Содержание к диссертации
Введение
Глава 1 Формирование структурно-фазовых состояний и свойств поверхностных слоев металлов при электровзрьганом легировании 11
1.1 Упрочнение и защита поверхности металлов двухкомпонентным электровзрывным легированием 11
1.2 Поверхностное легирование металлов с использованием концентрированных потоков энергии 13
1.2.1 Возможности интенсификации химико-термической обработки металлов 13
1.2.2 Способы легирования поверхности с использованием концентрированных потоков энергии 16
1.2.3 Электровзрывное легирование - новый способ обработки металлов 23
1.3 Анализ работ по электровзрывному легированию 28
1.3.1 Теплофизические и гидродинамические процессы воздействия импульсных плазменных струй на поверхность металлов 28
1.3.2 Структурно-фазовое состояние и свойства поверхности металлов после воздействия концентрированных потоков энергии 37
1.3.3 Формирование поверхностных слоев металлов при электровзрывном легировании 41
1.4 Цель и задачи исследования 52
Глава 2 Материалы, электровзрывная установка и методика исследований 55
2.1 Материалы для проведения исследований процессов электровзрывного легирования металлов 55
2.2 Лабораторная установка для получения импульсных гетерогенных плазменных струй из продуктов электрического взрыва проводников .. 57
2.3 Определение тепловых потоков 60
2.4 Методы исследования микроструктуры, фазового состава и свойств модифицированных легированием поверхностных слоев 62
Глава 3 Строение, структурно-фазовые состояния я свойства зоны двухкомпонентного электровгрывного легирования 67
3.1 Формирование структуры и свойств при электровзрывном карбоалитировании титана . 67
3.2 Бороалитирование и боротитанирование инструментальных сталей.. 75
3.3 Выводы 83
Глава 4 Тенлофнзические и физико-химические процессы при электровзрывном легирование 85
4.1 Кинетика электрического взрыва фольги 85
4.2 Расчет параметров импульсных плазменных струй при различных режимах обработки 90
4.2.1 Экспериментальное определение интенсивности теплового воздействия на поверхность при обработке 90
4.2.2 Расчет параметров плазменных струй, формируемых при электрическом взрыве проводников 93
4.3 Зависимость степени науглероживания железа от интенсивности воздействия импульсной плазменной струи на поверхность 98
4.4 Выводы 104
Заключение 108
Список литературы 110
- Способы легирования поверхности с использованием концентрированных потоков энергии
- Лабораторная установка для получения импульсных гетерогенных плазменных струй из продуктов электрического взрыва проводников
- Формирование структуры и свойств при электровзрывном карбоалитировании титана
- Экспериментальное определение интенсивности теплового воздействия на поверхность при обработке
Введение к работе
Актуальность исследования. Решение ряда задач упрочнения и защиты металлов может эффективно достигаться обработкой поверхности с использованием импульсных плазменных струй, формируемых при электрическом взрыве проводников.
Одним из видов электровзрывной обработки поверхности, нашедшим промышленное применение, является нанесение покрытий из продуктов взрыва проволочек и фолы. Для этого используется система двух соосно расположенных то-коподводящих электродов. Известен также опыт электровзрывного нанесения покрытий с использованием коаксиально-торцевой системы электродов, при которой взрываемый проводник, например круглая фольга, зажимается между торцами внутреннего электрода, изготовленного в виде цилиндрического стержня, и внешнего электрода в виде кольца. В этом случае из продуктов взрыва формируется сверхзвуковая импульсная плазменная струя (плазменный сгусток), взаимодействие которой с поверхностью при определенных условиях приводит к образованию вблизи нее ударно-сжатого слоя с высокими значениями температуры и давления. Это позволяет проводить не только напыление покрытий, но и осуществлять электровзрывное легирование (ЭВЛ), которое происходит в результате оплавления тонких поверхностных слоев облучаемого материала и насыщения их продуктами взрыва Оказывается возможным также внесение в расплавленные слои порошковых частиц различных веществ, которые специально вводят в плазменную струю.
В связи с этим возникает необходимость как всестороннего изучения технологических возможностей данного способа обработки, так и модельного описания всего комплекса процессов, сопровождающих формирование плазменных струй и взаимодействие их с поверхностью.
Известно, что формирование на поверхности слоев, обладающих одновременно комплексом повышенных эксплуатационных свойств, может быть достигнуто при одновременном или последовательном легировании поверхности двумя или большим количеством элементов [1-4]. Вместе с тем все ранее выполненные исследования по ЭВЛ были посвящены формированию структурно-фазового состояния и свойств поверхности при насыщении ее каким-либо одним элементом (углеродом, алюминием, никелем и др.). Технологические же вопросы осуществления двух- и многокомпонентного электровзрывного легирования и его результаты до сих пор не изучались.
С другой стороны, основой управления ЭВЛ с целью получения заданного результата является понимание особенностей всех стадий обработки. Среди них условно можно выделить "внешнюю" стадию разрушения проводника и формирования гетерогенной плазменной струи в процессе разряда накопителя энергии; "поверхностную", связанную с физико-химическими процессами на границе раздела плазма-расплав, и "внутреннюю", определяющую конвективное перемешивание расплава и его кристаллизацию. В настоящее время в литературе имеются сведения, касающиеся описания процессов внутренней стадии обработки ЭВЛ. Вместе с тем, для понимания возможностей ее управления необходимо дать модельное описание и других стадий обработки.
Цель и задачи исследования. Высказанные выше соображения и обусловили постановку цели и задач исследования в данной работе. Ее целью явилось формирование структурно-фазового состояния и свойств поверхностных слоев металлов и сплавов при двухкомпонентном ЭВЛ и модельное описание процессов обработки.
В соответствие с этой целью были поставлены следующие задачи. Во-первых, реализовать различные варианты двухкомпонентного ЭВЛ на примере обработки широко используемых на практике инструментальных сталей и титановых сплавов; изучить строение, структуру, химический и фазовый состав, а также служебные свойства модифицированных слоев. Во-вторых, дать модельное описание электровзрывной обработки, начиная с момента собственно электрического взрыва проводника, последующего формирования из продуктов взрыва плазменной струи, ее разлета при истечении из сопла ускорителя в технологическую камеру, и заканчивая растворением легирующих элементов в расплавленном слое.
Объект исследования. Данная работа выполнена в рамках общего направления развития научных исследований и практических разработок - обработки материалов концентрированными потоками энергии (КПЭ). Такая обработка проводится различными способами, например, с использованием лазерного излучения, электронных пучков, плазменных струй, электрических токов высокой частоты Известны различные ее виды. Это и термообработка поверхности, нанесение на нее тонких пленок и покрытий, поверхностное легирование и др. Использование того или иного способа обусловлено, прежде всего, экономическими соображениями, технологическими особенностями самого способа и содержанием конкретной задачи.
Предмет исследования. Поскольку каждый из способов обработки имеет свои достоинства и недостатки и свою оптимальную область применения, разработки новых способов упрочнения и защиты поверхности продолжаются. Одним из таких способов и является ЭВЛ.
Методологическая и теоретическая основа исследования. За последние годы в нашей стране и за рубежом был опубликован ряд монографий и множество статей по вопросам взаимодействия КПЭ с веществом. В них отражены достижения науки в области изучения физических и физико-химических процессов в зонах воздействия КПЭ (прежде всего лазерного и электронного излучения), а также их практического применения. Наиболее значимыми для нашей работы оказались литературные источники [5-17]. По вопросам электровзрывной обработки и, в частности, ЭВЛ были использованы результаты работ [18-51].
Накопление знаний в этой динамичной области науки приводит, в частности, к расширению области пересечения существенно различающихся по техническому оформлению процессов лазерной, электронно-лучевой и плазменной обработке, поскольку геометрические и технологические параметры их в технологическом диапазоне оказываются близкими друг к другу. В связи с этим мы считали целесообразным анализировать основные физические явления, возникающие при ЭВЛ металлов, с единых для всех названных способов обработки позиций, развивая уже имеющиеся в литературе модельные представления. Прежде всего это касается теплофизических и гидродинамических процессов. Ранее этот подход систематически применялся в работах [51-60J, которые положили начало данным исследованиям.
Научная новизна. Впервые целенаправленно было осуществлено двухком-понентное ЭВЛ сталей и сплавов и изучены его результаты, а именно строение и структурно-фазовый состав модифицированных слоев, а также их свойства (жаро-и износостойкость, микротвердость). Определены возможности управления процессом электровзрывной обработки со следующих точек зрения: изменения соотношения в гетерогенном плазменном пучке конденсированного и плазменного компонента при выборе энерговклада во взрываемый проводник, его материала, размеров и формы; изменения теплового воздействия на облучаемую поверхность при выборе энерговклада во взрываемый проводник, диаметров внутреннего и внешнего электродов разрядного устройства и канала сопла, а также расстояния от его среза до поверхности; изменения степени легирования плазменным компонентом пучка при выборе термосилового давления на поверхность.
Практическая значимость работы. Установлено, что при электровзрывном бороалитировании и боротитанировании металлов удается получить поверхностные слои, одновременно устойчивые как против высокотемпературного окисления, так и против изнашивания. Прочностные характеристики повышаются в несколько раз. Определены дополнительные возможности управления процессом электровзрывной обработки поверхности. Тем самым обоснованы предложения по ее возможному использованию в условиях производства.
Апробация результатов исследования. Результаты диссертации представлялись на ХШ Петербургских чтениях по проблемам прочности, Санкт-Петербург, 2002; Всероссийской конференции «Дефекты структуры и прочность кристаллов», Черноголовка, 2002; II Российско-китайском семинаре «Фундаментальные проблемы современного материаловедения», Барнаул, 2002; Международной конференции «Science for Materials in the Frontier of Centuries: Advantages and Challenges», Киев, Украина, 2002; VH Международной школе-семинаре, посвященной году науки и культуры Казахстана в России, Усть-Каменогорск - Барнаул, 2003; Международной конференции «Действие электромагнитных полей и тока на пластичность и прочность материалов», Москва, 2003; XXV Международной конференции «Физика прочности и пластичности», Тольятти, 2003; XVII Уральской школе металловедов-термистов, Киров-Екатеринбург, 2004; XII и ХШ Международных конференциях "Актуальные проблемы прочности", Калуга и Витебск, Беларусь; V Российской выставке «Изделия и технологии двойного назначения», Москва, 2004.
Публикации. Всего по теме диссертации опубликовано 16 работ, в том числе 1 коллективная монография, 3 статьи, 12 тезисов докладов.
Основные положения, выносимые на защиту.
Способ обработки металлов импульсными плазменными струями, сформированными при электрическом взрыве алюминиевых или титановых фолы с нанесенными на них навесками аморфного бора или совместно с углеграфитовы-ми волокнами, приводит к образованию поверхностных слоев, в состав которых входят как элементы материала основы, так и элементы, вносимые из пучка.
Результаты металлографических исследований строения, структуры и фазового состава зоны легирования, согласно которым поверхностные слои обладают сравнительно однородным распределением по глубине легирующих элементов и мелкодисперсных фаз.
Экспериментальные результаты, согласно которым модифицированные легированием слои обладают повышенными значениями микротвердости, жаро- и износостойкости.
Результаты анализа кинетики электровзрыва фольги, обосновывающие возможности управления структурой плазменной струи выбором материала взрываемого проводника, его размеров и формы, а также энергии накопителя.
Схему расчета параметров плазменной струи, радиуса зоны плазменного воздействия, температуры и давления, а также плотности поглощаемой мощности на оси струи в зависимости от геометрических параметров разрядного устройства, расстояния от среза сопла до облучаемой поверхности зарядного напряжения накопителя.
6. Модель науглероживания расплава железа плазменным компонентом струи.
Краткое описание структуры диссертационной работы. Диссертация включает в себя введение, 4 главы и заключение, изложена на 128 страницах машинописного текста, содержит 28 рисунков и 6 таблиц, список литературы состоит из 186 наименований.
Первая глава посвящена анализу научных работ и практических разработок в области упрочнения и защиты металлов поверхностным легированием с использованием КПЭ. Принципиальная идея этого вида обработки состоит в расплавлении поверхностных слоев металла и внедрении в них легирующих компонентов, проникающих в глубь в основном при конвективном перемешивании, Основное внимание уделено импульсным плазменным способам обработки поверхности. В настоящее время для этой цели разработаны различные плазменные источники со стационарным и импульсным режимами работы.
Рассмотрены литературные данные по формированию импульсных плазменных струй при электрическом взрыве проводников с использованием коакси-ально-торцевой системы электродов, возможностям управления их структурой, взаимодействию с поверхностью. Рассмотрены также различные физические процессы, характерные для процессов импульсного поверхностного легирования, в частности, электровзрывного, определяющие формирование структурно-фазового состояния и свойств модифицированных легированием слоев.
Показано, что результаты ЭВЛ определяет внутренняя взаимосвязь гетерогенной структуры плазменных струй, их импульсного характера и сочетания одновременно действующих на поверхность теплового, силового и химического факторов воздействия.
Отмечено, что разработка технологических возможностей ЭВЛ, также как и модельное описание различных стадий этой обработки в настоящее время не завершены. Выявлено перспективное направление ее развития, а именно двухком- понентное легирование поверхности продуктами электровзрыва проводников и частицами порошковых частиц, вводимых в область взрьюа.
В заключение сформулированы цель и задачи исследования, раскрыта его научная значимость.
Во второй главе описана функциональная электрическая схема лабораторной установки для получения гетерогенных плазменных струй и ее параметры. Рассмотрены использованные методы исследования фазового состава и свойств поверхностных слоев. Обоснован выбор для обработки инструментальных сталей и титановых сплавов, а также композиций, содержащих бор - "алюминий-бор" и "титан-бор".
В третьей главе рассмотрены результаты металлографических исследований строения и структурно-фазового состояния поверхностных слоев металлов после двухкомпонентного ЭВД а также приведены экспериментальные данные определения их свойств - микротвердости, жаро- и износостойкости.
Четвертая глава посвящена модельному описанию процессов электровзрывной обработки, а именно кинетике разрушения фольги, разлету плазменной струи в технологической камере и переносу легирующих элементов через границу раздела плазма-расплав.
Основная часть представленного в диссертации материала является обобщением ряда докладов, представленных на семинарах и конференциях и опубликована в различных изданиях в течение 2002-2004 гг. Так, в главе 1 использованы материалы работ [61, 62], в главу 3 вошли преимущественно материалы публикаций [61,63,64], а глава 4 написана на основе работы [61] и ряда тезисов докладов.
Исследования были выполнены на кафедре физики СибТИУ. Автор благодарна: заведующему кафедрой физики профессору В.Е. Громову и сотрудникам кафедры, оказавшим ей помощь в работе; заведующему кафедрой общей химии профессору В.Ф. Горюшкину и соавторам публикаций по теме диссертации; а также научному руководителю.
Способы легирования поверхности с использованием концентрированных потоков энергии
Лазерное легирование. Анализ литературных данных по легированию металлов с использованием КПЭ показал, что наибольшее число работ в этой области исследований выполнено с применением лазеров. Это связано со значительным развитием лазерной техники. Ее применение растет высокими темпами. Однако, в настоящее время доля лазерного оборудования, используемого для обработки материалов, по сравнению с долей традиционного оборудования пока еще мала. Причины этого связаны с вопросами экономичности применения лазеров. Она определяется целым рядом факторов: стоимостью и надежность лазерных установок, наличием в серийном производстве необходимой оснастки, оптических эле ментов для транспортирующих излучение систем, датчиков контроля параметров процесса обработки и самого лазерного излучения и др. Рассмотрим различные варианты осуществления лазерного легирования на примере науглероживания. Значительное число исследований выполнено по леги рованию железа, титана и других карбидообразующих металлов и сплавов на их основе, так как в жидком состоянии они легко растворяют углерод в любой его модификации. Это позволяет достичь высоких концентраций. Наиболее технологичным и распространенным является способ с предвари тельным нанесением на поверхность обмазок и паст и последующей обработкой ее непрерывным или импульсным излучением [82-90]. В статье [91] изложены ре зультаты экспериментов по науглероживанию сталей с использованием непре рывного лазера путем инжектирования в зону легирования порошка графита струей инертного газа Лазерную цементацию армко железа с использованием не прерывного излучения при подаче в зону легирования струи пропана под давлением изучали в работе [92]. Концентрация углерода в слое достигала 5 %. Насы щение углеродом из газовой фазы при импульсном воздействии возможно при больших давлениях, поскольку при малых давлениях диссоциация углеродсодер-жащих газов идет слабо и заметного насыщения расплава не наблюдается. Когда процесс ведут при плотности мощности порядка 10б-107 Вт/см2, над поверхностью обрабатываемой детали образуется плазменное облако, представляющее собой смесь ионизированных частиц газа и металла, испарившихся с по- верхности. Использование плазмы приповерхностного пробоя для науглероживания железа изучали в работах [83-95], титана и других тугоплавких металлов - в работах [96-99]. По сравнению с науглероживанием из газа технологически более просто осуществлять процесс из жидкости, содержащей углерод. При лазерном воздейст вии в ней образуется расширяющийся парогазовый канал, насыщенный парами углерода, через который излучение попадает на поверхность изделия. Исследова ниями лазерно-плазменного науглероживания железа из толуола было установле на но [100-102], что степень легирования за один импульс воздействия достигала 20 %. Это заметно больше, чем при легировании из газовой фазы. Лазерно-плазменный синтез карбидов тугоплавких металлов под слоем углеродсодержа-щих жидкостей проводили в работах [97, 98].
Некоторые процессы лазерного легирования, например борирование, были реализованы только с использованием лазерных обмазок [103-107]. Борирование может осуществляться также при оплавлении диффузионных слоев и плазменных покрытий [9].
Электронно-лучевое легирование. В большинстве случаев результаты, достигаемые с использованием лазерного излучения, качественно одинаковы с результатами обработки электронными пучками. Количественные отличия связаны с тем, что для электронно-лучевой обработки характерна более высокая эффективность преобразования электрической энергии в кинетическую энергию потока электронов, а результат взаимодействия электронного пучка с материалом не зависит от оптических характеристик его поверхности. В то время как степень использования энергии при лазерной обработке составляет 7-Ю %, при электроннолучевой она достигает 75 %. Толщина упрочненных слоев при электроннолучевой обработке больше, чем при лазерной (при одной мощности пучка). Это позволяет создавать мощные технологические устройства с большой производительностью. Средства управления электронными пучками разработаны гораздо совершеннее, чем для лазерных лучей. Возможность точного дозирования параметров пучка электронов во времени и в пространстве позволяет изменять глубину и профиль выделяющейся энергии в материале и, следовательно, необходимую скорость охлаждения расплава и получаемый тип структуры.
Для электронно-лучевой поверхностной обработки используется сварочное оборудование, имеющее диаметр луча в пределах от 0,1 до 1 мм и отличающееся высокой стабильностью параметров. В настоящее время все подобные установки снабжаются необходимым вспомогательным оборудованием. Электроннолучевые установки компактны и легко встраиваются в производственную линию. Их стоимость в 4 раза меньше, чем лазерных. В последние годы разработан ряд новых источников электронов импульсного и непрерывного действия, основанных на устройствах с плазменным эмиттером [14,108,109]. Они обеспечивают широкий спектр параметров, имеют большое поперечное сечение и обладают большими технологическими возможностями, в том числе в области ХТО металлов. Самостоятельной разновидностью упрочнения путем оплавления предварительно нанесенных покрытий совместно с основой детали является обработка релятивистскими потоками электронов [13, 110]. Использование частиц высоких энергий позволяет нагревать поверхность за счет прямого знерговыделения тормозящихся электронов таким образом, что максимальное количество тепла выделяется в подповерхностном слое и неравномерно в различных структурных составляющих материала Использование электронно-лучевых ускорителей позволяет проводить ХТО на воздухе.
Рассмотренная в обзоре [13] классификация вариантов электронного легирования включает газовое с переносом легирующего элемента в расплавленную поверхность и жидкостное с расплавлением предварительно нанесенного слоя и материала основы до определенной глубины, либо с введением материала, полностью или частично растворяемого в материале основы, в расплав во время электронно-лучевой обработки. Особенности электронно-лучевого борирования сталей с нанесенной на поверхность обмазкой, содержащей карбид бора и аморфный бор, рассмотрены в работах [111,112], а структура и свойства боридных слоев, полученных в результате электронно-лучевой ХТО, - в работе [113].
Лабораторная установка для получения импульсных гетерогенных плазменных струй из продуктов электрического взрыва проводников
При разряде емкостного накопителя участок проводника, расположенный над центральным электродом, в процессе разрушения образует плазменный фронт гетерогенной плазменной струи. Периферийная же его область становится источником конденсированных частиц продуктов взрыва, располагающихся в тыле формируемого сгустка. Соотношение между плазменной и конденсированной фазами продуктов взрыва по оси струи изменяется непрерывно [38]. В ходе распространения струи происходит дальнейшее разделение ее быстрого высокоэнталь-пийного фронта и относительно медленного тыла, включающего конденсированные частицы продуктов взрыва. Это связано с тем, что чем меньше размеры частиц, тем больше их скорость [39,47].
В некоторых случаях с целью управления параметрами плазменных сгустков используют компрессионные камеры. Их стенки образуют локализованный объем, в котором происходит разрушение проводника, и переходят в направляющий канал сопла На степень дисперсности конденсированных продуктов взрыва оказывают влияние величина зарядного напряжения и время разряда конденсаторной батареи [40,41]. Для осуществления бескапельного разрушения металлических фольг в коаксиальных плазменных ускорителях требуется использование энергий, в 15-20 раз превышающих энергию испарения проводника [43]. Поэтому в случае необходимости легирования поверхности только плазменными компонентами продуктов взрыва возможно использование специальных сопел, позволяющих проводить сепарацию крупнодисперсных частиц (рисунок 1 Л, г). Такие сопла, состоящие из двух конусов - сужающегося и расширяющегося, расположенных под углом 30-40 друг к другу, позволяют изменять направление движения потока плазмы, не изменяя направления движения капель. Существуют и другие технические возможности отсекания крупных фракций потока продуктов взрыва с помощью обрыва разрядного тока [27]; установки между взрываемым проводником и обрабатываемой поверхностью сеточного экрана, на который также разряжается батарея конденсаторов, в результате чего происходит дополнительное дробление капель [28]. Электровзрывную обработку поверхности проводят как на воздухе, так и в вакууме. В последнем случае струя истекает в вакуумированную камеру, в которой размещают технологическую оснастку и обрабатываемую деталь.
Исследования показывают, что при обработке возможно термомеханическое упрочнение поверхности [48] или ее разрушение с образованием микротре-щин. Так, в работе [38] при импульсном плазменном воздействии на сталь У10, предварительно закаленную на на мартенсит, в поверхностном слое наблюдали образование трещин по границам бывших аустенитных зерен. При облучении крупнозернистых образцов кремнистого железа также было обнаружено образование трещин по плоскостям спайности кристаллитов и по их границам, ориентированным перпендикулярно к внешней поверхности образцов. В работе [35] при электровзрывной обработке бериллия на воздухе происходило образование трещин, чего не наблюдали при обработке в вакууме.
В работе [20] при электровзрывной плазменной обработке с оплавлением поверхности на воздухе отмечено насыщение расплава азотом. Для устранения негативных аспектов ЭВЛ, связанных с разрушением поверхности и неконтролируемым насыщением расплава из атмосферы, предпочтительно проводить обработку в вакууме.
В работах [36, 37] обрабатывали поверхность алюминия и бериллия при электровзрыве фольг железа Отмечено, что процесс импульсного плазменного легирования носит пороговый характер: при низких энергиях взрыва на поверхности формируется покрытие; при высоких, когда происходит плавление металла, -образуется сплав. Величина пороговых режимов обработки зависит от теплофи-зических свойств металлов и расстояния поверхности от области взрыва Фазовый состав модифицированных слоев, толщина которых достигала 10 мкм, существенно зависел от энергии взрыва, которая составляла величину порядка 1 кДж. При определенных режимах воздействия степень легирования достигала нескольких десятков процентов. При этом образовывались интерметаллидные фазы и твердые растворы. В работе [50] науглероживание стали СтЗ при энергии разряда 10 кДж осуществляли электровзрывом металлической фольги с нанесенным на нее порошком графита. Наряду с растворенным углеродом, распределение которого по зоне легирования было однородным, в слое наблюдали нерастворившиеся частицы графита, количество которых с глубиной уменьшалось. Модифицированные слои имели мелкодисперсную структуру с микротвердостью почти в 2 раза выше, чем в исходном состоянии.
В работе [51] проводили комбинированную обработку образцов из стали СтЗ. Поверхность оплавляли непрерывным лазерным излучением, а легирование осуществляли частицами порошка карбида вольфрама, которые помещались на взрываемую металлическую фольгу и переносились плазменным потоком. Путем такой обработки были получены композиционные слои толщиной до 0,7 мм с высокой твердостью
Легирование стали 20 электровзрывом алюминиевых и нихромовых фольг, а также тонких углеродных пластин при энергии разряда 60 кДж, когда содержание конденсированных частиц продуктов взрыва было мало, проводили в работе [34]. Наибольшая микротвердость в зоне легирования достигалась при науглероживании расплава, при этом концентрация углерода в поверхностном слое возрастала на 1,5 %. При легировании алюминием, никелем и хромом увеличение концентрации этих элементов происходило только на несколько десятых долей процента. Изучение распределения легирующих добавок по глубине показало, что оно слабо менялось вплоть до границы оплавления.
В работе [52] рассмотрены результаты ЭВЛ титанового сплава алюминием и никелем. Степень легирования при такой обработке достигала нескольких десятков процентов, а распределение легирующей добавки по глубине слоя было относительно однородным. Модифицированные слои обладали повышенным уровнем микротвердости. С помощью рентгеноструктурного фазового анализа в них был обнаружен набор интерметаллидов.
Формирование структуры и свойств при электровзрывном карбоалитировании титана
В зоне термического влияния, располагающейся ниже границы оплавления, при обработке титана, железа и никеля явно выраженные изменения структуры поверхностных слоев химическим травлением не выявлялись, в меди наблюдалось зернограничное растрескивание, а в железе в некоторых случаях при высокоинтенсивных режимах обработки - образование новых мелких зерен. Анализ показал, что причина образования трещин при обработке меди заключается в ослаблении границ зерен примесью кислорода, понижающей энергию разрушения под действием возникающих сдвиговых напряжений, а измельчение зерен в железе - это следствие фазового наклепа.
Таким образом, исследованные режимы воздействия с оплавлением поверхности условно можно разбить на низкоинтенсивные, при которых наблюдалось образование поверхностных периодических структур и возникало течение расплава вдоль поверхности под действием давления пучка, и высокоинтенсивные, соответствующие развитому течению расплава, проникновению в расплав частиц графита и образованию граничной полоски.
Рассмотрим особенности микроструктуры и фазового состава поверхностных слоев титана, железа, никеля и меди, сформированных при электровзрывном науглероживании в различных режимах. Обработка титана [54] приводила к легированию и изменению фазового состава переплавляемого слоя. При низкоэнерге-тичных режимах обработки, когда легирование осуществлялось только плазменной составляющей пучка, поверхностный слой имел однородную мелкодисперсную структуру с плохо различимыми деталями. Начиная с q 2,5 ГВт/м2, основной вклад в легирование вносили конденсированные частицы тыла пучка. При конвективном перемешивании они проникали на всю глубину оплавленного слоя и, не успевая раствориться, образовывали одну из его фаз. Помимо частиц волокон, в слое вытравливалось большое количество мелких частиц округлой формы. В соответствии с данными рентгеновского фазового анализа можно было считать, что они являлись частицами синтезированного карбида титана, которые за время электровзрывной обработки не успевали вырасти до значительных объемов.
Таким образом, при высокоинтенсивных режимах науглероживания титана удается сформировать композиционные слои с твердой смазкой графита, упрочненные мелкодисперсными частицами карбида титана
Обработка железа [54,57] показала, что и в этом случае поверхностные слои насыщались углеродом на всю глубину оплавления. При q = 2,5 ГВт/м2, когда толщина слоя достигала 5 мкм, в нем выделялось две зоны. Верхняя зона заэв-тектического чугуна состояла в основном из цементита Нижняя зона резко отличалась от верхней. Она была образована мелкоигольчатым мартенситом и остаточным аустенитом, т.е. имела фазовый состав заэвтектоидных сталей. Б ней наблюдались лишь отдельные иглы цементита. Подобную структуру модифицированные слои имели и после обработки при q 3,7 ГВт/м2. С ростом интенсивности воздействия переход от верхней сильно науглероженной области к нижней становился плавным, а объем, занимаемый аустенитом, увеличивался. После обработки при q = 5,5 ГВт/м2 и толщине слоя 17 мкм, вблизи поверхности присутствовали частицы углеграфитовых волокон, т.е. формировался фазовый состав, характерный для серых чугунов.
Индицирование дифрактограмм поверхностных слоев показало, что в результате плазменного науглероживания формировалась трехфазная смесь феррита, аустенита и цементита Мартенситное расщепление дифракционных максимумов не наблюдалось. Возможно также, что в слое образовывались нестехиометри-ческие е - и х -карбиды. Некоторые пики проиндицировагь не удалось. У аустенита обнаруживалась текстура с преимущественной ориентацией в направлении [111], параллельном тепловому потоку в объем образца. У цементита также проявлялась текстура, что было связано с тем, что цементитные пластины был ориентированы преимущественно вдоль слоя под небольшими углами к поверхности.
Анализ рентгеноструктурных данных показал, что с ростом интенсивности плазменного воздействия заметно уменьшалось содержание феррита в оплавляемых слоях, незначительно росло количество остаточного аустенита и сильно увеличивалось содержание цементита. Причем при изменении q от 3,7 до 5,5 ГВт/м2 прирост объема легированного слоя за счет увеличения его толщины был примерно равен приросту объема, занимаемого в слое цементитом, самой богатой по содержанию углерода фазы. Это наглядно показывало, что с ростом интенсивности воздействия увеличивалась степень легирования расплава.
Как показали измерения параметров решетки феррита в закаленных поверхностных слоях железа действовали остаточные напряжения сжатия, как и после традиционной цементации. Причем с ростом интенсивности воздействия их уровень увеличивался и достигал значений 690 ± 230 МПа Концентрация углерода в аустените при этом составляла 1,8 %.
Таким образом, структурно-фазовое состояние науглероженного слоя можно представить следующим образом. Вблизи поверхности располагался первичный цементит. С увеличением глубины появлялась феррито-цементитная эвтектика, а содержание первичного цементита падало. Еще глубже появлялся остаточный аустенит, а вблизи границы оплавления располагалось небольшое количество мартенсита Повышенное содержание цементита у поверхности модифицированного слоя, по-видимому, было связано с формированием слоя графита Непосредственно контактируя с расплавленным металлом при высокой температуре, графит интенсивно растворялся в нем, что приводило к науглероживанию расплава вплоть до предельной концентрации. С увеличением интенсивности плазменного воздействия и соответственно с ростом температуры и степени конвективного перемешивания расплава количество растворенного графита увеличивалось, поэтому содержание цементита заметно возрастало. Так при поглощаемых плотностях мощности, равных 3,7,4,5 и 5,5 ГВт/м2, содержание феррита составляло 75, 54 и 33 %, аустенита- 17, 19 и 25 %, а цементита - 8, 25 и 42 % соответственно.
Экспериментальное определение интенсивности теплового воздействия на поверхность при обработке
При эксплуатации деталей из титана в условиях высокотемпературного окисления образуется окалина, которая не является защитной и обладает низкими механическими свойствами. В работе [52] была показана возможность импульсного легирования титановых сплавов путем оплавления поверхности продуктами электрического взрыва алюминиевых фолы. Способ позволяет создавать защитные слои толщиной несколько десятков микрометров. Такую же толщину имеют слои, получаемыми традиционными методами диффузионной металлизации.
Вместе с тем, при воздействии на поверхность окислительной агрессивной среды в условиях одновременного изнашивания электровзрывное алитирование может оказаться малоэффективным, так как формируемые слои на основе алюми-нидов титана, обладая повышенной жаростойкостью, имеют низкую твердость и высокую хрупкость. В связи с этим в данной работе изучали возможности комплексного электровзрывного легирования титана с целью создания на поверхности защитных слоев, устойчивых как против высокотемпературного окисления, так и против изнашивания.
Обработку образцов технически титана марки ВТ1-0 проводили по трем вариантам. В первом легирование поверхности проводили электровзрывом алюминиевых фолы. Во втором электровзрыв фолы осуществляли совместно с заранее введенными в область взрыва порошковыми навесками из жаростойкого оксида алюминия, обладающего высокой твердостью. В третьем - совместно с углегра-фитовыми волокнами для получения при легировании твердой износостойкой фазы карбида титана Массы навесок порошка и волокон выбирали достаточно малыми, чтобы обеспечить максимально возможное сохранение исходных размеров образцов.
По данным световой микроскопии модифицированные легированием слои имели толщину 30-40 мкм. Алитированные слои имели плохо различимую границу с основой. После обработки по второму варианту в них содержались частицы оксида алюминия, а после обработки по третьему варианту - включения частиц графита. Распределение легирующих добавок и фазового состава по глубине слоев характеризовалось однородностью вплоть до границы плавления (рисунки 3.1 и 3.2).
В частности, вплоть до границы плавления поверхности проникали и мелкодисперсные частицы углеграфитовых волокон, толщина которых достигала 5 мкм. Они образовывались при разряде накопителя, переносились на поверхность плазменной струей и замешивались внутрь слоя конвективными потоками в процессе воздействия струи на поверхность. Такие слои можно рассматривать как композиционные, матрицей которых является сплав титана с алюминием или с алюминием и углеродом, а армирующим материалом - соответственно включения оксида алюминия и дискретные углеродные волокна.
После окисления образцы исходного титана были покрыты слоем окалины, которая имела белый матовый цвет и легко скалывалась с поверхности. Под ней образцы имели черно-фиолетовый цвет. Защищенные образцы имели окалину темного цвета с небольшим количеством светлых фрагментов на неровностях поверхности, вызванных течением расплава в процессе обработки. Окалина на них была прочно связана с основой.
В основе образцов в процессе отжига происходил заметный рост зерен вследствие рекристаллизации. Газонасыщенная зона, которая присутствует в титановых сплавах ниже слоя окалины [174], химическим травлением не выявлялась. Окалина на образцах, не подвергавшихся легированию, имела толщину не более 20 мкм и однородную структуру. Окалина на защищенных образцах имела слоистое строение, что свидетельствовало о смене механизма окисления [174]. Ее толщина на этих образцах была меньше толщины легированного слоя, граница которого после отжига не выявлялась. Особенностью окалины науглероженных образцов являлось то, что частицы графита, внесенные в расплав при обработке, при отжиге сохранялись в поверхностном слое.
По данным реттеноструктурного анализа при электровзрывном алитирова-нии титана фазовый состав поверхности был образован твердыми растворами алюминия в титане н титана в алюминии, а также интерметаллидами титана TiAl, ТіАІг, ТІАІз (рисунок 33, а). После обработки по второму варианту на дифракто-граммах появились дополнительные пики, соответствующие оксиду АЬОз (рису-нок 3.3, б). Особенностью обработки элекгровзрывом фольг совместно с углегра-фи- товыми волокнами явилось резкое уменьшение в слое алюминия и фаз на его основе - твердого раствора титана и интерметаллидов (рисунок 3.3, в). Вместе с тем, в этом случае в слое появилось значительное количество карбида титана На рисунке 3.2 этой фазе, по-видимому, соответствуют мелкодисперсные (диаметром 1 мкм) светлые округлые частицы. Пики, соответствующие графиту, на дифрак-тограммах не обнаружились, по-видимому, из-за его низкой рассеивающей способности.
Отмеченное отличие в содержании алюминия в поверхностных слоях после обработки по второму и третьему вариантам могло быть связано с технологическими особенностями осуществления электровзрыва и формирования гетерогенных плазменных струй.
Образцы, не подвергавшиеся электровзрывному легированию, имели окалину, состоявшую в основном из рутила (рисунок 3.3, г). Некоторые пики на ди-фрактограммах, снятых с внешней поверхности окалины, соответствовали низшим оксидам Ті203 и Ті305. На дифрактограммах алитированных образцов присутствовала система пиков, соответствующая интерметаллидам титана (рисунок 3., д). Это согласовывалось с данными оптической микроскопии шлифов о том, что защитные свойства поверхности, приобретенные ею после обработки, за время испытаний сохранились.
