Введение к работе
Общая характеристика работы: диссертационная работа посвящена исследованию структурно-фазового состояния и механических свойств порошковых покрытий на основе Ni и Со, нанесенных методом плазменной детонации на стальные подложки и модифицированных облучением
Актуальность темы. В течение последних лет интенсивно исследовались и развивались технологии функциональной поверхностной обработки материалов с целью их расширенного промышленного применения, такие как плазменное нанесение защитных покрытий на поверхности различных материалов и модификация их свойств облучением. Большой интерес представляет защита металлов от коррозии при помощи изолирующих покрытий. Для изготовления коррозионно – устойчивых покрытий для деталей и агрегатов широко используются Ni и Со в сочетании с другими легирующими компонентами Дальнейшее совершенствование технологии нанесения и модификации покрытий на основе этих элементов значительно расширит области их применения. Для нанесения покрытий из тугоплавких материалов, с помощью которых можно получить покрытия высокого качества, используют метод плазменной детонации. Данная технология относится к ресурсосберегающим, что обусловлено низким расходом легирующих элементов и электрической энергии в сочетании с высокой производительностью. Метод плазменно-детонационного нанесения покрытий позволяет получать достаточно толстые покрытия, толщиной до 500 мкм. Основной недостаток таких покрытий – это их пористость. Для улучшения адгезии к подложке и изменения структуры покрытий используют их оплавление электронными пучками или повторный проход плазменной струи, но уже без порошка покрытия, есть опыт промышленной эксплуатации обработанного по данным технологиям оборудования.
Механические и физико-химические свойства облученных материалов определяются их структурно-фазовым составом, влияние облучения на фазовую стабильность достаточно сложное. В литературных источниках нет пока общего мнения о характере влияния электронного облучения и облучения импульсной плазменной струей на структурные и фазовые превращения в сплавах на основе Ni и Co, а так же о влиянии данных видов облучения на механические и физико-химические свойства данных материалов. Поэтому исследования структурно-фазовых превращений в сплавах на основе Ni и Co при облучении и изучение влияния происходящих структурно-фазовых изменений на механических свойства данных сплавов весьма актуальны.
Цель работы: исследование механических свойств и структурно- фазового состава порошковых покрытий на основе Ni и Со, нанесенных методом плазменной детонации на стальные подложки до и после их модификации облучением. А так же определение на основании сравнительного анализа полученных данных оптимальных параметров облучения для формирования покрытий с повышенной твердостью и коррозионной стойкостью.
Объектом исследований в диссертационной работе являлись порошковые покрытия на основе Ni и Co и стальные подложки. В плазменно-детонационной установке «Импульс-6» на подложке из углеродистой стали Ст 3 (Fe – основа, C - 0.25 %, Mn - 0,8 %, Si - 0,37 %, P < 0,045 %) формировались защитные покрытия толщиной от 80 до 300 мкм из порошковых сплавов на основе Ni: ПГ-19Н-01 (Ni-осн.; Cr -8…14 вес.%; B-2,3 вес.%; Si-1,2-3,2 вес.%; Fe-5 вес.%; C-0,5 вес.%) и ПГ-10Н-01 (Ni-осн.; Cr -14…20 вес.%; B-3,3 вес.%; Si-4,8 вес.%; Fe до 7 вес.%; С-0,8 вес.%), а также покрытие из порошкового сплава АН-35 на основе Со с добавками: Cr (8…32 %); Ni ( 3%), Si (1,7…2,5%), Fe ( 3%); C (1,3…1,7%) и W (4…5%). Для напыления применялся порошок с размером фракций от 56 до 260 мкм. В качестве материала подложки использовались стальные образцы размером 20x30х2 мм3. Порошковые покрытия осаждались в воздушной среде со следующими параметрами импульсно-плазменной обработки: расстояние от подложки до среза сопла плазмотрона 60 мм; скорость перемещения образца 360 мм/мин., частота следования импульсов 4 Гц (частота детонации). Мощность плазменной струи 5 МВт, средний диаметр струи на образце 25 мм, температура Tст=20006000 К. Длительность импульса 3 мкс. Для оплавления покрытия использовали повторный проход плазменной струи (без порошка) с частотой следования импульсов 2,5 Гц (от 1 до 2-х проходов) или облучение образцов со стороны покрытий в вакууме сильноточным электронным пучком (ток пучка 20, 25, 30 мА) на источнике «У-212» с ускоряющим напряжением 30 кВ в непрерывном режиме. Нанесение покрытий и их модификация проведены в СИМП (Сумы, Украина).
Предметом исследований в диссертационной работе являлась эволюция микроструктуры и свойств покрытий при комбинированных обработках и выбор режимов облучения, приводящих к модификации покрытий.
Задачи исследования:
-
Провести исследование шероховатости поверхности покрытий и исследование структурно-фазового состава плазменно-детонационных покрытий на основе Ni (ПГ-19Н-01, ПГ-10Н-01) и на основе Co (АН-35) и их стальных подложек.
-
Провести измерения микротвёрдости покрытий и подложек по глубине от поверхности покрытия, установить взаимосвязь параметров микроструктуры и фазового состава исследуемых покрытий и подложек с измеренной микротвёрдостью.
-
Предложить схему строения покрытий, полученных методом плазменной детонации и провести численный эксперимент по расчётам распределения температурного профиля в данных материалах при электронном облучении.
-
Провести исследование структурно - фазовых превращений, коррозионной стойкости, микротвердости и шероховатости данных покрытий и их подложек после непрерывного электронного и импульсного плазменного облучения, установить отличия по сравнению с теми же покрытиями до облучения.
-
Разработать научно-обоснованные схемы комбинированной обработки покрытий и обосновать выбор режимов электронного облучения для повышения их качественных характеристик.
Методы исследования. Основными методами исследования были просвечивающая и сканирующая электронная микроскопия, атомно-силовая микроскопия (АСМ), рентгеноструктурный фазовый анализ (РСФА), рентгенофлуоресцентный анализ, оптическая микроскопия (металлография) и механические испытания (микротвёрдость). Испытания на микротвердость проводили на приборе ПМТ 3. Металлографию исследовали на оптическом микроскопе Neoрhot 21. Осуществлена компьютерная обработка результатов испытаний с использованием стандартных программ статистической обработки и корреляционного анализа. Для изучения структурно-фазового состава образцов применяли рентгеновский дифрактометр XPertPRO. Исследования структуры поверхности и морфологии проводили на растровом микроскопе JSM-6390LV с энергодисперсионным спектральным анализатором INCA ENERGY, а так же на растровом электронном микроскопе Philips SEM 515 с микроанализатором EDAX ECON IV. Для спетрального флуоресцентного анализа использовался спектрометр СРВ-1. Топографию поверхности исследовали на атомно-силовом микроскопе NT-206. Исследования методами просвечивающей электронной микроскопии (ПЭМ) проводили на JEM-2100. Для проведения коррозионных испытаний использовали потенциостат ПИ–50.1.1. Для создания программного приложения автоматизированного расчета распределения температурных профилей в металлических поглотителях при электронном облучении был выбран язык программирования Object Pascal (Delphi). Нанесение покрытий и их модификация проведены в Сумском институте модификации поверхности (Сумы, Украина).
Научная новизна работы заключается в том, что впервые:
-
Для класса порошковых покрытий из аустенитных сплавов на основе Ni и Co, нанесенных методом плазменной детонации на стальные подложки проведено комплексное исследование взаимосвязи фазового состава и параметров микроструктуры с показателем прочности - микротвердостью.
-
Установлен факт формирования наноструктур в плазменно-детонационных покрытиях на основе Ni и Со, и оценены параметры наноструктуры, формирующейся процессе нанесения покрытий.
-
В покрытиях ПГ-19Н-01 и АН-35 экспериментально установлена пластинчатая морфология выделения упрочняющих интерметаллидных фаз, их объемная доля, тип и параметры их решеток.
-
Предложена схема строения плазменно-детонационных покрытий и проведен численный эксперимент по расчету температурных профилей при электронном облучении покрытий на основе Ni. Даны научно-обоснованные рекомендации по выбору режимов электронного облучения для модификации покрытий на основе Ni.
-
Исследована эволюция микроструктуры и свойств данных покрытий при комбинированных обработках.
Научная и практическая значимость результатов состоит:
-
В установлении закономерности формирования наноструктур при нанесении порошковых покрытий методом плазменной детонации.
-
В формулировании общих принципов формирования и конкретных путей реализации структур с улучшенными физико-механическими свойствами в плазменно-детонационных порошковых покрытиях ПГ-19Н-01, ПГ-10Н-01, АН-35. Полученные результаты носят общий характер и могут быть применены к широкому классу порошковых защитных покрытий.
-
В возможности выбора оптимальных параметров комбинированных обработок для энергосберегающей технологии получения твердых и стойких к коррозии покрытий.
На защиту выносятся следующие основные положения:
-
Экспериментально установленное явление выделения интерметаллидных фаз с пластинчатой морфологией в покрытиях ПГ-19Н-01 и АН-35, нанесенных методом плазменной детонации на стальную подложку и их характеристики (химический состав, тип и параметры решеток, размеры выделений, влияние на механические свойства покрытия)
-
Результаты исследования морфологии поверхности плазменно-детонационных покрытий ПГ-19Н-01, ПГ-10Н-01 и АН-35, их структурно-фазового состава и микротвердости по глубине от поверхности.
-
Результаты численного эксперимента по расчету температурных профилей в покрытиях на основе Ni при электронном облучении.
-
Зависимость рельефа поверхности, структурно-фазового состояния и механических свойств плазменно-детонационных покрытий от типа дополнительного облучения.
Достоверность полученных в диссертации результатов и обоснованность научных положений подтверждается:
применением современных методов исследований (электронной просвечивающей и сканирующей микроскопии, атомно-силовой микроскопии, энергодисперсионного и рентгенофлуоресцентного анализа, рентгеноструктурного фазового анализа)
применением хорошо апробированных методов физического эксперимента;
корректностью постановки решаемых задач и их физической обоснованностью;
большим объемом экспериментальных и теоретических данных и их непротиворечивостью фундаментальным положениям физики конденсированного состояния.
Личный вклад автора состоит:
в участии в постановке задач, целей исследования и планировании эксперимента;
в проведении экспериментальных исследований тонкой структуры и механических свойств исследуемых сплавов;
в проведении расчетов температурных полей в двухслойных поглотителях Ni – Fe при электронном облучении;
в анализе полученных результатов, их обсуждении, в формулировании выводов диссертации.
Апробация работы. Основные результаты диссертации были изложены и обсуждены на следующих научных конференциях: 5-ая Республиканская студенческая научно-техническая конференция “Студент и наука: творчество, инновации и перспективы”, Усть-Каменогорск, Казахстан, 2005 ; Одиннадцатая Всероссийская Научная Конференция Студентов –Физиков и Молодых Учёных – ВНКСФ-11, Екатеринбург, 2005; Международная школа - конференция молодых ученых «Физика и химия наноматериалов», Томск, 2005; Международная научно-практическая конференция “Аманжоловские чтения, Усть-Каменогорск, 2005; Международная конференция “Ядерная и радиационная физика”, Алматы, Казахстан, 2005; II Международная научно-практическая конференция «Состояние, проблемы и перспективы информатизации в Республике Казахстан», Усть-Каменогорск, 2005; ВНКСФ-12, Новосибирск, 2006; VII Республиканская студенческая научно-техническая конференция «Творчество молодых – инновационному развитию Казахстана», Усть-Каменогорск, 2007; ВНКСФ-13, Ростов на Дону – Таганрог, 2007; Международная научно-техническая конференция: «Роль вузов в формировании инновационной экономики», Усть-Каменогорск, 2008; VII Международная Российско- Казахстанско- Японская научная конференция «Перспективные технологии, оборудование и аналитические системы для материаловедения и наноматериалов», Волгоград, 2009; 13-ый Междисциплинарный международный симпозиум «Упорядочение в минералах и сплавах» ОМА-13 Ростов-на-Дону, 2010; 10-я Международная конференция «Плёнки и покрытия - 2011» Санкт-Петербург, 2011; VIII Международная Российско- Казахстанско- Японская научная конференция «Перспективные технологии, оборудование и аналитические системы для материаловедения и наноматериалов» Алматы, 2011; 7-я Международная конференция NEET, Закопане, Польша, 2011; 1th International Conference on Nanomaterials: Applications and Properties (NAP-2011), Алушта, Украина, 2011.
Публикации. По теме диссертационной работы опубликовано 26 работ, 3 из которых изданы в журналах, рекомендованных ВАК РФ, 16 статей в сборниках Международных конференций.
Структура и объем диссертации. Работа состоит из введения, четырех глав, заключения и трех приложений. Она изложена на 153 страницах и иллюстрирована 73 рисунками, 25 таблицами. Список цитированной литературы включает 129 наименований.
