiC
Метод лазерной инжекции является потенциальной технологией получения металл-матричного композиционного слоя на поверхности металлических деталей.
Получению SiC/Al металл-матричного композиционного слоя на поверхности материалов посвящено ряд исследований. Наиболее широко изучены технологии порошковой металлургии [57], литейные методы [58] и технологии напыления [59]. Все эти методы подходят для производства композиционных материалов, но не подходят для получения металл-матричного композиционных покрытий на поверхности алюминиевых сплавов. Так как во многих случаях эффективно или даже желательно иметь упрочненную только поверхность детали. Поэтому имеет смысл исследовать технологии, которые позволяют создать на поверхности алюминиевых сплавов металл-матричный композиционный слой. В этой области исследований выполнено меньше работ по получению SiC/Al слоя и также существует проблема по созданию точного воспроизводимого слоя на поверхности алюминиевых сплавов. В данной главе будет проведено исследование использования высокомощных волоконных лазеров для получения SiC/Al металл-матричного композиционного слоя.
Лазерная обработка алюминиевых сплавов сталкивается с определенными проблемами [60]. Алюминий имеет очень низкое поглощение лазерного излучения. Для длины волны излучения, генерируемого волоконным лазером (=1,07 мкм) коэффициент отражения алюминия составляет 90 % [61]. Поэтому для создания расплава необходима высокая плотность энергии лазерного луча. Второй проблемой является образование окисной пленки на поверхности алюминия. Этот окисный слой на расплавленном алюминии оказывает существенное влияние на характер смачивания керамических частиц жидким алюминием [62]. Обычно окисный слой выступает как энергетический барьер для частиц при проникновении в ванну расплава. Например, при низких температурах (660-850 0С) контактный угол между частицами SiC и расплавом алюминия, который определяется поверхностным натяжением, составляет 1300 (не смачиваемый характер), в то время как при более высоких температурах ( 1100 0C), контактный угол уменьшается до 500 (режим смачивания). Эти различия сказываются на процессе лазерной инжекции в расплав.
Нами изучен процесс получения SiC/Al металл-матричного композиционного слоя на поверхности алюминия при соответствующих параметрах обработки. В дальнейшем процесс инжекции обсуждается, используя теоретический анализ проникновения твердых частиц в жидкости, учитывая роль окисного слоя на поверхности алюминия.
Частицы SiC размером 80 мкм вводились в поверхность алюминиевых пластин размером 100х40х5 мм под воздействием излучения волоконного лазера. В качестве материала подложки был использован сплав АМг6.
Соответствующая схема процесса показана на Рисунке 5.1. В процессе экспериментов, лазерный луч был расфокусирован, в результате чего на поверхности подложки диаметр пятна составлял 3 мм. Для защиты оптики, а также для уменьшения окисления образца использовался защитный газ аргон. Частицы SiC вводились в ванну расплава под углом 350 по отношению к нормали от поверхности образца. Этот угол является наиболее рациональным. При приближении к нормали возможно увеличить вертикальную составляющую скорости и тем самым увеличить кинетическую энергию частиц, но это сложно реализовать из-за конструкции технологической головки. При дальнейшем увеличении угла, вертикальная составляющая скорости уменьшается, и частицы практически не проникают в ванну расплава.
Важным является направление подачи частиц порошка. Возможна подача частиц порошка перед лазерным лучом или в «хвост» ванны за лучом. Из-за теплофизических свойств алюминиевых сплавов кристаллизация происходит достаточно быстро и «хвост» сварочной ванны имеет небольшие размеры. Поэтому частицы порошка не успевают проникнуть в расплав. Таким образом, использовалось направление подачи порошка перед лазерным лучом, при котором частицы попадают практически в центр ванны расплава.
Построение разностной схемы
Чрезвычайно узкую область режимов обработки можно объяснить большим различием в поглощательной способности лазерного излучения алюминия и SiC с одной стороны и окисным слоем на алюминии, с другой стороны. Для создания ванны расплава необходимо ввести большое количество энергии, но в тоже время это будет нагревать сильно частицы, когда они проходят через лазерный луч, из-за высокой поглощательной способности. Это разрушает частицы и приводит к нежелательному образованию карбида Al4C3 [58, 25], который может негативно повлиять на механические свойства покрытия. Предварительный подогрев подложки сделает процесс намного более эффективным, потому что взаимодействие между лазерным излучением и подложкой увеличивается с увеличением температуры. Особенно когда алюминий находится в расплавленном состоянии, поглощательная способность сильно возрастает.
Хотя эти соображения объясняют то, что, используя такое же количество энергии, температура ванны расплава значительно выше температуры подогрева подложки, трудно поверить, что это делает подогрев важнейшим параметром процесса лазерной инжекции. Почему небольшие изменения температуры подогрева сильно влияют на высокомощный процесс? Чтобы это объяснить мы сфокусируемся на второй проблеме: окисный слой.
Чтобы получить общее представление о поведении окисного слоя во время процесса, были получены лазерные треки при таких же параметрах обработки, но без подачи порошка. Поверхность такого трека представляет собой две различные области. В центре наблюдается блестящая полоса шириной около 1.1 мм, в то время как с обеих сторон наоборот матовые полосы шириной 0.2 мм. Граница между этими областями достаточно резкая. Макроснимок показан на Рисунке 5.22. Рисунок 5.22. Макроснимок лазерного трека, полученный без внедрения порошка
В центральной области лазерного трека около 50-55 % поверхности покрыто толстым окисным слоем. С другой стороны, 80 % поверхности покрыто на краю ванны расплава.
В центральной области, открытые области покрыты окисной пленкой толщиной 3 нм. На боковых сторонах, открытые области покрыты окисным слоем толщиной приблизительно 20 нм и пористые области покрыты окисным слоем толщиной около 125 нм.
В первом приближении можно допустить, что слой толщиной 3 нм не оказывает существенного влияния на процесс взаимодействия. Такой слой обычно всегда присутствует на поверхности твердого алюминия [69]. В добавлении к этому, доля свободных областей может быть выше во время процесса лазерной обработки. В своей работе [62] Kaptay изучил поведение окисного слоя, как функцию от температуры. Окисный слой присутствует на поверхности расплава до температуры 850 0С. Выше этой температуры, протекают химические реакции между Al и оксидами, которые приводят к образованию газообразных оксидов. Поэтому, оксиды постепенно исчезают с поверхности алюминия с увеличением температуры. При температуре около 1100 0С оксиды полностью растворяются.
Аналогичный переход от не смачиваемого к смачиваемому характеру взаимодействия, который был отмечен в введении главы 5, переход от окисленной к не окисленной поверхности имеет место в относительно узкой температурной области (800-1000 0С). Это объясняет тот факт, что на краях ванны расплава больше окисный слой, так как температура на краях ванны расплава меньше в процессе лазерной обработки. Различие в окислении центральной и боковых частей поверхности ванны расплава сказывается на проникновении частиц SiC в расплав во время процесса лазерной инжекции. В центральной области, где поверхность менее окислена, частицы проникают больше, чем на краях ванны, где большая часть поверхности покрыта окисным слоем. Это указывает на то, что окисный слой на поверхности алюминиевого расплава препятствует проникновению частиц SiC в алюминий в процессе лазерной инжекции.
Испытанию на трение и износ подвергали образцы, полученные в результате лазерной инжекции частиц SiC. Контртело было изготовлено из стали 40 (HRC 45). Нагружение проводилось в два этапа. На первом этапе проводили трибонагружение при минимальной удельной нагрузке и минимальной скорости скольжения. Длительность составила 15 мин. Данный этап считался приработочным. Следующие этапы проводили при длительности 10 мин. По величине коэффициента трения и условиям перехода в задир оценивали поведение образцов при сухом трении скольжения. С помощью формулы (2.3) рассчитывали значения коэффициентов трения по величине момента. Для того, чтобы определить износостойкость образцов производили их взвешивание до, и после испытания при одинаковых параметрах.