Формирование нанокомпозитных поверхностных структур при электровзрывном легировании

Размещено на http://www.allbest.ru/

Формирование нанокомпозитных поверхностных структур при электровзрывном легировании

В.Е. Громов,

Е.А. Будовских,

В.Д. Сарычев,

Е.С. Ващук,

С.В. Карпий

Новые технологии поверхностного упрочения металлических материалов, использующие концентрированные потоки энергии, находят все большее применение в промышленности. Возрастающие и все более разнообразные требования к материалам, испытывающим разрушение при различных условиях эксплуатации, заставляют разрабатывать новые подходы к обработке поверхности. Наиболее перспективными являются импульсные способы упрочнения. Их применение сдерживается недостаточной изученностью сопутствующих физических процессов. Электровзрывное легирование (ЭВЛ) - способ упрочнения металлов и сплавов с использованием концентрированных потоков энергии. Его суть состоит в формировании импульсной многофазной плазменной струи продуктов электрического взрыва проводников и воздействии ею на поверхность. При ЭВЛ такие струи служат как для нагрева поверхности выше температуры плавления, так и для насыщения их продуктами взрыва с последующей самозакалкой. За время обработки 100 мкс происходит оплавление поверхностных слоев глубиной до 20-30 мкм и насыщение их продуктами взрыва с последующей самозакалкой [1]. Комплексное исследование закономерностей поверхностного легирования с использованием импульсных плазменных струй продуктов электрического взрыва проводников, выполненное на современном уровне с привлечением новых представлений физики конденсированного состояния, представляет значительный интерес. Большое практическое значение имеет определение свойств модифицированных слоев. энергия концентрированный сплав

Электронно-микроскопические исследования показали, что после различных видов одно- и двухкомпонентного ЭВЛ формируется зона легирования с нанокомпозитной структурой, состоящая из четырех характерных слоев, закономерно связанных друг с другом (рис. 1). Тонкий (около 1 мкм) приповерхностный нанокомпозитный слой (рис. 2). Его фазовый состав образован частицами синтезируемых фаз с размерами кристаллитов порядка 1-10 нм. 2. Промежуточный слой с ячеистой кристаллизацией. Диаметр ячеек в нем с глубиной увеличивается, а разделяющих их прослоек уменьшается. Размер кристаллитов в прослойках составляет величину порядка 10 нм. 3. Приграничный слой с зеренной структурой, внутри зерен которого с размером порядка 10-100 нм наблюдаются частицы упрочняющих фаз с размером порядка 1 нм. 4. Тонкий (1-2 мкм) нанокристаллический слой с низкой степенью легирования на границе с основой. Размеры кристаллитов материала основы в нем составляют 30-40 нм, а частиц упрочняющих фаз - 3-5 нм.

Рис. 1. Схема строения зоны легирования по глубине: I - приповерхностный слой, II - промежуточный, III - приграничный, IV - нанокристаллический подслой

Рис. 2. Структура приповерхностного нанокристаллического слоя зоны электровзрывного меднения никеля

Формирование нанокомпозитных структур в зоне легирования может быть объяснено, исходя из особенностей взаимодействия плазмы с поверхностью расплава. При натекании струи на упрочняемую поверхность возникает область параллельного течения плазмы и расплава с различными скоростями. При возникновении возмущений поверхности раздела происходит их резкий рост, т.е. развивается гидродинамическая неустойчивость Кельвина-Гельмгольца. При ее эволюции в приповерхностном слое расплава образуются мелкоразмерные конвективные вихри (рис. 3), которые в последующем при резком охлаждении расплава определяют размер структурных составляющих зоны легирования. Возникновение конвективных ячеек в приповерхностном слое приводит к образованию конвективного течения в более глубоких слоях, что объясняет высокую скорость массопереноса от поверхности зоны легирования к ее границе с основой.

Математическая модель возникновения неустойчивости Кельвина-Гельмгольца основана на линейном анализе для случая параллельного течения двух полубесконечных потоков несжимаемой жидкости. Для простоты считается, что расплав является вязкой жидкостью с плотностью с1, кинематической вязкостью и скоростью скольжения U1. Натекающая плазма является идеальной жидкостью плотностью с2 и скоростью скольжения U2. На границе раздела полагается, что касательные составляющие напряжений для вязкой жидкости равны нулю. Разность нормальных напряжений между вязкой и идеальной жидкостями имеет скачок, связанный с поверхностным натяжением . При этом скорости и давления представляется в виде

f(y)=F(y)exp(щt-ikx),

а уравнение границы раздела в виде

з(x,t)=з0exp(щt-ikx).

Рис. 3. Схема развития неустойчивости Кельвина-Гельмгольца на поверхности зоны легирования для моментов времени t1 < t2 < t3 < t4

Получаемое в результате дисперсионное уравнение позволяет определить границы неустойчивости и построить зависимость инкремента от длины волны , определяемой относительной скоростью U0 (рис. 4 и 5).

Рис. 4. Зависимость инкремента неустойчивости Кельвина-Гельмгольца от длины волны: 1, 2, 3 соответствуют относительным скоростям, равным 759, 650 и 350 м/с

Рис. 5. Зависимость длины волны от относительных скоростей

Видно, что инкремент немонотонно зависит от длины волны. При этом максимальное значение лmax = 10 нм достигается при относительной скорости 650 м/с. Можно считать, что модель адекватно отражает экспериментальные данные, поскольку значение скорости соответствует наблюдаемой.

ЭВЛ приводит к одновременному многократному повышению различных функциональных свойств - микротвердости (рис. 6), жаро- и износостойкости в условиях абразивного изнашивания и сухого трения скольжения, устойчивости к фреттинг-коррозии. Упрочнение поверхностных слоев инструментальной стали Х 12 компонентами многофазной струи позволяет повысить микротвердость поверхности в 2,8 раза, а абразивную износостойкость - в 8 раз. Жаростойкость в атмосфере воздуха возрастает в 9, 3,5 и 2 раза при температуре испытаний 800, 850 и 900 °С соответственно. Электровзрывное алитирование титана уменьшает скорость окисления поверхности при температуре 800 оС пятикратно. Дополнительное армирование алитированных слоев порошковыми частицами оксида алюминия приводит к увеличению износостойкости в условиях сухого трения скольжения в 300 раз без понижения жаростойкости. Комплексное легирование титана совместным электровзрывом алюминиевых фольг и углеграфитовых волокон способствует повышению жаростойкости в 2 раза, а износостойкости в 6 раз.

Электровзрывная обработка может быть использована для упрочнения и защиты внутренних поверхностей деталей в режимах плазменного воздействия как с оплавлением и легированием, так и без них путем нанесения, покрытий, имеющих прочную металлургическую связь с основой детали (рис. 7).

Рис. 6. Распределение микротвердости по глубине зоны карбоборирования (1) и науглероживания (2) железа

Рис. 7. Внутренняя поверхность втулки из титанового сплава ВТ 6С после электровзрывного науглероживания

Таким образом, ЭВЛ является эффективным инструментом упрочнения и защиты поверхности металлов и сплавов различного назначения, позволяет сократить время обработки, давая возможность встраивать соответствующее оборудование в единую технологическую цепь изготовления деталей машин и механизмов. Оно характеризуется малой операционностью, совмещая локальное тепловое воздействие на поверхность и насыщение ее легирующими добавками, которые задаются выбором из широкого круга материалов взрываемых проводников. Способ позволяет осуществлять многокомпонентное легирование или наносить покрытия, имеющие металлургическую связь с основой детали. Внедрение ЭВЛ в производство возможно на предприятиях машиностроительной, металлургической, авиационной, химической промышленности.

Работа выполнена при финансовой поддержке грантами РФФИ №№ 07-08-92100-ГФЕН_а, 08-02-0002-а, 08-2-12012-офи.

Литература

1. Багаутдинов А.Я., Будовских Е.А., Иванов Ю.Ф., Громов В.Е. Физические основы электровзрывного легирования металлов и сплавов. - Новокузнецк: СибГИУ, 2007. - 301 с.

Размещено на Allbest.ru