Підвищення корозійно-механічної тривкості конструкційних матеріалів з використанням високоенергетичних променевих технологій

Размещено на http://www.allbest.ru

Размещено на http://www.allbest.ru

Вступ

Актуальність теми. Актуальним завданням сучасного металознавства є розширення науково-практичної бази даних щодо маловивченої групи ванадієвих сплавів, корозійно-електрохімічні, активаційні та ядерно-фізичні властивості яких роблять їх безперечними лідерами, порівняно із корозійнотривкими сталями, для енергетики, космічної техніки, радіоелектроніки та прецизійного приладобудування. Використання цих сплавів на сучасному етапі гальмується не стільки економічними чинниками, скільки їх незадовільною зносотривкістю та низькими корозійно-механічними властивостями. Об'ємне легування ванадієвих сплавів титаном та хромом практично не впливає на їх функціональні властивості, що докладно відтворено у працях вчених провідних металознавчих шкіл Японії, Росії та США.

З огляду на це актуальність роботи полягає у подальшому розвитку сучасного підходу щодо керованої зміни структурного стану, фазового складу та експлуатаційних властивостей поверхні ванадієвих сплавів системи V - Cr - Ti, порівняно із корозійнотривкими сталями. Реалізація цього за допомогою сучасних, малоенерговитратних, екологічно безпечних та сертифікованих методів інженерії поверхні вказує на безперечну актуальність та своєчасність вирішуваних у роботі задач.

Відносна стабільність захисних властивостей сформованих у такий спосіб поверхневих шарів буде залежати від їх структурного стану, фазового складу та рівня густини дислокацій у результаті їх деформаційного пересичення. Це дозволяє на новій методологічній основі керувати функціональними властивостями сплавів. Наприклад, за умов експлуатації обладнання теплоенергетики у синтезованих поверхневих шарах слід збільшувати об'ємну долю карбідів та інтерметалідів (NbC, Nb2C, VC, TiC, Ni3Ti, Fe2Nb), що підвищуватиме корозійно-механічну тривкість. Натомість для деталей атомних енергетичних установок нового покоління та термоядерної енергетики, коли необхідно зменшувати їх змочуваність теплоносіями (розплави Pb та Li17Pb83) краще поводять себе захисні шари, до складу яких будуть входити переважно нітриди (TiN, VN, Fe4N).

Відмінність отриманих результатів від вже відомих полягає у тому, що залежно від структурного класу конструкційних матеріалів, форми, геометричних розмірів та параметрів експлуатації конкретних деталей чи елементів конструкцій рекомендовано найбільш доцільні методи інженерії поверхні. Зокрема, іонна імплантація азотом, оплавлення поверхні азотною плазмою або комплексне лазерне легування ніобієм та азотом.

Мета і завдання дослідження. Мета роботи - встановити закономірності та механізм оптимізації параметрів структури поверхневих шарів конструкційних матеріалів за допомогою високоенергетичних променевих технологій для підвищення їх корозійно-механічної тривкості.

Основні задачі досліджень:

1. Встановити оптимальний хімічний склад та структурний стан ванадієвих сплавів системи V - Cr - Ti, що сприятиме інтенсифікації процесів нітридоутворення, залежно від умов модифікації їх поверхні азотом.

2. Вивчити особливості основних механізмів структуроутворення у поверхневих шарах сплавів системи V - Cr - Ti та сталей 20Х13, ЭП 823, 12Х18Н10Т під час іонної імплантації азотом і оброблення азотною плазмою.

3. Дослідити еволюцію структури поверхні з утворенням спектра метастабільних структур у системі “конструкційний матеріал - робоче або насичуюче середовище”.

4. Для підвищення корозійно-механічної тривкості деталей машин тепло- та атомної енергетики адаптувати до умов їх роботи запропоновані методи високоенергетичних променевих технологій.

1. Засади використання сучасних високоенергетичних променевих методів інженерії поверхні для оптимізації структурного стану, фазового складу та функціональних властивостей конструкційних матеріалів

Проаналізовано фізико-хімічні явища, структурні та фазові перетворення, що проходять при модифікуванні поверхні легувальними елементами методами високоенергетичних променевих технологій та їх вплив на корозійно-механічну тривкість конструкційних матеріалів. Вказано на доцільність використання проаналізованих методів інженерії поверхні залежно від параметрів експлуатації та особливостей форми, геометричних розмірів деталей, що підлягатимуть обробці. Так, іонна імплантація азотом забезпечуватиме високі корозійно-механічні властивості поверхні конструкційних матеріалів без змін геометричних розмірів деталі та втрати властивостей, що були надані попередньою технологічною обробкою. Цей метод буде ефективним для елементів конструкцій із тонкометалевих напівфабрикатів значних розмірів. Коли ж аналогічні за структурним станом, фазовим складом та властивостями шари слід створити на деталях складної конфігурації порівняно невеликих розмірів, то транспортування атомів азоту у зону реакційної дифузії доцільніше здійснювати азотною плазмою. За відсутності умов використання цих високотехнологічних методів, аналогічні за морфологією, шорсткістю, структурним станом та фазовим складом поверхневі шари можна сформувати, втілюючи в поверхню атоми азоту високоенергетичним лазерним випромінюванням, бажано потужністю більше за 1 кВт (у нашому випадку 6,5 кВт).

Наведено огляд робіт, присвячених дослідженню ванадієвих сплавів системи V - Cr - Ti за умов експлуатації у середовищах термоядерної енергетики та, для порівняння, проаналізовані переваги та недоліки корозійнотривких сталей ферито-мартенситного і аустенітного класів. Окреслено основні методи високоенергетичних променевих технологій для нанесення захисних покриттів на ці матеріали. Основну увагу зосереджено на формуванні захисних покриттів методом іонної імплантації, як перспективної обробки, саме для реакторних матеріалів. Проаналізовано вплив режимів іонної імплантації на характер структуроутворення поверхневих шарів. Як конкурентні до іонної імплантації розглянуто методи модифікації атомів азоту плазмовим або лазерним оплавленням поверхні.

2. Критерії раціонального вибору матеріалів та основні аспекти методики досліджень

Описано об'єкти та методики досліджень, концептуально окреслено актуальність та нагальну потребу у дослідженні способів захисту ванадієвих сплавів систем V - Cr, V - Ti, V - Cr - Ti та корозійнотривких сталей (20Х13, ЭП 823, 12Х18Н10Т) від деградації їх структури та властивостей.

Іонну імплантацію азотом поверхні досліджуваних матеріалів здійснювали на іонному імплантаторі МРВ - 202 фірми `Balzers”, що розвиває максимальну потужність до 180 кеВ. З метою одержання на поверхні шарів заданої товщини проводили іонну імплантацію за двома режимами: 1 - енергія випромінювання Е = 40 кеВ, доза імплантованого у поверхню азоту D = 2 • 1016 iон/cм2; 2 - енергія випромінювання Е = 45 кеВ, доза імплантованого у поверхню азоту D = 1 • 1017 iон/cм2.

Плазмове оплавлення поверхні азотом здійснювали на плазмотроні НО - 01 (типу електромагнітної ударної труби) імпульсом, тривалістю 1 - 5 мкс при різному тиску плазми. Енергія імпульса плазмового випромінювання обернено пропорційна тиску плазми, тому прискорююча напруга 34 кВ дозволяла змінювати енергію імпульсу у межах 50 - 150 Дж/см2.

Комплексне легування поверхні азотом та ніобієм проводили на СО2-лазері безперервної дії фірми “TRUMF”, потужністю 6,5 кВт, довжиною хвилі випромінювання 10,6 мм з системою сегментних дзеркал, що перетворює сферичний пучок у плоский, розміром l x b (l = 20 мм, b = 2 мм) та швидкістю сканування променя за поверхнею V = 1997 мм/хв.

Металографічні дослідження проводили на оптичному світловому мікроскопі “Neophot - 21” з приставкою для вимірювання мікротвердості; растровому електронному мікроскопі JSM - 840, фірми «JEOL» із спектрометричною приставкою. Рентгеноструктурний фазовий аналіз проводили на рентгенівському дифрактометрі ДРОН-3 у CuK-б випромінюванні з розшифровкою отриманих результатів програмним забезпеченням DHN-PDS. Локальний мікрорентгеноспектральний аналіз за глибиною створених шарів та ідентифікацію вторинних фаз з поверхні здійснювали на растровому електронному мікроскопі ARL “SEMA” з приставкою для бездисперсійного рентгенівського аналізу фірми “Kevex” та мікроаналізаторі “Cameca”.

Корозійно-електрохімічні дослідження проводили на вольтамперо-метричній системі СВ-1БМ. Потенціодинамічні криві у 3%-му розчині NaCl з рН 2; рН 6,2; рН 11 знімали зі швидкістю розгортки потенціалу 2 мВ/с після встановлення стаціонарного потенціалу.

Зносотривкість захисних поверхневих шарів відповідно до стандартів ГОСТ 2789 - 73 та ISO 4287 вимірювали на установці для постійного спостереження та документального відеофільмування процесу тертя і зношування матеріалів на базі металографічного мікроскопа. Тривалі випробування проводили в умовах реверсивного сухого тертя. Для визначення шорсткості поверхні застосовували профілограф-профілометр “Калибр С-265”.

3. Вплив хімічного складу ванадієвих сплавів на стабільність структури та властивостей поверхневих шарів, створених методами інженерії поверхні

На основі попередніх досліджень впливу хімічного складу ванадієвих сплавів на стабільність структури та властивостей поверхні після ізотермічних випробувань у розплаві Li17Pb83 при температурах 350, 500, 700 С протягом 300...3000 годин було встановлено, що більшою стабільністю властивостей володіють сплави системи V - Cr - Ti, концентраційний діапазон яких лежить у межах V - (5 - 20) Cr - (5 - 20) Ti. У сплавах систем V - Ti, V - Cr - Ti виявлено перерозподіл легувальних елементів у поверхневих шарах при взаємодії із розплавом Li17Pb83: винос хрому у розплав та поверхнева сегрегація титану і ванадію, що володіють високою спорідненістю до азоту, який завжди присутній у розплаві як технологічна домішка. У результаті реакційної дифузії на поверхні сплаву утворюються нітридні та оксинітридні фази: TiN, VN, Тi(ON).

Показано, що підвищення вмісту титану до 20 % інтенсифікує процес нітридоутворення, у результаті чого зменшується глибина проникнення азоту у конструкційний матеріал та, одночасно, гальмується зустрічний потік перенесення хрому у евтектичний розплав. У такий спосіб підтверджена ідеологія керованої зміни структурного стану та фазового складу поверхні для оптимізації її функціональних властивостей шляхом створення структурних бар'єрів.

У нашому випадку для створення на поверхні досліджуваних матеріалів захисних бар'єрних шарів, що підвищуватимуть їх корозійно-механічні властивості, бажано, щоб до їх складу входили нітриди, карбонітриди, оксинітриди та інтерметаліди. На це вказує проведений нами термодинамічний прогноз ймовірності утворення відповідних вторинних фаз. Синтезування таких шарів можливе, коли поверхневі шари досліджуваних конструкційних матеріалів попередньо насичені атомами азоту. Для реалізації цього нами обрані наступні методи високоенергетичних променевих технологій: іонна імплантація азотом, плазмове оплавлення поверхні азотом, комплексне легування азотом та ніобієм, коли підведення необхідних компонентів у зону реакційної дифузії буде здійснюватись одночасно зустрічними потоками: титану або ванадію з об'єму твердого розчину конструкційних матеріалів та втіленого у поверхню азоту із насичуючого середовища.

Встановлено, що після іонної імплантації азотом на поверхні ванадієвих сплавів формується тонкий шар, що володіє підвищеними корозійно-механічними властивостями. Цей шар має дрібнозернисту структуру, модифіковану атомами азоту, що локалізуються по границях зерен, знаходяться у вузлах гратки або утворюють включення нових нітридних фаз. Глибина проникнення імплантованого азоту у приповерхневий шар залежить від кристалографічної орієнтації, стану поверхні, напрямку та кількості втілених іонів азоту.

Показано, що під час іонної імплантації азотом за обраним режимом (прискорююча напруга 45 кеВ, доза опромінення 1017 іон/см2) забезпечується утворення на поверхні ванадієвих сплавів стабільних захисних бар'єрних шарів. За результатами кількісного мікрорентгеноспектрального аналізу до складу поверхневих шарів входять вторинні фази VN, TiN, Cr2N, TiCr2, які забезпечують підвищення корозійно-механічних властивостей ванадієвих сплавів. Показано особливості механізму утворення таких фаз залежно від типу сплаву. Зокрема, у ванадієвих сплавах системи V - Cr вторинні фази утворюються переважно в результаті ефекту тунелювання, тоді як для сплавів системи V - Ti, V - Cr - Ti переважає механізм реакційної дифузії.

За аналогією до іонної імплантації, підвищення корозійно-механічної тривкості поверхні досліджуваних матеріалів досягається також при її обробці азотною плазмою. Завдяки процесам реакційної дифузії та фазовим перетворенням, на поверхні конструкційних матеріалів формується захисний шар, товщина якого набагато більша, ніж після іонної імплантації із відмінним щодо основи структурним станом та фазовим складом.

Великі швидкості нагріву та охолодження, суттєве фазове наклепування, викликане високоенергетичним ударом згустку плазми, призводять до фазових перетворень і фіксації у приповерхневих шарах дрібнокристалічної структури з особливою дислокаційною будовою коміркового типу, яка виконує роль своєрідного каркасу для розміщення вторинних фаз. Внаслідок поверхневої сегрегації та реакційної дифузії ванадію і титану з втіленими атомами азоту на поверхні формуються вторинні фази (нітриди, оксинітриди), що забезпечує підвищення корозійно-механічних властивостей. Після оплавлення поверхні азотною плазмою на поверхні ванадієвих сплавів формується поверхневий шар, товщиною 35 - 50 мкм, із зміненою структурою та властивостями. Цей шар складається з дрібнозернистого б - чи г - твердого розчину, армованого дисперсними включеннями вторинних фаз (VN, TiN, Cr7C3, Cr23C6, Ti(ON), ч - фаза). Сформований у такий спосіб поверхневий шар володіє підвищеною зносотривкістю та корозійно-електрохімічними властивостями. Зокрема, його мікротвердість після оплавлення азотною плазмою зростає до 9 - 10 ГПа. Рентгеноструктурним фазовим аналізом встановлено, що густина дислокацій при цьому збільшується до 2 • 1010 см-2. Це свідчить про виникнення суттєвого рівня внутрішніх мікронапружень другого роду. Отже, у результаті оплавлення поверхні імпульсною азотною плазмою, за рахунок сильного гідродинамічного впливу ударної хвилі підвищується ступінь диспергування структури. Це сприяє формуванню ущільненої дрібнозернистої структури поверхні, що додатково підсилює захисний бар'єрний ефект.

Проведені корозійно-електрохімічні дослідження ванадієвих сплавів підтвердили, що поверхнева обробка підвищує їх корозійну тривкість за умов експлуатації у лужних середовищах (рН 11). Найкращими захисними властивостями володіють поверхневі шари, створені іонною імплантацією азотом та обробкою азотною плазмою на ванадієвих сплавах складу V - 30 Cr, V - 22,5 Cr - 12,5 Ti, V - 15 Cr - 15 Ti.

4. Використання методів інженерії поверхні для підвищення корозійно-механічної тривкості корозійно-тривких сталей

За аналогією до ванадієвих сплавів досліджено дію розплаву Li17Pb83 при 350 - 700° С на базах до 3000 годин на сталі аустенітного (12Х18Н10Т) та ферито-мартенситного (20Х13, ЭП 823) класів. Встановлено, що за даних умов у корозійнотривких сталях, так як і у ванадієвих сплавах, проходить перерозподіл легувальних елементів: сегрегація титану до поверхні, перенесення у розплав нікелю та хрому. Внаслідок селективного розчинення одного з компонентів сплаву на поверхні сталі утворюється шар, збіднений цим елементом. За результатами мікрорентгеноспектрального аналізу встановлено, що на поверхні сталі 12Х18Н10Т, даний шар складається із збідненого нікелем та хромом г - твердого розчину, а у сталей 20Х13 та ЭП 823 - збідненого хромом і, у меншій степені, залізом, б - твердого розчину. Збільшення температури та часу витримки викликає появу глибоких, круглої форми, пітингів, ознак міжкристалітної корозії та виникнення інших поверхневих дефектів. Це пояснюється наступним: інтенсивним розчиненням атомів по границях зерен за рахунок високого рівня їх потенційної енергії; розчиненням домішок, сегрегованих по границях зерен; збідненням твердого розчину приграничних ділянок за рахунок взаємного масоперенесення; розчиненням вторинних фаз, що утворилися або сегрегували до границь зерен; хімічною взаємодією евтектичного розплаву із сполуками, що знаходяться по границях зерен або у приграничних ділянках.

На основі розрахунків температурних залежностей потенціалів Гіббса ймовірних хімічних реакцій та розчинності компонентів твердої фази у металевому розплаві встановлено, що у результаті іонної імплантації та плазмової обробки на поверхні корозійнотривких сталей слід очікувати утворення таких вторинних фаз: нітридів - Fe4N, NbN, Nb2N, Cr2N, TiN; карбідів - Cr23C6, Cr7C3, Nb2C, NbC, TiC.

Встановлено, що після іонної імплантації на поверхні досліджуваних корозійнотривких сталей утворюються захисні бар'єрні шари, до складу яких входять вторинні фази (TiN, Cr2N, Fe4N, TiCr2), які забезпечують підвищення корозійно-механічних властивостей (рис. 3). Показано, що формування таких фаз проходить за механізмом реакційної дифузії.

На сталях 20Х13 та ЭП 823 після опромінення азотною плазмою утворюється поверхневий шар, завтовшки 25 мкм з максимальними значеннями мікротвердості на поверхні 6 ГПa. Збільшення мікротвердості у поверхневому шарі зумовлене зміною її структурного стану, фазового складу та ймовірним виділенням вторинних фаз. Про це свідчить профіль розподілу хрому за глибиною зразка, який вказує на інтенсифікацію дифузійних процесів у приповерхневих шарах. При аналогічних режимах плазмової обробки на поверхні сталі 12Х18Н10Т спостерігається утворення поверхневого шару, товщиною 10 мкм з максимальним значенням мікротвердості 4 ГПa. Структура основного матеріалу лишається без суттєвих змін і складається із дисперсних зерен легованого -твердого розчину, армованих невеликою кількістю нітридних фаз. У приповерхневих ділянках зразків сталі 12Х18Н10Т, оброблених азотною плазмою, спостерігається утворення колоній включень. За результатами бездисперсійного рентгенівського та локального мікрорентгеноспектрального аналізів вони ідентифіковані, як нітриди титану TiN, що підтверджується визначенням розподілу енергетичної дисперсії на кубічному включенні.

За результатами корозійно-електрохімічних досліджень встановлено, що за умов експлуатації досліджуваних матеріалів у лужних середовищах (рН 11) найкращими захисними властивостями володіють поверхневі шари, створені іонною імплантацією азотом та обробкою азотною плазмою на сталі 12Х18Н10Т, що пов'язано із наявністю в ній таких легувальних елементів, як Cr, Ni, Ti. Незалежно від дози опромінення поверхневі шари аустенітної сталі 12Х18Н10Т після іонної імплантації азотом виявляють вищі корозійно-електрохімічні властивості у середовищі 3 % - го розчину NaCl з рН 11 та рН 6,2, ніж аналогічним чином сформовані поверхневі шари на сталях ферито-мартенситного класу (20Х13, ЭП 823).

Комплексне легування поверхні досліджуваних сталей атомами азоту та ніобію підвищує їх корозійно-електрохімічні властивості, особливо у середовищі 3 % - го розчину NaCl з рН 11 (наприклад, для сталі 20Х13 Екор = -383 мВ, ікор = 2,58 · 1010 А/см2) (рис. 5). За результатами вимірювання зносотривкості сталей 12Х18Н10Т та 20Х13 після комплексного модифікування їх поверхні азотом та ніобієм спостерігається підвищення зносотривкості порівняно з необробленим станом відповідно у 2 - 3 і 10 разів.

5. Використання методів високоенергетичних променевих технологій для підвищення корозійно-механічної тривкості деталей енергетичного обладнання

Обґрунтовано доцільність використання запропонованих методів поверхневої обробки, що підтверджується результатами дослідно-промислових випробувань. Реалізацію досліджених методів інженерії поверхні здійснено під патронатом Галременерго на Добротвірській ТЕС і ВАТ „ЛьвівОРГРЕС”, де пройшли перевірку запропоновані у роботі ідеї та технічні рішення, что відтворено у відповідній нормативній документації.

Встановлено, що при контакті із жорсткою парою, яка містить дисперсні часточки золи, за температур 400 - 560° С поверхня конструкційних матеріалів пошкоджується у результаті корозійного або абразивного зношування, внаслідок чого можливе утворення пітингів, виразок, МКК, корозійного розтріскування або водневого окрихчення при наявності у робочому середовищі іонів Н +, НS -. Тому запропоновані у даній роботі методи захисту поверхні конструкційних матеріалів забезпечуватимуть довготривалу та надійну роботу обладнання. Так, на Добротвірській ТЕС здійснено відновлення робочих кромок лопаток циліндра низького тиску турбіни № 5 К 90130 останньої ступені ротора, що виготовлені зі сталі 20Х13. Відновлення поверхні лопатки турбіни плазмовим наплавленням дрібнодисперсним порошком ніобію в атмосфері азоту виявилось ефективнішим, ніж традиційних захист за допомогою стелітових пластин. Така лопатка з нанесеним покриттям володіє рядом переваг: по-перше, суцільність та гарна адгезія створенного плазмового покриття буде практично повністю виключати можливість розбалансу ротора, по-друге, такі покриття, як показали наші дослідження, особливо надійні за умов дії агресивних середовищ з рН 11 (що чинне за реальних умов експлуатації ротора низького тиску). Оброблена за нашими рекомендаціями лопатка турбіни за п'ять років експлуатації при 500° С у середовищі перегрітої пари не виявила жодних пошкоджень, що підтверджується відповідним актом. Очікуваний економічний ефект від впровадження плазмового наплавлення вихідних лопаток ЦНТ турбіни К - 200 - 130 згідно акту про використання матеріалів наукових досліджень, складає 8908902 гривень (із розрахунку на одну турбіну).

Запропоновані методи інженерії поверхні здійснюються як фінішна технологічна операція перед монтажем обладнання. За умов, коли є необхідність відновити робочі поверхні демонтованих деталей під час планово-профілактичного ремонту обладнання, запропонована методика є ефективною, оскільки не потребує спеціального обладнання, екологічно чиста та може бути легко автоматизована. Тому, на основі наших технологічних рекомендацій, виробничо-технічний відділ Галременерго вніс доповнення у діючі технологічні інструкції по ремонту лопаток турбін, зокрема у інструкцію ТІ 510 - 136 “По огляду, контролю і ремонту робочих лопаток турбін останніх ступеней”.

На основі одержаних результатів дістала подальший розвиток схема еволюції структури у системі “конструкційний матеріал - робоче або насичуюче середовище”.

Запропонована схема гнучкої регулятивної системи захисту, у якій враховується структурний клас матеріалу, параметри експлуатації, тип обладнання, що потребує захисту дозволяє раціонально вибрати необхідний вид технології інженерії поверхні, що найбільш адекватно співпадає з наявністю потрібного технологічного обладнання. Встановлено, що модифікація поверхні різноманітних деталей енергетичного обладнання атомами або іонами азоту дозволяє створити на поверхні конструктивних елементів своєрідні “структурні бар'єри” - бар'єрні шари, структурний стан та фазовий склад яких суттєво гальмує або невілює деструктивні процеси у поверхневих шарах.

Висновки

метастабільний іонний структуроутворення

На основі теоретичних узагальнень у дисертації вирішена наукова проблема оптимізації структурного стану та фазового складу захисних бар'єрних шарів на поверхні ванадієвих сплавів та корозійнотривких сталей. Інструментом для втілення даної ідеології обрані сертифіковані високоенергетичні методи поверхневої обробки, за допомогою яких вдається керовано змінювати параметри структури створених бар'єрних шарів залежно від складу конструкційного матеріалу та умов експлуатації.

1. Встановлено оптимальний хімічний склад ванадієвих сплавів з максимальною корозійно-механічною тривкістю у розплаві Li17Pb83 залежно від температури агресивного середовища. Оптимальний склад забезпечується комплексним легуванням хромом у кількості (5 - 12) % та титаном у кількості (5 - 20) %.

2. Показано, що процеси нітридоутворення, які забезпечують необхідні функціональні властивості поверхневих шарів ванадієвих сплавів забезпечується хімічним складом V - 30 Cr, V - 10 Cr - 20 Ti (за умов іонної імплантації азотом); V - (5 - 12) Ti, V - 22,5 Cr - 12,5 Ti (за умов оплавлення поверхні азотною плазмою). Підсиленню захисного ефекту сприяє утворення в структурі поверхневих шарів досліджуваних матеріалів вторинних фаз (VN, TiN, Cr2N, Fe4N, TiCr2).

3. Показано відмінності у механізмі утворення вторинних фаз. Зокрема: для ванадієвих сплавів системи V - Cr утворення відбувається у результаті ефекту тунелювання атомів азоту по границях зерен основного твердого розчину; у ванадієвих сплавах системи V - Ti, V - Cr - Ti та у сталі 12Х18Н10Т утворення проходить за механізмом радіаційно-стимульованої дифузії.

4. Експериментально доведено, що поверхневі шари сплавів системи V - Cr - Ti, зміцнені іонною імплантацією азотом, незалежно від рівня рН 3 % - го розчину NaCl, володіють вищими корозійно-електрохімічними властивостями, порівняно із сплавами системи V - Cr. Зокрема, показано, що оптимум цих властивостей спостерігається у сплаві складу V - 15 Cr - 15 Ti (наприклад, при рН 11 Екор = -263 мВ, ікор = 1,87 · 10-10 А/см2).

5. Встановлено, що поверхневі шари сталі 12Х18Н10Т після іонної імплантації азотом виявляють вищі корозійно-електрохімічні властивості у середовищі 3 % - го розчину NaCl з рН 11 та рН 6,2, ніж аналогічним чином сформовані поверхневі шари для сталей ферито-мартенситного класу (20Х13, ЭП 823).

6. Встановлено, що у лужних середовищах (рН 11), які імітують умови експлуатації обладнання теплоенергетики, найкращими захисними властивостями володіють поверхневі шари, створені іонною імплантацією азотом та обробкою азотною плазмою на ванадієвих сплавах системи V - Cr - Ti та сталі 12Х18Н10Т. Натомість у кислих середовищах (рН 2) найвищі корозійно-електрохімічні властивості показують сплави системи V - Cr - Ti після іонної імплантації азотом.

7. Показано, що обробка азотною плазмою забезпечує підвищення корозійно-механічної тривкості поверхні досліджуваних матеріалів в результаті армування твердого розчину дисперсними включеннями вторинних фаз (VN, TiN, Fe4N, Cr7C3, Cr23C6, Ti(ON), ч - фаза).

8. Показано, що обробка поверхні азотною плазмою за встановленим режимом (прискорююча напруга 34 кВ, енергія імпульсу 150 Дж/см2) забезпечує підвищення мікротвердості (до 9 - 10 ГПа) та густини дислокацій (до 2 • 1010 см-2). Зокрема, диспергування структури поверхні сплаву V - 22,5 Cr - 15 Ti забезпечує найвищу корозійну тривкість у 3 % - му розчині NaCl з рН 11 (Екор = -274 мВ, ікор = 5,758 · 10-10 А/см2).

9. Комплексне легування поверхні сталей ферито-мартенситного та аустенітного класів атомами азоту та ніобію підвищує їх корозійно-електрохімічні властивості, особливо у середовищі 3 % - го розчину NaCl з рН 11 (наприклад, для сталі 20Х13 Екор = -383 мВ, ікор = 2,58 · 1010 А/см2). При цьому зносотривкість поверхневих шарів збільшується у 2 - 4 рази порівняно із вихідним станом.

10. Дістала подальший розвиток схема еволюції структури поверхні у системі “конструкційний матеріал - робоче або насичуюче середовище”, що дозволяє залежно від робочих параметрів експлуатації обирати технології формування на їх поверхні метастабільних структур, морфологія будови яких забезпечує підвищення корозійно-механічної тривкості. На основі цього запропоновано гнучку регулятивну схему захисту поверхні конструкційних матеріалів методами високоенергетичних променевих технологій.

11. Запропоновані у роботі ідеї та технічні рішення адаптовані до умов експлуатації лопаток турбін низького тиску (турбіни К 100-90-6 із сталі 20Х13) Добротвірської ТЕС, робоча поверхня яких захищена плазмовим наплавленням порошком ніобію в атмосфері азоту, що вдвічі ефективніше, ніж традиційний захист лопаток за допомогою стелітових пластин. Для уніфікації та прискорення обрахунків корозійно-електрохімічних властивостей поверхневих шарів розроблено та адаптовано програму на мові С++.

Література

1. Дурягіна З.А., Ткаченко П.Р., Івашко Т.Л. Нейромережеве моделювання властивостей захисних поверхневих шарів, створених лазерним легуванням // Фізико-хімічна механіка матеріалів. - 2002. - № 3 (спец. випуск). - С. 585 - 588.

2. Дурягіна З.А., Івашко Т.Л. Вплив розплаву Li17Pb83 на стабільність структури та властивостей ванадієвих сплавів // Машинознавство. - 2003. - № 3. - С. 51 - 55.

3. Дурягіна З.А., Лазько Г.В., Івашко Т.Л. Поверхневі явища при формуванні градієнтних структур // Оптимізація виробничих процесів і технічний контроль в машинобудуванні і приладобудуванні: Вісник Національного університету “Львівська політехніка”. - Львів, 2003. - № 480. - С. 137 - 142.

4. Дурягіна З.А., Івашко Т.Л. Вплив високоенергетичної поверхневої обробки на корозійно-електрохімічну поведінку ванадієвих сплавів та нержавних сталей // Проблеми корозії та протикорозійного захисту матеріалів: В 2-х т. (спец. вип. журналу ФХММ). - Львів: ФМІ ім. Г. Карпенка, 2004. - Т. 2. - № 4. - С. 535 - 540.

5. Дурягіна З.А., Івашко Т.Л. Деградація структури та властивостей ванадієвих сплавів при взаємодії з розплавами Li17Pb83 // Надійність і довговічність машин і споруд: Міжнародний науково-технічний збірник (спец. випуск журналу “Проблеми міцності”). - Київ: Вид - во інституту проблем міцності, 2004. - № 2. -- С. 45 - 49.

6. Дурягіна З.А., Івашко Т.Л. Вплив режимів іонної імплантації азотом на корозійно-електрохімічні властивості ферито-мартенситних сталей // Проблеми корозії та протикорозійного захисту матеріалів: В 2 - х т. (спец. вип. журналу ФХММ). - Львів: ФМІ ім. Г. Карпенка, 2006. - Т. 2. - № 5. - С. 696 - 701.

Размещено на Allbest.ru