Содержание к диссертации
Введение
1. Обзор литературы по проблеме нагрева токопроводящих материалов плазмой в электролите 8
1.1 Зажигание разряда в электролите 8
1.2 Проблема формирования магнитных свойств материалов 12
1.3 Диффузия элементов и формирование структуры материалов в процессе их нагрева 15
1.4 Очистка поверхности методом нагрева плазмой в электролите. 25
1.5 Постановка задачи 27
2. Процессы нагрева плазмой в электролите и методики эксперимента 30
2.1 Плазма в электролите и процессы нагрева в ней токопроводящих материалов 30
2.1.1 Экспериментальная установка 30
2.1.2 Режим электролизных процессов 32
2.1.3. Теплофизическая модель 37
2.1.4 Режим пузырькового кипения. 41
2.1.5 Режим перехода к пленочному кипению 47
2.1.6 Режим устойчивого пленочного кипения 56
2.1.7 Температура катода 61
2.2 Методики эксперимента 67
2.2.1 Методика нагрева токопроводящих материалов плазмой в электролите 67
2.2.2 Методы исследования фазовых и структурных изменений токопроводящих материалов 71
3. Исследования физических свойств ферромагнитных материалов при нагреве их плазмой в электролите 88
3.1.1 Магнитные свойства ферромагнитных материалов 88
3.2 Структурные изменения ферромагнитных материалов 98
3.3 Изменения механических свойств ферромагнитных материалов 106
3.4 Результаты исследований по очистке деталей ЭВП 107
3.5 Магнитоуправляемые контакты, созданные с использованием технологии нагрева плазмой в электролите 108
4. Исследования физических свойств титана при его нагреве плазмой в электролите 113
4.1. Структурные изменения титана 113
4.2 Диффузионные процессы при нагреве титана плазмой в электролите 118
Заключение 133
- Диффузия элементов и формирование структуры материалов в процессе их нагрева
- Методики эксперимента
- Структурные изменения ферромагнитных материалов
- Диффузионные процессы при нагреве титана плазмой в электролите
Введение к работе
Актуальность исследования. Изделия электронной техники требуют использования в них токопроводящих материалов с необходимыми физико-технологическими свойствами. Так производство магнито- управляемых контактов невозможно без применения железоникелевых сплавов со строго определенными магнитными характеристиками. Получение токопроводящих материалов с набором требуемых физико-технологических параметров является одной из важных проблем науки и техники.
Физические свойства токопроводящих материалов определяются их структурой, для формирования которой используется отжиг деталей в вакууме и водороде. Данные методы отличаются длительностью (до 6 ч.), энергоемкостью и небезопасностью. Способом, значительно сокращающим время и упрощающим технологию отжига материалов, является обработка деталей плазмой в электролите.
Высокие скорости изменения и легкость в регулировании тепловых режимов, локализация зоны нагрева и достижения температуры плавления, низкое удельное энергопотребление и неагрессивность рабочей среды обуславливают возможности газового разряда в электролите. Данный метод успешно применяется для сварки, резки, плавки и термообработки (закалки) металлов. Недостаточность теоретических и экспериментальных исследований сдерживают, однако, его широкое использование в технологиях, позволяющих ускоренно формировать необходимые физические свойства металлов.
Исследования, направленные на изучение возможностей нагрева материалов газоразрядной плазмой в электролите, позволяющего формировать необходимые физические свойства токопроводящих материалов, обуславливают их актуальность.
Цель диссертационной работы. Исследование и формирование токопроводящих материалов с требуемыми физическими свойствами под воздействием на них газового разряда в электролите.
В работе решаются следующие задачи;
- исследование процессов формирования газового разряда в электролите, установление условий нагрева катода и критериев повторяемости технологических режимов;
- исследование влияния газоразрядной плазмы в электролите на токопроводящие материалы с различным электронным строением, и определение механизмов, обеспечивающих формирование у материалов (титан и железоникелевые сплавы) требуемых физико-технологических параметров;
- исследование влияния газового разряда в электролите, на магнитные свойства ферромагнитных материалов и установление факторов, обеспечивающих достижение необходимых магнитных свойств у изделий различной формы;
- создание экспериментальной установки по нагреву токопроводящих материалов газоразрядной плазмой в электролите и методик, позволяющих осуществлять контроль за параметрами нагреваемых материалов.
Методы исследований. Применялись теоретические и экспериментальные методы исследований, включая рентгеноструктурный, спектральный, масс-спектральный, металлографический и оже-электронный анализы.
Научная новизна результатов диссертационной работы заключается в следующем:
1. Проанализированы процессы, приводящие к образованию газового разряда в электролите, и определены условия, обеспечивающие устойчивый нагрев металлов. Пробой газовой оболочки в условиях пленочного кипения и пульсации тока смоделированы эквивалентной электрической цепью, включающей систему параллельно соединенных емкостей и сопротивлений.
Устойчивое пленочное кипение в электролите сопровождается дуговым разрядом.
2. Проанализировано изменение физических свойств материалов с различным электронным строением (на примере титановых и железоникелевых сплавов) после нагрева их плазмой в электролите. Доказана применимость электронной теории сплавов к образованию твердых растворов внедрения в этих условиях эксперимента.
3. Исследован характер изменения магнитных свойств железоникелевых сплавов после нагрева их газоразрядной плазмой в электролите. Показано, что варьируя параметрами газоразрядной плазмы можно обеспечить формирование необходимых магнитных свойств и осуществить очистку их поверхности от органических загрязнений. Изменения магнитных свойств ферромагнитных материалов в результате нагрева их плазмой в электролите происходят только вследствие изменения структуры материала.
4. Под действием газового разряда в электролите ионы водорода проникают в кристаллическую решетку титана в свободном состоянии, а ионы кислорода- в связанном, в виде химического соединения титана с кислородом.
5. Установлена роль теплового гистерезиса, возникающего в условиях нагрева плазмой в электролите, при переходе пузырькового кипения в пленочное, в формировании структуры пермаллоя, обеспечивая ему минимальную коэрцитивную силу.
6. Показано, что нагрев титана газовым разрядом в электролите вследствие градиента температуры по сечению катода- образца в режиме устойчивого пленочного кипения приводит к образованию в его структуре двух слоев: внешнего пористого и внутреннего альфированного. Наблюдаемое увеличение диаметра образца титана и толщины пористого
слоя обусловлено ростом температуры его поверхности и процессом газового поглощения водорода этим слоем.
Научные положения, выносимые на защиту:
1. Достижение необходимых магнитных свойств ферромагнитных материалов под действием газового разряда в электролите определяется укрупнением, анизотропией по размерам и ориентацией (преимущественно к центру) кристаллических зерен микроструктуры без изменения фазового состава материала.
2. Под влиянием газоразрядной плазмы в электролите ионы водорода и кислорода адсорбируются на поверхности и проникают вглубь кристаллической структуры титана; водород остается при этом в свободном состоянии, а кислород в связанном, в виде химического соединения с титаном, образование которого сопровождается стабилизацией ГПУ- структуры СС - титана.
Достоверность выводов диссертации обусловлена:
- соответствием результатов, полученных с помощью дополняющих друг друга независимых методов экспериментального исследования; воспроизводимостью результатов экспериментов;
- соответствием между теоретическими и экспериментальными результатами.
Практическая ценность диссертационной работы:
1. Предложен метод магнитного отжига пермаллоя, заключающийся в его нагреве газовым разрядом в электролите, обеспечивающий одновременное протекание процессов магнитного отжига и очистки материала от загрязнений и позволяющий на порядок сократить время отжига.
2. Предложен метод получения порошка титана при его нагреве плазмой в электролите, который может быть использован при переработке титаносодержащих отходов в карбиды, бориды и нитриды титана.
Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы опубликованы в 11 работах и докладывались на Всероссийской научной конференции молодых учёных (Красноярск, 2003 г.), XIII Российской научной конференции «Проблемы теоретической и экспериментальной химии» (Екатеринбург 2003 г.), XIII Международной конференции по Радиационной физике твёрдого тела (Севастополь 2003 г.), II Международной научно-технической конференции «Материалы и технологии XXI века» (Пенза 2004 г.), Всероссийской научно- технической конференции «Новые материалы и технологии» (Москва 2004), 3-й Всероссийской научно-технической конференции «Быстрозакаленные материалы и покрытия» (Москва 2004).
Диффузия элементов и формирование структуры материалов в процессе их нагрева
При нагреве металлов и сплавов в электролите у поверхности катода устанавливается плёночное кипение. Теплоотдающая поверхность электрода оказывается полностью отделённой от кипящей поверхности жидкости сплошной паровой плёнкой. Под действием электрических разрядов, протекающих между электролитным и металлическим электродами, в насыщающей атмосфере парогазовой оболочки, образуются элементы в возбуждённом и ионизированном состоянии. Высокая температура нагрева катода обуславливает пиролиз водяных паров, органических и неорганических добавок, что так же приводит к переходу насыщающих газовую атмосферу элементов в активное состояние. Установлено, что физико-химическое взаимодействие диффундирующих элементов с насыщаемой поверхностью зависит от состояния элементов в насыщающей среде [45,46]. Поэтому состав электролита, температура катода, напряжение на электродах будут оказывать влияние как на химическую активность насыщающей поверхности, так и на диффузионное насыщение. Спектральные исследования излучения приэлектродной зоны активного электрода в режиме нагрева [47] показали наличие в спектрах излучения линий водорода, атомов компонентов электролита и материала катода. Так в 10% водном растворе хлористого аммония при температуре активного электрода 900С наблюдается около 60 линий в состав которых входят линии возбуждённых N1, Fe1, СІ1 и О1, а так же однократно ионизированных атомов NH, Fe11, СІ11 и О11 и линии Н2 и N2.
Вследствие высокой температуры нагрева катода, компоненты водного раствора, находясь в химически активном состоянии, из парогазовой оболочки адсорбируются на металлической поверхности. Протекающие при этом гетерогенные химические реакции в процессе изотермической выдержки приводят либо к образованию тонкой окисной плёнки на катоде, либо к нарастанию поверхностного слоя. Импульсно-дуговые разряды обуславливают эрозию катода и образование на его поверхности различных дефектов и дислокаций. Тем самым образуются места для предпочтительного протекания процессов адсорбции и химических реакций по сравнению с упорядоченной структурой [46]. При возникновении разряда в электролите создаются благоприятные условия для протекания диффузионных процессов на поверхности катода, которыми нужно управлять. Так для получения материалов с определёнными магнитными свойствами, необходимо, чтобы среда в которой проводится отжиг являлась бы с одной стороны безокислительной (отсутствовал кислород), с другой- восстановительной (присутствовал водород). В плазме разряда в электролите, помимо многих элементов, например азота входящего в состав воздуха, присутствуют всегда как кислород, так и водород. Т.е. среда с одной стороны окислительная, с другой восстановительная.
С точки зрения предсказания о влиянии электролитной плазмы на состав и свойства обрабатываемого материала важным является вопрос о том, какие элементы из плазмы разряда будут проникать в структуру материала, а какие нет. Классическая электронная теория сплавов [48-50] даёт следующие основные критерии растворимости легирующего элемента в металле: 1. Энергия ионизации последнего валентного электрона. Ее величиной определяется возможность коллективизации валентных электронов и образование катиона с устойчивой электронной оболочкой s , р6 или d10. Элемент не растворяется в металле, если потенциал ионизации его валентных электронов столь высок, что они размещаясь в решетке растворителя не могут перейти в зону проводимости. Ионизирующая способность решетки растворителя I р можно определить из выражения: JP=— (1.1), где К - число ионов растворителя, z -заряд ионов растворителя, г -радиус ионов растворителя. 2. Металлические диаметры легирующих элементов. Чем больше диаметр иона превышает размер «поры» в решётке металла растворителя, тем больше упругая деформация решётки и меньше растворимость. Растворимости способствует близость в пределах 15%. Поскольку «пора» металла растворителя устойчива и ион в ней отсутствует, нижний предел размеров для иона не ограничен. 3. Строение внешней оболочки металлических ионов. Растворы с плотными упаковками стабилизируют ионы со сферическими s-оболочками или не перекрывающимися p6-,d6- и d10- оболочками. Область твердых растворов на основе ОЦК-структур расширяется ионами с не перекрывающимися p6-,d6- и d10- оболочками. Рассмотрим возможность внедрения легкого элемента В в металл А . В случае образования твёрдого раствора внедрения атомы В будут занимать тетраэдрические либо октаэдрические поры между атомами А . В октаэдрической поре ГЦК-решётки, как и в случае гексакональной плотной упаковки, каждый атом В окружён шестью атомами
Методики эксперимента
Нагрев токопроводящих материалов осуществлялся на установке, схема которой приведена на Рис.2.1. Электролитно-плазменная обработка проводилась за счёт периодического нагрева и охлаждения поверхности катода при изменении электрического потенциала в слое плазмы, создаваемом между электролитом и катодом. Последовательность операций, обеспечивающих процесс нагревания катода, при прохождении тока в электролите является строго определенной: - между катодом и анодом подаётся напряжение; - катод погружается в электролит; - в цепи и электролите начинает протекать электрический ток, на катоде возникает электрический разряд. Выход на «рабочий режим» процесса нагрева образцов плазмой в электролите контролировался по виду осциллограммы тока. Обобщенная осциллограмма тока в «рабочем режиме» нагрева плазмой в электролите представлена на рис. 2.15. Для устранения пульсаций напряжения в цепь включался ёмкостной фильтр (С = 2000мкф). Емкость конденсатора определяется из соотношения [11]: С 0,25 (2.39) где а - коэффициент пульсаций, равный отношению амплитуды переменной /] к постоянной амплитуде U0 выпрямленного пульсирующего напряжения; а- изменяется от 0,05 до 0,2; f - частота пульсаций, равная для используемого выпрямителя 100 Гц; э- сопротивление эффективной нагрузки, определяемое как сумма полезного нагрузочного сопротивления RH, сопротивления автотрансформатора Rmp и внутреннего сопротивления выпрямительного элемента Rm.
Длительность обработки образца в электролите варьировалась в пределах от 0,5 секунд до 10 минут. Регулировка длительности производилась с помощью промышленного реле времени «Силуэт». При подаче электрического сигнала с реле рычаг опускал образец в электролит. В качестве электролитов использовались водные растворы NaHCCb с концентрациями 5% - 12%. Выбор этого электролита обусловлен его высокой электропроводностью, отсутствием нерастворимых продуктов при электролизе, доступностью и безвредностью. Основным видом нагрева, используемым в работе являлся концевой нагрев (рис. 2.16 а). Этот способ наиболее удобен при магнитном отжиге контакт деталей герконов. Основным его недостатком является затруднительность равномерного нагрева контакт-детали, имеющей сложную геометрическую форму. Толщина и проводимость образующейся вокруг образца газопаровой оболочки на различных участках неодинакова и изменяется с глубиной погружения, что связано с увеличение давления жидкости на газопаровую оболочку. С увеличением глубины погружения температура образца увеличивается и нагрев не получается однородным. Возможно оплавление конца контакт-детали, что делает ее не пригодной для дальнейшего использования. С целью устранения этого эффекта для контакт-деталей применялось экранирование его торца (рис. 2.16 б). Экран для обеспечения максимальной теплопередачи находился в контакте с образцом. В качестве экрана использовалась фарфоровая площадка. Для нагрева длинных цилиндрических образцов или проволоки использовался нагрев под слоем электролита (рис. 2.16 в). Это способ позволяет достигнуть значительной однородности нагрева, так как образец находится на одной и той же глубине, испытывая одинаковое давление жидкости, исключает разбрызгивание электролита и является более технологичным поскольку позволяет, автоматизировать нагрев протяжённых образцов (в частности проволоки), путём использования равномерно вращающихся катушек (рис.2.16 г).
Процесс нагрева в электролите включал в себя следующие этапы. Образец закреплялся в держателе системы погружения. На электроды подавалось напряжение 50... 150 В ( в зависимости от состава электролита, его температуры и размеров образца). Пропускался ток в течении времени, которое составляло от нескольких секунд для образцов из пермаллоя (материал: 52Н-ВИ), до нескольких минут для образцов из титана (мате-риал: ВТ1-00). После отключения питающего напряжения деталь вынималась из держателя. Охлаждение детали производилось как в электролите, так и на воздухе. При различных электрических, временных и температурных режимах и в электролитах разного состава обработано нескольких тысяч образцов. Для исследования результатов воздействия электролитной плазмы на исследуемые материалы (железоникелевые сплавы, титан) использовались методы рентгеновского, металлографического, Оже-электронного, спектрального и масс-спектрального анализов. Кроме того, для образцов производились измерения их магнитных и механических характеристик. 2.2.2 Методы исследования фазовых и структурных изменений токопроводящих материалов Для изучения фазового состава и определения периода решётки после нагрева образцов из титана и пермаллоя плазмой в электролите использовались методы рентгеновского анализа. Фазовый рентгеноструктурный анализ - неотъемлемая часть технологического контроля обработки материалов, поскольку именно фазовым составом вещества, определяются многие его физические свойства. В основе фазового анализа является тот факт, что каждая фаза имеет свою специфическую кристаллическую решётку с определёнными параметрами и ей на рентгенограмме соответствует своя система линий. Чувствительность фазового рентгеноструктурного анализа, как характеристика минимального количества фазы в смеси, достаточного, для надёжного ее определения, колеблется в широких пределах от десятых долей процента до нескольких весовых процентов. Так в смеси вольфрама (гранецентрированная кубическая решётка) с карбидом вольфрама (гексагональная решётка) линии вольфрама обнаруживаются при содержании его 0,1-0,2%, линии карбида- при содержании выше 0,3-0,5%, а уже цементит (ромбическая решетка) в стали, обнаруживается при его содержании от 5-6% и выше [1,2]. Поэтому фазовый рентгеноструктурный анализ применялся лишь как один из методов позволяющих судить об изменении фазового состава образцов при обработке плазмой в электролите. Исследования выполнены на дифрактометре рентгеновском общего назначения ДРОН-3 и рентгеновском аппарате УРС-55 по известным методикам [1-3]. При использовании аппарата Дрон-3 регистрация дифракционной картины производилась на самопишущем потенциометре. В исследованиях на аппарате УРС-55 использовался фотографический способ регистрации. При съёмке образцов в рентгеновском излучении для фазового анализа использовалась камера для исследования поликристаллов РКД, позволяющая регистрировать линии с углами скольжения от 4 до 84. При рентгеновском качественном анализе образцов титана учитывались следующие особенности: - существование твердых растворов на основе ос- и Р- модификаций титана, упорядоченных и метастабильных фаз и интерметаллидов. Их образование зависит от химического состава и режимов термической обработки титана.
Структурные изменения ферромагнитных материалов
Для рентгеноструктурного анализа использовались образцы пермаллоя 3-х типов: исходный (без обработки), обработанный в водородной печи и обработанный плазмой в электролите. Значения коэрцитивной силы образцов двух последних типов отличались незначительно: на 5 А/м.). В результате рентгеноструктурного анализа, установлено, что основной фазой в образцах независимо от режимов обработки является твёрдый раствор железа в никеле, имеющий гранецентрированную кубическую решётку с о параметро Рис. 3.3 Экстраполяционный график для определения параметра элементарной ячейки образцов пермаллоя при различных методах их обработкиЮ- отжиг плазмой в электролите; Q- отжиг в водородной печи; Д-без обработки. Неизменность параметра кристаллической решётки у материалов подвергнутых различным видам обработки ещё раз указывает на неизменность химического состава материала. Внедрение некоторых атомов (ионов) в материал приводило бы к искажению и изменению межплоскостных расстояний. На дифрактограммах полученных с образцов пермаллоя, обработанных по традиционной технологии в водородной печи, плазмой в электролите и без обработки наблюдаются характерные дифракционные максимумы (рис.3.4). В таблице 3.5 приведены межплоскостные расстояния для кристаллической фазы Ni,Fe и для пермаллоя.
Из приведённых данных, видно что, линии на дифрактограмме принадлежат никелю. Несколько увеличенные значения межплоскостных расстояний обусловлены разностью в величинах ионного радиуса железа # rFe — 0.74 А и никеля- гм - 0.69 А. Образование твердого раствора железа в никеле происходит по механизму замещения. Поскольку ионный радиус железа несколько больше, чем у никеля, то в железно-никелевом сплаве происходит изменение межплоскостных расстояний в сторону увеличения. Анализ дифрактограмм исследуемых образцов показал так же, что у исходных образцов наблюдается размытие интерференционных линий и наличие текстурных максимумов (рис.. 3.4 а). Размытие линий объясняется наличием микроискажений и высокой дисперсностью блоков в исходном материале. Это объясняется тем, что образцы пермаллоя представляют собой холоднокатаную проволоку, подвергнутую дальнейшей штамповке. Наличие текстурных максимумов, говорит о преимущественной ориентировке кристаллов материала, возникающей вследствие волочения проволоки. Осью ориентировки в данном случае является направление протяжки.
Таким образом, исходный материал контакт-деталей герконов характеризуется наличием преимущественной ориентировки и внутренних напряжений, возникающих вследствие технологических операций по их изготовлению. Это и приводит к снижению магнитных свойств, которые могут восстанавливаться до необходимых после термической обработки, обеспечивающей требуемую перестройку структуры материала. Результат обработки пермаллоя по традиционному методу в водородной печи и плазмой в электролите можно видеть на дебаеграммах, представленных на рис. 3.4 б,с. В обоих случаях, практически сплошные интерференционные кольца сменяются кольцами, образованными точечными рефлексами, что связано с увеличением размеров кристаллитов вещества в результате их термообработки. Тот факт что, более тёмные пятна появились на фоне сплошных дуг колец, указывает на наличие лишь некоторого количества крупных кристаллитов. Согласно выводам работы [3], существует связь между измеренными на рентгенограмме числом рефлексов nhki, образующими кольцо с индексами hkl, и числом кристаллитов в единице объёма образца NQ ; No l? FT (3.7) где V - объём, участвующий в рассеянии рентгеновских лучей; ее -угол, -102-под которым виден фокус рентгеновской трубки из какой либо точки образца[3]. Таким образом, чем меньше число рефлексов на дуге кольца, тем меньшее число кристаллитов находится в единице объёма и тем больший размер они имеют.
Анализ дебаеграмм показал, что число рефлексов в образцах, обработанных плазмой в электролите, меньше, чем в образцах, нагретых в водородной печи. Однако интенсивность самих линий в первом случае больше. Таким образом, в результате термообработки деталей из ферромагнитных материалов, более полная рекристаллизация происходит в случае нагрева их в водородной печи. В случае нагрева деталей плазмой в электролите рекристаллизуется лишь часть объёма образца. Наблюдаемые размеры образовавшихся при этом зерен больше в случае нагрева контакт-деталей в водородной печи. Проведённые металлографические исследования подтверждают выводы рентгенографического анализа. Результаты металлографического исследования структуры пермаллоя приведены на рис. 3.5-3.9.
На рис. 3.5. приведена кристаллическая структура одного из образцов не подвергнутого термообработке. Она характеризуется в целом мелким размером зерна (2-5 мкм). Видно что, область, подвергающаяся деформации в наименьшей степени, располагается ближе к центру образца. Это типичная структура, обусловленная волочением и штамповкой. Микроструктура образца подвергнутого традиционной термической обработке в водородной печи приведена рис. 3.7. Она характеризуется малым разбросом в размерах зерен (50 ±10 мкм) и равномерностью процессов рекристаллизации. Нет объёмов, в которых рекристаллизация не прошла. Все зерна имеет схожую форму и нет преимущественной ориентировки их вдоль какого бы ни было направления. Совершенно другая ситуация возникает в случае нагрева изделий из пермаллоя плазмой в электролите (рис. 3.6, 3.8, 3.9). На фотографиях представлен край образца. Видно что, микроструктура характеризуется крупным размером зерна (до 200 мкм). Зерна ориентированы к центру образца, т.е. имеют наибольшие линейные размеры в этом направлении. Причём, в направлении перпендикулярном основному размеры зерен отличаются в 2-4 раза. Такая картина наблюдается у образцов со значением коэрцитивной силы 10-15 А/м. При значениях коэрцитивной силы 25-35 А/м микроструктура по размерам зерен напоминает микроструктуру образцов, обработанных по традиционной термической обработке деталей в водородной печи. Однако форма зерен, их направление и плотность имеют большой разброс в значениях.
Проведенные исследования, доказывают, что получаемые в результате нагрева плазмой в электролите изменение магнитных свойств образцов пермаллоя происходит вследствие изменения структуры материала. В этом отношении механизм изменения магнитных свойств такой же, как и в случае термообработки в водородной печи. Но микроструктуры образцов, обработанных нагревом в водородной печи и нагревом плазмой в электролите характеризуются принципиально разным строением. Это легко объяснимо, с позиций температурного градиента. Как показали исследования, проведенные в работе [14] и наши теоретические расчёты по теплофизической модели (глава II) температура поверхности образца-катода больше температуры в его центре. Вследствие этого происходит преимущественный рост зерна в радиальном направлении, что отражается на микроструктуре образцов (рис. 3.9). Кроме того, в случае нагрева плазмой в электролите имеет место процесс электропереноса, что так же оказывает положительное влияние на рост зерна. Поскольку, структурные изменения пермаллоя, образовавшиеся вследствие термообработки плазмой в электролите, затрагивают механические свойства материала, что влечет за собой нарушение технологических свойств конечных изделий, то были проведены исследования по определению характера изменений их механических свойств.
Диффузионные процессы при нагреве титана плазмой в электролите
При длительном (более 3 минут) нагреве плазмой в электролите образцов титана с диаметрами менее 3 мм визуально обнаружилось увеличение их диаметра. При этом образцы становились хрупкими. Такое поведение титана, говорит о наличии дополнительных процессов воздействующих на него со стороны плазмы, и не являющимися чисто термическими. Подобные процессы не были выявлены при нагреве образцов с диаметром более 4 мм. Для дальнейшего исследования были выбраны образцы с диаметром 1,5 мм. Проведенное металлографическое исследование образцов, подвергнутых нагреву плазмой в электролите при длительности свыше 3 минут, выявили наличие в их структуре двух слоев- внешнего пористого и внутреннего альфированного (рис. 4.3), отсутствующие в образцах без обработки и при меньших временах нагрева (рис.4.4). Во внешнем слое обнаружено большое число трещин. Причина их образования кроется видимо в возникновении термических напряжений, являющихся следствием больших скоростей нагрева и охлаждения металла в растворе электролита. На приведенной фотографии шлифа титана видно, что внутренний слой представляет собой объём заполненный альфа пластинами. Таблица 4.1. Зависимость размеров структурных составляющих образца титана от времени его нагрева плазмой в электролите, (t- время нагрева; С- концентрация электролита; U- величина межэлектродного напряжения; D -размер /?- зёрен; d- величина внутризеренных «-колоний; Ь- толщина а-пластин) Таблица 4.2. Зависимость размеров структурных составляющих образца титана, нагретого плазмой в электролите, от скорости его охлаждения. (V- скорость охлаждения; С- концентрация электролита; U- величина межэлектродного напряжения; D -размер р- зёрен; d-величина внутризеренных а-колонии; Ь- толщина а-пластин ).
Они имеют одинаковый характер ориентации: от поверхности к центру. То есть существует фактор влияющий на процесс образования и роста этих структурных составляющих. Рассмотренная нами во второй главе теплофизическая модель процесса нагрева плазмой в электролите, позволяет указать, что этим фактором является температурный градиент между поверхностью образца- катода и его осью. Как уже отмечалось выше, после нагрева плазмой в электролите образцы титана оказываются очень хрупкими. Образующийся при этом внешний слой структуры образца, при незначительном механическом воздействии осыпается, образуя порошок серебристо-белого цвета. Количественные данные, полученные из микрошлифов обработанных образцов, позволили установить, что площадь областей, занимаемых каждым из слоев, не является постоянной, а зависит от следующих параметров нагрева плазмой в электролите: продолжительности нагрева, величины межэлектродного напряжения, температуры и концентрации электролита. Обобщая эти данные с результатами исследования воздействия плазмы на пермаллой, можно говорить что указанные параметры являются универсальными, позволяющими контролировать и варьировать режим нагрева в широких пределах. Обобщённые экспериментальные результаты исследований обработки титана плазмой в электролите на примере сплава ВТ 1-00 представлены на рис 4.5-4.11 Анализ результатов, приведенных на рис.4.5 показывает, что с ростом межэлектродного напряжения происходит увеличение как & диаметра образца так и толщины пористого слоя. При этом диаметр образца с ростом напряжения изменяется по линейному закону. Межэлектродное напряжение согласно теплофизической модели (глава II) определяет мощность теплового потока, в результате действия которого происходит наблюдаемый в эксперименте рост температуры катода-образца (рис. 4.2). Этот тепловой поток выделяется на границе между поверхностью катода и парогазовой оболочкой, обуславливая температурный градиент между осью катода и его поверхностью. Поэтому усиление роста внешнего пористого слоя титана есть fe-x результат как увеличения его температуры, так и разности температур между центром катода и его поверхностью.
Продолжительность обработки так же приводит к увеличению и диаметра образца, и толщины пористого слоя. Диаметр образца с ростом длительности обработки растёт по линейному закону (рис. 4.6). Толщина пористого слоя от времени зависит более сложным образом (рис. 4.7). Условно весь промежуток времени по скорости роста этого слоя можно разбить на два участка: медленный (время нагрева менее 5 минут) и быстрый (время нагрева более 5 минут). Продолжительность нагрева плазмой в электролите при неизменности других параметров согласно теплофизической модели есть обработка при заданном тепловом потоке. Чем дольше производится обработка, тем большее количество энергии будет подведено в систему. Существование медленного и быстрого участка роста внешнего пористого слоя говорит, о том, что для активизации протекания процессов необходим запас определенный энергии. Линейная зависимость диаметра образца титана сохраняется и при увеличении межэлектродного напряжения (рис.4.8) Температура электролита оказывает влияние на формирование слоев титана. С ее увеличением толщина пористого слоя стремится к насыщению, начиная с температуры 35 С. (Рис. 4.9). Как видно из рисунка 4.9. конечное значение толщины пористого слоя определяется концентрацией используемого при нагреве электролита. Чем выше концентрация тем больше его толщина.
С ростом величины межэлектродного напряжения толщина пористого слоя так же стремиться к насыщению, (рис. 4.10). При этом зависимость от концентрации электролита как и в случае зависимости от температуры электролита сохраняет свой характер: чем выше концентрация, тем больше толщина пористого слоя.
