Введение к работе
Актуальность работы. Повышение качества продукции машиностроения невозможно без создания и широкого внедрения в производство новых материалов и ресурсосберегающих технологий. Ужесточение условий эксплуатации деталей и узлов машин выдвигает требования использования сложной системы легирования сплавов, когда введение определённого химического элемента обеспечивает формирование структуры, наилучшим образом отвечающей требованию сочетания высоких технологических и эксплуатационных свойств. Такие материалы, как правило, состоят из нескольких фаз (структурных составляющих), существенно отличающихся по своим физико-химическим свойствам. За счёт удачного сочетания количественных параметров фазовых составляющих удаётся получать материалы с уникальными свойствами.
Особую роль в многофазных сплавах и покрытиях играют упорядоченные структуры, которые придают этим материалам уникальные свойства. Исследования Г.В. Курдюмова, Б.Г. Лившица, М.А. Кривоглаза, Л.Е. Попова, Б.А. Колачева, А.А. Смирнова, Э.В. Козлова, Н.А. Коневой, B.C. Литвинова, Б.А. Гринберг, В.Г. Пушина и др. позволяют выделить общие свойства для упорядоченных интерметаллидных фаз, благодаря которым обеспечиваются такие эксплуатационные характеристики сплавов, как повышенная износостойкость, жаропрочность, стойкость к воздействию агрессивных окислительных сред и т.п.
Среди 244 известных фаз с кристаллической решёткой В2, упорядоченной по типу CsCl, одни могут существовать в соответствующих сплавах в определённых температурных интервалах (в системе CuZn только при температурах ниже 454 -468 С), а другие - вплоть до температур плавления (в сплавах систем Fe-Al, Ni-Al, Со-А1). В первой группе сплавов способность В2 фазы разупорядочиваться при нагреве позволяет легко деформировать их в процессе технологической обработки (легированные латуни), а также изменять в требуемом направлении структуру и свойства за счет соответствующей термической обработки. Во второй группе жаростойкие интерметаллиды FeAl, NiAl, CoAl являются термически стабильными, структурные изменения в них связаны с изменением химического состава.
Несмотря на эти различия, В2 фазы в различных системах имеют много общего: они обеспечивают высокие значения твердости, прочности и износостойкости сплавов, что предопределяет их практическое применение. Легированные (ос+Р)-латуни с содержанием Р'-фазы CuZn не менее 30 об. % используют для изготовления деталей машиностроения, работающих в условиях износа, в том числе и в коррози-онно-активных средах. Интерметаллиды NiAl, CoAl, FeAl являются основой современных жаростойких покрытий, используемых для защиты поверхности лопаточного аппарата газотурбинных двигателей (ГТД), эксплуатируемых в максимально жёстких условиях нестационарного воздействия высоких рабочих температур (вплоть до 1300С) и высокоскоростного газового потока продуктов сгорания топлива. За счёт создания композиции «сплав-покрытие» высокая жаропрочность сплава-основы (современных легированных жаропрочных сталей и никелевых сплавов) сочетается с жаро- и коррозионной стойкостью поверхности.
Современная тенденция повышения степени легирования, а также микролегирование сплавов и покрытий с целью повышения эксплуатационных свойств обусловливают их сложный фазовый состав с обязательным присутствием химических соединений с сильной ковалентной связью между атомами, таких как силициды, бо-риды, карбиды и т.п. Эти соединения имеют, как правило, сложные кристаллические решётки, обладают высокими значениями твёрдости, повышенной хрупкостью, существенно отличаются от металлических составляющих сплавов по теплофизиче-ским и механическим свойствам, поэтому часто именно они являются центрами зарождения микротрещин в процессе деформации под действием механических или термических нагрузок. В окружении малопластичных упорядоченных структур небольшие отклонения общего количества, размеров и формы частиц силицидов, бо-ридов или карбидов, а также особенности их кристаллического строения могут играть ведущую роль в деградации свойств структурно-неоднородных материалов. В композиции «сплав-покрытие» сплав-основа и покрытие представляют собой две отдельные гетерофазные системы, взаимодействующие друг с другом в процессе эксплуатации. Для обеспечения высоких технологических и эксплуатационных свойств важно установить влияние различных факторов (химического состава, режимов термической и химико-термической обработки) на структурные изменения, связанные со сложными процессами взаимодействия всех структурных составляющих легированных сплавов с упорядоченными фазами, а также композиций «сплав-покрытие».
В работах В.Е. Панина, С.Г. Псахье, С.Г. Соколкина, В.Э. Вильдемана, Ю.Г. Яновского, П.В. Макарова, СВ. Смирнова и др. показаны возможности моделирования процессов деформации, разрушения, нагрева структурно-неоднородных материалов с использованием современных программных комплексов (ПК). В основе такого моделирования должны быть заложены количественные характеристики микроструктуры и экспериментально определенные значения свойств всех структурных составляющих сплавов и покрытий (нормальный модуль упругости Е, микротвёрдость, функциональная зависимость сопротивления деформации «а — є» и др.). Перспективными, с точки зрения определения in situ свойств структурных составляющих сплавов и покрытий, представляются методы, основанные на результатах микроиндентирования.
Цель диссертационной работы состоит в создании технологических основ формирования структур сплавов и покрытий с В2 фазами за счет корректировки химического состава при выплавке и выбора режимов термической обработки промышленных латуней, химико-термической обработки сталей, фехралей, жаропрочных никелевых сплавов и изделий из них.
Для достижения данной цели в работе были поставлены и решены следующие научно-технические задачи:
1. Систематически исследовать влияние химического состава и режимов термической обработки на структуру, морфологию, химический состав фаз и свойства легированных (а+|3)-латуней с целью обоснования способов повышения их технологических и эксплуатационных свойств.
-
Изучить особенности изменения структуры и физико-механических свойств сплавов системы Fe-Cr-Al (фехралей) при термодиффузионном алитировании, обеспечивающем формирование упорядоченной В2 фазы (Fe,Cr)Al.
-
Исследовать влияние концентрации алюминия, кремния и бора на защитные свойства, а также склонность к растрескиванию при термоциклировании жаростойких покрытий на основе В2 фаз.
-
На основе обобщения результатов исследований разработать новые жаро-, коррозионно-, термо- и эрозионностоикие покрытия для сталей и никелевых сплавов.
5. Разработать экспериментально-расчётный метод исследования локализо
ванной пластической деформации и разрушения гетерофазных материалов при их
нагружении, учитывающий их реальную микроструктуру и основанный на исполь
зовании результатов микроиндентирования для определения свойств отдельных
структурных составляющих.
Научная новизна работы заключается в следующем:
-
Установлена структурно-наследственная связь промышленных легированных (а+Р)-латуней с используемыми для их легирования алюминиевыми сплавами, заключающаяся в образовании во всех исследованных марках латуней силицидов М^Біз (где М - Fe, Мп и/или Ni), центрами формирования которых являются соединения а - (Fe2SiAl6) и (3 - (FeSiAls) алюминиевых сплавов.
-
Разработаны режимы термической обработки легированных (ос+Р)-латуней, позволяющие регулировать количество и морфологию В 2 фазы P'-CuZn, а также образование Ы0 мартенсита в латуни ЛМцАЖКС 70-7-5-2-2-1 с целью повышения технологических и эксплуатационных свойств.
-
Разработаны составы насыщающих порошковых смесей и режимы термо диффузионного алитирования тонких лент сплавов Fe-Cr-Al для получения жаростойких материалов с принципиально новым комплексом физико-механических свойств за счет создания гетерофазной структуры, состоящей из феррита и В2 фазы (Fe,Cr)Al.
-
Обоснованы пути повышения долговечности высокотемпературных покрытий на основе В2 фазы NiAl за счёт фиксированного содержания кремния на уровне 2 мае. %, легирования бором или комбинирования нескольких слоев, отличающихся химическим и фазовым составом и нанесённых разными способами.
-
Предложен экспериментально-расчётный метод исследования локализации пластической деформации и разрушения гетерофазных материалов при их нагружении, учитывающий их реальную микроструктуру и основанный на использовании результатов микроиндентирования для определения свойств отдельных структурных составляющих.
На защиту выносятся следующие основные положения: 1. Экспериментально установленные диапазоны химических составов и режимов термической обработки промышленных (а+Р)-латуней, позволяющие регулировать технологические и эксплуатационные свойства сплавов за счет:
- изменения марочного интервала содержания алюминия в пределах 5-6 мае. % для
стабильного образования В2 фазы в количестве не менее 15 об. % в латуни ЛМцАЖКС 70-7-5-2-2-1; - ограничения концентрации железа не выше 2 мае. %, что гарантирует формирование частиц силицидов (Fe,Mn)5Si3 размерами не более 40 мкм;
- охлаждения на воздухе из Р-области (при температурах выше 760С) для получе-
ния дисперсной (а+Р)-структуры без дополнительных выдержек в двухфазной области;
- закалки из Р-области, сопровождаемой мартенситным превращением, с после-
дующим отпуском при 270С, 4 часа для повышения износостойкости латуни ЛМцАЖКС 70-7-5-2-2-1.
-
Особенности формирования микроструктурных характеристик (формы и условий выделения В2 фазы (Fe,Cr)Al) и физико-механических свойств (твёрдости, удельного электросопротивления, удельной намагниченности насыщения, модуля Юнга, плотности, жаростойкости) тонких лент промышленных сплавов Fe-Cr-Al при термодиффузионном алитировании в контейнерах с порошковой смесью и в вакуумной камере из газовой фазы.
-
Составы порошковых насыщающих смесей и режимы термодиффузионного алюмосилицирования и алюмоборосилицирования сталей и никелевых сплавов, а также составы комбинированных покрытий на жаропрочных никелевых сплавах, позволяющие повысить их жаро- и термостойкость, а также сопротивление газовой коррозии за счёт ограничения концентрации Si в покрытии на уровне 2 мае. %, легирования бором до 1 мае. % и последовательного нанесения диффузионных и напыляемых слоев.
-
Экспериментально-расчётный метод исследования локализации пластической деформации и разрушения гетерофазных материалов при их нагружении, основанный на использовании результатов микроиндентирования для определения свойств отдельных структурных составляющих.
Практическая значимость диссертационной работы
-
Установленные зависимости объемной доли и размера структурных составляющих промышленных (а+Р)-латуней от их химического состава и режима термической обработки, а также расчёты параметров НДС в процессе моделирования осадки и обработки резанием с использованиием результатов микроиндентирования для определения свойств структурных составляющих легли в основу разработки практических рекомендаций по корректировке химического состава и режимов термообработки, обеспечивающих повышенные технологические и эксплуатационные свойства, реализованных на ОАО «Ревдинский завод по обработке цветных металлов» (г. Ревда, Свердловская область), НПО «БИТЕК» (г. Екатеринбург) и ОАО АВТОВАЗ (г. Тольятти, Самарская область).
-
Полученные в работе экспериментальные данные по влиянию термодиффузионного алитирования на структуру и физико-механические свойства тонких лент из сплавов Fe-Cr-Al позволили разработать технологию получения материала с принципиально новым комплексом свойств, в том числе технологию получения ме-
таллического блока нейтрализатора выхлопных газов двигателя внутреннего сгорания (ДВС) повышенной жаростойкости и прочности (патент РФ на изобретение № 2080458), принятую к производству на Уральском электрохимическом комбинате (г. Новоуральск, Свердловская область).
-
Разработана серия новых порошковых составов для термодиффузионного нанесения легированных алюминидных покрытий на стали и жаропрочные никелевые сплавы (авторские свидетельства на изобретения №№ 1059923, 1349323, 1777385) и технологические режимы химико-термической обработки с учетом оптимальных режимов упрочняющей термической обработки конкретного сплава. Разработанные покрытия в течение более 20-ти лет применяются в турбинах стационарных газоперекачивающих агрегатов для магистральных газопроводов ГТН-16, ГТН-16М1 и ГТН-25 производства ЗАО «Уральский турбинный завод» (г. Екатеринбург) с суммарной наработкой несколько сотен тысяч часов. Покрытия успешно выдержали натурные испытания в ряде судовых (ЦНИИ «Прометей», г. С.Петербург, Южный турбинный завод «Заря», г. Николаев, Украина) и авиационных газотурбинных двигателей (ПО им. П.И. Баранова, г. Омск), а также в турбокомпрессорах наддува мощных дизелей (ПО «Пенздизельмаш», г. Пенза).
-
Результаты исследований используются в учебном процессе при чтении лекций студентам кафедры «Материаловедение, технический контроль в машиностроении и методика профессионального обучения» Российского государственного профессионально-педагогического университета (г. Екатеринбург), а также при выполнении дипломных работ.
Работа обобщает результаты исследований, выполненных автором в период 1985-2007 годов в лаборатории диффузионных покрытий отдела технологии поверхностного упрочнения и защитных покрытий Центрального научно-исследовательского института материалов (ЦНИИМ) и лаборатории микромеханики материалов Института машиноведения Уральского отделения Российской академии наук (ИМАШ УрО РАН, г. Екатеринбург). Исследования выполнены в соответствии с Постановлениями Совета Министров СССР № 212 от 11.02.86, планами важнейших работ Минтяжмаш СССР, планами фундаментальных исследований ИМАШ УрО РАН, в рамках хозяйственных договоров с ПО «Турбомоторный завод» (г. Екатеринбург), ЦНИИ «Прометей» (г. С.-Петербург), ПО им. П.И. Баранова (г. Омск), ПО «Пенздизельмаш» (г. Пенза), Уральским электрохимическим комбинатом (г. Новоуральск, Свердловская область), ОАО «Ревдинский завод по обработке цветных металлов» (г. Ревда, Свердловская область) и другими предприятиями, а также при поддержке Российского фонда фундаментальных исследований (проекты № 04-01-00882 и №04-01-96112).
Достоверность результатов исследований и выводов обеспечена использованием современных методов структурного анализа и исследования физико-механических свойств, воспроизводимостью результатов эксперимента и сравнением с литературными данными, практическим использованием и патентоспособностью разработанных сплавов и покрытий.
Личный вклад автора состоит в постановке целей и задач, разработке методологии исследования, интерпретации результатов и формулировке всех основных положений, определяющих научную новизну и практическую значимость работы. Основные эксперименты автор диссертации выполнила в творческих коллективах, что отражено в авторских составах опубликованных работ, в качестве ответственного исполнителя или руководителя тем.
Апробация результатов работы. Основные результаты исследований, обобщённых в диссертационной работе, доложены и обсуждены более, чем на 50 региональных, всероссийских, всесоюзных и международных научно-технических конференциях, семинарах и совещаниях, в том числе: Всесоюзных конференциях по ХТО металлов и сплавов (г. Дрогобыч - 1984 г., г. Ворошиловград - 1988 г.), VIII - XI, XIV, XV, XVII - XIX Уральских школах металловедов-термистов (1983, 1985, 1987, 1989, 1998, 2000, 2004, 2006, 2008 г.г.), Всесоюзном совещании по тепловой микроскопии (Москва, 1986 г.), Всесоюзном съезде технологов-машиностроителей (г. Москва, 1989 г.), II Международном семинаре по катализу (Новосибирск, 1997 г.), Международном конгрессе, посвященном 300-летию Уральской металлургии (г. Екатеринбург, 2001 г.), Всероссийской конференции с международным участиям, посвященной 100-летию со дня рождения проф. М.П. Марковца (г. Москва, 2002 г.), III и VI Российских научно-технических конференциях по физическим свойствам металлов и сплавов (г. Екатеринбург, 2005 и 2007 г.г.), VIII Международном симпозиуме по фазовым превращениям в твердых растворах и сплавах (г. Сочи, 2005 г.), XVI и XVII Российских конференциях с международным участием по неразрушающему контролю (г. Екатеринбург, 2003 и 2005 г.г.), XVI Международной конференции «Физика прочности и пластичности материалов» (г. Самара, 2006 г.), Международной конференции по физической мезомеханике, компьютерному конструированию и разработке новых материалов (г. Томск, 2006 г.), XVII Петербургских чтениях по проблемам прочности (г. С.-Петербург, 2007 г.), V Всероссийской конференции «Механика микронеоднородных материалов и разрушение» (Екатеринбург, 2008).
За разработанные диффузионные защитные покрытия на основе алюминидов (Ni,Co,Fe)Al присуждена бронзовая медаль ВДНХ (1996 г.), за разработку технологии и освоение производства блокирующего кольца синхронизатора коробки передач автомобиля ВАЗ - серебряная медаль лауреата международной выставки Ме-талл-Экспо-2007.
Публикации. По результатам проведенных исследований опубликовано 62 печатных работы, в том числе одна коллективная монография, 24 статьи в реферируемых журналах, 25 статей в тематических сборниках, 3 авторских свидетельства на изобретение и один патент Российской Федерации, 4 учебно-методических пособий (список основных публикаций приводится в конце автореферата).
Структура и объём работы. Диссертация состоит из введения, пяти разделов, заключения и списка цитируемой литературы, который включает 295 наименований. Работа содержит 310 страниц машинописного текста, в том числе132 рисунка, 46 таблиц, 4 приложения.
