Изучение структуры и свойств покрытий на основе переходных металлов и их карбидов, полученных с помощью концентрированных потоков энергии

Косинова, Светлана Николаевна

Изучение структуры и свойств покрытий на основе переходных металлов и их карбидов, полученных с помощью концентрированных потоков энергии тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.07 ВАК РФ

Косинова, Светлана Николаевна АВТОР

кандидата физико-математических наук УЧЕНАЯ СТЕПЕНЬ

Самара МЕСТО ЗАЩИТЫ

1998 ГОД ЗАЩИТЫ

01.04.07 КОД ВАК РФ

Диссертация по физике на тему «Изучение структуры и свойств покрытий на основе переходных металлов и их карбидов, полученных с помощью концентрированных потоков энергии»

Автореферат диссертации на тему "Изучение структуры и свойств покрытий на основе переходных металлов и их карбидов, полученных с помощью концентрированных потоков энергии"

1 РгН

£ 1 ¡.,1.14

На правах рукописи

Косинова Светлана Николаевна

ИЗУЧЕНИЕ СТРУКТУРЫ И СВОЙСТВ ПОКРЫТИЙ НА ОСНОВЕ ПЕРЕХОДНЫХ МЕТАЛЛОВ И ИХ КАРБИДОВ, ПОЛУЧЕННЫХ С ПОМОЩЬЮ КОНЦЕНТРИРОВАННЫХ ПОТОКОВ ЭНЕРГИИ

01.04.07,- Физика твёрдого тела

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание учёной степени кандидата физико- математических наук

Самара 1998

Работа выполнена на кафедре общей и лазерной физики Самарского государственного технического университета

Научные руководители: доктор физико-математических наук

профессор Митлина JI.A. кандидат технических наук доцент Паркин A.A.

Официальные оппоненты: доктор физико-математических наук

профессор Гуреев Д.М. кандидат технических наук Маёров Г.Р.

Ведущая организация: Самарский государственный

аэрокосмический университет им. С.П.Королёва

Защита состоится « 25 » декабря 1998 г. в 14-00 часов на заседани диссертационного совета Д.063.16.03. при Самарском государс венном техническом университете по адресу: 443100, г.Самара, у. Первомайская 18, ауд.319.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Самарского гс сударственного технического университета по адресу: г. Самара, у. Первомайская, 18.

Автореферат разослан «25» ноября 1998 г.

Учёный секретарь диссертационного совета кандидат технических наук

Жаткин С.С.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Одной из важнейших задач материаловедения и физики твёрдого тела является создание новых материалов и управление процессом формирования их структуры и свойств. Широкие возможности в этом направлении открываются в использовании современных методов модифицирования уже существующих материалов. Так методы модифицирования материалов с использованием концентрированных потоков энергии составляют одно из наиболее перспективных направлений современного материаловедения. Процесс взаимодействия концентрированных потоков энергии с металлами достаточно изучен. Но в современной теории не решены вопросы о влиянии структурной неоднородности материалов, особенно порошковых, на протекание механических, теплофизических и физико-химических процессов при взаимодействии с концентрированными потоками энергии. Научный и практический интерес представляет собой изучение влияния процессов растворения, перемешивания компонентов на формирование свойств материалов при воздействии на них лазерного или электронного пучков. Данные процессы в литературе описаны в основном на атомарном уровне, где основным механизмом перераспределения компонентов считается термокапиллярная конвекция и диффузия. Так как ванна расплава, образуемая при воздействии КПЭ на порошковые материалы, наряду с жидкой фазой содержит и нерасплавленные тугоплавкие частицы, то, возникает также вопрос о влиянии седиментации на процессы перераспределения, которые в большой степени определяют структуру и свойства формируемых покрытий. В этом направлении известно небольшое количество экспериментальных работ, поставленных в основном на модельных материалах.

Важным практическим интересом является замена дорогостоящих высококачественных материалов на более дешевые с

сохранением требуемых свойств. Проблема решается с помощью придания поверхностным слоям деталей из сталей различного целевого назначения необходимых свойств путем легирования соответствующими элементами или наплавки.

Существует несколько методов наплавки отличающихся по способам нагрева зоны обработки. При лазерной или электронно- лучевой обработки в результате «жесткого» термического цикла с большими скоростями нагрева и охлаждения характерным является образование перенасыщенных метастабиль-ных структур различной дисперсности, что недостижимо при обычной химико-термической обработке.

Использование в качестве основы порошковых материалов, в отличие от компактных, способствует расширению возможностей при формировании покрытий с необходимыми структурой, фазовым составом и свойствами. С другой стороны это вносит ряд особенностей в процесс формирования покрытий, знание которых необходимо для успешного выполнения поставленной задачи. Структура и свойства сформированных покрытий зависят от многих факторов, действие которых часто противоположно. Для прогнозирования получения необходимых структур и свойств формируемых покрытий необходимо знать и учитывать степень влияния каждого из них.

Использование -переходных металлов и их карбидов, обладающих комплексом свойств, позволяют формировать покрытия с повышенной износо и коррозионностойкостью. В литературе не систематизированы данные по структуре и свойствам покрытий, сформированных из переходных металлов под воздействием концентрированных потоков энергии, а также не рассмотрены особенности данного процесса, когда в качестве исходной системы служит прессованная порошковая смесь, а не компактный материал. Практически не изучены физические аспекты этой проблемы.

Цель работы. Целью настоящей работы является физическое моделирование процесса воздействия лазерного и элек-

тронного луча на структурно-неоднородные порошковые среды; исследование структуры, фазового состава, свойств сформированных покрытий на основе переходных металлов и их карбидов; разработка научно- обоснованных рекомендаций получения износо- и коррозионностойких покрытий с помощью концентрированных потоков энергии.

Для достижения указанной цели поставлены и решены следующие задачи исследования:

■1 физико- математическое моделирование процессов нагрева, плавления и кристаллизации покрытий на основе порошковых материалов при действии на них лазерного и электронного лучей;

■ физическое моделирование и экспериментальное исследование процессов растворения, перемешивания, кристаллизации, происходящие в ванне расплава при воздействии концентрированных потоков энергии (КПЭ) на структурно- неоднородные среды;

■ изучение влияния режимов обработки, состава исходной смеси, процентного содержания компонентов, размера частиц на процесс формирования покрытий на различных его стадиях;

■ разработка технологических режимов лазерного и электронно- лучевого воздействия для получения покрытий с заданными свойствами и структурами.

На защиту выносятся:

• физическая модель процессов растворения, перемешивания и перераспределения компонентов в ванне расплава при формировании покрытий на основе порошковых материалов (Ре, Т1, \У, Т1С, \¥С) с помощью лазерного излучения, построенная по результатам комплекса экспериментов;

• результаты экспериментальных данных по теплофи-зическим свойствам порошковых материалов, полученных по специально разработанной методике из-

мерения теплофизических постоянных прессованных порошковых тел с помощью импульсного лазера;

• результаты расчётов режимов обработки по лазерному и электронно-лучевому формированию покрытий на основе порошковых материалов;

• результаты изучения структуры, фазового состава, свойств покрытий на основе Бе- N1- Сг- СГ3С2 и Ре-

Ть ТЧС, сформированных с помощью электронного и лазерного лучей.

Научная новизна работы. Научная новизна работы состоит в том, что впервые на основе комплексных теоретических и экспериментальных исследований процесса формирования покрытий из прессованных порошковых материалов различного состава и концентрации компонентов смеси установлены зависимости их структуры и свойств от основных факторов и определены степени их влияния. Выявлена роль структурной неоднородности материала на распределение температурных полей при обработки концентрированными потоками энергии. Впервые разработана методика и поставлен эксперимент по изучению процессов перемешивания, растворения компонентов при действии лазерного луча на дисперсные системы из реальных (Ре, №, Т1, \¥, ТЮ, \УС), а не модельных материалов, по результатам которого сделан вывод о влиянии седиментации на процесс перераспределения компонентов в образуемой ванне расплава.

Определены теплофизические постоянные пористых систем при различных концентрациях компонентов, температурах и степени прессования. Разработана оригинальная методика и изготовлен стенд по определению температуропроводности и теплоёмкости прессованных порошковых тел при различных температурах с использованием лазерного излучения.

Практическая значимость работы. Практическая значимость работы состоит в разработке рекомендаций по получению износо- и коррозионностойких покрытий с помощью кон-

центрированных потоков энергии. Установлены оптимальные процентные соотношения компонентов по формированию покрытий на основе переходных металлов и их карбидов с заданными свойствами, составом и структурой. Полученные результаты исследования по изменению твёрдости и гомогенности структуры по глубине, а также результаты расчётов температурных полей позволяют установить необходимую толщину формируемого покрытия с необходимыми свойствами при соответствующих технологических режимах обработки. Результаты, полученные в работе могут быть использованы для прогнозирования процессов нагрева, плавления, перемешивания и кристаллизации ванны расплава при интенсивном тепловом воздействии на структурно-неоднородные среды. Разработан и изготовлен специальный измерительный комплекс для определения те-плофизических параметров прессованных порошковых материалов с использованием импульсного лазерного излучения, позволяющий определить теплофизические постоянные используемых прессованных порошковых материалов в зависимости от состава, дисперсности, процентного содержания компонентов смеси и температуры. Предложенный метод является легко воспроизводимым и не дорогостоящим.

При исследовании свойств, структуры и физико- механических характеристик покрытий использовались современные методы: рентгеновский фазовый анализ, микрорентгеноспек-тральный анализ, металлография, измерение микротвёрдости. Расчёты температурных полей при воздействии КПЭ были выполнены на персональном компьютере PC IBM.

Апробация работы. Материалы диссертации докладывались на научно-технической конференции «Новые материалы и технологии в машиностроении и приборостроении» (Пенза,

1996), научной конференции СГПУ (Самара, 1997); IV- Межгосударственном семинаре «Структурные основы модификации материалов методами нетрадиционных технологий» (Обнинск,

1997); VIII Молодёжной конференции ПС ТОХТ РАН

«Технологические процессы с твёрдой фазой» (Москва, 1997); VI Международной научно-практической конференции «Генная инженерия в сплавах» (Самара, 1998).

Публикации. По материалам диссертации опубликовано 9 работ.

Объём и структура работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, приложения и библиографического списка из 147 наименований. Она содержит 165 страниц машинописного текста, 60 рисунков, 19 таблиц.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

В главе 1 сделан критический анализ современного состояния проблемы формирование покрытий на основе переходных металлов и их карбидов при воздействии КПЭ. Основное внимание уделено вопросу взаимодействия концентрированных потоков энергии с структурно- неоднородными средами. Рассмотрены основные факторы, оказывающие влияние на процесс формирования покрытия на всех его стадиях: нагрев, плавление, кристаллизация. Отдельный параграф посвящен рассмотрению электронного строения переходных металлов и их карбидов с целью возможного прогнозирования на этой основе свойств получаемых покрытий. В заключении дан анализ литературы по свойствам покрытий, сформированных с помощью концентрированных потоков энергии различными методами.

В главе 2 «Методика эксперимента» описаны методики, использованные в работе. Подробно рассмотрен процесс получения покрытий: описаны исходные материалы, подготовка смесей, их прессование, эксперимент по определению оптимального времени прессования, методика обработки лазерным и электронным лучом. Дан расчёт технологических режимов обработки. В главе 2 также изложены основные методы исследования сформированных покрытий: измерение микротвёрдости,

металлографический, рентгено- фазовый и микрорентгеноспек-тральный анализы. Использование данных методов позволили решить поставленную задачу.

Глава 3 - «Определение теплофизических постоянных прессованных порошковых тел».

При расчёте технологических режимов обработки возникла проблема в определении теплофизических постоянных исходной прессованной порошковой системы. Известные формулы, с помощью которых можно рассчитать данные коэффициенты с учётом многокомпонентности и неоднородности системы, не учитывают ряд факторов, существенным образом влияющих на теплопроводность таких тел. Для экспериментального определении теплофизических параметров реальных порошковых тел был спроектирован и изготовлен специальный стенд для экспериментального определения значений температуропроводности и теплоёмкости прессованных порошковых смесей различного состава. В качестве источника нагрева образцов использовалось лазерное излучение импульсного лазера ГОС-1001 с длительностью импульса 1 мс.

Образец, представляющий собой спрессованную таблетку диаметром 5 мм и толщиной 2- 5 мм, крепился к дну цилиндра из кварцевого стекла. К центру тыльной стороны образца монтировалась измерительная термопара, соединенная по компен-■ сационной схеме с другой термопарой, находящейся внутри цилиндра. Для измерения теплофизических величин при различных температурах на кварцевый цилиндр одевался нагреватель, позволяющий нагревать образец до температуры 800°С. В целях предотвращения процессов окисления образца при высоких -температурах в установке предусмотрена подача нейтрального газа в оправку, в которую закреплён цилиндр. Для обеспечения высокой чувствительности измерения времени начала появления термоЭДС при высоких температурах образца использовалась компенсационная термопара, которая компенсировала тер-

моЭДС измерительной термопары, возникающей не при лазерном воздействии, а в результате действия нагревателя.

При определении теплоёмкости исследуемых систем измерялась усреднённая по всему образцу максимальная температура, значение которой определялась по изменению термо-ЭДС во времени.

Для определения теплофизических параметров исследуемых образцов используется метод их сравнения с аналогичными параметрами эталонного образца, являющегося чистым металлом или сплавом с известными теплофизическими величинами.

Теплоёмкость определялась из следующих условий, что количество поглощенной энергии эталоном и образцом было одинаковым , так как в эксперименте обеспечивались равные коэффициенты поглощения энергии лазерного излучения. Это достигалось тем, что на подвергаемый лазерному воздействию торец эталона наносился тонкий слой порошковой смеси того же состава, что и исследуемый образец и лазерное воздействие проводилось при одинаковой энергии. При этом вносимая погрешность за счёт увеличения массы эталона не превышала 2%, так как толщина наносимого слоя составляла 1/50 длины эталона.

На основание того, что С)п= можем записать: сп/сэ=тп ДТП/шэАТэ где сп, сэ- теплоёмкость, шп, шэ - масса исследуемого и эталонного образцов.

Для определения температуропроводности с помощью осциллографа фиксируется время появления термо-ЭДС, а следовательно, и начало возрастания температуры на тыльной стороне образца. Данное время и есть время распространения теплового фронта т, толщина таблетки \~-Jar - расстояние на которое этот тепловой фронт распространяется за это время. Подобным образом, определялось время т для эталона. Значение температуропроводности рассчитывалось из соотношения: Зп=1п тэаэ /1э Тп ,

где ап, 1п, тп, ап, 1п, х„ - температуропроводность, толщина, время распространения теплового фронта в образце из порошкового и эталонного материала соответственно.

Измерения теплофизических постоянных были проведены как для однокомпонентных, так и для многокомпонентных систем. Построены зависимости теплопроводности, электропроводности и температуропроводности от пористости системы, размера частиц, температуры. Полученные значения теплопроводности порошковых смесей меньше данных других авторов, что указывает на наличие слоя на частицах, увеличивающего тепловое сопротивление между отдельными частицами.

Предложенный в данной работе метод является простым, быстрым и даёт результаты значений теплофизических величин с достаточной для расчёта технологических режимов точностью.

Глава 4- «Физическое моделирование процессов формирования покрытий под воздействием КПЭ».

Процесс формирования покрытий условно можно поделить на несколько стадий: нагрев, плавление, растворение, перемешивания и кристаллизация. Способ обработки- использования концентрированных потоков энергии - и неоднородность исходной системы накладывают свои особенности на протекание данных процессов, которые и определяют в большей степени структуру и свойства формируемых при этом покрытий.

В главе 4 изложены физические модели данных процессов. Рассмотрены процессы нагрева и охлаждения таких систем при воздействии движущегося сканирующего источника энергии. В работе выполнен компьютерный расчет температурных полей по формулам с учетом сканирования источника излучения и с учётом зависимости теплофизических постоянных от неоднородности системы:

Тп=Т0+£ [Т(г,пт+(п-1 )т'-Т(г,(п-1 )(т+т')]

2 Ад0Ла(

'ЧтЫ

Моделирование показало, что при обработки пористого материала КПЭ поверхность нагревается до более высокой температуры, а по глубине образуется больший градиент температур, чем при обработки компактного материала при одинаковых условиях. Время нахождения системы при температурах выше температуры плавления составляет 0,5-1 с в зависимости от способов и режимов обработки. Так как скорость кристаллизации является высокой (>104К/с), то можно считать, что структура сформированного покрытия (рис.1) отражает строение ванны расплава, которую условно можно поделить на три зоны.

Рис. 1. Микроструктура поперечного шлифа покрытия на основе железа с добавлением титана и вольфрама, сформированного с помощью лазерного излучения. Увеличение хЮО.

1 зона

2 зона

3 зона

Рис.2. Характерные зоны ванны расплава при воздействии КПЭ на неоднородные материалы.

В приповерхностной зоне вследствие высоких температур нагрева (>2100°С) металл полностью расплавлен. Последующие зоны из-за меньшей температуры наряду с жидкой фазой содержат нерасплавленные и не полностью расворённые тугоплавкие частицы, число и размер которых с глубиной увеличивается.

Данное строение ванны расплава и определяет дальнейшие процессы растворения и перемешивания компонентов в ней. С целью изучения этих процессов был поставлен комплекс модельных экспериментов. В порошковую никелевую или железную матрицу по специально разработанной методике запрессовывался по центру дорожки порошок вольфрама и титана, так, что вольфрам находился сверху, а титан внизу ванны. Такие же образцы были изготовлены с карбидами вольфрама и титана.

4000 мкм

Ре 100 ч

V/ 1 к 350 г

Ре

Т1 4 * ь 350

Ре *- 1000 -► 100 к

Выбор компонентов и зоны их расположения при прессовании обусловлен их удельным весом и температурой плавления.

Образцы подверглись обработке лучом лазера со скоростью 1,5 мм/с, частотой сканирования 15 Гц, мощностью луча 400- 500 Вт. Данный режим обеспечивал проплавление покрытия на всю глубину.

Суть эксперимента заключалась в сравнении исходного распределения компонентов с их распределением после лазерной обработки. С целью исследования перераспределения компонентов в ванне расплава после её кристаллизации и рассмотрения возможных причин, вызывающих это распределение проводились исследование полученных покрытий по нескольким методикам: измерение микротвёрдости, металлографические исследование, микроанализ поперечного шлифа и рентгено- фазовый анализ поверхности. На основании данных исследований были установлены следующие закономерности:

- формирование более однородной структуры с меньшим разбросом значений микротвердости происходило в покрытиях с никелевой матрицей, обусловленое меньшими вязкостью ни-

келя в жидком состоянии по сравнению с железом, температурой плавления и размерами частиц никеля в исходной порошковой смеси, что в целом увеличивало время нахождения зоны обработки в расплавленном состоянии, интенсифицировало процессы перемешивания.

- седиментация вольфрама и его карбида к дну ванны расплава с их распределением по её ширине, указывающим на существование гидродинамических потоков, влияющих на перераспределение данных компонентов и на формирование структуры и свойств покрытий при последующей кристаллизации, (рис. 3,4)

- более интенсивное перераспределение титана по сравнению с вольфрамом, подтверждающее наличие гидродинамических потоков в ванне расплава и их более сильное влияние на титан из-за меньшей плотности последнего, причем интенсивность перемешивания титана в никелевой матрице выше по сравнению с железной;

- на процесс распределения компонентов в никеле и железе оказывает сильное влияние присутствие углерода, входящим в карбиды, на это указывает более интенсивное перераспределение и перемешивание карбидов вольфрама и титана по сравнению с вольфрамом и титаном;

-не полная корреляция между пиками интенсивности углерода с вольфрамом й титаном в различных частях ванны расплава указывает на возможность частичного распада карбидов;

- растворение частиц железа с 100 мкм до размеров меньше 50 мкм по всему образцу.

По фотографии (рис.5) титановой частицы в железной матрице, сделанной на электронном микроскопе в характеристическом излучении можно говорить и о растворении вольфрама до размеров частиц до 0,1 мкм.

Рис. 3. Распределение вольфрама в модельном образце \Л/, Ре, "П

Рис. 4. Распределение титана в модельном образце \Л/, Ре, Т\

Ее И \У

Рис.5 Фотография титановой частицы в железной матрице, сделанной на электронном микроскопе в характеристическом излучении. Увеличение хЮОО.

На основании полученных результатов делается вывод о механизмах перераспределения компонентов в данных системах: термокапиллярная конвекция, седиментация и диффузия.

Глава 5 - «Структура и свойства покрытий, сформированных с помощью лазерного и электронного луча».

На основе физического моделирования процессов, рассмотренных в главе 4, разработаны и получены покрытия различного состава, близких к реально используемым в производстве. В главе 5 представлены результаты исследований покрытий на основе железо- никель -хром- карбид хрома и железо-никель - титан - карбид титана, сформированных электронным и лазерным лучом. Структура и свойства, полученных покрытий, как и ожидалось, с глубиной изменяются (рис. 6). Установлено влияние состава исходной смеси, процентного содержания компонентов, размера частиц в исходной смеси, режимов обработки на структуру, свойства и фазовый состав покрытий. Так увеличение процентного содержания никеля и уменьшения размера

частиц в исходной смеси приводит к формированию более однородной структуры. В углерородосодержащих покрытиях процессы растворения и перемешивания компонентов протекают более интенсивно. Уменьшение скорости обработки приводит к формированию покрытий с более однородными структурой и свойствами, а также к улучшению сцепления покрытия с подложкой.

Рис 6 •. Распределение микротвёрдости материала по глубине покрытия, сформированного под воздействием электронного луча: 1- образец № 5 ( М- 25.8 %; Ре- 54 %; Сг3С2 -20 %; С -0.2%), У=1.5 мм/с; 2- образец № 5, У=2 мм/с; 3- образец № 1 ( №- 25.8 %; Бе- 54 %; Сг- 20%; С- 0.2%), У= 1,5 мм/с; 4- образец № 1, У=2 мм/с; 5- образец № 6 (N1- 25.8 %; Бе- 37 %; Сг3С2 - 20 %; С- 0.2 %), У= 1.5 мм/с.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ ПО РЕЗУЛЬТАТАМ ДИССЕРТАЦИОННОЙ РАБОТЫ

1. На основе полученных экспериментальных результатов комплексного исследования структуры, фазового состава и свойств покрытий, сформированных из широкого класса прессованных порошковых материалов под воздействием

лазерного и электронного лучей, предложена модель строения ванны расплава и процессов протекающих в ней, в соответствии с которой структура, фазовый состав и свойства покрытия вследствие высоких скоростей охлаждения (>104КУс) адекватно отражают фазовый состав и свойства ванны расплава. 2. Экспериментально установлено, что вследствие высоких градиентов температур по глубине ванны расплава её строение неоднородно и в ней условно при данной глубине можно выделить три зоны, в которых процессы плавления, растворения и перемешивания, определяющие структуру, фазовый состав, свойства покрытий, протекают с резко отличающейся интенсивностью.

Первая зона представляет собой перегретый жидкий металл, в которой интенсивно протекают плавление, растворение и термокапиллярного перемешивание даже тугоплавких частиц. При кристаллизации в данной зоне формируется однородная мелкодисперсная структура с малоизменяющейся по глубине твёрдостью.

Во второй, более глубокой зоне, из-за более низких температур, процессы растворения и особенно перемешивания протекают с меньшей интенсивностью, вследствие чего в данной зоне структура покрытий менее однородна, значительно возрастает разброс среднего значения микротвёрдости.

В третьей зоне ванны расплава, расположенной ближе к её дну протекают в основном процессы плавления и не полного растворения частиц, процессы перемешивания практически отсутствуют, что приближает данный процесс к процессу спекания.

Изменение размера и числа зон при прочих равных условиях зависит от толщины покрытия. С уменьшением толщины покрытия число зон уменьшается, увеличиваются размеры первой зоны, что приводит также и к уменьшению

размеров последующих зон вплоть до полного их исчезновения.

3. По результатам проведённых экспериментов на реальных материалах с помощью специально разработанной методике, впервые показано наличие седиментации нерастворён-ных тугоплавких частиц, влияющих на перераспределение компонентов смеси ванны расплава и соответственно на изменение фазового состава и свойств покрытий.

4. Разработан и изготовлен специальный измерительный комплекс для определения теплофизических параметров прессованных порошковых материалов с использованием импульсного лазерного излучения, позволивший определить теплофизические постоянные используемых прессованных порошковых материалов в зависимости от состава, дисперсности, процентного содержания компонентов смеси и температуры.

5. С помощью лазерного и электронно-лучевого воздействия на прессованные порошковые системы получены покрытия на основе железо- никель - хром - карбид хрома и железо- никель- титан- карбид титана с добавлением и без добавления углерода, являющиеся коррозионно- и износостойкими и которые могут использоваться в деталях специального назначения.

6. Полученные результаты исследования по изменению твёрдости и гомогенности структуры по глубине, а также результаты расчётов температурных полей позволяют установить необходимую толщину формируемого покрытия с заданными свойствами при различных технологических режимах обработки.

7. Изучено влияние различных факторов на структуру, фазовый состав и свойства формируемых покрытий. В результате установлено:

• влияние состава исходной смеси, процентного содержания компонентов и размера частиц на структуру и свойства

формируемых покрытий. Увеличение процентного содержания никеля и уменьшения размера частиц в исходной смеси приводит к формированию более однородной структуры;

• введение в исходную порошковую смесь углерода позволяет целенаправленно изменять фазовый состав, структуру формируемого покрытия и соответственно его свойства. В углерородосодержащих покрытиях процессы растворения и перемешивания компонентов протекают более интенсивно;

• влияние режимов обработки на структуру и свойства покрытий: уменьшение скорости обработки приводит к формированию покрытий с более однородными структурой и свойствами, а также к улучшению сцепления покрытия с подложкой;

• наиболее оптимальные режимы обработки: скорость формирования при ЭЛО 1,5 мм/с при толщине покрытия 0,70,8 мм.

Основной материал диссертации опубликован в следующих работах:

1.Паркин A.A., Жаткин С.С., Косинова С.Н. Исследование структуры и свойств системы Fe-Ni-Cr, полученной под воздействием электронного луча// В кн материалы н-т конференции "Новые материалы и технологии в машиностроении и приборостроении" -1996. -24-25 сентября г.Пенза, -с.22-24.

2. Жаткин С.С., Косинова С.Н., Паркин A.A. Электронно- -лучевое формирование структуры Ni-B// В кн. «Учёные Сызрани* науке и производству». Самара. -1996 . -с.229-233.

3. Жаткин С.С., Косинова С.Н. Исследование свойств и структуры твердотельной системы железо- никель- карбид хрома, сформированной под воздействием электронного луча// Те-

зисы доклада 23 Всероссийской молодежной конференции, г. Москва, 1997.-с. 245.

4. Паркин А.А., Жаткин С.С., Косинова С.Н. Особенности покрытий на основе Ре- Сг- С и Ре- №- СГ3С2, сформированных под воздействием электронного луча// Тезисы доклада 4 семинара "Структурные основы модификации материалов методами нетрадиционных технологий", г. Обнинск. 1997. -с.81-82.

5. Паркин А.А., Косинова С.Н., Жаткин С.С. Технология получения твердотельных покрытий на основе порошковой смеси Бе- М- СгзС2 с помощью электронного луча// Тезисы доклада 11 Международной конференции молодых ученых по химии и химической технологии «МКХТ-97». г. Москва, 1997. -ч.2. -с. 115-117.

6. Паркин А.А., Жаткин С.С., Косинова С.Н. Электронно- лучевое формирование покрытий на основе Бе- №-Сг3Сг и Бе-Сг-С// В кн. доклады 51-ой научной конференции СГПУ. г. Самара. 1997. -ч.П.-с. 28-34.

7. Паркин А.А., Жаткин С.С., Косинова С.Н. Свойства и структура системы никель-бор, полученной при электроннолучевом воздействии// Деп. в ВИНИТИ РАН, г. Самара. 1997. .№ 2921-В97.

8. Паркин А.А., Жаткин С.С., Косинова С.Н. Особенности электронно- лучевого формирования покрытия на основе Ре-Сг3Сг// Известия высших учебных заведений. Черная металлургия,- 1998. -№9. - С.46-48.

9. Паркин А.А., Косинова С.Н., Жаткин С.С. Влияние процессов растворения и перемешивания переходных металлов и их карбидов на формирование структуры и свойств покрытий, полученных с помощью КПЭ//Тезисы докладов VI Международной научно-практической конференции, «Генная инженерия в сплавах» - г. Самара, 1998. -с. 141-142.

Текст научной работы диссертации и автореферата по физике, кандидата физико-математических наук, Косинова, Светлана Николаевна, Самара

САМАРСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ

УНИВЕРСИТЕТ

На правах рукописи

Косинова Светлана Николаевна

изучение Структуры и свойств покрытий

на основе переходных металлов и их карбидов, полученных с помощью концентрированных

потоков энергии

01.04.07,- Физика твёрдого тела

Диссертация на соискание учёной степени кандидата физико- математических наук

Научные руководители- доктор физико математических наук, профессор Митлина Л.А., к.т.н. доцент Паркин A.A.

самара 1998

Содержание

стр

Введение 4

1. Литературный обзор. Современное состояние проблемы формирование покрытий на основе переходных металлов и их карбидов при воздействии концентрированных потоков энергии (КПЭ) 10

1.1. Особенности формирование покрытий на основе переходных металлов и их карбидов с помощью концентрированных потоков энергии 10 1.1.1 .Нагрев и охлаждение материала покрытий при обработке КПЭ 11

1.1.2. Плавление и образование ванны расплава при действии элек тронного и лазерного луча на материалы 18

1.1.3. Кристаллизация ванны расплава 31

1.2. Свойства переходных металлов и их карбидов, их взаимное влияние при сплавообразовании 33

1.3. Электронное строение и свойства переходных металлов и их карбидов 38

1.4. Свойства покрытий, сформированных с помощью концентрированных потоков энергии 47

1.5. Постановка задачи исследования 49

2. Методики эксперимента 52

2.1. Исходные материалы 52

2.2. Методика формирования покрытия под воздействием КПЭ 55

2.3. Расчёт технологических режимов 5 7

2.4. Методика проведения микрорентгеноспектрального анализа 61

2.5. Методика проведения рентгено-фазового анализа 63

2.6. Методика проведения металлографического анализа и измерения микротвёрдости 65

3. Определение теплофизических постоянных прессованных порошковых тел 67

3.1. Методика расчёта теплофизических постоянных многокомпонентных неоднородных систем (обзор) 67

3.2. Методика измерения теплофизических постоянных с помощью импульсного лазерного излучения 69

3.3. Результаты измерения и расчёта теплофизических постоянных прессованных порошковых систем 73 Выводы 78

4. Физическое моделирование процессов формирования покрытий под воздействием КПЭ 79

4.1. Физическая модель процессов нагрева исходной порошковой смеси и охлаждения ванны расплава при формировании покрытий с помощью КПЭ 79

4.2. Моделирование процесса плавления и формирования ванны расплава 90

4.3. Физическое моделирование процессов растворения и перемешивания компонентов смеси в ванне расплава 101

5. Структура и свойства покрытий, сформированных с помощью лазерного и электронного луча 132

5.1. Свойства покрытий на основе двойных соединений

№-Сг, №-Т1, №-У, №-Сг-С, №-Тл-С, №-У-С и их зависимости от электронного строения компонентов 132

5.2. Структура и свойства покрытий на основе №-Ре-Сг-С,

№-Ре-Сг3С2 134

5.3. Особенности формирования покрытий на основе №-ТьРе, №-ТЮ-

Ре с добавлением углерода 142

Заключение 149

Список литературы 152

Приложение 165

Введение

Важным практическим интересом является замена дорогостоящих высококачественных материалов на более дешевые с сохранением требуемых свойств. Проблема решается с помощью придания поверхностным слоям де-

талей из сталей различного целевого назначения необходимых свойств путем легирования соответствующими элементами или наплавки.

Существует несколько методов наплавки отличающихся по способам нагрева зоны обработки. При лазерной или электронно- лучевой обработки в результате «жесткого» термического цикла с большими скоростями нагрева и охлаждения характерным является образование перенасыщенных метаста-бильных структур различной дисперсности, что недостижимо при обычной химико-термической обработке.

Использование переходных металлов и их карбидов, обладающих комплексом свойств, позволяют формировать покрытия с повышенной износо и коррозионностойкостью. В литературе не систематизированы данные по структуре и свойствам покрытий, сформированных из переходных металлов под воздействием концентрированных потоков энергии, а также не рассмотрены особенности данного процесса, когда в качестве исходной системы служит прессованная порошковая смесь, а не компактный материал. Практически не изучены физические аспекты этой проблемы.

Цель работы. Целью настоящей работы является физическое моделирование процесса воздействия лазерного и электронного луча на структурно-неоднородные порошковые среды; исследование структуры, фазового состава, свойств сформированных покрытий на основе переходных металлов и их

карбидов; разработка научно- обоснованных рекомендаций получения изно-со- и коррозионностойких покрытий с помощью концентрированных потоков энергии.

Для достижения указанной цели поставлены и решены следующие задачи исследования:

■ физико- математическое моделирование процессов нагрева, плавления и кристаллизации покрытий на основе порошковых материалов при действии на них лазерного и электронного лучей;

На защиту выносятся:

• физическая модель процессов растворения, перемешивания и перераспределения компонентов в ванне расплава при формировании покрытий на основе порошковых материалов (Бе, №, Тл, НС,

с помощью лазерного излучения, построенная по результатам комплекса экспериментов;

• результаты экспериментальных данных по теплофизическим свойствам порошковых материалов, полученных по специально разработанной методике измерения теплофизических постоянных прессованных порошковых тел с помощью импульсного лазера;

• результаты изучения структуры, фазового состава, свойств покрытий на основе Бе- №- Сг- СГ3С2 и Бе- Ть ТлС, сформированных с помощью электронного и лазерного лучей.

Научная новизна работы. Научная новизна работы состоит в том, что впервые на основе комплексных теоретических и экспериментальных исследований процесса формирования покрытий из прессованных порошковых материалов различного состава и концентрации компонентов смеси установлены зависимости их структуры и свойств от основных факторов и определены степени их влияния. Выявлена роль структурной неоднородности материала на распределение температурных полей при обработки концентрированными потоками энергии. Впервые разработана методика и поставлен эксперимент по изучению процессов перемешивания, растворения компонентов при действии лазерного луча на дисперсные системы из реальных (Бе, N1, Т1, \¥, ТЮ, \УС), а не модельных.материалов, по результатам которого сделан вывод о влиянии седиментации на процесс перераспределения компонентов в образуемой ванне расплава.

Практическая значимость работы. Практическая значимость работы состоит в разработке рекомендаций по получению износо- и коррозионно-стойких покрытий с помощью концентрированных потоков энергии. Установлены оптимальные процентные соотношения компонентов по формированию покрытий на основе переходных металлов и их карбидов с заданными

свойствами, составом и структурой. Полученные результаты исследования по изменению твёрдости и гомогенности структуры по глубине, а также результаты расчётов температурных полей позволяют установить необходимую толщину формируемого покрытия с необходимыми свойствами при соответствующих технологических режимах обработки. Результаты, полученные в работе могут быть использованы для прогнозирования процессов нагрева, плавления, перемешивания и кристаллизации ванны расплава при интенсивном тепловом воздействии на структурно-неоднородные среды. Разработан и изготовлен специальный измерительный комплекс для определения теплофи-зических параметров прессованных порошковых материалов с использованием импульсного лазерного излучения, позволяющий определить теплофи-зические постоянные используемых прессованных порошковых материалов в зависимости от состава, дисперсности, процентного содержания компонентов смеси и температуры. Предложенный метод является легко воспроизводимым и не дорогостоящим.

При исследовании свойств, структуры и физико- механических характеристик покрытий использовались современные методы: рентгеновский фазовый анализ, микрорентгеноспектральный анализ, металлография, измерение микротвёрдости. Расчёты температурных полей при воздействии КПЭ были выполнены на персональном компьютере PC IBM.

Апробация работы. Материалы диссертации докладывались на научно-технической конференции «Новые материалы и технологии в машиностроении и приборостроении» (Пенза, 1996), научной конференции СГПУ (Самара, 1997); IV- Межгосударственном семинаре «Структурные основы модификации материалов методами нетрадиционных технологий» (Обнинск, 1997); VIII Молодёжной конференции ПС ТОХТ РАН «Технологические процессы с твёрдой фазой» (Москва, 1997); VI Международной научно-практической конференции «Генная инженерия в сплавах» (Самара, 1998).

Публикации. По материалам диссертации опубликовано 9 работ.

Объём и структура работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, приложения и библиографического списка из 146 наименований. Она содержит 165 страниц машинописного текста, 65 рисунков, 19 таблиц.

I. Современное состояние проблемы формирования покрытий на основе переходных металлов и их карбидов при воздействии КПЭ.

Существуют различные способы поверхностной обработки, одним из которых является наплавка. Наплавка нашла широкое применение в производстве разнообразных изделий - от крупногабаритных, таких как сосуды высокого давления атомных реакторов, валки прокатных станов, до мелких деталей типа выхлопных гнёзд и клапанов двигателей внутреннего сгорания (с целью повышения жаропрочности и износостойкости). В работе [7] дан обзор основных закономерностей наплавки с помощью традиционных способов, в работе [8] рассмотрены вопросы плазменной наплавки металлов на стали различных структурных классов. Процесс формирования покрытий с помощью концентрированных потоков энергии имеет ряд особенностей в отличие от перечисленных выше методов. Поэтому возникает потребность в рассмотрении этих особенностей.

1.1. Особенности формирования покрытий на основе переходных металлов и их карбидов, сформированных под воздействием электронного и лазерного лучей.

Процесс формирования покрытий при воздействии концентрированных потоков энергии условно можно разделить на следующие стадии: нагрев, плавление, растворение и перемешивание, кристаллизация. Рассмотрим влияние различных факторов на структуру и свойства покрытий на каждом из этих этапов. Вначале необходимо изучить теплофизику данного явления, распределение температурных полей, гидродинамические течения и перераспределение легирующих добавок по сечению, формирование и кристаллизацию материала жидкой ванны. Затем, имея в виду данные об элементном составе,

концентрации, термических циклах и градиентов температур, на основе металловедческих представлений уже можно прогнозировать возможные структуры и свойства покрытий.

1.3.1. Нагрев и охлаждение материала покрытий, формируемых с помощью КПЭ

Тепловые процессы при лазерном или электронно-лучевом нагреве имеют ту же физическую природу, что и традиционные способы теплового воздействия на металлы. Это дает основание рассматривать распространение теплоты в металлах при лазерной обработке с классических позиций теории теплопроводности.

Воздействие КПЭ на металлические, диэлектрические и другие материалы является предметом большого числа исследований [1-5]. Существенно меньше работ [9] выполнено по воздействию лазерного и электронно- лучевого излучения на пористые материалы. При обработке КПЭ пористых материалов в зоне воздействия развиваются явления, несколько отличные от явлений, происходящих при обработке компактных материалов. Из числа работ по воздействию луча лазера на пористые материалы следует отметить статьи [10-11], в которых приведен ряд опытных данных по воздействию лазерного излучения на пористую медь [10], пористый вольфрам и молибден [11], в статье [12] выполнен анализ физических явлений, сопровождающихся увеличением глубины кратера при обработке этих материалов. Ряд статей [13-14] посвящен решению уравнения теплопроводности для дисперсных сред.

Точная формулировка задачи о температурном поле системы из компонентов со свойствами , ^ , ( ср); , где 1=1.....к имеет вид системы к - дифференциальных уравнений:

1 Л,

= V "т. а, ' 0 1)

с условиями на всех границах б; раздела компонентов

"к

дп

о I -г 1

= ~дп

si , ^ 131= 181 (1.2)

и соответствующими условиями на внешних границах системы и начальными условиями.

В работе [15] основным методом исследования выбрано сравнение точного и приближенного решения и формулировка на этой основе определения квазиоднородного тела.

Авторами работы [16] рассчитывается значение средней квадратичной погрешности и стц2 для моделей с нормальной и параллельной потоку системами слоев. Расчеты показали, что модель квазиоднородного тела справедлива лишь для системы слоев N > 4. Для более сложных систем ( например структура с взаимопроникающими компонентами ) авторы предлагают оценку:

а < тах {о_ь с||} (1-3).

В работе [13] предлагается система дифференциальных уравнений для описания нестационарной теплопроводности в дисперсных системах. При рассмотрении теплопроводности в слое взаимное влияние фаз проявляется в том, что среда с меньшей температуропроводностью тормозит развитие температурного поля сре�