Закономерности формирования структуры и свойств электровзрывных покрытий металлов и сплавов Романов Денис Анатольевич

Содержание к диссертации

Введение

1 Защита поверхности металлов путем напыления покрытий с использованием импульсных плазменных струй и электронно-пучковой обработки 18

1.1 Проблема повышения износостойкости тяжелонагруженных поверхностей 18

1.2 Классификация и технологические особенности методов напыления покрытий 20

1.2.1 Детонационно-газовое напыление 21

1.2.2 Импульсно-плазменное напыление 22

1.2.3 Холодное газодинамическое напыление 26

1.2.4 Электровзрывное напыление 28

1.3 Применение электровзрывной и последующей электронно-пучковой обработки для упрочнения металлических поверхностей 34

1.4 Цель и задачи исследования 39

2 Оборудование, материалы и методики исследований 41

2.1 Обоснование выбора материалов для проведения электровзрывного напыления композиционных покрытий 41

2.2 Электровзрывная установка ЭВУ 60/10 М 46

2.3 Вакуумная импульсная электронно-пучковая установка «Соло» 48

2.4 Режимы обработки, методы исследования структуры, фазового и элементного состава и свойств электровзрывных покрытий 50

3 Структура и свойства электровзрывных износо- и электроэрозионностойких покрытий 60

3.1 Шероховатость поверхности псевдосплавных покрытий системы Mo-Cu 61

3.2 Особенности структуры поверхности и поперечных сечений псевдосплавных покрытий системы Mo-Cu 63

3.3 Шероховатость поверхности псевдосплавных покрытий системы W-Cu 77

3.4 Особенности структуры поверхности и поперечных сечений псевдосплавных покрытий системы W-Cu 79

3.5 Формирование динамических мезоротаций структуры покрытий, напыленных электровзрывным методом 87

3.6 Особенности рельефа поверхности, структуры, элементного и фазового состава электровзрывных покрытий систем Mo-С-Cu и W-С-Cu, упрочненных синтезированными карбидами 92

3.7 Особенности рельефа поверхности, структуры, элементного и фазового состава электровзрывных покрытий системы Ti-B-Cu, упрочненных синтезированными боридами 99

3.8 Исследование рельефа поверхности электровзрывных покрытий системы TiB2-Cu 103

3.9 Исследование структуры, элементного и фазового состава электровзрывных покрытий системы TiB2-Cu 107

3.10 Исследование шероховатости поверхности электровзрывных покрытий системы TiB2-Al 117

3.11 Структурно-фазовые состояния покрытий системы TiB2-Al 119

3.12 Свойства электровзрывных износо- и электроэрозионностойких покрытий 123

3.13 Выводы 128

4 Структура и свойства электровзрывных износо- и электроэрозионностойких покрытий, обработанных электронным пучком 133

4.1 Рельеф поверхности и структурно-фазовые состояния покрытий систем Mo Cu и W-Cu из несмешивающихся компонентов 133

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 141

4.3 Рельеф поверхности, структура, фазовый и элементный состав покрытий системы TiB2-Cu 152

4.4 Изучение рельефа поверхности, структуры, фазового и элементного состава покрытий систем W-Ni-Cu и Mo-Ni-Cu 156

4.5 Изучение рельефа поверхности, структуры, фазового и элементного состава покрытий системы Cr-С-Cu 172

4.6 Исследование дислокационной субструктуры, формирующейся в электроэрозионностойких покрытиях после электронно-пучковой обработки 178

4.7 Свойства электровзрывных покрытий, обработанных электронным пучком 183

4.8 Выводы 190

5 Структура износостойких электровзрывных покрытий после электронно-пучковой обработки 193

5.1 Рельеф поверхности, структура, фазовый и элементный состав покрытий системы TiB2-Ni 193

5.2 Рельеф поверхности, структура, фазовый и элементный состав покрытий системы TiB2-Mo 204

5.3 Анализ структуры электровзрывных композиционных покрытий системы TiC-Ni после электронно-пучковой обработки 216

5.4 Анализ структуры электровзрывных композиционных покрытий системы TiC-Mo после электронно-пучковой обработки 228

5.5 Свойства электровзрывных износостойких покрытий, обработанных электронным пучком 242

5.6 Выводы 245

6 Моделирование процессов электровзрывного напыления, электронно-пучковой обработки и свойств покрытий 248

6.1 Особенности структурообразования поверхностных слоев при электровзрывном никелировании алюминия 248

6.2 Моделирование разрушения электровзрывных покрытий под действием теплового потока 258

6.3 Анализ особенностей формирования структуры электровзрывных покрытий на границе с подложкой 262

6.4 Механизм формирования высокой адгезии электровзрывных покрытий с подложкой металла 265

6.5. Анализ особенностей снижения шероховатости электровзрывных покрытий после электронно-пучковой обработке 268

6.6 Выводы 275

7 Использование результатов диссертационной работы 277

7.1 Использование результатов диссертационной работы в промышленности 277

7.2 Использование результатов диссертационной работы в научной деятельности и учебном процессе 285

Заключение 287

Список литературы 291

Приложение 327

• Электровзрывное напыление
• Особенности рельефа поверхности, структуры, элементного и фазового состава электровзрывных покрытий систем Mo-С-Cu и W-С-Cu, упрочненных синтезированными карбидами
• Анализ структуры электровзрывных композиционных покрытий системы TiC-Ni после электронно-пучковой обработки
• Анализ особенностей снижения шероховатости электровзрывных покрытий после электронно-пучковой обработке

Введение к работе

Актуальность темы. По данным Международной Ассоциации «Ин-терэлектромаш» доля отказов в работе электрооборудования по причине выхода из строя контактного аппарата занимает первое место среди прочих неисправностей и составляет 26 %. Для восстановления работы электрооборудования контакты заменяют на новые. Дугостойкие электрические контакты изготавливают из композиционных материалов методами порошковой металлургии. Эти материалы состоят в 90 % из меди, которая обладает высокой электропроводностью, и тугоплавкого компонента, обладающего высокой электроэрозионной и износостойкостью.

Объем мирового рынка композиционных материалов за 2016 год составил около 17 млн т. В структуре мирового потребления композиционных материалов и изделий из них по секторам экономики доля композиционных материалов, потребляемых электротехнической и энергетической отраслями, составляет 21 % среди прочих отраслей промышленности и в будущем будет расти. Объем внутреннего производства дугостойких электрических контактов из композиционных материалов составляет 300 млн. USD. Если учесть тот факт, что фактически износ контакта до выхода его из строя и замены на новый не превышает 50 %, то около 150 млн. USD, израсходованных на производство электрических контактов, остаются неиспользованными при эксплуатации контактов только в Российской Федерации.

В силу того, что разрушение материала начинается с поверхности, то на практике, например, для упрочнения электрических контактов средне- и тя-желонагруженных коммутационных аппаратов и выключателей перспективно формирование покрытий, защищающих их поверхность, поскольку в этом случае важна электроэрозионная стойкость только поверхности контакта, а не всего объема. Экономически и технически целесообразно развивать подход к созданию материалов, когда механическая прочность детали обеспечивается применением экономичных подложек, а специальные свойства поверхности – сплошным или локальным формированием на ней композиционных покрытий, свойства которых соответствуют эксплуатационным требованиям. Экономия материалов при таком подходе может достигать 90 %. Экспертные оценки подтверждают эту тенденцию. Разработка методов повышения эксплуатационных характеристик различных материалов является одним из приоритетных направлений современной физики конденсированного состояния. Учитывая все вышесказанное, упрочнение поверхности электрических дуго-стойких контактов является актуальной задачей для развития современных технологий.

Степень разработанности темы. Практика показала, что путем подбора состава и свойств компонентов композиционных материалов (матрицы и наполнителя, их соотношения, ориентации наполнителя) можно обеспечить получение практически любых изделий с заранее заданным сочетанием эксплуатационных и технологических свойств.

В направлении создания объемных электроэрозионностойких электрических контактов для переключателей мощных электрических сетей к настоящему времени наибольшие успехи принадлежат ученым из университета University of Notre Dame du Lac, США и НИТУ «МИСиС». Шкодич Н.Ф., Но-витский А.П., Седегов А.С. и др. разработали электрические контакты на основе металлических псевдосплавов систем Cr-Cu, W-Cu, Mo-Cu. Группа ученых (Qureshi A.H., Azhar S.M., Nazaz Hussain) Пакистанского института ядерной науки и техники, Исламабад, Пакистан исследует псевдосплавы на основе серебра для применения их в сильноточных электрических контактах. Ученые из Института проблем материаловедения Национальной академии наук Украины (Гречанюк Н.И., Минакова Р.В. и др.) и Северо-Западного политехнического университета, Сиань, Китай под руководством Xu L.J. создают электроэрозионностойкие электрические контакты методом электроннолучевого испарения и последующей конденсации.

Перспективное направление создания и конструирования композиционных покрытий для их использования в дугостойких электрических контактах должно исключить из промышленного использования объемные композиционные электрических контакты. Однако полученные к настоящему времени композиционные электроэрозионностойкие покрытия имеют большие недостатки по сравнению с объемными композиционными материалами. К числу таких недостатков относятся малое содержание наполнителя (в количестве не более 10 %), что приводит к низкой дугостойкости покрытий, низкая адгезия покрытия с подложкой и, наконец, просто невозможность получить композиционное покрытие известными к настоящему времени методами.

Целью работы явилось выявление закономерностей и физической природы формирования структуры и свойств износо- и электроэрозионностойких электровзрывных покрытий в процессе напыления и последующей электронно-пучковой обработки.

Для реализации цели в работе поставлены и решены следующие задачи:

1. разработать способы электровзрывного напыления износо- и электроэрози-онностойких покрытий систем W-Cu, Mo-Cu, W-C-Cu, Mo-C-Cu, Ti-B-Cu, TiB₂-Al, TiC-Mo, Ni-Al;

2. разработать способы электровзрывного напыления износо- и электроэрози-онностойких покрытий систем W-Cu, Mo-Cu, W-С-Cu, Mo-С-Cu, TiB₂-Cu, W-Ni-Cu, Mo-Ni-Cu, Cr-C-Cu, TiB₂-Ni, TiB₂-Mo, TiC-Ni и TiC-Mo с использованием электронно-пучковой обработки;

3. установить влияние параметров электровзрывного напыления и последующей электронно-пучковой обработки на рельеф поверхности, строение покрытий по глубине и особенности их структурно-фазовых состояний;

4. определить износо- и электроэрозионную стойкость, микро- и нанотвер-дость напыленных покрытий;

5. определить электроэрозионную стойкость и трибологические свойства покрытий после электронно-пучковой обработки в режимах, обеспечивающих комплекс высоких функциональных свойств;

6. выявить механизмы, обусловливающие взаимодействие электровзрывных покрытий с подложкой и единичных слоев друг с другом; снижения шероховатости электровзрывных покрытий после электронно-пучковой обработки; формирования высокой адгезии покрытий с подложкой. Провести моделирование повышения электроэрозионной стойкости электровзрывных покрытий.

7. провести испытания эксплуатационных свойств напыленных покрытий на предприятиях промышленности.

Научная новизна.

1. Впервые получены электровзрывные износо- и электроэрозионно-стойкие покрытия систем W-Cu, Mo-Cu, W-С-Cu, Mo-С-Cu, Ti-B-Cu, TiB₂-Cu, W-Ni-Cu, Mo-Ni-Cu, Cr-C-Cu на подложках из меди; износостойкие покрытия систем TiB₂-Ni, TiB₂-Mo, TiC-Ni, TiC-Mo на подложках из стали Hardox450; износо- и электроэрозионностойкие покрытия систем TiB₂-Al, Ni-Al на подложках из алюминия А99. Проведено облучение электровзрывных покрытий, сформированных на меди и стали, высокоинтенсивным электронным пучком в широком диапазоне значений параметров облучения.

2. Установлены физические закономерности формирования электровзрывных покрытий различных систем: закономерности формирования рельефа поверхности, строения по глубине, структурно-фазовых состояний, дислокационной субструктуры. Выявлено, что на шероховатость поверхности и морфологические особенности рельефа напыленных покрытий влияет материал взрываемого проводника; толщина единичных слоев, напыленных фоль-гами и фольгами с размещенными на них порошками, а также композиционными электрически взрываемыми материалами, пропорциональна массе взрываемого проводника. Соотношение металлической матрицы и наполнителя в электровзрывных покрытиях с композиционной наполненной структурой задается путем изменения масс фольги и частиц порошков в композиционном электрически взрываемом материале. Показано, что зависимость толщины зоны смешивания покрытий с медной подложкой от плотности теплового потока носит линейный характер при изменении поглощаемой плотности мощности от 4,1 до 5,3 ГВт/м², после чего эта зависимость выходит на насыщение. Такой вид зависимости определяется физическими характеристиками подложки. Научно обоснованы механизмы формирования регулярной структуры на границе покрытия с подложкой, в основе которых лежит возникновение эффекта «шахматной доски» распределения нормальных напряжений на границе раздела в процессе импульсного плазменного напыления покрытий, а также возникновение гидродинамической неустойчивости Кельвина-Гельмгольца границы раздела.

3. Установлены физические закономерности облучения электровзрывных покрытий различных систем импульсным сильноточным электронным пучком. Научно обоснована зависимость толщины слоев электровзрывных покрытий различных систем, модифицированных электронным пучком, от поверхностной плотности энергии. Линейный вид этой зависимости объясняется теплофизическими свойствами покрытий. Предложена модель снижения

шероховатости электровзрывных покрытий после электронно-пучковой обработки (ЭПО), основанная на оплавлении поверхности напыленных покрытий.

4. Впервые определены свойства электровзрывных покрытий. Установлено, что электровзрывное напыление (ЭВН) приводит к одновременному повышению до нескольких раз различных эксплуатационных свойств: нано- и микротвердости, модуля упругости первого рода, износостойкости в условиях сухого трения скольжения, электроэрозионной стойкости в условиях дуговой и искровой эрозии, электропроводности. Предложена модель электроэрозионного разрушения покрытий, связанная с испарением поверхности электрических контактов под действием теплового потока вследствие искрообразо-вания при размыкании контактов.

Теоретическая и практическая значимость работы.

Результаты, представленные в диссертационной работе, имеют фундаментальный характер и вносят вклад в развитие существующих представлений о закономерностях электровзрывного напыления покрытий и их последующей электронно-пучковой обработки. Совокупность экспериментальных данных позволяет расширить представления:

– о закономерностях формирования структуры, фазового и элементного составов электровзрывных покрытий систем W-Cu, Mo-Cu, W-С-Cu, Mo-С-Cu, Ti-B-Cu, TiB₂-Cu, W-Ni-Cu, Mo-Ni-Cu, Cr-C-Cu на подложках из меди; TiB₂-Ni, TiB₂-Mo, TiC-Ni, TiC-Mo на подложках из стали Hardox450; TiB₂-Al, Ni-Al на подложках из алюминия А99 после электронно-пучковой обработки.

– о влиянии величины поглощаемой плотности мощности на толщину
зоны смешивания на границе покрытие-подложка и структурно-

морфологические свойства электровзрывных покрытий.

В настоящей работе предложены способы напыления, определены их технологические параметры и состав электровзрывных износо- и электроэро-зионностойких покрытий различных систем. Установлены закономерности получения композиционной структуры покрытий, которые позволяют целенаправленно выбирать режимы ЭВН и последующей ЭПО, требуемые для получения заданных функциональных свойств. Электровзрывные покрытия обладают комплексом повышенных свойств. Коэффициент трения электровзрывных покрытий повышается в несколько раз, а скорость изнашивания уменьшается. Электроэрозионная стойкость покрытий в условиях дуговой эрозии находится в диапазоне значений, допускаемых ГОСТ, а при искровой эрозии – более чем на порядок выше в сравнении со значениями для электротехнической меди марки М00. Способы формирования нанокомпозитных электроэрозионностойких и износостойких покрытий представляют практический интерес и используются для упрочнения дугостойких электрических контактов различной электрокоммутационной аппаратуры, используемой в производственной деятельности различных предприятий: ООО «Сибирские промышленные технологии», НПО «Прогресс», ООО «ВЕСТ 2002», ООО «Проммест», ЗАО Красноярское монтажное управление «Гидромонтаж»,

ЦПЗ ОАО «Спецтеплохиммонтаж», АО «КЖБМК», ООО «Технологии ре-циклинга».

Тема диссертации соответствует критической технологии РФ «Технологии получения и обработки функциональных наноматериалов» и приоритетному направлению развития науки, технологий и техники в РФ «Индустрия наносистем». Разработки проводились в соответствии с Федеральной целевой программой «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» на 2009–2013 гг. по гос. контрактам №№ 14.740.11.1154, 14.740.11.0813, 02.740.11.0538 и при финансовой поддержке РФФИ в рамках научных проектов №№ 16-32-60032 мол_а_дк, 13-02-12009 офи_м, 16-32-50133 мол_нр, 11-02-91150-ГФЕН_а, 11-02-12091-офи-м, при финансовой поддержке Грантов Президента РФ для гос. поддержки молодых российских ученых – кандидатов наук МК-4166.2015.2 и МК-1118.2017.2, гранта Губернатора Кемеровской области на проведение фундаментальных и прикладных исследований по приоритетным направлениям социально-экономического развития Кемеровской области в 2014 г. и госзаданий Минобрнауки №№ 2708 и 3.1496.2014/K на выполнение научно-исследовательской работы.

В учебном процессе результаты настоящей диссертационной работы используются при выполнении лабораторных работ обучающимися по направлению подготовки бакалавриата 22.03.01 «Материаловедение и технологии материалов» (профиль «Наноматериалы и нанотехнологии») по дисциплинам «Методы исследования структуры и свойств материалов», «Компьютерное моделирование в материаловедении» и обучающимися по направлению подготовки научно-педагогических кадров в аспирантуре 03.06.01 «Физика и астрономия».

Результаты работы используются в промышленности на различных предприятиях Кемеровской области и Красноярского края.

Достоверность результатов работы определяется корректностью поставленных задач, применением современных приборов и методик физического материаловедения, большим объемом экспериментальных данных, их сопоставлением между собой и с данными других авторов, использованием для их анализа хорошо апробированных теоретических представлений физики конденсированного состояния.

Положения, выносимые на защиту:

4. Методика и способы электровзрывного напыления и последующей электронно-пучковой обработки износо- и электроэрозионностойких покрытий различных систем.

5. Закономерности формирования рельефа поверхности, строения по глубине, структурно-фазовых состояний, дислокационной субструктуры механических и трибологических свойств износостойких покрытий при электровзрывном напылении систем TiB₂-Ni, TiB₂-Mo, TiC-Ni и TiC-Mo на низкоуглеродистую сталь с последующей электронно-пучковой обработкой.

6. Комплекс экспериментальных результатов исследования формирования структуры, фазового состава, дефектной субструктуры, механических и

трибологических свойств электроэрозионностойких покрытий систем Mo-Cu, W-Cu, W-Ni-Cu и Mo-Ni-Cu на меди после электровзрывного напыления и последующей электронно-пучковой обработки.

4. Результаты исследования структурно-фазовых состояний, дислокационной субструктуры механических и трибологических свойств при электровзрывном напылении износо- и электроэрозионностойких покрытий систем Mo-C-Cu, W-C-Cu, Cr-C-Cu, TiB₂-Cu, Ti-B-Cu, TiB₂-Al, Ni-Al на меди и алюминии с последующей электронно-пучковой обработкой.

5. Выявленнные механизмы формирования износо- и электроэрозион-ностойких электровзрывных покрытий, их последующей электронно-пучковой обработки и электроэрозионного разрушения на основе анализа физических моделей неустойчивости Кельвина-Гельмгольца, шахматного распределения нормальных напряжений на границе раздела, оплавления поверхности электровзрывного напыления покрытий после электронно-пучковой обработки, испарения поверхности электрических контактов под действием теплового потока.

6. Результаты испытаний износостойких покрытий в условиях производства, показывающие повышение долговечности деталей различной номенклатуры, работающих в условиях изнашивания в несколько раз.

Личный вклад автора. Личный вклад автора состоит в подготовке плана исследований, постановке цели, задач, положений, составляющих ее новизну и практическую значимость, формулировке темы диссертационной работы, выборе экспериментальных и теоретических методов исследования, обработке, анализе и обобщении полученных результатов, формулировке выводов. В экспериментальной части диссертационной работы автор самостоятельно выполнил подготовку экспериментальных образцов, выбрал режимы обработок, произвел электровзрывное напыление и электронно-пучковую обработку, провел исследования структуры и свойств электровзрывных покрытий и сопоставил их с литературными данными. Организовал сбор и обработку полученной информации, выполнил математико-статистическую обработку и анализ полученных результатов. В теоретической части произвел разработку теоретических моделей. Автор произвел апробацию результатов исследования, подготовку докладов и публикаций по теме диссертации, обеспечил патентную защиту всех способов напыления электровзрывных покрытий, полученных в диссертационной работе. Вся обработка и интерпретация полученных результатов выполнена лично автором. Автором самостоятельно написан текст диссертации и автореферата.

Апробация работы. Результаты диссертации представлялись на следующих научных мероприятиях: 1-ой, 2-ой Международной научно-практической конференции «Инновации в машиностроении», Бийск, 2010, Кемерово, 2011; VI, VII Международной конференции «Материалы и покрытия в экстремальных условиях: исследования, применение, экологически чистые технологии производства и утилизации изделий», Понизовка, Крым, Украина, 2010, Кацивели, Крым, Украина, 2012; V (XXXVII), VI (XXXVIII)

Международной научно-практической конференции «Образование, наука,
инновации – вклад молодых исследователей», Кемерово, 2010, 2011; Между
народной конференции «Действие электрических полей (электрического то
ка) и магнитных полей на пластическую деформацию проводящих материа
лов», Москва, 2011; XVIII, XIX, XX, XXI и XXII Республиканской научной
конференции аспирантов, магистрантов и студентов «Физика конденсирован
ного состояния», Гродно, 2010, 2011, 2012, 2013 и 2014 г. ; VI Международ
ной конференции «Фазовые превращения и прочность кристаллов», Черного
ловка, 2010; 50-ом, 51-ом, 52-ом, 54-ом, 55-ом, 57-ом, 58-ом Международном
научном симпозиуме и конференциях «Актуальные проблемы прочности»,
Витебск, 2010, Харьков, 2011, Уфа, 2012, Екатеринбург, 2013, Харьков, 2014,
Севастополь, 2016, Пермь, 2017; Международном симпозиуме «Перспектив
ные материалы и технологии», Витебск, 2016, 2017; XVIII, XIX Международ
ной конференции «Физика прочности и пластичности материалов», Самара,
2012, 2015; II, III Международной научной конференции «Инновационная де
ятельность предприятий по исследованию, обработке и получению современ
ных материалов и сплавов» Орск, 2011, Оренбург, 2014; VI Международной
научной конференции «Прочность и разрушение материалов и конструкций»,
Оренбург, 2010; XI – XIV Международном семинаре «Структурные основы
модифицирования материалов», Обнинск, 2011, 2013, 2015, 2017; IV – VII
Международной конференции «Деформация и разрушение материалов и
наноматериалов», Москва, 2011, 2013, 2015, 2017; Международном симпози
уме «Физика кристаллов 2013», Москва, 2013; International Conference on
Physical Mesomechanics of Multilevel Systems, Tomsk, 2014; Fifteenth Annual
Conference YUCOMAT 2013, 2013, Herceg Novi, Montenegro; Международной
конференции «Электрические контакты и электроды», Украина, Крым, Каци-
вели, 2011, 2013; II Международной конференции «Влияние высокоэнергети
ческих воздействий на структуру и свойства конструкционных материалов»,
с. Ольгинка, г. Туапсе, Краснодарский край, Россия, 2013; V, VI Междуна
родной научной конференции «Актуальные проблемы физики твердого тела»,
Минск, 2011, 2013; Международной научно-технической конференции
«Нанотехнологии функциональных материалов» (НФМ’14), Санкт-

Петербург, 2014; 15-ом Международном научно-техническом семинаре «Современные проблемы производства и ремонта в промышленности и на транспорте», г. Свалява, Карпаты, Украина, 2015; 12th International Conference «Gas Discharge Plasmas and Their Applications» GDP 2015, Tomsk, 2015; XIII Российско-китайском симпозиуме «Новые материалы и технологии», Казань, 2015; VI и VII Международной конференции «Кристаллофизика и деформационное поведение перспективных материалов», Москва, 2015, 2017; 8th International Symposium on Materials in External Fields (ISMEF 2017), 2017, Beijing, China; 5, 6 Международной конференции «От наноструктур, нанома-териалов и нанотехнологий к Наноиндустрии», Ижевск, 2015, 2017.

Публикации. Результаты исследований опубликованы в 125 работах, в том числе в 38 статьях, 34 из которых – в рецензируемых журналах из переч-

ня ВАК РФ, в 61 докладах и в тезисах на конференциях и других научных мероприятиях, 23 патентах РФ на изобретения и 2 патентах РФ на полезную модель, 2 монографиях.

Соответствие диссертации паспорту специальности. Диссертационная работа по своим целям, задачам, методам исследования, научной новизне и содержанию 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. Диссертация состоит из введения, семи разделов, заключения, приложения и списка литературы, включающего 273 наименования. Диссертация содержит 335 страниц, в том числе 193 рисунка и 27 таблиц.

Электровзрывное напыление

Электровзрывное напыление является одним из технологических процессов, которые возможно получить при разрушении металлического проводника в условиях протекания через него тока большой плотности. Промышленное использование ЭВН покрытий началось с 60-х годов XX века. Японскими учеными Хасуи А., Моригаки О. ЭВН производилось с использованием соосной системы электродов [84]. Поскольку производился электрический взрыв проволок без применения каких-либо ускорителей плазмы, то продукты взрыва летели во все стороны и их напыление было возможно только на внутренние цилиндрические поверхности.

Ускорители Сивкова А.А., «Плазменный фокус», относятся к разрядно-импульсным технологиям. Кроме них с 60-х годов XX были созданы другие разрядно-импульсные ускорители, например в работах Гольдберга М. М. [85–88], которые послужили прототипом современных электровзрывных ускорителей. В этих ускорителях соосную систему электродов заменили на коаксиально-торцевую. Ученые из Института тепло- и массообмена имени Лыкова А.В. Национальной академии наук Беларуси Углов В.В., Черенда Н.Н. и др. [89] и г. Днепропетровска под руководством Лисиченко В.И. [90, 91] занимались изучением продуктов электрической эрозии, которые возникали при пробои по поверхности диэлектрика и после чего конденсировались, формируя покрытие.

Развитие электровзрывной обработки в СибГИУ можно разделить на несколько этапов. Начальный этап развития относится к концу 60-х годов. Тогда еще не существовало понятия электровзрывного легирования (ЭВЛ), оно возникло в 90-х. Начиналось все с решения задачи об ускорении микрочастиц до скоростей порядка 30 км/с. Это было связано с космическими и военными проблемами.

Создавались быстрые потоки плазмы, получаемые с помощью электрического взрыва фольги, соединяющих два плоских электрода, и направляемые в узкий канал. Поставленная задача о создании гиперскоростей микрочастиц была решена – передний фронт пучка распространялся со скоростью 30 – 35 км/с [92]. Но, кроме того, направляя продукты «плазменной сверхзвуковой струи» на материалы, были проведены исследования пластической деформации монокристаллов LiF, кремнистого железа и сталей. Глубина проникновения трещин в центре очага поражения для кремнистого железа составляет 100 мкм, а оценки скорости деформации 104 с–1. Выяснению возможностей упрочнения сталей «быстрыми плазменными пучками» было проведено более детально в диссертации Носарева П.С. [93]. Предложено «специальное затворное устройство», состоящие в отличие от [92] в использование фольги в качестве взрываемого проводника при коаксиально расположенных электродах. Так появился метод создания быстрых потоков продуктов при торцевом электрическом взрыва фольги с коаксиально расположенными электродами [94]. Эти технические решения Носарев П.С. считал уникальными. Он ввел понятие «быстрые плазменные потоки», вместо «плазменные сверхзвуковые струи», которое использовалось в [92]. Этот начальный этап характеризуется удачным выбором определенной геометрией электродов, позволяющий осуществлять пространственно-временное разделение потока, а так же обнаружением большого числа эффектов: образование сетки трещин, немонотонная форма кратера, упрочняющие эффекты (микротвердость в упрочненном слое многократно возрастала). Однако процессы при формировании потока не рассматривались. Съемка разлета продуктов электрического взрыва проведена только при вылете потока из канала. Для получения оценок учитывался только тепловой механизм ускорения продуктов взрыва.

Возможности многократного увеличения микротвердости с помощью метода быстрых плазменных потоков исследовали Носарев П.С., Евстифеев Е.В., Гу-димова Л.Н. и Сарычев В.Д.. Осуществлялось напыление порошков с целью упрочнения различного рода инструментов и исследование механизмов разлета и взаимодействия порошков с поверхностью [95]. Ученые СибГИУ (Симаков В.П., Будовских Е.А., Сарычев К.Ю., Аверсон А.Э., Мальцев В.Д. и др.) совместно с НПО «Сатурн» проводили исследования по взаимодействию плазменного потока, формирующегося при электрическом взрыве проводника с поверхностью. Это было необходимо для моделирования разрушения поверхности космических кораблей в условиях космоса и возможных методов упрочнения обшивки космических кораблей.

Послойная электронная микроскопия «белых» слоев [96, 97] впервые позволила обнаружить наноструктурные слои в материале, обработанном электровзрывным методом. Предложен механизм образования наноструктур на основе возникновения высокой скорости охлаждения [98]. Результаты исследований были обобщены в докторской диссертации Будовских Е.А. [99].

В ряде технологий защиты и упрочнения поверхности металлических материалов используется явление электрического взрыва проводников [96, 97, 100]. Среди прочих перспективных направлений применения электровзрывной обработки поверхности с целью повышения функциональных свойств, таких, например, как твердость, износо- и жаростойкость и ее упрочнения используется ЭВЛ [100]. В настоящее время доказано повышение эксплуатационных свойств при использовании различных способов ЭВЛ, например, таких как электровзрывное карбоборирование, науглероживание, боромеднение и меднение никеля и железа, бороалитирование и алитирование железа. При ЭВЛ в несколько раз увеличиваются эксплуатационные свойства быстрорежущей стали Р6М5, штамповой стали Х12М и различных титановых сплавов [100].

ЭВЛ осуществляется путем формирования многофазной плазменной струи продуктов взрыва, оплавлении ею упрочняемой поверхности, насыщении расплава компонентами струи и последующей самозакалки. В область взрыва при этом можно добавлять различные порошки, это позволяет дополнительно улучшать свойства поверхности. Кроме того, в ряде случаев параметры электровзрывной обработки позволяют получать на поверхности структуру и фазовый состав, недостижимые в условиях других аналогичных способов. Применение различных параметров многофазной плазменной струи дает возможность не только легировать поверхность деталей, но производить ЭВН покрытий.

Принцип действия установок для ЭВН основан на разрушении материала покрытия мощным импульсом электрического тока, который формируется при разряде емкостного накопителя энергии. Электровзрывные установки для ЭВЛ и ЭВН (рисунок 1.6) отличаются друг от друга электрической схемой, особенностями плазменного ускорителя, видом взрываемого материала (проволока, фольга, композиционный электрически взрываемый материал).

Реализованные на настоящее время технологические процессы поверхностной обработки на установке ЭВУ 60/10М показаны на диаграмме (рисунок 1.7). Где q – поглощаемая поверхностью плотность мощности при обработке, – она определяется энергией заряда; m – сумма масс порошковой навески и взрываемого проводника, помещаемых в область взрыва. Диаграмма состоит из двух областей параметров, которые соответствуют поверхностной обработке без оплавления (ЭВН покрытий) и с оплавлением при реализации ЭВЛ.

В области слева на диаграмме в которой значения поглощаемой поверхностью плотности мощности составляют порядка 1 КВт/см2 в корреляции от массы взрываемых проводников производится напыление покрытий порошковыми частицами, напыление покрытий конденсированными продуктами взрыва, напыление тонких пленок из взрывных продуктов, закалка из твердого состояния. Значение массы взрываемого проводника около 100 мг позволяет наносить покрытия порошковыми частицами. В случае дальнейшего снижения массы взрываемого проводника дисперсность и количество конденсированных частиц продуктов взрыва в потоке уменьшается. В таких условия становится возможным напыление на обрабатываемую поверхность тонких пленок. Когда значение массы взрываемого проводника мало положительным эффектом обработки может быть выступать импульсная закалка поверхностных слоев из твердого состояния.

В области справа на диаграмме в которой поглощаемая плотность мощности составляет около 0,1 МВт/см2, обработка с применением навесок порошков допускает производить армирование оплавляемой поверхности частицами разнообразных веществ (боридов, карбидов, оксидов, и др.), расположенных в области взрыва и перенесенных на поверхность облучения. В ситуации, когда навески порошков не используются, становится возможным осуществление таких способов ЭВЛ, когда расплав, формирующийся на поверхности, наполняется взрывными продуктами, в качестве которых могут быть использованы тонкие фольги сплавов и металлов, борные, углеграфитовые и прочие волокна. Совместное воздействие на обрабатываемую поверхность высоких давлений и температур в условиях ЭВЛ [96] делает возможным формирование поверхностных слоев из несмешивающих-ся компонентов, таких как молибден и медь. В случае использования малых масс взрываемых проводников, при малой степени легирования расплава, эффект такой обработки обуславливается закалкой из жидкой фазы. Другой возможностью модификации структуры, фазового состава и поверхностных свойств в условиях ЭВЛ состоит в перемешивании и оплавлении заблаговременно нанесенных слоев с материалом подложки. Отдельное положение занимает получение слоев из тер-мореагирующих элементов при поглощаемой поверхностью плотности мощности от 103 до 106 Вт/см2.

Особенности рельефа поверхности, структуры, элементного и фазового состава электровзрывных покрытий систем Mo-С-Cu и W-С-Cu, упрочненных синтезированными карбидами

Рассмотрим рельеф поверхности покрытий, сформированных при ЭВН покрытий системы Mo-C-Cu и W-С-Cu. Оптическая интерферометрия показала, что шероховатость покрытий характеризуется более высокими параметрами по сравнению с исходной. Параметр шероховатости Ra поверхности покрытий составляет 2,0, 2,4 и 2,6 мкм для режимов, при которых q = 5,5, 6,5 и 7,6 ГВт/м2 соответственно. Увеличение параметра Ra покрытий с ростом поглощаемой плотности мощности обусловлено тем, что при этом происходит более интенсивное конвективное перемешивание расплава [97].

На рисунке 3.24 представлены типичные нормальные распределения вероятностей значения Ra для базовой поверхности электровзрывных композиционных покрытий систем Mo-C-Cu и W-C-Cu, полученных с использованием различных проводников для ЭВН. Параметр шероховатости Ra для базовой поверхности образцов, подготовленных для составлял 1,5 мкм.

Для покрытий с наполненной структурой системы Mo-C-Cu (рисунок 3.24, а), полученных с использованием КЭВМ наиболее вероятное значение Ra для базовой поверхности составляет 2,22 мкм, и совпадает со среднем значением Ra, среднеквадратичное отклонение при этом составляет 0,17 мкм. Для покрытий с наполненной структурой системы W-C-Cu (рисунок 3.24, б), полученных с использованием КЭВМ наиболее вероятное значение Ra для базовой поверхности составляет 2,2 мкм, и совпадает со среднем значением Ra, среднеквадратичное отклонение при этом составляет 0,14 мкм.

Низкие значения параметра шероховатости Ra обусловлены режимом обработки, близким к напылению покрытий в предплавильном режиме напыления, для которого характерно осаждение на поверхность преимущественно жидких частиц продуктов взрыва КЭВМ из тыла струи с последующей самозакалкой.

Указанные параметры шероховатости не препятствует практическому использованию ЭВН для упрочнения контактных поверхностей, поскольку известно [218], что при эксплуатации контактных поверхностей в неизменных условиях работы происходит приработка и создается стабильная шероховатость поверхности.

На рисунке 3.25 приведены характерные изображения структуры поверхности покрытия, сформированного при ЭВН композиционных покрытий системы Mo-C-Cu с наполненной структурой. Видно, что на поверхности формируются структуры двух типов.

К структуре первого типа отнесем сравнительно гладкие области неправильной формы, располагающиеся на поверхности покрытия хаотическим образом.

Суммарная площадь структуры этого типа составляет 25 %.

Микрорентгеноспектральный анализ дает основание заключить, что эти области структуры имеют сложный химический состав; основными элементами являются медь, молибден и углерод (рисунок 3.25, в). Опираясь на эти результаты, можно считать, что данные области сформировались в результате перемешивания молибдена, углерода и меди. Также можно предполагать присутствие в них карбидов молибдена.

Структуру второго типа образуют глобулярные частицы, занимающие на поверхности покрытия во всех режимах ЭВН суммарную площадь 75 %. (рисунок 3.26, а, б). Средние размеры данных структурных элементов изменяются в широких пределах – от 0,5 до 10 мкм. Микрорентгеноспектральный анализ показал, что они имеют сложный элементный состав; основными элементами являются медь, углерод и молибден (рисунок 3.26, г). Сопоставляя рентгеновские спектры, представленные на рисунке 3.26, в и г, можно отметить, что относительное содержание молибдена и углерода выше в структуре второго типа. Это может означать присутствие в данных участках покрытия молибдена и карбидов молибдена, и, кроме того, свидетельствует о недостаточно большой толщине структур первого типа. Это приводит к присутствию на рентгенограмме линий от лежащего под включением смеси молибдена, углерода и меди, а также и о наличии на поверхности включения частиц молибдена, углерода и карбидов молибдена. Исследования поперечных шлифов покрытий системы Mo-C-Cu методом

СЭМ показали, что в результате ЭВН на поверхности формируются покрытия толщиной 28…30 мкм (рисунок 3.27, а). В медной матрице располагаются включения с размерами порядка 0,1…1,0 мкм (рисунок 3.27, б).

На границе покрытий с основой образуется зона смешивания молибдена, карбидов молибдена и меди. В этой зоне наблюдаются изолированные включения молибдена и карбидов молибдена микронных размеров в медной матрице (рисунок 3.28, в). Об этом свидетельствуют результаты измерения нанотвердости. В местах включений она составляет 900…1100 HV, что соответствует нанотвердо 97 сти карбидов молибдена, в то же время в некоторых областях ее значения достигают 320 HV, что соответствует микротвердости молибдена [220].

Сформированная структура характеризуется отсутствием пор, что является положительной особенностью использованного способа напыления, поскольку наличие пористости неизбежно ведет к снижению электропроводности покрытий.

Для системы W-C-Cu структура поперечных сечений имеет те же особенности (рисунок 3.28). В результате обработки формируются слои (рисунок 3.28) толщиной 20…25 мкм. В медной матрице располагаются включения с размерами порядка 0,1…1 мкм. Нанотвердость в местах включений составляет 1100…1200 HV, что соответствует нанотвердости карбидов вольфрама [220]. В тоже время в некоторых областях ее значение достигает 460 HV, что соответствует микротвердости вольфрама [220].

Рентгеноструктурные исследования показали, что фазовый состав покрытий системы Mo-C-Cu, сформированных во всех режимах напыления, образован карбидами MoC, Mo2C и структурно-свободными молибденом и медью, образующими псевдосплав (рисунок 3.29). Видно, что с увеличением поглощаемой плотности мощности содержание молибдена в покрытиях уменьшается, а синтезированных карбидов молибдена увеличивается. Это можно связывать с увеличением степени перемешивания взаимодействующих компонентов в покрытии с ростом температуры и давления плазменной струи на облучаемой поверхности [97]. Рентгеноструктурный анализ показал, что покрытия системы W-C-Cu содержат высокотвердые карбиды вольфрама -W2C, WC1-х, WC, вольфрам и медь (рисунок 3.30). Содержание меди после обработки в режиме q = 6,5 ГВт/м2 максимально.

Анализ структуры электровзрывных композиционных покрытий системы TiC-Ni после электронно-пучковой обработки

Структура модифицированных слоев после электровзрывного напыления. Характерные изображения структуры поверхности с высокоразвитым рельефом, сформированном при ЭВН, представлены на рисунке 5.21. Масштаб элементов структуры поверхности покрытия изменяется в очень широком интервале – от сотен микрометров (рисунок 5.21, а) до десятков-сотен нанометров (рисунок 5.21, б, в).

Таким же неоднородным является и распределение элементов на поверхности покрытия. На качественном уровне этот факт выявляется при исследовании поверхности в обратно отраженных электронах. Относительно однородный серый контраст с включениями округлых частиц (рисунок 5.22) должен свидетельствовать о формировании однородного по составу покрытия. Поскольку разница от носительной молекулярной массы карбида титана TiC (титан, 47,86 а.е.м. и углерод, 12,01 а.е.м.) и относительной атомной массы никеля (58,69 а.е.м.) составляет 1,18 а.е.м. различить эти соединения по фазовому контрасту практически невозможно [242]. Методами микрорентгеноспектрального анализа различие элементного состава областей поверхности покрытия можно охарактеризовать на количественном уровне. Анализируя результаты, представленные в таблице, расположенной на рисунке 5.22, можно отметить, что коэффициент неоднородности в распределении элементов на поверхности покрытия (отношение суммарного количества титана, углерода и кислорода в светлых и темных областях) достигает 2,8.

Высокий уровень неоднородности структуры покрытия по толщине и по распределению элементов в ней более наглядно выявляется при исследовании строения поперечных шлифов. Вследствие высокоразвитого рельефа поверхности общая толщина напыленного покрытия изменяется в пределах от 50 до 90 мкм (рисунок 5.23).

По морфологическому признаку в объеме покрытия можно выделить минимум три слоя: собственно покрытие (рисунок 5.23, б, слой 1), переходный слой между покрытием и основой (рисунок 5.23, б, слой 2) и слой термического влияния (рисунок 5.23, б, слой 3), плавно переходящий в основной объем образца.

Между слоями наблюдается различие в степени химической травимости (рисунок 5.23, б), которые характеризуются определенной субструктурой. Размеры элементов в ней составляют 0,5…1 мкм (рисунок 5.23, в, г). Судя по исследованиям в обратно отраженных электронах (рисунок 5.23, г) структурные составляющие образованы более легкими элементами (титаном и углеродом), а матрица – более тяжелым элементом – никелем.

Разная степень травимости выявленных слоев свидетельствует об их различии в фазовом и элементном составе. Анализируя результаты, представленные в таблице к рисунку 5.24, выявить определенную закономерность в распределении углерода и титана не представляется возможным. А именно, значение их концентрации изменяется в пределах 5…7%.

На периферии образца, где толщина покрытия составляет 40 мкм обнаруживаются области округлой формы (рисунок 5.24, область набора спектра 3), существенно отличающиеся от окружающего объема материала и структурой и элементным составом. Основными элементами данных областей являются углерод, кислород и кремний (рисунок 5.24, таблица, спектр 3). Можно предположить, что данные области представляют собой поры или глобулярные включения, которые выкрошились при механической шлифовке и полировке. В связи с этим они содержат частицы шлифовальной пасты и последующего химического травления шлифа. Периферийная часть покрытия составляет не более 5 % от общего объема покрытия.

Структура модифицированных слоев после электровзрывного напыления и последующей электронно-пучковой обработки. Последующая ЭПО электровзрывных покрытий приводит к существенному преобразованию рельефа и рас пределению элементов на поверхности покрытия. А именно, рельеф поверхности выглаживается; относительно однородный серый контраст с включениями округлых частиц на изображении поверхности покрытия замещается преимущественно серым (рисунок 5.25), что указывает на более равномерное распределение вдоль поверхности элементов, инициированное обработкой.

Высокоскоростное плавление и последующая высокоскоростная самозакалка поверхностного слоя вследствие отвода тепоты в интегрально холодный объем образца приводят не только к выглаживанию рельефа, но и к существенному преобразованию структуры материала (рисунок 5.25, г, д). Анализ поверхности обработки выявил два характерных типа структуры, сформировавшихся исключительно в результате ЭПО. Первый – это области со структурой дендристной кристаллизации (рисунок 5.25, г). Продольные размеры дендритов достигают 10 мкм, поперечные – 1…5 мкм. Дендриты располагаются преимущественно перпендикулярно поверхности облучения, т.е. по направлению теплоотвода. Второй – сравнительно гладкие области со структурой ячеистой кристаллизации. Размер ячеек в этих областях достигает 1 мкм (рисунок 5.25, д).

Представленные на рисунке 5.25 области различаются элементным составом. Области, имеющие ярко выраженный темный контраст, сформированы исключительно титаном, углеродом и кислородом. Следовательно, можно предположить, что они сформированы частицами исходного порошка карбида титана, не растворившимися при ЭВН и последующей ЭПО. Области с наноразмерной субструктурой сформированы исключительно атомами никеля с небольшим содержанием титана и углерода. Можно ожидать, что данные области содержат частицы карбида титана. Области со структурой дендритной кристаллизации содержат элементы порошка карбида титана и никеля, следовательно, они были сформированы в результате жидкофазного перемешивания никеля и карбида титана в процессе ЭВН с кислородом и поэтому должны иметь относительно сложный фазовый состав.

Режим 2 по влиянию на поверхность электровзрывного покрытия слабо отличается от режима 1. Увеличение плотности энергии пучка электронов до 55 Дж/см2 (режим 3) приводит к формированию преимущественно структуры дендритной кристаллизации (рисунок 5.26). Рентгеноспектральный микроанализ областей со структурой дендритной кристаллизации выявил присутствие как титана и углерода, так и никеля (рисунок 5.26, в). Данный факт свидетельствует об увеличении степени дисперсности частиц карбида титана в никеле с ростом плотности энергии пучка электронов, т.е. об увеличении уровня гомогенности модифицируемого поверхностного слоя.

Анализ особенностей снижения шероховатости электровзрывных покрытий после электронно-пучковой обработке

Как показано в разделах 5-6 после ЭВН на поверхности образца-подложки, образуется хаотический профиль, состоящий из металла фольги, используемой для ЭВН и включений из порошков. При этом качество поверхности характеризуется параметром шероховатости Ra, величину которого определяли как среднее арифметическое абсолютных значений отклонений от средней линии профиля. Средняя линия профиля - это номинальная линия профиля, с минимальным среднеквадратичным отклонением профиля, от этой линии отсчитываются все числовые значения для шероховатости. Процедура измерения и расчета параметра шероховатости стандартизирована в государственных стандартах. Характерный рельеф поверхности и распределение неровностей вдоль базовой длины детально рассмотрен в разделах 4-5. Последующая обработка посредством воздействия импульсным электронным пучком на поверхность образца с с электровзрывным покрытием проводилась при длительности и мощности импульса, а так же числом импульсов исходя из цели эксперимента. После ЭПО приповерхностные слои и поверхность изменяют свои характеристики - происходит изменение фазового состава, твердости и т. д., а кроме того поверхность сглаживается, а значит и изменяется параметр шероховатости Ra.

Для расчета изменения параметра шероховатости примем следующие характеристики ЭПО: одиночный электронный импульс длительностью 100 мкс, удельной мощностью q=3-109 Вт/м2, остаточное давление аргона в камере, где находится образец 10-2 Па (рисунок 6.12).

Для температуры поверхности и приповерхностного слоя решим одномерное уравнение теплопроводности. Теплообменом с внешней средой пренебрежем вследствие малости остаточного давления воздуха. Будем считать, что образец занимает полупространство – одномерная задача. Данные приближения верны, так как время воздействия мала и глубина теплового влияния мало по сравнению с толщиной образца. Для решения поставленной задачи запишем одномерное уравнение теплопроводности: коэффициент температуропроводности, – коэффициент теплопроводности, с - теплоемкость, - плотность, c граничным условием второго рода на поверхности х=0 для плотности потока мощности q(t) и начальным условием для температуры: q(t) = f(t)x0, Т(х,0) = 300К. (6.20)

В расчетах, приведенных ниже в модельной задаче, использованы следующие параметры для меди: = 165 Вт/(мК) - теплопроводность; с = 495 Дж/(кгК) - теплоемкость; = 8000 кг/м3 -плотность жидкой меди, Тпл = 1356 К -температура плавления.

Решение одномерного уравнения (6.19) с условиями (6.20) для полубесконечной среды 0 х оо, может быть записано в виде:

Таким образом, получаем область глубиной около 50 мкм состоящую из жидкой меди, а время существования жидкого слоя составляет около 30 мкс.

Для моделирования растекания неровностей под действием электронного пучка принимаем, что примеси не влияют на динамическую вязкость меди 77 = 4 10-3 Пас и ее коэффициент поверхностного натяжения СУ = 4 10"3 Н/м. t, мкс

При нагревании до температуры плавления происходит растекание неровностей поверхности. В этом случае возможны три режима растекания - кинетический, а так же две формы гидродинамического растекания - инерционный и вязкий, которые переходят друг в друга непрерывным образом и не имеют четких границ во времени. По результатам исследований, опубликованных в широко известных работах [264, 272], будем считать, что кинетический режим в какой - то мере реализовался уже в процессе ЭВН и при ЭПО мы имеем дело с инерционным режимом растекания, переходящим в вязкий режим. Чтобы выбрать расчетный режим, примем, что растекающиеся неровности принимают форму сегментов шара и найдем радиус шара - R, высоту шарового сегмента - h, радиус сегмента -а через время t.

Исходная поверхность моделировалась в следующем виде: начальная неровность представляет собой полушарие радиусом Rна ч =2-10 5м. Следующие неровности имеют уменьшающие радиусы согласно формуле Rнач ,r=на ч, / = 2,3..М, М = 49. (6.23)

Высота h каждого в 1,6 раз больше радиуса. Таким образом, мы имеем набор вытянутых полуэллипсоидов с соотношением Ri:h = 1:1,6, расстояние между ними по горизонтали составляет 8 = 110"5 м. Число и параметры эллипсоидов выбраны таким образом, чтобы для базовой длины сечения L = 7-10 м параметр шероховатости имел значение Ra = 2,54-106м (Рисунок 6.14). Число точек расчета параметров - 600, большее число расчетных точек дает поправку 0,1%.

Инерционный режим растекания дает увеличение радиуса шарового сегмента ai в зависимости от времени, выражающемся формулой, приведенной в [272]:

Поскольку вязкий режим следует по времени за инерционным режимом и может иметь длительность десятки секунд, а кинетический режим существует в течении очень короткого времени, - меньше 10-3с перед инерционным, то представляется разумным в качестве модели растекания для настоящего случая взять инерционный режим, определяемый по формуле (6.24).

Для дальнейшего расчета примем, что при нагреве электронным пучком имеет место абсолютное смачивание, т.е. на поверхности жидкой меди находятся капли в форме полуэллипсоидов, состоящих в свою очередь также из жидкой меди. В процессе растекания капли принимают форму шаровых сегментов, уменьшают свою высоту, увеличивают радиусы сегментов и растекаются по поверхности. На рисунке 6.16 представлены радиусы и высоты шаровых сегментов в зависимости от его номера i.

Из рисунка 6.14 видно, что основной вклад в величину параметра шероховатости вносят первые 10 сегментов (что и подтверждается расчетом). На рисунке 6.17 представлено сечение поверхности после одиночного импульса ЭПО.

Параметр шероховатости после ЭПО принял значение Ra = 3,95-10"7 м, то есть уменьшился по сравнению с исходным в 6,4 раза.