Введение к работе
з
Актуальность проблемы. Стратегическим направлением современного материаловедения является создание перспективных материалов и технологий специального назначения, к числу которых относятся сплавы с эффектом памяти формы (ЭПФ). Уникальное сочетание функциональных свойств памяти с высокими механическими характеристиками нашли широкое практическое применение при создании изделий, стабильно работающих в условиях длительного механоциклирования, коррозионных сред, ударных воздействий и интенсивного изнашивания, с возможностью обратимого формоизменения. В машиностроении использование таких материалов в качестве конструкционных является экономически нецелесообразным. Значительное снижение стоимости при одновременном обеспечении функционально-механических свойств может быть достигнуто за счет формирования поверхностных наноструктурированных слоев из сплавов с ЭПФ.
В проблеме получения наноструктурированных покрытий из сплавов с ЭПФ есть свои существенные сложности как структурные, технологические, так и связанные с изменением функционального и механического поведения деталей с покрытиями. Одним из перспективных методов обработки поверхности как с точки зрения формирования требуемой структуры и свойств, так и специальных возможностей является плазменное напыление. Поэтому интерес представляет исследование структурных и механических особенностей поверхностно модифицированных слоев из сплава с ЭПФ (ПМСЭПФ), полученных в условиях плазменного воздействия.
Связь работы с научно-техническими программами.
Работа выполнена по НИР: «Повышение долговечности деталей машин с помощью поверхностного модифицирования материалами с эффектом памяти формы» (6.5.2.01-05); "Повышение функционально-механических свойств сталей путем создания поверхностных слоев из материалов с эффектом памяти формы" в рамках программы РНП.2.1.2.4958 (2006-2008 гг.); РНП 2.1.2/6702 при поддержке Министерства образования и науки РФ (2009г).
Цель работы: повышение характеристик работоспособности покрытий из сплавов с ЭПФ на основе создания наноструктурного состояния материала с разработкой технологии их получения плазменным напылением механически активированных порошков.
Основные задачи исследования;
- обоснование выбора метода формирования поверхностных слоев из материалов с ЭПФ; разработка общих принципов техники поверхностного модифицирования с использованием плазменного напыления, обобщение опыта по выбору и оптимизации ее конструктивных и энергетических параметров; определение управляющих параметров технологического процесса и их оптимизация для обеспечения функционально-механических свойств;
изучение особенностей фазовых превращений и структурообра-зования при плазменном напылении механоактивированного порошка;
экспериментальное исследование функциональных, механических и эксплуатационных свойств ПМСЭПФ на основе TiNi и NiAl;
исследование корреляционной связи между формирующейся структурной организацией на различных этапах поверхностного модифицирования (ПМ) с прочностными свойствами;
- разработка конструктивно-технологических решений с использованием материалов, ПМСЭПФ в условиях плазменного напыления, обеспечивающих заданные функциональные и механические свойства изделий; экспериментальная проверка предложенных технических решений.
Объектом исследования являются стали ПМСЭПФ (TiNi и NiAl).
Предметом исследования являются особенности структурообразо-вания поверхностных слоев из сплавов с ЭПФ на основе TiNi и NiAl и их функционально-механические свойства.
Методология и методы проведенного исследования. Методы исследования, использованные в данной работе, базируются на основных положениях теории мартенситных превращений, механики разрушения, фрактального материаловедения, технологии машиностроения, математи-ко-статистического анализа.
Научная новизна диссертационной работы:
показано, что предварительная механоактивация (МА) порошков позволяет снизить пористость покрытий до 5% и обеспечить прочность сцепления покрытия с основой (50-60МПа);
описан механизм формирования наноструктурного состояния в порошках TiNi и NiAl при интенсивной пластической деформации в процессе механической активации, включающий стадии высокоскоростного деформирования, полигонизации и рекристаллизации; показано, что образовавшиеся при механоактивации наноструктурированные частицы порошка в процессе плазменного напыления и при соприкосновении с холодной подложкой испытывают высокие контактные давления, приводящие к деформированию частицы в соотношении 1:7,7; выделение энергии, запасенной в процессе механической активации в виде различного рода дефектов (дислокации, вакансии и др.) приводит к лучшему соединению напыляемых частиц между собой и с основой, т.е. обеспечивает хорошие адгезионные свойства и меньшую пористость, а имеющий место высокий градиент температур между подложкой и частицей порошка создает дополнительные условия для наноструктурирования;
установлена корреляционная связь между технологическими параметрами и параметрами выхода (прочностью сцепления, когезией, пористостью); оптимизированы параметры механоактивации, плазменного напыления и последующей ТМО;
проведены комплексные металлофизические исследования ПМ слоев и получены новые сведения о наноструктурном состоянии поверхно-
5 стного слоя, о его механических свойствах, фазовом составе, определяющем функциональные свойства; (микротвердость TiNi-слоя колеблется в пределах Ни=8,2-И 1,8 ГПа, NiAl-слоя в пределах Нм=4,5+8,3 ГПа, размер зерна TiNi составляет 15-140 нм, NiAl - 90-200 нм; эффект восстановления для сплава TiNi составил 5,8%, для сплава NiAl - 3,6%).
оценена эволюция структуры на всех этапах ПМ методом муль-тифрактальной параметризации и вскрыты взаимосвязи структурной организации ПМСЭПФ с прочностными свойствами; получены зависимости с использованием критерия микротвердости и толщины поверхностного слоя сплавов с ЭПФ; установлено, что максимальной адаптивностью к внешнему воздействию обладает до 90% поверхностно-модифицированного слоя;
получены экспериментальные данные о влиянии поверхностных наноструктурированных слоев из материалов с ЭПФ на механические свойства при циклическом нагружении, на износостойкость, коррозионную стойкость и функциональные свойства памяти.
Практическая значимость полученных результатов:
предложено новое конструктивно-технологическое решение установки для ПМ с использованием плазменного напыления и последующей ТО и ТМО в едином технологическом цикле (заявка на патент № 2009110620, приоритет от 23.03.09);
определены оптимальные технологические режимы ПМ, включающего предварительную подготовку поверхности, механоактивацию порошков, плазменное напыление подслоя Ni (только при формировании слоя TiNi) и основного слоя TiNi, последующую термическую и термомеханическую обработку (ТМО) в едином технологическом цикле и позволяющие получать наноразмерные TiNi (15-140 нм) и NiAl (90-200 нм) покрытия из сплавов с ЭПФ на сталях 45, 40Х, 08X14НДЛ;
разработана сборно-разборная конструкция «вал-втулка» и запорная арматура с использованием свойств памяти формы TiNi и NiAl покрытий на деталях (патент № 2383806; решение о выдаче патента по заявке № 2008132286, опубл. 10.02.2010.); показана возможность и экономическая целесообразность использования ПМСЭПФ для обеспечения функциональных и механических свойств.
Разработанные технологии ПМСЭПФ апробированы на предприятии РФ «Новороссийское морское пароходство» (г. Новороссийск).
Апробация результатов диссертации. Результаты работы докладывались на: Международной конференции «Новые перспективные материалы и технологии их получения-2007», Волгоград, ВГТУ, 2009; V Всероссийской конференции «Механика микронеоднородных материалов и разрушение» Екатеринбург 2008; Международной конференции «Харьковская нанотехнологическая ассамблея - 2008», Харьков, 2008; XXI Международной научно-практической конференции «Ресурсосберегающие технологии ремонта, восстановления и упрочнения деталей машин, механизмов,
6 оборудования, инструмента и технологической оснастки от нано- до макроуровня» С.-Петербург, 2009; Международной конференции по физической мезомеханике, компьютерному конструированию и разработке новых материалов, ИФПМ СО РАН, Томск, 2009; III Международной конференции «Деформация и разрушение материалов и ианоматериалов» DFMN-2009, ИМЕТ им. А.А. Байкова, Москва, 2009; Всероссийской конференции "Безопасность и живучесть технических систем" Красноярск, 2009; 1-ой ежегодной конференции Нанотехнологического общества России «Развитие нанотехнологического проекта в России: состояние и перспективы» НИЯУ, «МИФИ», Москва, 2009.
Публикации. По материалам диссертации опубликовано 14 печатных работ, из них 6 в изданиях, определенных перечнем ВАК. Получено 2 патента РФ № 2354751, № 2383806; решение о выдаче патента по заявке № 2008132286 опубл. 10.02.10; подана заявка на патент № 2009110620, приоритет от 23.03.09.
Структура и объем диссертации. Диссертационная работа изложена на 207 страницах, состоит из введения, 5 глав, заключения, Диссертация содержит 111 рисунков, 25 таблиц, список литературы из 214 наименований, приложение (копии патентов на изобретения и актов внедрения). СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
