Введение к работе
Актуальность темы исследования. Поверхностное легирование металлов и сплавов с использованием концентрированных потоков энергии (КПЭ) приводит к многократному повышению функциональных свойств, таких как твердость, износо-, жаростойкость и др. Это относится и к упрочнению титановых сплавов, которые обладают низкой износостойкостью, высокой склонностью к налипанию, большим коэффициентом трения в паре практически со всеми материалами.
Среди методов такой упрочняющей обработки - лазерное, электроннолучевое и плазменное легирование. К плазменным методам, в частности, относится электровзрывное легирование (ЭВЛ). Особенностью ЭВЛ является то, что в качестве взрываемого проводника может быть использован любой электропроводный материал - чистый металл или сплав, углеродные волокна и др. Кроме того, в качестве легирующих добавок при ЭВЛ могут использоваться порошки различных веществ. Они вносятся в импульсную многофазную плазменную струю, формируемую из продуктов взрыва и служащую инструментом воздействия на обрабатываемую поверхность. В связи с многообразием видов ЭВЛ и сложностью физических процессов, сопровождающих его осуществление, возможности метода в настоящее время еще далеко не изучены. Это обусловливает постановку вопроса о его практическом применении для повышения функциональных свойств в том или ином конкретном случае и актуальность проведения новых дополнительных исследований.
Тема диссертации соответствует направлению «Нанотехнологии и наноматериалы» Перечня критических технологий РФ и приоритетному направлению развития науки, технологий и техники в РФ «Индустрия наносистем». Исследования выполнялись по темплану НИР СибГИУ, проводимых по госзаданию Минобрнауки № 2.4807.2011, в соответствии с грантом РФФИ (проект № 11-02-91150-ГФЕНа) и федеральной целевой программой «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» на 2009-2013 гг. (гос. контракт № 14.740.11.0813).
Степень разработанности темы исследования. Технологии упрочнения поверхности с использованием КПЭ находят все большее применение в промышленности. В последние годы получили развитие такие локальные методы упрочнения поверхности, как ЭВЛ и электронно-пучковая обработка (ЭПО), которые могут оказаться экономически эффективными и найти практическое применение.
Модифицирование структуры и свойств поверхностных слоев материалов методом ЭВЛ заключается в формировании из продуктов электрического взрыва проводников импульсной многофазной плазменной струи, оплавлении ею поверхности и насыщении расплава компонентами струи, последующей его кристаллизации в условиях самозакалки с образованием новых фаз и соединений. В результате обработка приводит к одновременному многократному повышению различных физико-механических и
эксплуатационных свойств. Исследования показывают, что упрочнение обусловливается, прежде всего, мелкодисперсными частицами вторых фаз (карбидных, боридных и других), распределенными в вязкой металлической матрице. Состояние исследований в этой области характеризуется изучением особенностей тех видов ЭВЛ (например, науглероживания и карбоборирова-ния, модельных металлов и сплавов), которые уже успешно апробированы в условиях производства при использовании других аналогичных или традиционных методов. Выявление закономерностей ЭВЛ вносит вклад в развитие общей теории поверхностного легирования с использованием КПЭ.
Особенностями ЭВЛ являются его импульсный характер и неоднородность строения и структуры используемых для обработки поверхности плазменных струй. Вследствие импульсного характера обработки в зоне легирования сохраняются области структурно-свободных легирующих элементов, например, углерода (в форме графита) или бора. В сформированной плазменной струе конденсированные частицы продуктов взрыва и порошковых навесок располагаются в тылу струи и поэтому достигают облучаемой поверхности, когда она уже оплавлена или после ее кристаллизации. Такие частицы формируют на облучаемой поверхности развитый рельеф, что может ограничивать область практического использования ЭВЛ. Это вызывает необходимость осуществления дальнейшей модификации зоны обработки.
В связи с этим одно из направлений развития исследований в области ЭВЛ, которое стало развиваться в последние годы, - это разработка комбинированных методов упрочнения поверхности, сочетающих ЭВЛ и последующую ЭПО зоны легирования. Электронно-пучковая обработка с использованием низкоэнергетических сильноточных электронных пучков осуществляется в импульсно-периодическом режиме, что позволяет, с одной стороны, увеличить время нахождения поверхностного слоя в расплавленном состоянии и гомогенизировать его элементный состав, а с другой, - сохранить закалочные эффекты, приводящие к формированию субмикро- и наноразмерной структуры. Особенности такой комбинированной обработки, которые не получили пока адекватного объяснения, по-видимому, связаны с интенсификацией диффузионных процессов.
Цель и задачи исследования. Целью настоящей работы является выявление особенностей формирования структурно-фазовых состояний при электровзрывном науглероживании и карбоборировании и последующей электронно-пучковой обработке поверхности легирования технически чистого титана марки ВТ 1-0.
Для реализации цели работы решены следующие основные задачи:
-
разработаны способы комбинированного упрочнения поверхности, включающие электровзрывное науглероживание и карбоборирование и последующую ЭПО зоны легирования;
-
проведен анализ тепловых процессов при ЭВЛ и последующей ЭПО поверхности титана;
-
определено влияние параметров обработки на распределение микротвердости по глубине модифицированных слоев;
-
выявлены особенности структуры и фазового состава зоны упрочнения, обеспечивающие повышение микротвердости зоны обработки;
-
разработаны рекомендации по практическому использованию результатов исследований.
Научная новизна. Разработан способ упрочнения поверхности титана, включающий электровзрывное науглероживание и последующую ЭПО зоны легирования. Проведено моделирование тепловых процессов при ЭВЛ и последующей ЭПО, учитывающее особенности метода и позволяющее обоснованно выбирать режимы обработки. Установлено влияние режимов ЭПО на микротвердость поверхностных слоев, формирование максимумов в глубине зоны легирования и кратное повышение значений микротвердости поверхностных слоев. Выявлены особенности структурно-фазовых состояний и механизмы упрочнения поверхностных слоев технически чистого титана при электровзрывном науглероживании и карбоборировании и последующей ЭПО. Показано, что в зоне обработки формируется градиентная многофазная структура, толщина слоев которой коррелирует с распределением микротвердости по глубине.
Теоретическая и практическая значимость работы. Углублены знания о физических процессах формирования структуры и свойств поверхности металлов и сплавов при ЭВЛ и последующей ЭПО, в частности, о влиянии на результаты обработки добавления в область взрыва порошковой навески бора. Получены новые знания о строении, структуре и фазовом составе зоны комбинированной обработки. Определены режимы, при которых ЭПО уменьшает шероховатость поверхности зоны легирования, увеличивает глубину зоны упрочнения, стабилизирует ее структурно-фазовые состояния. Изучены распределения микротвердости по глубине модифицированных слоев технически чистого титана после комбинированной обработки.
Разработанный способ упрочнения поверхности титана ВТ 1-0 был апробирован на предприятиях города для упрочнения ряда деталей, по условиям эксплуатации которых не требуется высокая механическая прочность, но к износостойкости поверхности которых предъявляются жесткие требования. Трение и изнашивание этих деталей осуществляется в агрессивных и абразивных средах. Испытания этих деталей в условиях эксплуатации на предприятиях ООО «Вест 2002», «Ремкомплект» и «Лазурит» показали, что их износостойкость увеличилась в 3-5 раз.
Методология и методы исследования. Работа выполнена в рамках общего направления развития научных исследований и практических разработок - обработки материалов КПЭ. При выборе методов упрочнения металлов и сплавов следует исходить из того, что функциональные свойства поверхностных слоев определяются, прежде всего, особенностями их структуры и фазового состава. Анализ литературы показывает, что наибольшего упрочнения удается добиться при поверхностном легировании с использованием
лазерного, электронно-пучкового и плазменного нагрева поверхности. При этом структура, фазовый состав и свойства модифицированных слоев зависят от технологических особенностей используемых методов обработки и параметров воздействия на упрочняемую поверхность. Совместное использование ЭВЛ и ЭПО обусловлено тем, что они имеют сопоставимые значения поглощаемой плотности мощности, глубины и диаметра зоны воздействия, позволяют формировать новые структурно-фазовые состояния поверхностных слоев металлов и сплавов и расширить возможную область их практического использования. Исследования проводили с использованием методов световой и электронной сканирующей микроскопии, рентгеноспектрального микроанализа, просвечивающей электронной микроскопии, рентгеноструктурного анализа.
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).
Положения, выносимые на защиту:
-
Режимы обработки, приводящие к формированию мелкодисперсной структуры зоны упрочнения с высоким уровнем микротвердости.
-
Результаты моделирования тепловых процессов при ЭВЛ и ЭПО, позволяющие выявить особенности режимов обработки.
-
Влияние режимов ЭПО на распределение микротвердости по глубине науглероженных слоев.
-
Выявленные особенности структурно-фазовых состояний модифицированных поверхностных слоев, заключающиеся в том, что упрочнение достигается вследствие формирования субмикро- и наноразмерной структуры, содержащей карбиды и бориды титана.
Степень достоверности и апробация результатов. Достоверность полученных результатов обусловлена большим объемом экспериментальных данных, полученных с использованием световой, сканирующей и просвечивающей дифракционной электронной микроскопии, рентгеноструктурного анализа, определения микротвердости, непротиворечивостью полученных результатов результатам других авторов.
Результаты диссертации представлялись на следующих научных мероприятиях: International Conference «World Academy of Science, Engineering and Technology (WASET 2011)», Venice, Italy, 2011; XVII Международной научно-практической конференции студентов и молодых ученых «Современная техника и технология» (СТТ), Томск, 2011; XVIII республиканской научной конференции аспирантов, магистров и студентов «Физика конденсированного состояния», Гродно, 2011; 9-ой Международной конференции «Взаимодей-
ствие излучений с твердым телом» = Interaction of Radiation with Solids (ВИТТ-2011), Минск, 2011; V Международной школе «Физическое материаловедение» с элементами научной школы для молодежи, VI Всероссийской молодежной научной конференции «Микромеханизмы пластичности, разрушения и сопутствующих явлений», Тольятти, 2011; 51-й Международной конференции «Актуальные проблемы прочности», Харьков, 2011; конференции «Структурные основы модификации материалов (MHT-XI), Обнинск, 2011; вторых Московских чтениях по проблемам прочности материалов, посвященных 80-летию со дня рождения акад. РАН Ю. А. Осипьяна, Москва, Черноголовка, 2011; VI Всероссийской научно-технической конференции «Физические свойства металлов и сплавов», Екатеринбург, 2011; Бернштей-новских чтениях по термомеханической обработке металлических материалов, Москва, 2011; XXI Уральской школе металловедов-термистов «Актуальные проблемы физического металловедения сталей и сплавов», Магнитогорск, 2012; Научных чтениях им. чл.-корр. РАН И. А. Одинга «Механические свойства современных конструкционных материалов», Москва, 2012; Международной конференции, посвященной 110-летию со дня рождения акад. Г. В. Курдюмова «Фазовые превращения и прочность кристаллов» (ФППК-2012), Москва, Черноголовка, 2012; Всероссийской научно-практической конференции «Металлургия: технологии, управление, инновации, качество», Новокузнецк, 2012; II Международной конференции «Влияние высокоэнергетических воздействий на структуру и свойства конструкционных материалов», Ольгинка, 2013; первой Всероссийской научной конференции молодых ученых с международным участием «Перспективные материалы в технике и строительстве (ПМТС-2013), Томск, 2013; VII Международной конференции «Микромеханизмы пластичности, разрушения и сопутствующих явлений» (MPFP - 2013), Тамбов, 2013.
Публикации. Основное содержание диссертационной работы отражено в 1 коллективной монографии, 10-ти статьях в журналах из перечня ВАК и 16-ти тезисах и докладах на конференциях, семинарах, школах и чтениях. По результатам исследований получен патент РФ на изобретение.
Структура и объем работы. Диссертация включает в себя введение, 5 глав, заключение и приложение, изложена на 144 страницах машинописного текста, содержит 61 рисунок и 1 таблицу, список литературы состоит из 131 наименования.
