Введение к работе
Актуальность проблемы. Усиление эксплуатационных требований к материалам постоянно стимулирует разработки в области поверхностного легирования. Традиционные способы химико-термической обработки – это энергоемкие и длительные процессы, поэтому в последние годы находят применение новые способы упрочнения металлов и сплавов, основанные на использовании концентрированных потоков энергии.
В ряде работ экспериментально показано, что эффективным инструментом для этой цели могут служить многофазные плазменные струи продуктов электрического взрыва проводников. Электровзрывное легирование (ЭВЛ) с оплавлением поверхности позволяет сократить время обработки, давая возможность встраивать соответствующее оборудование в единую технологическую цель изготовления деталей. Оно характеризуется малой операционностью, совмещая локальное тепловое воздействие на поверхность и ее насыщение легирующими добавками, которые задаются выбором из широкого круга материалов взрываемых проводников.
Применение разрядно-импульсных технологий упрочнения в настоящее время сдерживается малой изученностью характерных для них взаимосвязанных процессов вблизи облучаемой поверхности, в оплавляемой зоне легирования и в зоне термического влияния. Это в полной мере относится и к ЭВЛ, что ограничивает возможности управления обработкой и оптимизации формируемых свойств. В литературе отсутствуют систематизированные сведения о тепловых, силовых и гидродинамических процессах при ЭВЛ, влиянии структуры импульсных плазменных струй на результаты обработки, металлофизических аспектах этого способа поверхностного легирования. Мало экспериментальных данных имеется по его практическому использованию. Это отражается на отставании в разработке специализированного оборудования с высоких уровнем механизации и автоматизации процесса.
Исследования проводились на кафедрах физики СибГИУ и ТГАСУ в соответствии с научно-техническими программами “Авиационная технология”, “Облучение – РВО” и грантам по фундаментальным проблемам металлургии Министерства общего и профессионального образования РФ, гранту ИСЭ СО РАН, единым заказ-нарядам СибГИУ и ТГАСУ.
Цель и задачи исследования. Целью настоящей работы явилась разработка материаловедческих и физико-технических основ одно- и двухкомпонентного ЭВЛ металлов и сплавов, обосновывающих возможность упрочнения поверхности в несколько раз.
Для достижения цели были поставлены и решены следующие задачи:
а) исследовать особенности формирования и взаимодействия с поверхностью импульсных плазменных струй продуктов электрического взрыва проводников, определить возможности управления процессом обработки;
б) исследовать тепловые, силовые, гидродинамические и физико-химические процессы при ЭВЛ и выявить закономерности формирования строения, фазового состава и структуры модифицированных слоев;
в) определить области практического использования ЭВЛ и служебные свойства поверхностных слоев после различных видов легирования.
Научная новизна. Определены возможности управления процессом электровзрывной обработки путем выбора энерговклада во взрываемый проводник, его материала, размеров и формы, геометрических параметров плазменного ускорителя и расстояния от среза его сопла до облучаемой поверхности. Показана возможность использования для расчета глубины зоны легирования на оси струи теплофизической модели, согласно которой пороговый режим, приводящий к оплавлению, определяется интенсивностью теплового воздействия, временем импульса и свойствами материала. Радиус зоны легирования при различных режимах обработки рассчитан с использованием этой же модели с учетом нормального распределения теплового потока и давления плазменной струи на поверхность и известных зависимостей скорости плазмы от энергии емкостного накопителя установки.
Показано, что строение науглероженных слоев в общем случае включает в себя графитовое покрытие, имеющее с основой металлургическую связь, зону легирования, тонкий подслой (граничную полоску) с низкой степенью легирования на границе с основой и зону термического влияния. Происхождение граничной полоски связано с продолжающимся распространением фронта плавления в глубь металла после окончания импульса. Обнаружена неустойчивость границы оплавления, возникающая под действием радиального течения расплава при высокоинтенсивных режимах обработки. Строение зоны плазменного воздействия при электровзрывной металлизации отличается отсутствием покрытия.
Показано, что по глубине зоны легирования в общем случае можно выделить 4 характерных слоя. Основным по объему является слой с ячеистой или зеренной структурой. На поверхности формируется тонкий нанокомпозитный слой, а на границе с основой – нанокристаллический подслой с низкой степенью легирования. В случае двухкомпонентного легирования с использованием порошковой навески бора основным является промежуточный слой с ячеистой кристаллизацией. Обнаружена взаимосвязь между рельефом поверхности зоны легирования, морфологическими особенностями ее кристаллизации и состояния границы с основой.
Высокая скорость охлаждения приводит к образованию пересыщенных твердых растворов, легированных слоев, упрочненных карбидами или интерметаллидами, композиционных структур, включающих нерастворившиеся частицы, внесенные в расплав из струи. Кристаллизация в условиях выделенного направления теплоотвода металла приводит к текстуре образующихся фаз. Фазовый наклеп в зоне термического влияния железа при прямом и обратном полиморфных превращениях не приводит к измельчению зерен, так как в силу кратковременности обработки процесс рекристаллизации не успевает завершиться. Под действием температурных напряжений в зоне термического влияния возможно образование трещин, как это обнаружено при обработке меди.
Легирование осуществляется как плазменным компонентом струи, так и конденсированными частицами. Степень легирования плазменным компонентом возрастает с увеличением термосилового воздействия и достигает нескольких процентов. Основной вклад в нее, достигающий нескольких десятков процентов, вносят конденсированные частицы продуктов взрыва. Степень легирования конденсированными частицами продуктов взрыва зависит от их смачиваемости расплавов.
Определены механизмы легирования. Взаимодействие плазмы с расплавом приводит к возмущениям температуры и концентрации легирующей добавки на поверхности и возникновению упорядоченных конвективных течений, обусловливающих легирование на всю глубину вплоть до границы оплавления. Давление струи вызывает вытеснение расплава от центра к периферии зоны легирования, а при высокоинтенсивных режимах обработки происходит выплеск. При этом развивается сдвиговая неустойчивость течения, которая, как и термоконцентрационно-капиллярная конвекция, приводит к интенсивному перемешиванию расплава. Выравнивание легирующей добавки и фазового состава по глубине могут быть обусловлены также вскипанием верхних слоев расплава после окончания импульса вследствие их перегрева под давлением струи выше температуры кипения при остаточном давлении в технологической камере. С использованием развитых модельных представлений рассчитано увеличение температуропроводности расплава при перемешивании и понижение его уровня при вытеснении к периферии.
Практическая значимость работы. Результаты работы позволили определить возможности управления и оптимизации ЭВЛ. Показано, что использование порошковых навесок, размещаемых в области электровзрыва проводника и переносимых формируемой струей на облучаемую поверхность, при высокоинтенсивных режимах обработки подавляет радиальное течение расплава и позволяет проводить обработку без выплеска. Установлено, что микротвердость, износостойкость и стойкость против высокотемпературного окисления модифицированных при одно- и двухкомпонентном легировании поверхностных слоев увеличивается в несколько раз. Разработан способ электровзрывного упрочнения внутренних поверхностей деталей. Результаты проведенных исследований и оценка предполагаемой экономической эффективности ЭВЛ позволяют рекомендовать его для практического использования.
Достоверность полученных результатов обусловлена большим объемом экспериментального материала, полученного с использованием современных средств металлографического анализа, сравнением результатов между собой и с результатами других авторов, использованием для их анализа хорошо апробированных теоретических представлений.
Основные положения, выносимые на защиту:
а) кинетика электровзрыва тонких фольг и результаты анализа совокупности одновременно протекающих при обработке взаимосвязанных тепловых, силовых, гидродинамических и других процессов, обосновывающие возможности управления структурой и строением плазменной струи как инструмента воздействия на поверхность и позволяющие оптимизировать режимы обработки, структуру и свойства модифицированных слоев;
б) факторы, определяющие экспериментально установленные закономерности формирования рельефа поверхности, структуры и фазового состава модифицированных слоев при обработке модельных металлов и промышленных сталей и сплавов;
в) повышенный комплекс свойств металлов и сплавов после различных видов ЭВЛ, обусловленный закономерным формированием по глубине градиентных слоев с мелкодисперсным характером структуры и высокой степенью легирования.
Апробация результатов исследования. Результаты диссертации представлялись на V Всесоюз. совещ. “Плазменные процессы в металлургии и технологии неорганических материалов”, Дмитров, 1988; Всесоюз. семинаре “Пластическая деформация металлов в условиях внешних энергетических воздействий”, Новокузнецк, 1991; XII Всесоюз. конф. “Теория и практика газотермического нанесения покрытий”, Дмитров, 1992; науч.-техн. конф. “Новые материалы и технологии”, Москва, 1994; Респ. науч.-техн. конф. “Высокоэффективное оборудование и технологические процессы упрочнения режущих инструментов и деталей машин”, Могилев, 1990; Всесоюз. науч.-техн. конф. “Новые материалы и ресурсосберегающие технологии термической и химико-термической обработки в машиностроении и металлургии”, Новокузнецк, 1991; II, IV, V, VI, VIII Межгос. семинаре “Структурные основы модификации материалов методами нетрадиционных технологий”, Обнинск, 1993, 1997, 1999, 2001, 2005; III и IV Междунар. конф. “Прочность и пластичность материалов в условиях внешних энергетических воздействий”, Николаев, 1993, Новокузнецк, 1995; IV Всерос. конф. “Модификация свойств конструкционных материалов пучками заряженных частиц”, Томск, 1996; V Межгос. науч.-практ. конф. “Актуальные проблемы материаловедения в металлургии”, Новокузнецк, 1997; Междунар. науч.-практ. конф. “Современные проблемы и пути развития металлургии”, Новокузнецк, 1997; Междунар. науч.-техн. конф. (науч. чтениях, посвящ. П.О. Сухому) “Современные проблемы машиноведения”, Гомель, 1998; III Междунар. конф. ICEE, Клязьма, 1998; II Урал. Регион. школе-семинаре молодых ученых и студентов по физике конденсированного состояния, Екатеринбруг, 1998; III Internat. Symp. SIBCONVERS’99, Томск, 1999; Kurdyumov Memorial Conference On Martensite (CUMICOM99), Москва, 1999; Науч.-техн. конф. “Материалы и изделия из них под воздействием различных видов энергии”, Москва, 1999; Бернштейновских чтениях по термомеханической обработке металлических материалов, Москва, 1999, 2006; Междунар. науч.-техн. конф. “Актуальные проблемы материаловедения”, Новокузнецк, 1999; “Эволюция дефектных структур в конденсированных средах”, Барнаул, 2000; Всерос. науч.-практ. конф. “Металлургия на пороге XXI века: Достижения и прогнозы”, Новокузнецк, 2000; International Congress on Аdvanced Materials, their Processes and Application, 2000; III Междунар. конф. “Физика и промышленность – 2001”, Голицыно, 2001; XI Всерос. студ. науч. конф. “Проблемы теоретической и экспериментальной химии”, Екатеринбург, 2001; 15-й Междунар. конф. “Взаимодействие ионов с поверхностью: ВИП-2001”, Москва, 2001; ХIII Петербург. чтениях по проблемам прочности, Санкт-Петербург, 2002; Всерос. конф. “Дефекты структуры и прочность кристаллов”, Черноголовка, 2002; II Рос.-кит. семинаре “Фундаментальные проблемы современного материаловедения”, Барнаул, 2002; Междунар. конф. “Science for Materials in the Frontier of Centuries: Advantages and Challenges”, Киев, 2002; Всерос. науч. конф. студентов, аспирантов и молодых ученых “Наука и молодежь: проблемы, поиски, решения”, Новокузнецк, 2003; VII Междунар. школе-семинаре, посвящ. году науки и культуры Казахстана в России, Усть-Каменогорск – Барнаул, 2003; Междунар. конф. “Действие электромагнитных полей и тока на пластичность и прочность материалов”, Москва, 2003; XXV Междунар. конф. “Физика прочности и пластичности”, Тольятти, 2003; XVII Уральской школе металловедов-термистов, Киров – Екатеринбург, 2004, 13th Internat. Conf. on Metallurgy and Materials “Metal 2004”, Ostrava, Czech Republic, 2004; XLII и XLIII Междунар. конф. “Актуальные проблемы прочности”, Калуга и Витебск, 2004; Объед. практ. семинаре “Материаловедение и перспективные материалы. Действие электрических, магнитных полей и электрического тока на объекты и материалы”, Москва, 2004; XV, XVI, XVII Петербургских чтениях по проблемам прочности, Санкт-Петербург, 2005, 2006, 2007; XIII, XV Респ. конф. асп., магистрантов и студентов “Физика конденсированного состояния”, Гродно, 2005, 2007; Всерос. науч. конф. студентов, асп. и молодых ученых “Наука и молодежь: проблемы, поиски, решения”, Новокузнецк, 2005; XLIV Междунар. конф. “Актуальные проблемы прочности”, Вологда, 2005; VIII Междунар. школе-семинаре “Эволюция дефектных структур в конденсированных средах”, Барнаул, 2005; Всерос. науч.-практ. конф. “Металлургия: новые технологии, управление, инновации и качество”, Новокузнецк, 2005; Междунар. конф. “Актуальные проблемы физики твердого тела”, Минск, 2005; III Рос. науч.-техн. конф. “Физические свойства металлов и сплавов”, Екатеринбург, 2005; VI Междунар. междисциплинар. симпоз. “Фракталы и прикладная синергетика”, Москва, 2005; II Междунар. школе “Физическое металловедение” и XVIII Уральской школе металловедов-термистов, Тольятти, 2006; 3-й Всерос. конф. молодых ученых в рамках Рос. науч. форума с междунар. участием “Демидовские чтения” “Фундаментальные проблемы в 3-м тысячелетии”, Томск, 2006; III Евразийской науч.-практ. конф. “Прочность неоднородных структур”, Москва, 2006; Всерос. науч.-практ. конф. “Металлургия: новые технологии, управление, инновации и качество”, Новокузнецк, 2005; XVI Междунар. конф. “Физика прочности и пластичности материалов”, Самара, 2006; 4-й Междунар. конф. “Фазовые превращения и прочность кристаллов”, посвящ. памяти акад. Г.В. Курдюмова, Черноголовка, 2006; 2nd International Congress on Radiation Physics and Chemistry of Inorganic Materials, High Current Electronics, and Modification of Materials with Particle Beams and Plasma Flows, Tomsk, 2006; VIII Междунар. школе-семинаре “Эволюция дефектных структур в конденсированных средах”, Барнаул, 2006; 45-й Междунар. конф. “Актуальные проблемы прочности”, Белгород, 2006; Неделе металлов в Москве, 2006; VII Междунар. конф. “Действие электромагнитных полей на пластичность и прочность материалов”, Воронеж, 2007; IV Междунар. школе-конф. “Микромеханизмы пластичности, разрушения и сопутствующих явлений (MPFP)”, Тамбов, 2007; China-Russia Symposium “Electroplastic effect in metals”, Shenzhen, China, 2007; XI Междунар. конф. “Взаимодействие дефектов и неупругие явления в твердых телах” (IIAPS XI), Тула, 2007; European Congress on Advanced Materials and Processes, Nuremberg, Germany, 2007; IV Рос. науч.-техн. конф. “Физические свойства металлов и сплавов”, Екатеринбург, 2007.
Публикации. Всего по теме диссертации опубликовано 2 коллективные монографии, отдельные главы в 4 коллективных монографиях, 43 статьи, 33 из которых в журналах из перечня ВАК, 2 авторских свидетельства на изобретения и тезисы 89 докладов на конференциях, семинарах, симпозиумах, совещаниях, школах и чтениях.
Структура и объем работы. Диссертация включает в себя введение, 7 глав, заключение и приложение, изложена на 332 страницах, содержит 112 рисунков и 14 таблиц, список литературы состоит из 346 наименований.
