Содержание к диссертации
Введение
1 Упрочнение поверхности металлов и сплавов методами формирования покрытий с использованием концентрированных потоков энергии 10
1.1 Упрочнение металлов и сплавов напылением поверхности с использованием плазменной и электронной обработки 10
1.1.1 Новые способы напыления покрытий на поверхности металлов и сплавов 10
1.1.2 Упрочнение поверхности с использованием электровзрывного напыления 17
1.2 Характерные закономерности упрочнения металлических поверхностей с применением электровзрывной и последующей электронно-пучковой обработки 20
1.3 Цель и задачи исследования 25
2 Оборудование, материалы и методики исследований 27
2.1 Обоснование выбора материалов для формирования композиционных покрытий 27
2.2 Вакуумный импульсный электровзрывной аппарат ЭВУ 60/10 М 30
2.3 Вакуумный импульсный электронно-пучковый аппарат «Соло» 33
2.4 Способы обработки, методы исследования структуры и свойств
композиционных покрытий 36
3 Структура электровзрывных композиционных износостойких покрытий систем Tib2-Al и Tic-Mo, содержащих порошки Tib2 и Tic 41
3.1 Исследование шероховатости электровзрывных покрытий системы TiB2-Al 41
3.2 Структура, элементный и фазовый состав покрытий системы TiB2-Al 45
3.3 Исследование шероховатости электровзрывных покрытий системы TiC-Mo 50
3.4 Структура, элементный и фазовый состав покрытий системы TiC-Mo 53
3.5 Выводы 56
4 Структура электровзрывных электроэрозионностойких покрытий, обработанных электронным пучком 58
4.1 Изучение рельефа поверхности, структуры, фазового и элементного состава покрытий систем Mo-Cu и W-Cu из несмешивающихся компонентов 58
4.2 Рельеф поверхности, структура, фазовый и элементный состав покрытий систем Mo-С-Cu и W-C-Cu, упрочненных синтезированными карбидными фазами молибдена или вольфрама 67
4.3 Рельеф поверхности, структура, фазовый и элементный состав покрытий системы TiB2-Cu 78
4.4 Исследование дислокационной субструктуры, формирующейся в электроэрозионностойких покрытиях 83
4.5 Выводы 88
5 Свойства электровзрывных покрытий, обработанных электронным пучком 89
5.1 Исследование трибологических свойств 89
5.2 Исследование электроэрозионной стойкости 92
5.3 Использование результатов исследований 96
5.4 Выводы 98
Заключение 100
Список литературы 102
Приложение 122
- Новые способы напыления покрытий на поверхности металлов и сплавов
- Вакуумный импульсный электровзрывной аппарат ЭВУ 60/10 М
- Структура, элементный и фазовый состав покрытий системы TiB2-Al
- Рельеф поверхности, структура, фазовый и элементный состав покрытий систем Mo-С-Cu и W-C-Cu, упрочненных синтезированными карбидными фазами молибдена или вольфрама
Введение к работе
Актуальность темы исследования. Для электротехнического машиностроения, создающего коммутационную электроаппаратуру, постоянно требуются новые материалы для электрических контактов. Это объясняется тем, что, в основном, именно они формируют аппаратурные характеристики, способность длительно и надежно коммутировать электрический ток. Разрушение электрических контактов, выполненных из дорогостоящих материалов, работающих в условиях электрической эрозии и трения, как правило, начинается с поверхности. В связи с этим разработка новых методов защиты именно поверхности, а не всего объема электрического контакта, оказывается экономически эффективным. Одним из приоритетных направлений физики конденсированного состояния является разработка методов повышения эксплуатационных характеристик различных материалов. С учетом этого упрочнение поверхностных слоев материалов электрических контактов и деталей, работающих в условиях трения, является актуальной задачей развития новых современных технологий.
Степень разработанности темы. В последние годы доказано, что электровзрывное напыление композиционных покрытий способствует совместному увеличению до нескольких раз физико-механических и эксплуатационных свойств: микротвердости, электроэрозионной стойкости, износостойкости в условиях абразивного износа и сухого трения скольжения. Упрочнение достигается за счет формирования покрытий с образованием мелкодисперсных фаз в вязкой металлической матрице. Эффективным инструментом для дополнительной обработки электровзрывных покрытий являются высокоинтенсивные импульсные сильноточные электронные пучки. Исследования последних лет показали, что возможности электровзрывной обработки могут быть существенно усилены при совместном ее использовании с электронно-пучковой обработкой, осуществляемой низкоэнергетическими сильноточными электронными пучками.
Цель и задачи. Целью настоящей работы является формирование изно-со- и электроэрозионностойких покрытий методом электровзрывного напыления (ЭВН) и последующей электронно-пучковой обработкой (ЭПО), изучение их структуры, фазового состава и свойств.
Для этого были поставлены и решены следующие задачи:
-
разработать способы ЭВН износо- и электроэрозионностойких покрытий систем TiB2-Al, TiC-Mo, W-Cu, Mo-Cu, W-С-Cu, Mo-С-Cu и TiB2-Cu с использованием ЭПО;
-
установить влияние параметров ЭВН и ЭПО на рельеф поверхности, строение по глубине, структуру и особенности структурно-фазовых состояний покрытий;
-
определить трибологические свойства и электроэрозионную стойкость покрытий после ЭПО в оптимальных режимах;
-
провести испытания сформированных покрытий в условиях эксплуатации.
Научная новизна. Впервые методами световой, сканирующей и просвечивающей электронной микроскопии, рентгеноструктурного анализа и оптической интерферометрии экспериментально исследованы строение, структура, фазовый состав и характеристики топографии поверхности электроэро-зионностойких покрытий, сформированных методом ЭВН и последующей ЭПО. Определены параметры формирования композиционной структуры покрытий, среди которых основное внимание уделено размерам структурных составляющих в сформированных покрытиях различных систем. Впервые выполнен анализ физических причин повышения коэффициента трения и уменьшения скорости износа, а также электроэрозионного изнашивания покрытий после ЭПО.
Теоретическая и практическая значимость работы. Результаты работы расширяют представления о процессах формирования структуры и свойств поверхностных слоев металлов и сплавов при ЭВН и ЭПО. Электро-эрозионностойкие покрытия, полученные методом ЭВН и последующей
ЭПО, обладают комплексом повышенных свойств и использованы с целью упрочнения медных электрических контактов. Коэффициент трения электровзрывных покрытий после ЭПО повышается в 1,5…1,7 раза, а скорость износа уменьшается. Увеличивается электроэрозионная стойкость покрытий в условиях дуговой эрозии до значений, допустимых согласно ГОСТ, электроэрозионная стойкость в условиях искровой эрозии – более чем в 10 раз по сравнению с показателями для электротехнической меди марки М00. Выявленные закономерности формирования композиционной структуры покрытий позволяют целенаправленно выбирать режимы ЭВН и последующей ЭПО, необходимые для получения заданных свойств.
Способы формирования нанокомпозитных электроэрозионностойких покрытий представляют практический интерес и используются для упрочнения контактов пускателей различных марок, поверхности контактов контакторов серии КМ, пускателей серии ПАЕ и упрочнения медных электроконтактных поверхностей командоконтроллеров серии ККТ. Они используется в производственной деятельности ООО «ВЕСТ 2002», ООО «Монолит» и ООО «Ремкомплект». Научные результаты работы используются аспирантами, обучающимися по специальности «Физика конденсированного состояния».
Тема диссертации соответствует критической технологии РФ «Технологии получения и обработки функциональных наноматериалов» и приоритетному направлению развития науки, технологий и техники в РФ «Индустрия наносистем». Исследования выполнялись по тематическому плану НИР СибГИУ, проводимых по госзаданию Минобрнауки № 2.4807.2011, и гранту РФФИ (проект № 13-02-12009 офи_м).
Методология и методы исследования. Задачи исследований диссертационной работы направлены на выявление закономерностей формирования износо- и электроэрозионностойких покрытий методом ЭВН и последующей ЭПО, изучение их структуры, фазового состава и свойств.
Экспериментальные исследования проводились с использованием аналитического и испытательного оборудования центра коллективного пользования «Материаловедение» при Сибирском государственном индустриальном университете, центра коллективного пользования «Лаборатория электронной микроскопии» при Новосибирском государственном техническом университете, Томского материаловедческого центра коллективного пользования при Национальном исследовательском Томском государственном университете, научно-образовательного центра при Магнитогорском государственном техническом университете им. Г.И. Носова. Использовались оптические микроскопы Olympus GX-71 и Carl Zeiss Axio Observer A1m, растровые электронные микроскопы Phillips SEM 515 и Carl Zeiss EVO 50 XVP с приставками энергодисперсионного рентгеноспектрального анализа (EDAX и EDS X-Act), рентгеновские дифрактометры ARLX'TRA и ДРОН-2, просвечивающий микроскоп ЭМ-125, электрохимическая система Solartron Analytical 12558WB. Трибологические свойства (износостойкость и коэффициент трения) покрытий изучали в геометрии диск-штифт с помощью трибометра (CSEM, Швейцария) при комнатной температуре и влажности. Электроэрозионную стойкость измеряли в условиях дуговой и искровой эрозии.
Положения, выносимые на защиту:
1) способы электровзрывного напыления для формирования на поверхностях
трения износостойких композиционных покрытий систем TiB2-Al и TiC-Mo и
электронно-пучковой обработки электровзрывных композиционных систем
W-Cu, Mo-Cu, W-C-Cu, Mo-C-Cu и TiB2-Cu на медных контактных поверхно
стях;
2) совокупность экспериментальных результатов о рельефе поверхности,
строении по глубине, структуре и фазовом составе, состоянии дефектной суб
структуры композиционных покрытий, сформированных при ЭВН и ЭПО;
3) совокупность экспериментально установленных значений физико-
механических свойств (коэффициент трения, удельный объем трека износа
покрытия, электроэрозионная стойкость) композиционных покрытий, сформированных при ЭВН и ЭПО.
Степень достоверности и апробация результатов. Достоверность результатов обусловлена большим объемом экспериментальных данных, полученных с использованием высокоинформативных методов металлографического анализа, износостойкости и электроэрозионной стойкости, соответствием полученных экспериментальных данных и результатов других авторов, использованием для анализа результатов хорошо апробированных теоретических представлений физики конденсированного состояния.
Результаты диссертации представлялись на: научной сессии Национального исследовательского ядерного университета «МИФИ»-2013 г.; II Всероссийской научно-технической конференции молодых ученых, аспирантов и студентов с международным участием «Высокие технологии в современной науке и технике», Томск, 2013 г.; Международной конференции «The Fifteen Annual Conference YUCOMAT 2013, Herceg Novi, Serbia, 2013 г.; Международной конференции «Электрические контакты и электроды», Украина, 2013 г.; II Международной конференции «Влияние высокоэнергетических воздействий на структуру и свойства конструкционных материалов», Ольгин-ка, 2013 г.; I Всероссийской конференции молодых ученых с международным участием «Перспективные материалы в технике и строительстве», Томск, 2013 г.
Публикации. Результаты диссертационной работы опубликованы в 18 печатных работах, в том числе 9 статьях, 7 из которых – в рецензируемых научных журналах, рекомендованных ВАК РФ. Список статей приведен в конце автореферата.
Личный вклад автора состоит в научной постановке задач исследования, анализе литературных данных, разработке способов ЭВН и последующей ЭПО, их реализации, выполнении структурных исследований и испытаний
свойств покрытий, статистической обработке и анализе полученных результатов, написании публикаций по выполненной работе.
Соответствие диссертации паспорту специальности. Диссертационная работа по своим целям, задачам, содержанию, методам исследования и научной новизне соответствует п.1 «Теоретическое и экспериментальное изучение физической природы свойств металлов и их сплавов, неорганических и органических соединений, диэлектриков и в том числе материалов световодов как в твердом, так и в аморфном состоянии в зависимости от их химического, изотопного состава, температуры и давления» паспорта специальности 01.04.07 – физика конденсированного состояния (технические науки).
Структура и объем диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, пяти разделов, заключения, приложения и списка литературы, включающего 154 наименований. Диссертация содержит 124 страницы, в том числе 48 рисунков и 8 таблиц.
Новые способы напыления покрытий на поверхности металлов и сплавов
К настоящему моменту времени вопрос о выборе метода эффективной защиты различных изделий, деталей между упрочнением всего объема материала и нанесения на их рабочие части защитных покрытий в большинстве случаев решается в пользу последнего. Это обусловлено тем, что наибольшее разрушение в процессе эксплуатации испытывает именно их поверхность. Кроме того, упрочнение методами напыления покрытий оказывается экономически эффективным. Долговечность покрытий преимущественно зависит от того, каким способом они сформированы, состава покрытия и его качества, что, в свою очередь, определяет ресурс работы деталей, на которых эти покрытия получены [1].
Традиционные методы формирования покрытий масштабно применяются в космической, авиационной, энерго-, нефте-, газовой, химической, бумажной об 11 ластях народного хозяйства для регенерации и конъектуры размеров, предохранения от износа и окисления всех типов (в том числе высокотемпературного) и других задач [1]. Установки и машины для их реализации модернизируются, а описание технологического процесса хорошо представлено в [2].
В минувшие годы возникли новые импульсные и импульсно-периодические методы формирования покрытий, применяющие сверхзвуковые струи плазмы и газа (таблица 1.1). Покрытия, напыленные этими способами, имеют приемлемые значения плотности, когезионной и адгезионной прочности, низкую пористость с несвязанными между собой порами, малым количеством оксидов, формирующихся в процессе нанесения покрытий из металлов, малыми утечками наносимых компонентов, регулируемым составом химических элементов покрытий, ультрадисперсной и однородной микроструктурой, малыми остаточными напряжениями, большой нано- и микротвердостью, электроэрозионной и износостойкостью, достижимостью напыления покрытий значительной толщины, низкими значениями параметров шероховатости поверхности.
Детонационно-газовое импульсное напыление (ДГИН). Одной из технологий газотермического формирования покрытий, применяющих энергию возгораемых газов или их смесей с кислородом, а также со сжатым воздухом является технология ДГИН, для которой характерна цикличность реализации метода. ДГИН имеет высокую удельную мощность. Аппараты для ДГИН покрытий, как правило, включают ствол (брандспойт) с системами транспортировки порошков и взаимодействующие со стволом и агрегатами для горючего, инертного газов и газа-окислителя, камеру (ячейку) сгорания, оснащенную устройством для возгорания смеси (рисунок 1.1) [3].
В корреляции от строения технологической установки частота серий напыления может составлять 8…10 Гц, но в большей части примеров она составляет 3…4 Гц. В качестве горючего применяется ацетилен и другие газы, в основном, метан (CH4) или пропан (С3Н8)-бутан (С4Н10) в виде смеси в различном соотноше 12 нии. С целью уменьшения температуры нагревания порошковых частиц наносимых материалов, взрываемая смесь газов разжижается воздухом или азотом. – отсек для подведения рабочих газов, 2 – предварительная камера, 3 – электровоспламенитель,4 – дозатор, 5 – ствол (брандспойт), 6 – подложка, 7 – частицы напыляемого порошка
Поверхность подложки для ДГИН должна иметь значительную шероховатость. Чтобы этого добиться, деталь, подвергаемую напылению, специально подвергают пескоструйной обработке. В процессе напыления требуемые высокие значения параметров шероховатости сохраняются автоматически по средствам дискретного строения напыляемого порошкового покрытия. По истечении ДГИН высокую шероховатость покрытий требуется доводить до приемлемых для промышленных целей значений. Это достигается методами механической шлифовки, из-за которой теряется в большинстве более 100 мкм напыляемого покрытия, что не технологично, поскольку напыляемые материалы имеют высокую рыночную стоимость.
Технология ДГИН характеризуется большим объемом технологических операций. Главные из которых: глубина загрузки порошковых материалов, т.е. промежуток от точки ввода порошковых навесок до торца ствола (брандспойта); пропорция количества газов: горючий/кислород/азот или воздух, т.е. химический состав взрываемой смеси; уровень набивания ствола – отношение суммарного расхода газа за один цикл к суммарному объёму ствола (брандспойта) и камеры для смешения; толщина наносимого единичного слоя покрытия; расстояние напыления; гранулометрическое и химическое соотношение и технология производства порошковой навески.
Покрытия напыляют на металлы и их сплавы, в том числе и легкоплавкие, керамические материалы, стекла, некоторые виды полимеров и композиционные материалы, а также на прочие материалы, значения твердости которых находятся в интервале до 60 HRC. Импульсные детонационно-газовые аппараты [3–6] имеют возможность напылять покрытия из металлов, оксидов, тугоплавких химических соединений, различных механических плакированных порошковых композиций и композитных порошков. Использование разнообразных порошковых материалов дает вероятность сформировать износо- и электроизоляционные, стойкие к коррозии, анти- и фрикционные, тепло- и жаростойкие и электропроводные покрытия [7–14]. Плазменное импульсное напыление (ПИН). На сегодняшний день ПИН производится на нижеследующих аппаратах: «Плазменный фокус», коаксиальных импульсных магнитоплазменных ускорителях и аппаратах для детонационного плазменного напыления.
Аппараты «Плазменный фокус» применяются для формирования дисперсно-упрочненных покрытий [15–27]. Они включают [17] емкостной накопитель энергии и газоразрядную камеру-катод. От катода изолятором отделён внутренний электрод-анод. Генератор нейтронных импульсов камеры плазменного фокуса включает генератор токовых импульсов, совмещенный с камерой плазменного фокуса, устройства питания, управления. После создания вакуума камера заполняется рабочим газом. В качестве рабочих газов используют дейтерий, азот или водород. Через этот газ происходит разряд накопителя. Импульсная плазма сосредотачивается в области накопления токовой оболочки на оси газоразрядной камеры, в которой находится обрабатываемая подложка.
За единичный цикл (без разгерметизации рабочей камеры) можно напылить серию вольфрам-медных электроконтактов, размещаемых определенным образом друг относительно друга. Насыщение плазмы легирующим материалом протекает при ее движении через конусную апертуру в виде сопла, выполненную в пластине из легирующего материала, либо же при установке на поверхности подложки фольги. Фольга служит источником легирующих элементов [25, 27, 28]. Коаксиальные импульсные магнитоплазменные ускорители (КМПУ). Электропитание КМПУ осуществляется от емкостного накопителя энергии. Типичной спецификой ускорителей такого типа является значительная электрическая эрозия поверхности электродов в ускоряющем канале и формирование рабочего слоя покрытия путем эрозии поверхности электродов в течении рабочего цикла напыления [29].
Необходимые характеристики покрытий достигаются значениями параметров плазменной струи, количеством эродирующего материала электрода, плотностью и характеристиками облучения поверхности подложки. Параметры покрытий устанавливаются методом подбора характеристик импульсов тока разряда, геометрии ускоряющего канала, размещения подложки относительно торца ствола (брандспойта) ускорителя и других внешних условий.
Коаксиальный ускоритель может работать с различными металлическими композициями, сплавами, вести к получению сверхтвердых материалов (оксидов, нитридов, карбидов, боридов и др.) в процессе кратковременной рабочей серии напыления и напылять композитные покрытия на их основе. Химический состав материала для напыления слоя покрытия устанавливается методом подбора материала электрода-ствола (брандспойта). Необходимый для получения новых химических соединений материал в виде порошка, например, бор, углерод и другие, засыпается в канал получения плазменной струи у верха центрального электрода.
Вакуумный импульсный электровзрывной аппарат ЭВУ 60/10 М
Для получения гетерогенных потоков плазмы и изучения механизмов формирования ЭВН покрытий в настоящей работе использовали электровзрывной аппарат ЭВУ 60/10 М [116]. Его конструкция включает три основные элемента (рисунок 2.1): устройство для зарядки, емкостной накопитель энергии и импульсный плазменный ускоритель.
Устройство для зарядки содержит автоматический трансформатор тока, повышающий трансформатор и выпрямитель. Аппарат работает в полуавтоматическом режиме – его заряд выполняют нажатием соответствующих цифровых кнопок на сенсорном экране микропроцессора ПЛК. Разряд аппарата происходит в автоматическом режиме после достижения заданного запаса энергии в емкостном накопителе. Разрядка аппарата посредством замыкателя позволяет обеспечить защиту от превышения значений напряжения заряда и от несрабатывания. Остаточный заряд удаляется штангой для снятия остаточного разряда.
Плазменный импульсный ускоритель (рисунок 2.2), включат коаксиальную торцевую систему электродов – внутренний 1 и внешний электрод 2 (они разделены изоляционной прокладкой 3), разрядную камеру 4, формирующую плазменный поток и переходящую в сопло. Электрический взрыв происходит при прохождении через взрываемый проводник 5 электрического тока с большой плотностью посредством разряда емкостного накопителя. Плазменный поток устремляются в вакуумную камеру для электровзрывной обработки 6 с давлением 100 Па. Механизм крепления подложек 7 осуществляет стационарное на заданном расстоянии от сопла расположение подложки 8 для напыления. – внутренний электрод (цилиндр), 2 – внешний электрод (кольцо), 3 – изоляционная прокладка, 4 – камера для разряда, 5 – проводник, 6 – технологическая камера, 7 – механизм крепления подложек, 8 – подложка для напыления
Взрыв проводника происходит вследствие пропускания через него электрического тока большой плотности при разряде конденсаторной батареи. Плазменный поток представляет собой три агрегатных состояния – плазменный компонент, конденсированные частицы в твердом или жидком состоянии с различной дисперсностью. Фронт плазменного потока включает компонент в виде плазмы. Тыл плазменного потока представляет собой конденсированные частицы. Последние, имея значительную инерционную способность, размещаются в тылу потока. Эта характерная особенность позволяет реализовать напыление композитных покрытий. Взаимодействие с поверхностью подложки включает натека-ние, частичное отражение от нее фронта потока, движущегося со сверхзвуковой скоростью. Этот процесс приводит к возникновению сжатой ударной прослойки со значительной температурой и давлением. Сочетание этих факторов позволяет нагреть поверхность подложки до температуры плавления за короткий импульс воздействия плазмы.
Аппарат «Соло» для ЭПО поверхности подложек (рисунок 2.3) имеет следующие улучшения перед предшествующими аналогами: большая плотность энергии в сочетании с малым ускоряющим напряжением; высокая энергоэффективность; возможность тонкой регулировки параметров в большом диапазоне; достоверная и надежная генерация импульсов; минимальное время для подготовки; большой ресурс работы аппарата (таблица 2.2) [117].
Пучок электронов переносится в аксиальном магнитном поле при значении давления аргона в вакуумной камере от 0,01 до 0,1 Па. Магнитные катушки расположены друг от друга на расстоянии 17 и 35 см. Электроны, полученные из эмиссионной плазменной границы, усиленные сеткой, влетают в увеличивающее магнитное поле, после чего перемещаются в расположенном вдоль катушек магнитном поле. При расстоянии между катушками менее 0,17 м, полученный электронный пучок переносится в зону однородного магнитного поля, при этом пучок изменяет свой диаметр на 3…5 %. При расстоянии между магнитными катушками более 0,17 м пучок электронов испытывает изменение диаметра в большую сто 34 рону, после чего пучок претерпевает вторичную фокусировку. Следовательно, подбирая различное соотношение значений тока в катушках и дистанции до коллектора возможно изменение диаметра электронного пучка, а также плотности энергии (рисунок 2.4).
Применение вблизи расположенных магнитных катушек позволяет реализовать более однородное токовое распределение на коллекторном устройстве, а размещение коллекторного устройства в зоне расхождения магнитного поля (при повышенном до 0,35 м расстоянии между катушками) позволяет повысить размер пучка, падающего на коллекторное устройство.
Основные значения параметров ЭПО материалов подложек, определяющие профили температуры области прогрева поверхностного слоя, характер и кинетику структурных и фазовых превращений, – это плотность энергии пучка электронов, время воздействия, число и частота облучающих импульсов.
ЭВН проводили с применением композиционного электрически взрываемого материала (КЭВМ) для напыления покрытий. КЭВМ представляет собой фольгу из двух слоев с заключенной в ней навеской порошка. Использование КЭВМ позволяет реализовать перемешивание продуктов взрыва фольги и порошка при формировании струи. Композиционные покрытия систем W-Cu, Mo-Cu, W-С-Cu, Mo-С-Cu и TiB2-Cu формировали на электрических контактах из электротехнической меди марки М00 (таблица 2.3).
Композиционные покрытия системы TiB2-Al формировали на алюминии марки А99, системы TiC-Mo на стали 45. Для ЭВН использовали КЭВМ из медной фольги и порошки Mo, W, TiB2, (Mo + C) и (W+ C). ЭПО электроэрозионностойких покрытий всех систем осуществляли в режимах при времени импульса 100 мкс, количестве импульсов 10 при изменяемой поверхностной плотности энергии 45, 50, 55 и 60 Дж/см2 и при времени импульса 200 мкс, количестве импульсов 20 и поверхностной плотности энергии 60 Дж/см2.
Методы исследования. Для определения толщины покрытий, размеров структуры по толщине, получения фотографий шлифов применяли металлографический инвертированный микроскоп Carl Zeiss Axio Observer A1m. Он способен давать изображение объектов при увеличениях до 1000 крат и включает методы исследования в светлом и темном поле, в фазовом, DIC и варел-контрастах, в условиях поляризации и люминесценции. Изучение структуры на поверхности образцов и шлифов проводили методами сканирующей электронной микроскопии с применением микроскопа Carl Zeiss EVO50 по методикам [118 – 120]. Параметры шероховатости определяли с использованием оптического интерферометра Zygo New ViewTM 7300. В условиях выделенного направления теплоотвода в объём металла кристаллизация покрытий приводит текстурирова-нию образующихся фаз. В результате чего на дифракционных картинах варьируются интенсивность различных пиков от разных фаз, что снижает возможность количественного рентгенофазового анализа. По этой причине в данной работе применяли только качественный рентгеновский фазовый анализ. Его проводили на дифрактометре ARLX TRA, оснащенном медной трубкой (длина волны излучения = 0,15406 нм). Анализ фазового состава и дефектной субструктуры поверхностного слоя покрытия, плавящегося при электронно-пучковой обработке, осуществляли методами просвечивающей электронной дифракционной микроскопии (прибор ЭМ-125). Фольги готовили из пластинок, вырезанных параллельно поверхности покрытия и расположенных на расстоянии 25 - 30 мкм от поверхности облучения, т.е. расположенных в слое, модифицированном электронным пучком, как показали предварительно выполненные исследования структуры поперечных шлифов.
Структура, элементный и фазовый состав покрытий системы TiB2-Al
Проанализируем влияние режима напыления покрытий, полученных на подложках из технического алюминия марки А99 при ЭВН. Исследования поверхности облучения, осуществленные методами сканирующей электронной микроскопии, показали (рисунок 3.4), что формирующаяся на поверхности образцов структура характеризуется низким уровнем шероховатости (рисунок 3.4, а). На поверхности можно выделить ряд особенностей рельефа: наплывы, обусловленные радиальным течением металла от центра пятна напыления к периферии (рисунок 3.4, б), микрократеры (рисунок 3.4, в), микротрещины (рисунок 3.4, г), наслоения, образовавшиеся в результате конденсации частиц продуктов взрыва фольги и порошка TiB2, достигающих облучаемой поверхности из тыла струи [45] (рисунок 3.4, д, е). Стрелкой на в показан микрократер, стрелкой на г показана микротрещина.
Анализ поперечных шлифов показал (рисунок 3.5), что покрытия толщиной около 100 мкм сравнительно однородны по глубине и характеризуются отсутствием пор. В структуре покрытий выделяются две зоны. Зона 1 имеет композиционную наполненную структуру. Исследования при больших увеличениях показали (рисунок 3.6), что она представлена алюминиевой матрицей с расположенными в ней упрочняющими включениями частиц диборида титана. В зависимости от режима напыления соотношение объемов матрицы и включений составляет 1:3 (рисунок 3.6, а), 1:1 (рисунок 3.6, б), и 3:1 (рисунок 3.6, в) для режимов 1, 2 и 3 соответственно.
Это может быть объяснено, исходя из представлений физической мезомеханики о возникновении при напылении в поверхностном слое основы атом-вакансионных конфигурационных возбуждений и распределении растягивающих и сжимающих напряжений и деформаций на границе «сильнонеравновесный слой – основа» в виде «шахматной доски» [45]. Образование этой зоны способствует обеспечению высокой адгезии покрытий с подложкой.
Рентгенофазовый анализ покрытий, напыленных в различных режимах, показал (рисунок 3.7), что они состоят из Al, TiB2 и TiBO3. Наличие фазы TiBO3 можно связывать с окислением частиц диборида титана вследствие наличия в технологической камере кислорода воздуха. Сопоставляя интенсивность пиков можно констатировать, что процентное содержание упрочняющих включений TiB2 и TiBO3 и алюминиевой матрицы составляет 25 и 75, 50 и 50, 75 и 25 % для режимов mTiB2/mAl = 50/100, mTiB2/mAl = 100/100 и mTiB2/mAl = 150/100 соответственно и согласуется с данными сканирующей электронной микроскопии. Отсутствие в покрытии алюминидов титана свидетельствует о том, что растворения частиц TiB2 в алюминии не происходило.
Резюмируя вышесказанное можно отметить, что ЭВН позволяет формировать беспористые однородные по глубине композиционные покрытия системы AliB2 толщиной 100 мкм. Среднее арифметическое отклонение профиля Ra поверхности покрытий составляет 2,0 мкм. Морфология поверхности характеризуется наличием наплывов, микропор, микрократеров, микротрещин, наслоений, сформированных высокодисперсными частицами диборида титана округлой формы и каплями продуктов взрыва алюминиевой фольги. Размеры включений дибо 48 рида титана в алюминиевой матрице распределены в интервале 0,5…2,5 мкм. Участки рентгенограмм покрытий системы TiB2-Al, напыленных в различных режимах 3.3 Исследование шероховатости электровзрывных покрытий системы TiC-Mo Проанализируем результаты изменения структуры покрытий системы TiC-Mo, полученных на подложках из стали 45 при ЭВН, в зависимости от режима напыления покрытий. На рисунке 3.8 представлены характерные результаты лазерной интерферометрии поверхности композиционных износостойких покрытий системы TiC-Mo, сформированных при однократном напылении единичного слоя в режиме mTiC/mMo = 142/284.
Анализ данных лазерной интерферометрии показал, что полученные покрытия имеют более высокие значения параметров шероховатости по сравнению с поверхностью образцов для ЭВН (таблица 3.2). После однократного напыления единичного слоя покрытия в режимах обработки mTiC/mMo = 142/284, mTiC/mMo = 213/284 и mTiC/mMo = 284/284 среднее арифметическое отклонение профиля Ra достигает от 3,13 до 3,32 мкм на базовой поверхности и от 3,23…3,32 мкм на базовой длине, наибольшая высота профиля Rmax составляет от 38,01 до 43,50 мкм на базовой поверхности и от 23,01 до 23,14 мкм на базовой длине. Параметр шероховатости для неровностей профиля – Sm от 60,62 до 61,92 мкм, параметр шероховатости для местных выступов – Sm от 50,21 до 51,93 мкм.
Приведем детальное описание данных лазерной интерферометрии для однократного ЭВН единичного слоя в режиме mTiC/mMo = 142/284. Параметр шероховатости Ra в этом случае составляет 3,15 мкм (рисунок 3.8). Впадина профиля глубиной 15,5 мкм и единичный выступ высотой 53,6 мкм объясняют значения параметра Rmax = 69,1 мкм для базовой поверхности (рисунок 3.8) и Rmax = 21,5 мкм для базовой длины (рисунок 3.8, б, в). Средний шаг неровностей Sm = 51 мкм, средний шаг местных выступов Sm = 41 мкм.
Низкие значения шероховатости поверхности объясняются тем, что покрытия были сформированы при ЭВН, для которого характерна конденсация на поверхности в большей степени жидких капель продуктов взрыва из тыловой части плазменного потока, после чего происходит самозакалка [45].
Рельеф поверхности, структура, фазовый и элементный состав покрытий систем Mo-С-Cu и W-C-Cu, упрочненных синтезированными карбидными фазами молибдена или вольфрама
Проанализируем результаты изменения структуры псевдосплавных покрытий систем Mo-С-Cu и W-C-Cu, полученных на медных подложках при ЭВН, формирующейся после ЭПО.
Электровзрывные покрытия системы Mo-С-Cu после ЭПО. Исследования поверхности облучения, осуществленные методами СЭМ, показали, что обработка образца электронным пучком во всех режимах приводит к кардинальным преобразованиям поверхности образца. В ней выделяются две области – центральная и периферийная. В центральной области воздействия пучка электронов (область, размеры которой увеличиваются от 10 до 18 мм с ростом плотности энергии от 45 до 60 Дж/см2, соответственно), исчезают микрокапли, микрократеры и микротрещины, описанные ранее в [87], рельеф поверхности выглаживается (рисунок 4.7, а). Формируется структура, включающая относительно гладкие области А неправильной формы, расположенные на поверхности покрытия произвольным образом, и шероховатые области (рисунок 4.7, а).
Микрорентгеноспектральный анализ участка 1 на рисунке 4.7, б дает основание заключить, что области структуры с гладким рельефом образованы медью и молибденом в количестве 94 и 6 ат. %, соответственно. Гладкие области имеют поликристаллическую структуру, средний размер зерен которой увеличивается от 5 до 15 мкм с ростом плотности энергии от 45 до 50 Дж/см2, соответственно. Увеличение плотности энергии электронного пучка до 60 Дж/см2 (время импульсного воздействия 100 мкс) сопровождается формированием поликристаллической структуры с характерным размером зерен, изменяющимся в диапазоне от 5 до 30 мкм. Мелкие зерна группируются в области. Можно предположить, что при ЭПО в данном режиме в поверхностном слое композиционного покрытия системы Mo-C-Cu реализуются условия, способствующие протеканию процесса динамической рекристаллизации [121, 122], при которой и формируются мелкие зерна. В пользу этого предположения говорит то, что в режиме ES = 60 Дж/см2, t = 200 мкс, N = 20 имп. (раздел 2), при котором плотность мощности пучка была самой низкой, формировалась более равнозернистая структура, размер зерен которой находился в диапазоне от 5 до 10 мкм. В объеме зерен, независимо от плотности энергии пучка электронов, выявляется ячеистая структура, характерная для скоростной кристаллизации [126]. Поперечный размер ячеек в ней изменяется в пределах 0,5…1,0 мкм.
Шероховатые области образованы частицами с размерами от 0,5 до 5,0 мкм. Микрорентгеноспектральный анализ участка 1 на рисунке 4.7, г, содержащего такую частицу, дает основание заключить, что она образована молибденом и медью в количестве 95 и 5 ат. %, соответственно. Углерод этим методом не выявляется. За пределами центральной зоны образца наблюдается структура, в которой поверхность сглаживается по сравнению с образцом после ЭВН, однако в ней по-прежнему присутствуют микротрещины и микрократеры. Соответственно эволюции морфологии поверхности облучения изменяется и элементный состав поверхностного слоя. На границе центральной зоны и за ее пределами области, обогащенные молибденом или медью, сохраняются. Методом рентгенофазового анализа центральной зоны (рисунок 4.8) установлено, что основными фазами в нем являются молибден и медь в соотношении приблизительно 1:1. Выявлены дифракционные линии, принадлежащие карбиду молибдена состава Mo2C, объемная доля которого 5..10 %. Выглаживание поверхности ЭПО приводит к выравниванию толщины модифицированного слоя (рисунок 4.9, а). Как следует из анализа изображения структуры поперечного шлифа, толщина модифицированного слоя после ЭПО в различных режимах изменяется в пределах от 30 до 50 мкм и незначительно уменьшается с ростом плотности энергии пучка электронов. При этом общая толщина покрытия составляет 60–80 мкм. Граница между покрытием и подложкой имеет волнообразный рельеф, что говорит о высокой адгезии покрытия с подложкой. Таким образом, выполненные исследования показывают, что ЭПО поверхностного слоя электровзрывного покрытия медных электрических контактов, осуществляемая в режиме плавления, приводит к формированию структурно и концентрационнооднородного поверхностного слоя. В покрытиях системы Mo-С-Cu следовало ожидать формирование карбидной фазы. Действительно, выполненные ПЭМ-исследования выявили частицы карбида молибдена состава Мо2С (рисунок 4.10) с размерами частиц карбидной фазы от 10 до 30 нм. Электровзрывные покрытия системы W-С-Cu после ЭПО. Исследования поверхности облучения, осуществленные методами СЭМ, показали, что обработка материала электронным пучком во всех режимах приводит к существенным изменениям его поверхности: выделяются две области – центральная и периферийная. В центральной области воздействия пучка электронов (область, размеры которой увеличиваются от 10 до 18 мм с ростом плотности энергии от 45 до 60 Дж/см2, соответственно), исчезают микрокапли, микрократеры и микротрещины, описанные ранее в [87], рельеф поверхности выглаживается (рисунок 4.10). Формируется структура, включающая гладкие, по сравнению с остальной поверхности области А, имеющие неправильную форму. Эти области размещены на поверхности покрытия хаотически. Так же на поверхности присутствуют шероховатые области (рисунок 4.11, а). Микрорентгеноспектральный анализ участка 1 на рисунке 4.11, б дает основание заключить, что области структуры с гладким рельефом образованы медью и вольфрамом в количестве 94 и 6 ат. %, соответственно. Гладкие области имеют поликристаллическую структуру, средний размер зерен которой увеличивается от 5 до 15 мкм с ростом плотности энергии от 45 до 50 Дж/см2 соответственно. Увеличение плотности энергии электронного пучка до значения 60 Дж/см2 при времени импульсного воздействия 100 мкс приводит к образованию поликристаллической структуры с размерами зерен, изменяющимися в диапазоне от 5 до 30 мкм. Мелкие зерна группируются в области. Можно предположить, что при ЭПО в данном режиме в поверхностном слое композиционного покрытия системы W-C-Cu реализуются условия, способствующие протеканию процесса динамической рекристаллизации [121, 122], при которой и формируются мелкие зерна. В пользу этого предположения говорит то, что в режиме ES = 60 Дж/см2, t = 200 мкс, N = 20 имп. (раздел 2), при котором плотность мощности пучка была самой низкой, формировалась более равнозернистая структура, размер зерен которой находится в интервале от 5 до 10 мкм.
