Структура и свойства поверхностно-модифицированных слоев из сплава с памятью формы на основе никелида титана

Теплофизические особенности структуры TiNi-покрытия в процессе формирования. Номограммы толщины слоя никелида титана при лазерной наплавке. Коррозионные испытания в среднеагрессивных средах. Методы использования поверхностно-модифицированных материалов.

Рубрика Производство и технологии
Вид автореферат
Язык русский
Дата добавления 02.05.2018
Размер файла 2,0 M

Отправить свою хорошую работу в базу знаний просто. Используйте форму, расположенную ниже

Студенты, аспиранты, молодые ученые, использующие базу знаний в своей учебе и работе, будут вам очень благодарны.

Размещено на http://www.allbest.ru/

[Введите текст]

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

СТРУКТУРА И СВОЙСТВА ПОВЕРХНОСТНО-МОДИФИЦИРОВАННЫХ СЛОЕВ ИЗ СПЛАВА С ПАМЯТЬЮ ФОРМЫ НА ОСНОВЕ НИКЕЛИДА ТИТАНА

Степаненко Майя Александровна

Специальность 05.02.01 - «Материаловедение (в машиностроении)»

Краснодар - 2006

Работа выполнена в ГОУ ВПО "Кубанский государственный технологический университет"

Научный руководитель:доктор технических наук, профессор

Бледнова Жесфина Михайловна

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор

Крапошин Валентин Сидорович;

доктор технических наук, профессор

Бровер Галина Ивановна

Ведущая организация: Институт Машиноведения

им. А.А. Благонравова РАН, г. Москва

Защита диссертации состоится 22 декабря 2006 г. в 16:00 ч. на заседании диссертационного совета Д 212.100.02 в Кубанском государственном технологическом университете по адресу: 350072, г. Краснодар, ул. Московская, 2, ауд. А229

С диссертацией можно познакомиться в библиотеке Кубанского государственного технологического университета

Автореферат разослан « 20 » ноября 2006г.

Отзыв на автореферат в 2-х экземплярах, заверенных печатью учреждения, просим направлять по адресу: 350072, г. Краснодар, ул. Московская, 2, КубГТУ, диссертационный совет Д 212.100.02

Ученый секретарь

диссертационного совета,

канд.техн.наук, доцент Пунтус А. В.

Общая характеристика работы
Актуальность проблемы. В настоящее время развитие индустрии сплавов с эффектом памяти формы (ЭПФ) и ее рост связан как с разработкой новых технологий получения, так и использования в различных областях техники. Среди сплавов с ЭПФ интерметаллид никелид титана (TiNi) обладает бульшим обратимым формоизменением и высокими физико-механическими и технологическими свойствами. Несмотря на то, что использование материала с ЭПФ в машиностроении имеет большие перспективы, экономически нецелесообразно из-за высокой стоимости самого материала использовать сплав TiNi как конструкционный материал. В этой связи создание ресурсосберегающих технологий путем поверхностного модифицирования сплавами с ЭПФ на основе никелида титана и исследование структурно-механических и функциональных свойств получаемых композиций является актуальной задачей.
Уникальные возможности TiNi-композитов, связанные с проявлением эффектов памяти, уже успешно реализованы при создании ряда устройств и техники нового поколения аэрокосмического назначения, в приборостроении, электронике, медицине, биотехнологиях и относятся, в основном, к тонким функциональным пленкам, фольгам и волокнам с памятью, выполняющим адаптивные, сенсорные и актуаторные функции. Для машиностроения интерес представляют массивные поверхностные слои из сплава TiNi, способные обеспечить функциональные свойства и работать в сложных условиях нагружения. Несмотря на исследования структуры, свойств и применений TiNi-сплавов, вопросы, касающиеся изучения получаемых из них покрытий, до сих пор остаются малоизученными.
Работа выполнялась по НИР "Повышение долговечности деталей машин с помощью создания поверхностных самоорганизованных структур с памятью формы" (201.01.01.115) 2001-2002 гг., а также по НИР "Повышение функционально-механических свойств сталей путем создания поверхностных слоев из материалов с ЭПФ" в рамках программы РНП.2.1.2.4958 (02.14.80) 2006-2008 гг. при поддержке Министерства образования и науки РФ.

Цель работы - исследование особенностей структурообразования и свойств материалов с поверхностно-модифицированным слоем из сплава с памятью формы на основе TiNi, сформированным при лазерном воздействии, с целью обеспечения функционально-механических свойств деталей.

Основные задачи исследования:

- исследовать теплофизические и технологические особенности организации структуры TiNi-покрытия в условиях процесса его формирования;

- разработать технологию поверхностного модифицирования конструкционных сталей сплавом с ЭПФ (TiNi);

- оценить корреляционные связи структуры и свойств материала «сталь-сплав TiNi» на различных этапах поверхностного модифицирования;

- разработать конструктивно-технологические решения с использованием поверхностно-модифицированных материалов, обеспечивающих заданные функционально-механические свойства деталей.

Методы исследования базировались на основных положениях металловедения мартенситных превращений, механики деформируемого твердого тела, механики разрушения, неравновесной термодинамики и фрактального материаловедения, технологии машиностроения, математико-статистических методов анализа экспериментальных данных.

Научная новизна:

- получено численное решение тепловой задачи процесса импульсной лазерной наплавки сплава TiNi с определением температурных условий структурной организации поверхностного слоя;

- разработаны статистические модели технологического процесса импульсной лазерной наплавки, позволяющие оптимизировать структурно-механические свойства слоя сплава TiNi;

- предложен механизм усталостного разрушения материала с TiNi-покрытием, полученным лазерной наплавкой, на основе использования структурно-энергетического критерия циклической долговечности;

- установлены статистические закономерности, позволяющие прогнозировать свойства поверхностно-модифицированного слоя сплава TiNi, с помощью мультифрактальной оценки структурных параметров и основных корреляционных связей технологического наследования.

Практическая значимость:

- произведена оптимизация режимов комплексного термомеханического цикла поверхностного модифицирования сталей сплавом TiNi, что позволяет обеспечить реализацию эффекта памяти поверхностного слоя для получения разъемных соединений деталей;

- установлено повышение усталостных, триботехнических и коррозионных свойств сталей с поверхностно-модифицированным слоем TiNi, полученным лазерной наплавкой;

- предложен альтернативный способ получения TiNi-покрытий методом термического переноса масс;

- разработан способ предохранительного разъемного соединения деталей фрикционной шпонкой с покрытием из сплава с ЭПФ (TiNi);

- произведена расчетная оценка напряженно-деформированного состояния метрических резьбовых соединений с покрытием из сплава с ЭПФ (ТiNi) методом конечно-элементного моделирования.

На защиту выносятся:

- особенности структурообразования поверхностных слоев из сплава на основе никелида титана и численного моделирования тепловых процессов, определяющих организацию структуры слоя TiNi в условиях импульсной лазерной наплавки;

- технология поверхностного модифицирования сталей сплавом с ЭПФ на основе никелида титана с использованием лазерной наплавки;

- механизм малоциклового разрушения сталей с поверхностным слоем TiNi, полученным лазерной наплавкой, и результаты экспериментального исследования эксплуатационных свойств на различных этапах поверхностного модифицирования (циклической долговечности, износостойкости, коррозионной стойкости в различных средах);

- критерии оценки свойств материала «сталь-сплав TiNi» на основе исследований эволюции его структурных параметров, мультифрактальных характеристик и технологического наследования в процессе поверхностного модифицирования;

- конструктивно-технологические способы обеспечения функционально-механических свойств деталей с использованием поверхностно-модифицированных слоев из сплава с ЭПФ (TiNi);

- конечно-элементная оценка напряженно-деформированного состояния разъемных соединений деталей, поверхностно-модифицированных сплавом TiNi, с учетом деформационно-силовых параметров слоя с ЭПФ на основе TiNi.

Апробация результатов диссертации. Основные результаты работы докладывались на: Межвузовской научно-методической конференции "Электромеханические преобразователи энергии", 20-21 марта 2002, Краснодар, КВАИ; Международном конгрессе "Механика и трибология транспортных систем", 10-13 сентября 2003, Ростов-на-Дону, РГУПС, Международной конференции "Новые перспективные материалы и технологии их получения-2004", 20-23 сентября 2004, Волгоград, ВГТУ; XLIII Международной конференции "Актуальные проблемы прочности", 27 сентября-1 октября 2004, Витебск, Беларусь; 4-й Южнороссийской конференции "Энерго- и ресурсосберегающие технологии и установки", 7-8 апреля 2005, Краснодар, КВВАУЛ; II Международной школе "Физическое материаловедение", XVIII Уральской школе металловедов-термистов "Актуальные проблемы физического металловедения сталей и сплавов", 6-10 февраля 2006, Тольятти, ТГУ; Международной конференции по теории механизмов и механике машин, 9-15 октября 2006, Краснодар, КубГТУ.

Публикации. По материалам диссертации опубликовано 15 печатных работ. Общее количество страниц - 63. Получено 2 патента РФ (11с.).

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из 6 глав, перечня основных результатов и выводов, приложения. Она содержит 90 рисунков, 30 таблиц и список литературы из 180 наименований. Число страниц - 200. никелид титан лазерный коррозионный

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

В первой главе дана оценка современного состояния вопроса и перспектив использования модифицированных слоев сплавов с эффектом памяти формы (ЭПФ), анализ их механических и функциональных свойств, рассмотрены инженерные аспекты применений сплавов с ЭПФ для обеспечения функционально-механических свойств деталей машин.

Значительный вклад в исследование сплавов с ЭПФ и расширение областей их использования внесли ряд отечественных (С.П. Беляев, Р.З. Валиев, А.Е. Волков, С.В. Добаткин, Ю.Н. Коваль, В.Г. Курдюмов, В.А. Лихачев, Н.А. Махутов, С.Д. Прокошкин, В.Г. Пушин, А.И. Разов, С.В. Шишкин и др.) и зарубежных (С.М. Вейман, Я. Ван-Хумбек, Д.И. Ли, С. Миязаки, К. Ооцука, Э. Хорнбоген, Ф.Т. Ченг и др.) ученых.

В современном машиностроении реальные применения TiNi-сплавов с памятью крайне ограничены, главным образом, из-за их высокой стоимости. Одно из решений этой проблемы связано с использованием композиционного материала «сталь-покрытие TiNi», которое применяется в условиях интенсивных внешних воздействий, сопровождающих работу деталей машин (знакопеременное нагружение, трение, удар, вибрации и т.п.). Но известные в настоящее время косвенные доказательства удачного применения того или иного метода плакирования либо наплавки сплава TiNi являются довольно разрозненными и противоречивыми. В этой связи необходимым является разработка технологий инженерии поверхности для получения на сталях слоев сплава на основе TiNi, функциональные свойства которых эквивалентны свойствам сплошного никелида титана, а также исследование их структурных, технологических и функционально-механических аспектов. Анализ известных способов управления структурой и свойствами сплавов системы Ti-Ni позволил разработать основную методику обеспечения функционально-механических свойств TiNi-слоев. Сопоставление возможностей различных методов формирования покрытий со специальными свойствами указывает на преимущества способа структурной организации поверхностных слоев сплава TiNi при лазерном воздействии.

Во второй главе описываются основные положения теоретических расчетов тепловых процессов при лазерной наплавке никелида титана. В качестве модели композиции «сталь-сплав TiNi» принят двухслойный материал: для TiNi-покрытия реализовывалась теплофизическая модель тонкой пластины, для стальной основы - полубесконечного тела. В одномерной постановке поле температур описывается системой дифференциальных уравнений теплопроводности. Основополагающие уравнения теплопередачи были скорректированы согласно представлениям о геометрии зоны плавления с учетом положения фронта кристаллизации и решение отыскивали при соответствующих граничных условиях:

зона 1 (жидкий расплав):

, при ,(1)

при ,, .

Зона 1-2 (твердый раствор):

, при ,(2)

при , (3)

. (4)

Зона 2 (основа):

, при .(5)

где T1, T12, T2 - температуры, а1, а12, а2 и л1, л12, л2- температуро- и теплопроводности зон 1, 1-2, 2; - плотность сплава, L - скрытая теплота кристаллизации. Nк и V - координационное число и объемная фракция частиц порошка ПН55Т45.

Размещено на http://www.allbest.ru/

[Введите текст]

Теплофизические характеристики интерполировались согласно справочным данным. Для нахождения распределения температуры по глубине использовали метод интегральных преобразований Фурье. При расчете с помощью программы MathCAD получены температурные зависимости на разной глубине слоя TiNi (0,15 мм) и стальной основы (З0ХГСА); на стадии охлаждения решение по виду симметрично с нагревом. Распределение поля температур (рисунок 1) позволяет оценить температурные условия формирования TiNi-покрытия и предварительно оценить его толщину.

В третьей главе описываются материалы и образцы для проведения исследования, конструктивные особенности оборудования и испытательные машины, методика исследования, средства измерения и диагностики.

Лазерная наплавка проводилась послойно на стандартных стальных образцах прямоугольного (105 мм, стали 40Х, 38ХН3МФА, 12Х18Н9Т) и круглого ( 10 мм, сталь 30ХГСА) поперечного сечения в автоматическом импульсном режиме на модернизированной установке Квант-12М (АИГ, л=1,06 мкм) в защитной среде аргона. Для наплавки использовали порошковый никелид титана эквиатомного состава (ПН55Т45, НПО «Тулачермет», размер фракций - 50-150 мкм), а также чистый никель (ПНК1-ВЛ7) в виде промежуточных тонких подслоев в соединении сталь-TiNi.

В качестве альтернативного способа формирования TiNi-покрытий рассматривалась технология термического переноса масс, реализуемая с помощью предложенной конструкции установки с теплообменным контуром (патент РФ № 2224048), позволяющая получать слои TiNi как в результате термического, так и изотермического переноса масс.

После формирования TiNi-покрытия его подвергали поэтапному полному термомеханическому циклу (ТМЦ) обработки. Термообработка (отжиг в инертной среде) производился в электропечи сопротивления с микропроцессорным регулятором температуры ЭКПС V-50. Термомеханическая тренировка осуществлялась методом поверхностного пластического деформирования (ППД) по двум схемам: методом обкатки цилиндрических поверхностей и обжатия плоских поверхностей. Исследования проводились в условиях комнатных и низких температур. Обкатку проводили с помощью специального трехроликового приспособления, устанавливаемого в суппорте токарного станка 1А616. Реализация ППД с обжатием осуществлялась с помощью модернизированной испытательной машины УМЭ-10ТМ и пресса ПСУ-50 в сконструированном приспособлении, оснащенном двумя матрицами пресс-формы, точно повторяющими контур образца. Изменения микрогеометрии слоев определяли с помощью микроскопа-микроинтерферометра МИС-11.

Усталостные испытания при малоцикловом нагружении в условиях симметричного изгиба и совместного действия изгиба и контактного трением проводили на 4-х позиционной установке. Весовые потери в результате износа и общей коррозии определяли гравиметрическим методом (на аналитических весах WA-33). Оценка стойкости против общей коррозии оценивалась при сопоставлении с показателями испытаний стали, чистого титана и сплава ТН (Ti-55,3 вес.%Ni, производства ЗАО «ПЦ Матекс»).

Металлографические исследования проводились на микроскопах ИМЦ-100, МИМ-8, NU-2Е (Carl Zeiss Jena) и растровом сканирующем микроскопе JSM-840 (JEOL). Рентгенофазовый анализ - на дифрактометрах TUR M62 и Дрон-3 (в Cu-Кб излучении), химический - на дифракционном стилоскопе СЛ-13 и микроанализаторе микроскопа JSM-840, дюрометрический - на приборе ПМТ-3. Толщина слоя TiNi контролировалась магнитными ультразвуковыми толщиномерами МТ-2007, МПТ-01.

В четвертой главе приводится описание технологических основ формирования поверхностных слоев из сплава с ЭПФ: результаты отработки технологических режимов лазерной наплавки TiNi; способов управления и взаимосвязи структуры и функционально-механических свойств TiNi-слоев.

При импульсной лазерной обработке, в отличие от других методов, получения интерметаллидного TiNi-покрытия на любых сталях возможно и без связующей матрицы. Для обеспечения качественного соединения использовали адгезионные подслои чистого никеля (=0,05 мм).

Формируемый TiNi-слой претерпевает трансформацию первоначального состава в пределах 1% в связи с некоторой летучестью титана при наплавке (составляет 50,8-51 вес.%Ni). Характер распределения химических элементов по толщине слоя показан на рисунке 2, содержание Ti и Ni на границе снижается до 20%.

Размещено на http://www.allbest.ru/

[Введите текст]

Рисунок 2 - Микроструктура стали 30ХГСА с TiNi-слоем - а), 500. Характер распределения основных элементов по толщине TiNi-слоя - б)

Размещено на http://www.allbest.ru/

[Введите текст]

Рисунок 3 - Номограммы толщины слоя никелида титана при лазерной наплавке

В результате обработки экспериментальных данных с помощью статистического регрессионного анализа в среде SPSS Statistica 6.0 получены математические модели процесса лазерной наплавки сплава TiNi (рисунок 3). Произведена оптимизация толщины наносимого покрытия, линейной и угловой скорости обработки, диаметра пятна сфокусированного лазерного излучения, его плотности и длительности. Связь между технологическими параметрами обработки для получения TiNi-покрытия толщиной TiNi:

, (5)

где 03 - статистически определенные истинные значения коэффициентов, являющихся случайными нормально распределенными величинами (в явном виде 0=562,587; 1=-1,6262; 2=-125,9615; 3=0,444); - толщина обмазки, мм; v - скорость наплавки, мм/мин; dp - диаметр пятна, мм;

На основе (5) определены оптимальные режимы, приводящие к формированию TiNi-покрытия толщиной д=0,12-0,50 мм и твердостью, достигающей 8-9 ГПа. Слои В2-сплавов TiNi имеет ультрамикрокристаллическое строение с размером зерна, изменяющимся по глубине от 0,2-0,7 мкм, и их плотностью (0,356-0,589)109 мм-2 (рисунок 4). Основной фазовый состав - аустенитная В2-фаза, побочные фазы (не более 5%) - интерметаллидная -фаза TiNi3, оксиды титана.

Размещено на http://www.allbest.ru/

[Введите текст]

Для TiNi-слоя характерна направленная кристаллизация структуры, сверхмелкое зерно, крайне сложная травимость. Ширина переходной зоны составляет 0,050,1 мм, структура граничного слоя состоит из преимущественно крупных зерен, вытянутых по направлению отвода тепла (рисунок 4).

После наплавки TiNi-покрытие подвергали отжигу в инертной среде при Т=400-500С (1 час, охлаждение с печью). При частичном снятии внутренних напряжений отжиг приводит к стабилизации твердости и состава (проявляющейся в устранении вторичных фаз). При последующем цикле термомеханической тренировки (при ППД с охлаждением до криогенных температур) предварительная деформация по толщине слоя не превышала 10%, стальная основа деформировалась в упругой области. Целенаправленное ПДД в комбинации с температурой формирует эффект обратимой памяти формы. При сравнении локального обжатия слоя (=280ч600 МПа) и обкатки (Р=100500 Н) наилучшие характеристики стабильности структуры по глубине наблюдаются после трех возвратно-поступательных проходов тремя роликами при усилии 100 Н и деформацией на величину =8 и 10%. После ППД наблюдается равномерное измельчение структуры (не более 0,1-0,2 мкм с плотностью 0,7109 мм-2), ярко выражена анизотропия формы. Основной фазовый состав сплава Ti-51вес.%Ni составляет: фаза В2- 94,595%, В19ґ - 55,5%.

Размещено на http://www.allbest.ru/

[Введите текст]

Эволюция структуры материала прослеживалась на каждом этапе цикла обработок с помощью мультифрактального анализа (таблица 1). С учетом масштабных параметров при изменении битовых размеров разбиений микроструктуры с помощью программы MFRDrom (ИМЕТ им. А.А. Байкова РАН) определены меры устойчивости и порог адаптивности TiNi-покрытий (таблица 1). Фрактальные карты адаптации-деградации «сталь-TiNi» четко указывают на их сугубо различное поведение и позволили выявить наличие зоны (0,05-0,1 мм) структурной деградации стальной основы, характеризующейся инвертированным спектром обобщенных энтропий Реньи (псевдоспектром).

Таблица 1 - Эволюционное развитие структурных параметров слоя сплава TiNi (0,5 мм)

Материал

Мультифрактальные характеристики

Упорядо-ченность

Однород-ность

Фрактальная размерность

Информац. размерность

Корреляцион. размерность

Устойчи-вость

Разрежен-ность

Адаптив-ность

Д100

f100

D0

D1

D2

D100

Аш

сталь

0,205

0,66

1,701

1,65

1,635

1,776

0,301

0,568

ПН55Т45

-0,172

2,346

0,988

1,008

1,028

1,334

0,034

0,092

сплав ТН

0,170

0,213

1,332

1,39

1,449

1,484

0,184

0,497

Зона

Лазерная наплавка ПН55Т45

сталь

-0,454

6,125

1,344

1,433

1,465

1,407

-0,068

-0,128

слой TiNi

0,300

0,220

1,917

1,865

1,825

1,58

0,28

0,757

Зона

ТО (Т=500С, 1 час, аргон)

сталь

0,150

0,569

1,604

1,556

1,535

1,495

0,02

0,038

слой TiNi

0,322

0,679

1,690

1,602

1,467

1,609

0,309

0,835

Зона

ТО и ППД (Р=100Н)

сталь

-0,150

0,790

1,560

1,5

1,503

1,415

-0,088

-0,100

слой TiNi

0,314

0,601

1,670

1,712

1,670

1,590

0,290

0,800

Исследование структурных параметров, проведенное после отжига и ППД, показало, что наиболее чувствительной к наличию термообработки характеристикой является однородность f100 и адаптивность Аш, а к ППД - адаптивность Аш и устойчивость D100. Наличие связи между указанными мультифрактальными характеристиками и свойствами материала «сталь-TiNi», изменяющимися при обработках в различных комбинациях, установлено при их экстраполяции на показатели, отвечающие за поведение покрытия в условиях трения. Фрактальная размерность D0, как и традиционный размер зерна d, коррелирует с твердостью Hм.

, (6)

где , х1, х2 - масштабные коэффициенты, отвечающие распределению по глубине слоя TiNi (структурно-механическое состояние); , у1, у2 - коэффициенты фрактального параметра.

Размещено на http://www.allbest.ru/

[Введите текст]

Однако, как показал анализ, зависимость (6) не может однозначно выступать в качестве критерия интенсивности изнашивания I покрытия из сплава TiNi. Во многом обусловленная неупругими свойствами сплавов с памятью износостойкость слоев TiNi коррелирует с адаптивностью А (и может рассматриваться в связи с функциональными свойствами), установленная зависимость близка к линейной (рисунок 6).

В пятой главе представлены результаты испытаний на воздухе на малоцикловую (рисунок 7) и фрикционно-механическую усталость при симметричном изгибе в условиях сухого граничного трения (рисунок 9) (толщина TiNi-покрытия составляла 0,50,05 мм), а также коррозионной стойкости в различных средах (таблица 2).

Рисунок 7 - Результаты малоцикловых усталостных испытаний

Размещено на http://www.allbest.ru/

[Введите текст]

Для образцов, испытанных непосредственно после наплавки сплава TiNi, при амплитудах деформации а=0,4ч0,5% экспериментально установлено снижение циклической долговечности на ~8-30%. Полученный результат теоретически обоснован, исходя из структурно-энергетического критерия, предложенного ранее Ж.М. Бледновой:

,(7)

гдеW - необратимая работа упругопластического деформирования за один цикл, N - число циклов для разрушения локального объема металла, p - эмпирический коэффициент, - коэффициент термомеханической активности, Q - энергоемкость, определяемая на основании термодинамических характеристик и диаграммы состояния систем.

Проведенный анализ показал, что образующаяся при лазерной наплавке волнистая оболочка приводит к возникновению в поверхностном слое объемного напряженного состояния, которое можно свести к плоскому, пренебрегая давлением сформировавшихся слоев друг на друга. Неблагоприятное сочетание остаточных напряжений, напряжений от изгибающего момента и от поперечной деформации образца (рисунок 8) приводит к многоочаговой повреждаемости поверхностного слоя и аномальному развитию трещин в начальный период нагружения, что и объясняет некоторое снижение циклической долговечности на этапе наплавки TiNi. Циклическую долговечность стали с TiNi-слоем после лазерной наплавки согласно предложенному механизму (пренебрегая давлением слоев V) можно определить в соответствии с уравнением (7):

,(8)

где 1 и pa1- амплитуды главного напряжения и пластической деформации; м - коэффициент Пуассона; - отношение амплитуд главных напряжений.

Размещено на http://www.allbest.ru/

[Введите текст]

Повышение циклической долговечности обусловлено уменьшением работы упруго-пластического деформирования. Реальным методом воздействия на состояние структуры является комбинированная обработка, включающая в разных вариантах ТО и ППД. Экспериментальное подтверждение этому было получено уже на этапе термообработки: долговечность повышается до исходной, а после цикла обработки с ППД сталей с TiNi-покрытиями на одном и том же уровне амплитуды деформации a при малоцикловом нагружении и при совместном действии с реверсивным трением - возрастает соответственно в 2 и 1,5 раза. При испытании на фрикционно-механическую усталость (рисунок 9, материал контртела - Р6М5) излом образцов происходил вне зоны трения, а не у края площадки контакта, что более характерно.

Сравнение износостойкости стали 12Х18Н9Т с TiNi-слоем в цикле обработок проводили по величине интенсивности изнашивания (рисунок 10).

Рисунок 10 - Изолинии интенсивности изнашивания при весовом износе I (мг/м) стали 12Х18Н9Т - (а), после лазерной наплавки слоя TiNi и отжига - (б), после цикла обработки - (в) в зависимости от нормального усилия Р (Н) и амплитуды деформаций а (%) при ФМУ

На этапе лазерной наплавки высокая износостойкость TiNi-слоев связана, в основном, с высокой твердостью поверхности. При последующем стабилизирующем отжиге и в совокупности отжига с ППД стимулируется рост релаксационных способностей TiNi, обусловливающий своего рода адаптацию к условиям трения. В результате окончательного формирования комплекса функционально-механических свойств, интенсивность изнашивания покрытия в 4 раза меньше, чем стали.

Таблица 2 - Результаты коррозионных испытаний в среднеагрессивных средах

Материал

Показатель коррозии рm, г/(м2ч) Т=20±2?С, р=760±5 мм.рт.ст.

H2SO4

HCl

NaCl

Н2O

5%,1,5·103ч

Конц., 625ч

5%

Насыщ. р/р

2,7·103ч

10ч,100?С

40Х

-

-

0,055

0,305

0,1271

0,080

12Х18Н9Т

0,0165

0,0305

0,015

0,160

0

0,004

TiNi:0,45мм

0,040

0,2003

0,110

0

0

0

ТН: 1 мм

0,059

0,188

-

-

0

0

Размещено на http://www.allbest.ru/

[Введите текст]

Повышение сопротивления химической коррозии сталей с TiNi-покрытиями подтверждает их защитные свойства в воде (при Т=20?С и 100?С), природной атмосфере, средах кислот средней агрессивности (HNO3, HCl, Н2SO4), морской воде и имитирующих ее растворах NaCl, а также насыщенных растворах NaCl (таблица 2, рисунок 10). Для высокоагрессивных кислот концентрацией более 20% и их смесей (HF, HCl, Н2SO4) установлены ряд лимитирующих факторов и временных стадий, связанных с ограниченной устойчивостью к коррозии. Характер разрушения обусловлен селективным извлечением титана и последующим охрупчиванием.

Оценка функционально-механических свойств материалов, поверхностно-модифицированных сплавом с TiNi (ПМС-TiNi), проводилась с использованием подходов механики технологического наследования, определены параметры процесса передачи свойств при лазерной наплавке, термо- и термомеханической обработке, описываемые коэффициентами наследования, показывающим количественное значение свойства. Полученная общая экспериментально установленная связь имеет вид полиномиальной функции:

,(8)

где Sj - исследуемое свойство материала (j= RzA), характеристика которого изменяется от исходного значения Sj0 до окончательного SjР после ПМС TiNi; Sjn, Sjm - свойства слоя сплава TiNi, изменяющееся поэтапно в комбинированном цикле посредством технологических операций i= nm; kP, kP1, kP2 и c, c1, c2 - статистические коэффициенты процесса ПМС TiNi и сквозного описания комбинированного цикла обработки соответственно (таблица 3).

Таблица 3 - Коэффициенты экспериментальной модели технологического наследования

Свойство Sj

Поверхностное модифицирование (ПМ)

Комбинированный цикл ПМ

kР

kP1

kP2

c

c1

c2

Рельеф

j= Rz

-46,55

43,79

-8,65

3223,8

24,60

-8,20

Размер зерна

j= d

-27040,4

-76,69

12,35

-0,15

1,35

-0,35

Твердость

j= H

-0,20

4,11

-0,55

-52,9

-8,75

2,25

Циклическая

долговечность

j= N

14,75

-3,76

1,00

-81,9

-1,55

0,95

Интенсивность

изнашивания

j= I

1,96

-1,34

0,20

0,70

-0,50

-2,039610-16

Фрактальная

размерность

j= D0

1,405

0,288

-0,05

2,56

-0,715

0,165

Адаптивность

j= A

0,259

1,02

-0,15

0,676

0,30

-0,05

В шестой главе отражены: технологические принципы создания термомеханических разъемных соединений и конструктивно-технологические решения с использованием материалов, поверхностно-модифицированных сплавом с ЭПФ; расчет допусков и посадок, надежности; конечно-элементный расчет разъемных соединений с элементами сплава с ЭПФ.

Основная направленность применения разработанной технологии связана с обеспечением функциональных свойств разъемных соединений деталей. За счет одной из сопрягаемых деталей, поверхностно-модифицированной сплавом TiNi, в соединении осуществляется двунаправленный процесс - посадка с натягом и ее релаксация. Натяг базируется на принципе недовосстановления предварительной деформации, полученной при ППД (для исследуемых составов при температурах ниже 50єС) в результате термомеханического возврата, при охлаждении конструкцию можно разобрать без разрушения.

По этому принципу разработан способ фрикционного разъемного шпоночного соединения с поверхностным слоем TiNi (min=0,5 мм) шпонки (патент РФ №2253764), являющегося предохранительным - при превышении предельного крутящего момента начнется поворот ступицы относительно вала, что предотвращает конструкцию от разрушения. За счет отсутствия шпоночного паза (рисунок 12, а) существенно повышается долговечность вала. Способ внедрен на ЗАО «Новомет-Пермь» (г.Пермь) для крепления поршня на валу объемно-роторного погружного насоса для откачки нефти.

В крепежных изделиях, в частности, болтовых за счет формирования поверхностно-модифицированного слоя резьбы из TiNi-сплава с ЭПФ обычная посадка с зазором метрической резьбы после сборки переходит в посадку с натягом, что позволяет загерметизировать и фиксировать резьбу в условиях вибраций, появляется возможность использовать соединение без гайки, что существенно снижает вес конструкции. Использование TiNi-покрытия целесообразно для болтов с диаметром более 5 мм. На основе схем расположения допусков, предусмотренных стандартами ЕСДП (ГОСТ 16093-81), рассчитаны предельные значения толщин слоя TiNi (перед накаткой min=1мм), обеспечивающие необходимый минимальный и максимальный натяг.

С помощью прикладного пакета конечно-элементного моделирования MSC/NASTRAN V4,0 for Windows произведена оценка НДС резьбы (М101,25) рабочей части болта с ТiNi-покрытием (параметры модельного материала - характеристики Ti-50,8ат.%Ni). За расчетную модель (рисунок 12, б-I) принималась заготовка из стали 30ХГСА, на рабочую часть которого наплавлялся TiNi-слой толщиной 2,2 мм. Выбор необходимой толщины производился для посадки 7Н/6g согласно разработанной методике. Задача решалась в упругопластической постановке в 2 этапа - после накатки резьбы TiNi-слоя (при температуре жидкого аргона/азота), а также после сборки соединения и естественного нагрева (рисунок 12, б-II, III). Исследовался характер распределения эквивалентных напряжений и пластических деформаций в поверхностном слое. Смещение материала резьбы TiNi-покрытия исходной посадки с зазором 7Н/6g реализуется относительно среднего диаметра, при этом устраняется максимально возможный зазор в соединении по среднему диаметру болта при образовании напряженного фиксирующего соединения.

Размещено на http://www.allbest.ru/

[Введите текст]

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ

1. Получено численное решение тепловой задачи импульсной лазерной наплавки никелида титана на сталь, характеризующее температурные условия организации структуры TiNi-покрытия.

2. Разработаны статистические модели технологических параметров процесса лазерной наплавки никелида титана, позволяющие оптимизировать структурно-механические свойства и обеспечивающие формирование ультрамикрокристаллических слоев В2-сплавов TiNi. Для получаемого материала разработан технологический процесс поверхностного модифицирования с поэтапной термической обработкой и термомеханической тренировкой путем поверхностного пластического деформирования с обжатием либо обкаткой, позволяющий использовать эффекты памяти формы поверхностного слоя сплава TiNi для создания термомеханических разъемных соединений деталей (гладких цилиндрических, шпоночных, резьбовых) и повышающий их эксплуатационные свойства и долговечность.

3. Предложен альтернативный метод получения TiNi-покрытий на основе оригинального способа работы установки с помощью технологии термического переноса масс (Патент РФ № 2224048).

4. Установлены закономерности эволюции структурных параметров, мультифрактальных характеристик и технологического наследования свойств в процессе поверхностного модифицирования, позволяющие прогнозировать свойства материала «сталь-сплав TiNi».

5. Предложен механизм усталостного разрушения материала с TiNi-покрытием исходя из энергетических концепций; показано, что характер возникающего в поверхностном слое плоского напряженного состояния, вызванный импульсной лазерной обработкой, объясняет экспериментально установленное снижение циклической долговечности (~8-30% при а=0,3ч0,5%, стали 12Х18Н9Т и 38ХН3МФА).

6. Экспериментальное исследование эксплуатационных свойств показало, что после полного цикла обработки сталей с TiNi-покрытиями циклическая долговечность при малоцикловом нагружении возрастает в 1,92,2 раза (сталь 38ХН3МФА) и в 22,5 раза (сталь 12Х18Н9Т), а в условиях фрикционно-механической усталости - в 1,45ч1,6 раз (а=0,26ч0,5%, Р=175 Н), при этом износостойкость стали 12Х18Н9Т с TiNi-слоем повышается в 3,6ч4 раза. Экспериментально доказаны высокие коррозионные характеристики TiNi-слоев в воде, природной атмосфере, морской среде, насыщенных растворах NaCl, и средах кислот средней агрессивности. В высокоагрессивных кислотах (HF, HCl, Н2SO4) концентрацией более 20% установлен характер разрушения покрытия.

7. Разработан способ предохранительного разъемного соединения фрикционной шпонкой с поверхностным слоем из сплава TiNi с ЭПФ (патент РФ №22534764), внедренный на ЗАО «Новомет-Пермь» (г.Пермь).

8. Произведена конечно-элементная оценка метрического резьбового соединения с покрытием сплава ТiNi, характеризующая НДС последовательно на двух этапах - при накатке резьбы, а также при последующем формоизменении резьбового профиля в результате проявления ЭПФ.

ПУБЛИКАЦИИ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

1. Бледнова Ж.М., Степаненко М.А. Структура и свойства TiNi-покрытий с ЭПФ, полученных лазерной наплавкой // Известия вузов. Сев.- Кавказ. регион. Технические науки. - 2005. - №12. - с.21-27.

2. Бледнова Ж.М., Будревич Д.Г., Степаненко М.А. Фрикционно-механическая усталость сталей, поверхностно-модифицированных сплавом с эффектом памяти формы // Механика и трибология транспортных систем: Сб. докл. Международ. Конгресса. - Ростов-на-Дону: РГУПС, 2003. - с.103-107.

3. Бледнова Ж.М., Чаевский М.И, Будревич Д.Г., Степаненко М.А. Использование порошков никелида титана для получения поверхностных слоев, обеспечивающих функциональные свойства деталей // Новые перспективные материалы и технологии их получения: Сб. науч. тр. Международ. конф. - Волгоград: ВГТУ, 2004. - т.1.- с.170-171.

4. Бледнова Ж.М., Чаевский М.И, Будревич Д.Г., Степаненко М.А. Комбинированные детали машин с элементами из материала с памятью формы // Актуальные проблемы прочности: Матер. XLII Международ. конф. - Витебск, Беларусь: ГНУ «Институт технической акустики НАН Беларуси», 2004. - с.170-171.

5. Бледнова Ж.М., Степаненко М.А. Поверхностное модифицирование деталей материалами с эффектом памяти формы с целью обеспечения функционально-механических свойств как фактор ресурсосбережения // Производство и ремонт машин: Сб. науч. тр. Международ. науч.-технич. конф. - Ставрополь: «Агрус» СтГАУ, 2005. - с. 11-18.

6. Степаненко М.А. Структурно-механические особенности формирования функциональных покрытий из сплава с эффектом памяти формы при лазерном воздействии // Энерго- и ресурсосберегающие технологии и установки: Матер. 4-й южнороссийск. науч. конф. - Краснодар: КВВАУЛ, 2005. - с. 19-23.

7. Бледнова Ж.М., Степаненко М.А. Функционально-механическое поведение материалов, поверхностно-модифицированных сплавами с эффектом памяти формы, с позиции механики технологического наследования // Теория и практика технологии производства изделий из композиционных материалов и новых металлических сплавов: Сб. науч. тр. 4-й Московск. Международ. конф. - Москва: МГУ, 2005. - с. 258-263.

8. Бледнова Ж.М., Степаненко М.А. Напряженно-деформированное состояние резьбового соединения с поверхностно-модифицированным слоем сплава с ЭПФ с учетом технологического наследования // Актуальные проблемы физического металловедения сталей и сплавов: Матер. II-ой Межд. Школы и XVIII Уральской школы металловедов-термистов. - Тольятти: ТГУ, 2006. - с.158-159.

9. Степаненко М.А., Бледнова Ж.М. Формирование функциональных покрытий Ti-Ni лазерной наплавкой и их эксплуатационные свойства // Оборудование и технологии термической обработки металлов и сплавов в машиностроении: Сб. докл. 7-ой Международ. Конф. - Харьков, Украина: ННЦ ХФТИ, 2006. - Т.3. - с.144-147.

10. Бледнова Ж.М., Махутов Н.А., Степаненко М.А. Особенности структуры и свойств поверхностных слоев из сплава с эффектами памяти формы, используемых в термомеханических соединениях // Заводская лаборатория. Диагностика материалов. - 2006. - Т.72, №5. - с.42-49.

11. Бледнова Ж.М., Степаненко М.А. Влияние структурного состояния на прочностные и мультифрактальные характеристики стали с ТiNi-покрытием // Фазовые превращения и прочность кристаллов: Сб. тез. 4-ой Международ. конф. - Черноголовка: ИФТТ РАН, 2006. -с.99-100.

12. Пат. 2224048 Российская Федерация, МПК7 С 23 С 2/04, 10/18. Способ работы установки с тепломассообменным контуром для нанесения металлических покрытий / М.И. Чаевский, Ж.М. Бледнова, Д.Г. Будревич, М.А. Степаненко; заяв. и патентообл. КубГТУ- № 2002114390/02; заявл. 31.05.02; опубл. 20.02.04, Бюл. №5 (ч.III). - 5с.: ил.

13. Пат. 2253764 Российская Федерация, МПК7 F 16 B 3/00-3/06. Способ соединения вала со ступицей колеса и предохранительное шпоночное соединение для него / М.И. Чаевский, Ж.М. Бледнова, Д.Г. Будревич, М.А. Степаненко; заяв. и патентообл. КубГТУ. - № 2003106089/11; заявл. 03.03.03; опубл. 10.06.05, Бюл. №18 (ч.IV). - 6с.: ил.

Размещено на Allbest.ru


Подобные документы

  • Титан и его распространенность в земной коре. История происхождения титана и его нахождение в природе. Сплавы на основе титана. Влияние легирующих элементов на температуру полиморфного превращения титана. Классификация титана и его основных сплавов.

    реферат [46,4 K], добавлен 29.09.2011

  • Содержание титана в земной коре. Состав титановых концентратов, полученных из титановых руд, находящихся на территории Казахстана. Современная технология получения титанового шлака и металлического титана. Особенности очистки четырёххлористого титана.

    реферат [4,8 M], добавлен 11.03.2015

  • Анализ метода повышения радиационной стойкости порошка диоксида титана путем модифицирования его нанопорошком диоксида титана. Исследование спектров диффузного отражения, зависимость изменения интегральной чувствительности порошка от концентрации TiO2.

    дипломная работа [4,2 M], добавлен 21.08.2013

  • Процесс получения титана из руды. Свойства титана и область его применения. Несовершенства кристаллического строения реальных металлов, как это отражается на их свойствах. Термическая обработка металлов и сплавов - основной упрочняющий вид обработки.

    контрольная работа [2,3 M], добавлен 19.01.2011

  • Устройство работы доменной печи. Технология производства титана. Свойства титана и область его применения. Углеродистые конструкционные стали обыкновенного качества. Назначение и область применения станков строгальной группы. Лакокрасочные материалы.

    контрольная работа [202,6 K], добавлен 14.03.2014

  • Получение наноалмазов, элементный состав, примеси в них. Образование двойного электрического слоя на поверхности частиц. Факторы агрегативной устойчивости золей детонационных наноалмазов, модифицированных катионами хрома в процессе очистки от углерода.

    дипломная работа [839,4 K], добавлен 28.03.2016

  • Методы порошковой металлургии. Повышение износостойкости покрытий, полученных методом высокоскоростного воздушно-топливного напыления, из самофлюсующихся сплавов на никелевой основе путём введения в состав исходных порошков добавок диборида титана.

    статья [2,3 M], добавлен 18.10.2013

  • Сфера применения карбидов титана и хрома. Состав и технологические характеристики исходных продуктов и композиционных порошков на их основе. Скорость окисления образцов. Микроструктура плазменного покрытия после изотермической выдержки в течение 28 часов.

    статья [211,0 K], добавлен 05.08.2013

  • Исследование структуры, фазового состава и свойств покрытий системы Ti–Si–B, полученных электронно-лучевой наплавкой в вакууме и методом электронно-лучевого оплавления шликерной обмазки. Получение и перспективы применения МАХ-материалов на основе титана.

    дипломная работа [4,0 M], добавлен 14.06.2013

  • Закономерности формирования структуры поверхностных слоев сталей при высокоэнергетическом воздействии. Технологические варианты плазменного упрочнения деталей. Получение плазмы. Проведение электронно-лучевой и лазерной обработки металлических материалов.

    дипломная работа [1,4 M], добавлен 06.10.2014

Работы в архивах красиво оформлены согласно требованиям ВУЗов и содержат рисунки, диаграммы, формулы и т.д.
PPT, PPTX и PDF-файлы представлены только в архивах.
Рекомендуем скачать работу.