Упрочнение поверхности титана при электровзрывном науглероживании и карбоборировании и последующей электронно-пучковой обработке

Бащенко, Людмила Петровна

Упрочнение поверхности титана при электровзрывном науглероживании и карбоборировании и последующей электронно-пучковой обработке тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.07 ВАК РФ

Бащенко, Людмила Петровна АВТОР

кандидата технических наук УЧЕНАЯ СТЕПЕНЬ

Новокузнецк МЕСТО ЗАЩИТЫ

2013 ГОД ЗАЩИТЫ

01.04.07 КОД ВАК РФ

Диссертация по физике на тему «Упрочнение поверхности титана при электровзрывном науглероживании и карбоборировании и последующей электронно-пучковой обработке»

Автореферат диссертации на тему "Упрочнение поверхности титана при электровзрывном науглероживании и карбоборировании и последующей электронно-пучковой обработке"

На правах рукописи

Бащенко Людмила Петровна

Упрочнение поверхности титана при электровзрывном науглероживании и карбоборировании и последующей электронно-пучковой обработке

Специальность 01.04.07 - физика конденсированного состояния

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

и ,;:;< т

Новокузнецк — 2013

005543980

Работа выполнена в федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Сибирский государственный индустриальный университет»

Научный руководитель доктор технических наук, доцент

Будовских Евгений Александрович

Официальные оппоненты: Данилов Владимир Иванович - доктор физико-

математических наук, профессор, ФГБУН «Институт физики прочности и материаловедения СО РАН», главный научный сотрудник лаборатории физики прочности;

Маркидонов Артем Владимирович - кандидат физико-математических наук, филиал ФГБОУ ВПО «Кузбасский государственный технический университет им. Т.Ф. Горбачева» в г. Новокузнецке, доцент кафедры автомобилей и автомобильных перевозок

Ведущая организация ФГБОУ ВПО «Новосибирский государственный

технический университет»

Защита состоится «25» декабря 2013 г. в 14С0 часов на заседании диссертационного совета Д 212.252.04 при Сибирском государственном индустриальном университете по адресу: 654007, г. Новокузнецк, Кемеровская обл., ул. Кирова, Д. 42.

Факс: (8-3843) 46-57-92, E-mail: d212 252 04@sibsiu.ru.

С диссертацией можно ознакомиться в научно-технической библиотеке ФГБОУ ВПО «Сибирский государственный индустриальный университет»

Автореферат разослан «22» ноября 2013 г.

Ученый секретарь диссертационного д.х.н. профессор

совета,

Горюшкин Владимир Федорович

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы исследования. Поверхностное легирование металлов и сплавов с использованием концентрированных потоков энергии (КПЭ) приводит к многократному повышению функциональных свойств, таких как твердость, износо-, жаростойкость и др. Это относится и к упрочнению титановых сплавов, которые обладают низкой износостойкостью, высокой склонностью к налипанию, большим коэффициентом трения в паре практически со всеми материалами.

Среди методов такой упрочняющей обработки - лазерное, электроннолучевое и плазменное легирование. К плазменным методам, в частности, относится электровзрывное легирование (ЭВЛ). Особенностью ЭВЛ является то, что в качестве взрываемого проводника может быть использован любой электропроводный материал - чистый металл или сплав, углеродные волокна и др. Кроме того, в качестве легирующих добавок при ЭВЛ могут использоваться порошки различных веществ. Они вносятся в импульсную многофазную плазменную струю, формируемую из продуктов взрыва и служащую инструментом воздействия на обрабатываемую поверхность. В связи с многообразием видов ЭВЛ и сложностью физических процессов, сопровождающих его осуществление, возможности метода в настоящее время еще далеко не изучены. Это обусловливает постановку вопроса о его практическом применении для повышения функциональных свойств в том или ином конкретном случае и актуальность проведения новых дополнительных исследований.

Тема диссертации соответствует направлению «Нанотехнологии и наноматериалы» Перечня критических технологий РФ и приоритетному направлению развития науки, технологий и техники в РФ «Индустрия наносистем». Исследования выполнялись по темплану НИР СибГИУ, проводимых по госзаданию Минобрнауки № 2.4807.2011, в соответствии с грантом РФФИ (проект № 11-02-91150-ГФЕН_а) и федеральной целевой программой «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» на 2009-2013 гг. (гос. контракт № 14.740.11.0813).

Степень разработанности темы исследования. Технологии упрочнения поверхности с использованием КПЭ находят все большее применение в промышленности. В последние годы получили развитие такие локальные методы упрочнения поверхности, как ЭВЛ и электронно-пучковая обработка (ЭПО), которые могут оказаться экономически эффективными и найти практическое применение.

эксплуатационных свойств. Исследования показывают, что упрочнение обусловливается, прежде всего, мелкодисперсными частицами вторых фаз (карбидных, боридных и других), распределенными в вязкой металлической матрице. Состояние исследований в этой области характеризуется изучением особенностей тех видов ЭВЛ (например, науглероживания и карбоборирова-ния, модельных металлов и сплавов), которые уже успешно апробированы в условиях производства при использовании других аналогичных или традиционных методов. Выявление закономерностей ЭВЛ вносит вклад в развитие общей теории поверхностного легирования с использованием КПЭ.

Особенностями ЭВЛ являются его импульсный характер и неоднородность строения и структуры используемых для обработки поверхности плазменных струй. Вследствие импульсного характера обработки в зоне легирования сохраняются области структурно-свободных легирующих элементов, например, углерода (в форме графита) или бора. В сформированной плазменной струе конденсированные частицы продуктов взрыва и порошковых навесок располагаются в тылу струи и поэтому достигают облучаемой поверхности, когда она уже оплавлена или после ее кристаллизации. Такие частицы формируют на облучаемой поверхности развитый рельеф, что может ограничивать область практического использования ЭВЛ. Это вызывает необходимость осуществления дальнейшей модификации зоны обработки.

В связи с этим одно из направлений развития исследований в области ЭВЛ, которое стало развиваться в последние годы, - это разработка комбинированных методов упрочнения поверхности, сочетающих ЭВЛ и последующую ЭПО зоны легирования. Электронно-пучковая обработка с использованием низкоэнергетических сильноточных электронных пучков осуществляется в импульсно-периодическом режиме, что позволяет, с одной стороны, увеличить время нахождения поверхностного слоя в расплавленном состоянии и гомогенизировать его элементный состав, а с другой, - сохранить закалочные эффекты, приводящие к формированию субмикро- и наноразмерной структуры. Особенности такой комбинированной обработки, которые не получили пока адекватного объяснения, по-видимому, связаны с интенсификацией диффузионных процессов.

Цель и задачи исследования. Целью настоящей работы является выявление особенностей формирования структурно-фазовых состояний при электровзрывном науглероживании и карбоборировании и последующей электронно-пучковой обработке поверхности легирования технически чистого титана марки ВТ1-0.

Для реализации цели работы решены следующие основные задачи:

1) разработаны способы комбинированного упрочнения поверхности, включающие электровзрывное науглероживание и карбоборирование и последующую ЭПО зоны легирования;

2) проведен анализ тепловых процессов при ЭВЛ и последующей ЭПО поверхности титана;

3) определено влияние параметров обработки на распределение микротвердости по глубине модифицированных слоев;

4) выявлены особенности структуры и фазового состава зоны упрочнения, обеспечивающие повышение микротвердости зоны обработки;

5) разработаны рекомендации по практическому использованию результатов исследований.

Научная новизна. Разработан способ упрочнения поверхности титана, включающий электровзрывное науглероживание и последующую ЭПО зоны легирования. Проведено моделирование тепловых процессов при ЭВЛ и последующей ЭПО, учитывающее особенности метода и позволяющее обоснованно выбирать режимы обработки. Установлено влияние режимов ЭПО на микротвердость поверхностных слоев, формирование максимумов в глубине зоны легирования и кратное повышение значений микротвердости поверхностных слоев. Выявлены особенности структурно-фазовых состояний и механизмы упрочнения поверхностных слоев технически чистого титана при электровзрывном науглероживании и карбоборировании и последующей ЭПО. Показано, что в зоне обработки формируется градиентная многофазная структура, толщина слоев которой коррелирует с распределением микротвердости по глубине.

Теоретическая и практическая значимость работы. Углублены знания о физических процессах формирования структуры и свойств поверхности металлов и сплавов при ЭВЛ и последующей ЭПО, в частности, о влиянии на результаты обработки добавления в область взрыва порошковой навески бора. Получены новые знания о строении, структуре и фазовом составе зоны комбинированной обработки. Определены режимы, при которых ЭПО уменьшает шероховатость поверхности зоны легирования, увеличивает глубину зоны упрочнения, стабилизирует ее структурно-фазовые состояния. Изучены распределения микротвердости по глубине модифицированных слоев технически чистого титана после комбинированной обработки.

Разработанный способ упрочнения поверхности титана ВТ1-0 был апробирован на предприятиях города для упрочнения ряда деталей, по условиям эксплуатации которых не требуется высокая механическая прочность, но к износостойкости поверхности которых предъявляются жесткие требования. Трение и изнашивание этих деталей осуществляется в агрессивных и абразивных средах. Испытания этих деталей в условиях эксплуатации на предприятиях ООО «Вест 2002», «Ремкомплект» и «Лазурит» показали, что их износостойкость увеличилась в 3—5 раз.

лазерного, электронно-пучкового и плазменного нагрева поверхности. При этом структура, фазовый состав и свойства модифицированных слоев зависят от технологических особенностей используемых методов обработки и параметров воздействия на упрочняемую поверхность. Совместное использование ЭВЛ и ЭПО обусловлено тем, что они имеют сопоставимые значения поглощаемой плотности мощности, глубины и диаметра зоны воздействия, позволяют формировать новые структурно-фазовые состояния поверхностных слоев металлов и сплавов и расширить возможную область их практического использования. Исследования проводили с использованием методов световой и электронной сканирующей микроскопии, рентгеноспектрального микроанализа, просвечивающей электронной микроскопии, рентгеноструктурного анализа.

Диссертационная работа по своим целям, задачам, содержанию, методам исследования и научной новизне соответствует п. 1 «Теоретическое и экспериментальное изучение физической природы свойств металлов и их сплавов, неорганических и органических соединений, диэлектриков и в том числе материалов световодов как в твердом, так и в аморфном состоянии в зависимости от их химического, изотопного состава, температуры и давления» паспорта специальности 01.04.07 - физика конденсированного состояния (технические науки).

Положения, выносимые на защиту:

1. Режимы обработки, приводящие к формированию мелкодисперсной структуры зоны упрочнения с высоким уровнем микротвердости.

2. Результаты моделирования тепловых процессов при ЭВЛ и ЭПО, позволяющие выявить особенности режимов обработки.

3. Влияние режимов ЭПО на распределение микротвердости по глубине науглероженных слоев.

4. Выявленные особенности структурно-фазовых состояний модифицированных поверхностных слоев, заключающиеся в том, что упрочнение достигается вследствие формирования субмикро- и наноразмерной структуры, содержащей карбиды и бориды титана.

Степень достоверности и апробация результатов. Достоверность полученных результатов обусловлена большим объемом экспериментальных данных, полученных с использованием световой, сканирующей и просвечивающей дифракционной электронной микроскопии, рентгеноструктурного анализа, определения микротвердости, непротиворечивостью полученных результатов результатам других авторов.

Результаты диссертации представлялись на следующих научных мероприятиях: International Conference «World Academy of Science, Engineering and Technology (WASET 2011)», Venice, Italy, 2011; XVII Международной научно-практической конференции студентов и молодых ученых «Современная техника и технология» (СТТ), Томск, 2011; XVIII республиканской научной конференции аспирантов, магистров и студентов «Физика конденсированного состояния», Гродно, 2011; 9-ой Международной конференции «Взаимодей-

ствие излучений с твердым телом» = Interaction of Radiation with Solids (ВИТТ-2011), Минск, 2011; V Международной школе «Физическое материаловедение» с элементами научной школы для молодежи, VI Всероссийской молодежной научной конференции «Микромеханизмы пластичности, разрушения и сопутствующих явлений», Тольятти, 2011; 51-й Международной конференции «Актуальные проблемы прочности», Харьков, 2011; конференции «Структурные основы модификации материалов (MHT-XI), Обнинск, 2011; вторых Московских чтениях по проблемам прочности материалов, посвященных 80-летию со дня рождения акад. РАН Ю. А. Осипьяна, Москва, Черноголовка, 2011; VI Всероссийской научно-технической конференции «Физические свойства металлов и сплавов», Екатеринбург, 2011; Бернштей-новских чтениях по термомеханической обработке металлических материалов, Москва, 2011; XXI Уральской школе металловедов-термистов «Актуальные проблемы физического металловедения сталей и сплавов», Магнитогорск, 2012; Научных чтениях им. чл.-корр. РАН И. А. Одинга «Механические свойства современных конструкционных материалов», Москва, 2012; Международной конференции, посвященной 110-летию со дня рождения акад. Г. В. Курдюмова «Фазовые превращения и прочность кристаллов» (ФППК-2012), Москва, Черноголовка, 2012; Всероссийской научно-практической конференции «Металлургия: технологии, управление, инновации, качество», Новокузнецк, 2012; II Международной конференции «Влияние высокоэнергетических воздействий на структуру и свойства конструкционных материалов», Ольгинка, 2013; первой Всероссийской научной конференции молодых ученых с международным участием «Перспективные материалы в технике и строительстве (ПМТС-2013), Томск, 2013; VII Международной конференции «Микромеханизмы пластичности, разрушения и сопутствующих явлений» (MPFP - 2013), Тамбов, 2013.

Публикации. Основное содержание диссертационной работы отражено в 1 коллективной монографии, 10-ти статьях в журналах из перечня ВАК и 16-ти тезисах и докладах на конференциях, семинарах, школах и чтениях. По результатам исследований получен патент РФ на изобретение.

Структура и объем работы. Диссертация включает в себя введение, 5 глав, заключение и приложение, изложена на 144 страницах машинописного текста, содержит 61 рисунок и 1 таблицу, список литературы состоит из 131 наименования.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы диссертации, степень ее разработанности, приведены цель и задачи исследования, научная новизна, теоретическая и практическая значимость работы, методология и методы исследования, положения, выносимые на защиту, степень достоверности и апробации результатов.

Первая глава посвящена анализу результатов в области упрочнения и защиты металлов с использованием КПЭ. Рассмотрены работы по импульс-

ным способам лазерного, электронно-пучкового, плазменного и других методов науглероживания поверхности титана и его сплавов. Показано, что в ряде случаев значительного повышения функциональных свойств поверхности удается достичь при использовании комбинированной обработки, включающей различные методы обработки поверхности КПЭ. Сформулированы цель и задача работы.

Во второй главе описаны лабораторная электровзрывная установка ЭВУ 60/10 для получения импульсных многофазных плазменных струй и вакуумная импульсная электронно-пучковая установка «СОЛО». Приведены режимы и параметры обработки поверхности с использованием этих установок. Обоснован выбор технически чистого титана ВТ1-0 для проведения упрочнения - науглероживания и карбоборирования как видов ЭВЛ. Рассмотрены методы исследования микроструктуры, фазового состава и микротвердости поверхностных слоев.

Выбор видов ЭВЛ был обусловлен возможностью при их использовании повысить микротвердость поверхности. В качестве взрываемого проводника использовали ленту углеродную марки ЛУ-П/0,1-50 массой 140 мг. При карбоборировании в область взрыва вводили порошковую навеску аморфного бора марки В массой 50, 100 и 150 мг.

Электровзрывную обработку проводили при поглощаемой плотности мощности qp = 5,5 ГВт/м2 при времени импульса хр= 100 мкс. Данный режим обработки позволяет провести оплавление и легирование поверхности без выплеска расплава, развивающегося вследствие неоднородного давления плазменной струи на облучаемую поверхность. Последующую ЭПО поверхности легирования осуществляли на установке «Соло» Института сильноточной электроники Сибирского отделения РАН при следующих основных параметрах: поглощаемая плотность мощности qe составляла 2,0, 2,25 и 3,0 ГВт/м2, длительность те импульсов 100 и 200 мкс; частота их следования/= 0,3 Гц; количество N импульсов 5 и 10 имп. Обработку осуществляли в среде аргона при давлении 0,02 Па. Для каждого режима науглероживания определяли распределение микротвердости по глубине модифицированных слоев. Оптимальным считали режим, который обеспечивал максимальные значения микротвердости и глубины зоны упрочнения.

Исследования структуры упрочненных слоев проводили с использованием методов световой (микроскоп Olympus GX 51) и электронной сканирующей микроскопии (СЭМ) (микроскоп Carl Zeiss EV050), рентгеноспектрального микроанализа, просвечивающей электронной микроскопии (ПЭМ) (микроскоп ЭМ-125), рентгеноструктурного анализа (дифрактометры ДРОН-2,0 и ARL X'TRA). Упрочнение поверхности оценивали, определяя микротвердость модифицированных слоев (прибор HVS-1000A).

В третьей главе представлены результаты анализа особенностей режимов обработки. Для этого было проведено моделирование тепловых процессов при ЭВЛ и ЭПО. Для этого решали уравнения теплопроводности с начальными и граничными условиями для случаев воздействия на поверхность тепловых источников с различными формами импульса.

Частицы конденсированной фазы продуктов взрыва располагаются в тылу струи, поэтому можно говорить о строении плазменной струи, выделяя ее фронт и тыл. Ранее при анализе воздействия струи на облучаемую поверхность ее неоднородным строением и двухфазным характером пренебрегали, рассматривая прямоугольную форму теплового импульса. С учетом того, что в данной работе содержание конденсированных частиц в струе специально увеличивается путем внесения в нее частиц порошковой навески бора, был проведен анализ влияния реальной формы теплового импульса на распределение температуры по глубине и ее изменения во времени. Для сравнения рассматривали прямоугольный импульс и бимодальный импульс, соответствующий строению струи «фронт-тыл».

На рисунке 1 показаны семейства зависимостей температуры от расстояния от поверхности облучения и от времени. Из их сопоставления следует, что глубина зоны оплавления практически не зависит от формы импульса теплового воздействия. Примерно одинаковое распределение температуры, превышающей температуру облучаемой поверхности, по времени и координате достигается при одинаковых значениях общей энергии струи и времени импульса. Таким образом, представление зависимости плотности мощности от времени в виде прямоугольного импульса для многофазной плазменной струи продуктов электрического взрыва проводника при ЭВЛ является обоснованным и упрощающим анализ предположением.

Также была рассмотрена модель нагрева поверхности титана, подвергнутого электровзрывному науглероживанию, при последующей ЭПО (рисунок 2). Модель учитывает импульсно-периодический характер обработки и позволяет рассчитывать зависимость температуры от глубины зоны обработки х и времени I с учетом плотности мощности электронного пучка, длительности импульсов и частоты их следования.

Рисунок 1 - Поле температуры в случае прямоугольного (а) и бимодального (б) импульса, отражающего структуру и строение импульсной многофазной

плазменной струи

Температура поверхности основы в промежутках между импульсами зависит от времени по закону V* (рисунок 2, а). При большом числе импульсов такое последействие может привести к подавлению эффекта самозакалки модифицированных слоев и огрублению формирующейся структуры. Анализ поля температуры, превышающей температуру 1173 К начала образования карбида титана вследствие диффузии углерода в титан (рисунок 2, б), показывает, что изменения структурно-фазовых состояний в зоне легирования могут наблюдаться как в зоне переплавления при ЭПО, так и в прилегающем к ней слое термического влияния, находящемся в твердом состоянии.

Рисунок 2 - Зависимость температуры Т(х, t) основы (а) и поле температуры, превышающей температуру начала образования фазы ТІС (показана темным цветом), после окончания электронно-пучковой обработки (б)

В четвертой главе представлены результаты измерения микротвердости и микроскопических исследований рельефа поверхности и структурно-фазовых состояний поверхностных слоев титана ВТ1-0 после ЭПО поверхности электровзрывного науглероживания. После науглероживания микротвердость имеет максимальное значение 800 HV на поверхности обработки и монотонно падает до 180 HV на глубине около 50 мкм. Ее повышение можно связывать, прежде всего, с образованием в зоне легирования упрочняющих частиц карбида титана. После ЭПО максимум микротвердости наблюдается уже не поверхности, а на глубине около 20 мкм (рисунок 3, а). При этом его величина достигает 2500...3000 HV, таким образом повышение микротвердости достигает 14 раз по сравнению с микротвердостью основы материала. Увеличение длительности импульсов от 100 до 200 мкс приводит к незначительному росту микротвердости вблизи поверхности облучения и формированию второго максимума на глубине 70...80 мкм (рисунок 3, б). Такое распределение микротвердости свидетельствует об интенсивных процессах взаимодействия титана с углеродом не только в зоне переплавления при ЭПО, но

и в более глубоких слоях, а также о влиянии механических напряжений со стороны формирующихся слоев друг на друга.

Сканирующая электронная микроскопия показала, что науглероживание титана сопровождается формированием на облучаемой поверхности несплошного покрытия с развитым рельефом и высокой шероховатостью. Выделены три характерные морфологические составляющие структуры поверхности: конгломераты частиц графита, титана и карбида титана глобулярной морфологии (75 % площади поверхности); частицы углеродных волокон (15 %); области твердого раствора на основе титана с наноразмерными включениями карбида титана (10 %).

Рисунок 3 — Распределение микротвердости по глубине науглероженных слоев титана после комбинированной обработки в различных {а, б) режимах (вертикальными линиями обозначена толщина упрочненного поверхностного слоя)

На поперечных шлифах образцов выявляется зона легирования глубиной около 50 мкм, содержащая частицы углеродных волокон, распределенные по всей глубине вплоть до границы с основой (рисунок 4). Химическим травлением выявляются светлые частицы глобулярной формы, по-видимому, карбида титана.

Рисунок 4 - Структура поперечного шлифа зоны электровзрывного науглероживания титана. Световая микроскопия

После ЭПО поверхность образцов становится блестящей, покрытие объединяется с зоной легирования. На поперечных шлифах выявляется двухслойное строение зоны упрочнения (рисунок 5). Вблизи поверхности располагается слой толщиной около 20 мкм, который можно считать зоной переплавления при ЭПО. Частицы углеродных волокон при СЭМ-анализе в нем не выявляются. Под ним находится слой, содержащий большое количество карбида титана глобулярной морфологии и частицы не до конца провзаимодей-ствовавших с титаном углеродных волокон. Его толщина составляет 60 мкм. Общая толщина зоны упрочнения составляет около 80 мкм, т.е. увеличивается по сравнению с зоной науглероживания при ЭВЛ в 1,6 раза. Следует отметить, что положение максимумов микротвердости коррелирует с положением границ раздела верхнего слоя, переплавленного при ЭПО, с нижележащей зоной легирования и зоны легирования с основой сплава.

Рисунок 5 — Строение по глубине зоны электровзрывного науглероживания титана после электронно-пучковой обработки при разном (а, б) увеличении

Микродифракционный ПЭМ-анализ позволил выявить в зоне легирования следующие фазы: карбид титана состава ТІС; (3-титан; графит нанораз-мерного диапазона с кубической и гексагональной кристаллической решеткой; диоксид титана состава р-ТіОз- Зеренная структура титана содержит

С Г 1 г\10 -2

дислокации, скалярная плотность которых составляет примерно 5,6-10 см . Установлено, что частицы карбида титана глобулярной формы размерами 4.. .6 нм могут формироваться на поверхности и в приповерхностном слое углеродных волокон, а также на поверхности и в приповерхностном слое зерен титана.

В пятой главе представлены результаты измерений микротвердости и микроскопических исследований рельефа поверхности и структурно-фазовых состояний поверхностных слоев титана ВТ1-0 после электровзрывного карбо-борирования, а также после ЭПО поверхности легирования.

Исследования показали, что после ЭВЛ микротвердость на поверхности составляет 2500...3000 НУ (рисунок 6). Общая глубина зоны упрочнения с

уровнем микротвердости около 2000 НУ составляет 30... 50 мкм и уменьшается с увеличением массы навески порошка бора.

На поперечных шлифах выявляется многослойная структура. На поверхности обработки образуется тонкий слой покрытия. Именно ему присущ максимальный уровень микротвердости. Этот слой характеризуется неоднородностью строения и присутствием в нем частиц углерода в квазиаморфном состоянии, наноразмерных (5...50 нм) выделений боридатитана состава ИВ и Р-титана (рисунок 7). Выявлены кристаллиты а-титана пластинчатой морфологии, поперечные размеры которых составляют 40...350 нм, и частицы карбида титана размерами 15...25 нм, располагающиеся в структуре а-титана в виде островков.

Рисунок 6 — Распределение микротвердости слоев титана после карбоборирования с навесками аморфного бора различной массы по глубине (вертикальными линиями обозначена толщина упрочненного поверхностного слоя; •, □ и о - масса навески бора 50, 100 и 150 мг

соответственно)

а - светлое поле; б -темное поле, полученное в рефлексе (201)ТіВ; в — микроэлектронограмма (стрелкой указан рефлекс, в котором получено

темное поле)

Рисунок 7 — ПЭМ-изображение структуры покрытия на поверхности

Под покрытием располагается зона легирования (рисунок 8), характерными элементами структуры которого являются ячейки высокоскоростной кристаллизации (1); в глубине - дендриты кристаллизации с осями первого (2) и второго (3) порядков; структура зеренного (4) и пластинчатого (5) типа.

Рисунок 8 — СЭМ-изображение структуры поперечного сечения зоны электровзрывного карбоборировании

На микроэлектронограммах выявляются яркие рефлексы а-титана и большое количество рефлексов, принадлежащих графиту, карбиду и боридам титана (рисунок 9). Вблизи границы раздела зоны легирования с основой сплава выявлено присутствие пластинчатой структуры а-титана. В объеме пластин и по их границам обнаруживаются включения борида титана состава ТлВ. На глубине 100.... 110 мкм от поверхности вблизи границы с основой обнаруживается тонкий (2... 10 мкм) промежуточный слой. Микродифракционный анализ показал, что этот слой сформирован преимущественно а-титаном и наноразмерными включениями карбида титана "ПС.

Последующая ЭПО приводит к объединению слоя покрытия и зоны легирования и выравниванию фазового состава до глубины 20...25 мкм. Рент-генофазовый анализ показал, что после комбинированной обработки упрочненный слой содержит 63 % а-титана; 25 % ТЮ; 4 % Т1В2; 6 % Т1В; 1 - 2 % В5С (по объему). Микроструктурный и микродифракционный анализ также выявил, что в поверхностном слое присутствует а-титан и карбид титана ТЮ. Включения карбида титана глобулярной формы имеют средние размеры примерно 300 нм. На глубине 5...8 мкм наблюдается двухфазный слой (а-Т1 и карбид титана ПС). Размеры кристаллитов карбидной фазы изменяются в пределах 150...250 нм. На глубине 40....45 мкм наблюдается более грубая структура. Таким образом, установлено, что упрочнение достигается вследствие формирования высокодисперсной структуры, упрочненной частицами карбида и боридов титана.

а - ячейка кристаллизации; б - микроэлектронограмма, свидетельствующая о выделении частиц ТЮ в объеме ячеек

Рисунок 9 - ПЭМ-изображение ячейки кристаллизации, в объеме которой выявляются частицы карбида титана

В заключении изложены итоги выполненного исследования, рекомендации и перспективы дальнейшей разработки темы.

В приложении приведены справки о практической значимости работы.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ

1. Определен режим комбинированной обработки, сочетающей электровзрывное науглероживание и последующую ЭПО зоны легирования {ур = 5,5 ГВт/м2, Хр = 100 мкс, де = 2,25 ГВт/м2, те = 200 мкс, Е8 = 45 Дж/см2, 20 имп.,/= 0,3 Гц), обеспечивающий достижение максимальных значений микротвердости и глубины зоны упрочнения.

2. Проведено моделирование тепловых процессов при ЭВЛ и ЭПО. Установлено, что учет бимодальной структуры многофазной плазменной струи при ЭВЛ мало сказывается на распределении температуры по глубине и ее зависимости от времени. Импульсно-периодический характер ЭПО приводит к росту температуры поверхности перед каждым последующим импульсом. Структурно-фазовые изменения в зоне науглероживания титана, связанные с образованием карбида титана, при последующей ЭПО могут происходить по всей глубине зоны легирования, а не только в зоне переплавления при ЭПО.

3. Установлено, что при электровзрывном науглероживании микротвердость поверхности достигает 800 НУ. При ЭПО происходят увеличение микротвердости поверхности до 2500...3000 НУ, формирование двух максимумов микротвердости на глубине 20 и 70...80 мкм от поверхности и увеличение глубины зоны упрочнения от 50 до 90... 100 мкм. После электровзрывного карбоборирования микротвердость вблизи поверхности возрастает до 2500...3000 НУ. Толщина упрочненного поверхностного слоя достигает 120 мкм.

4. Науглероживание титана приводит к формированию на поверхности несплошного покрытия. Выделены три характерные составляющие структуры поверхности. При последующей ЭПО происходит выравнивание рельефа поверхности обработки, объединение покрытия с зоной легирования.

5. Установлено, что упрочнение достигается вследствие образования карбида и боридов титана и формирования субмикро- и наноразмерной структуры.

6. Полученные результаты нашли применение в практике научных исследований и образовательной деятельности СибГИУ, а также для упрочнения деталей оборудования, работающих в условиях изнашивания.

СПИСОК РАБОТ, ОПУБЛИКОВАННЫХ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

1. Бащенко, Л. П. Электровзрывное науглероживание титана: рельеф, структура и твердость поверхности / Л. П. Бащенко, Н. А. Соскова, Е. А. Бу-довских, Ю. Ф. Иванов, К. В. Иванов, А. В. Ионина, В. Е. Громов // Деформация и разрушение материалов. — 2012. -№ 3. — С. 15-19.

2. Бащенко, Л. П. Влияние электронно-пучковой обработки на структуру и микротвердость поверхности технически чистого титана ВТ1-0 после электровзрывного науглероживания / Л. П. Бащенко, Н. А. Соскова, Ю. Ф. Иванов, А. Д. Тересов, С. В. Райков, Е. А. Будовских, В. Е. Громов // Фундам. проблемы соврем, материаловедения. -2012. -Т. 9. -№ 1. - С. 15-22.

3. Будовских, Е. А. Структура и микротвердость поверхностных слоев технически чистого титана ВТ1-0 после электровзрывного науглероживания и последующей электронно-пучковой обработки / Е. А. Будовских, Ю. Ф. Иванов, В. Е. Громов, С. В. Райков, Л. П. Бащенко, А. В. Ионина // Авиац. пром-сть. - 2012. - № 2. - С. 44-48.

4. Бащенко, Л. П. Особенности модифицирования поверхностных слоев титана при электровзрывном науглероживании / Л. П. Бащенко, И. Т. Ефи-менко, Е. А. Будовских, Ю. Ф. Иванов, К. В. Иванов, А. В. Ионина, В. Е. Громов // Физика и химия обраб. материалов. - 2012. - № 2. - С. 65-69.

5. Иванов, Ю. Ф. Формирование нанокомпозитных слоев на поверхности титана ВТ1-0 при электровзрывном науглероживании и электронно-пучковой обработке / Ю. Ф. Иванов, Е. А. Будовских, В. Е. Громов, Л. П. Бащенко, Н. А. Соскова, С. В. Райков // Изв. вузов. Чер. металлургия. - 2012. -№ 6. - С. 67-70.

6. Иванов, Ю. Ф. Формирование градиентной структуры поверхностных слоев технически чистого титана ВТ1-0 при электровзрывном науглероживании и последующей электронно-пучковой обработке / Ю. Ф. Иванов, Е. А. Будовских, В. Е. Громов, Л. П. Бащенко, С. В. Райков // Порошковая металлургия и функцион. покрытия. - 2013. —№ 1. — С. 59-63.

7. Бащенко, Л. П. Модификация структуры поверхностных слоев титана ВТ1-0 при электровзрывном карбоборировании и электронно-пучковой обра-

ботке / Л. П. Башенко, Ю. Ф. Иванов, Е. А. Будовских // Изв. вузов. Чер. металлургия. - 2013. -№ 3. - С. 68-70.

8. Молотков, С. Г. Моделирование нагрева поверхности металла при электровзрывном легировании с учетом формы теплового импульса / С. Г. Молотков, Л. П. Бащенко, Е. А. Будовских, В. Е. Громов // Изв. вузов. Чер. металлургия. - 2013. - № 6. - С. 44-46.

9. Молотков, С. Г. Моделирование нагрева поверхности металлов, подвергнутого электровзрывному легированию, при последующей электронно-пучковой обработке / С. Г. Молотков, Л. П. Бащенко, Е. А. Будовских, В. Е. Громов // Изв. вузов. Чер. металлургия. - 2013. - № 8. -С. 43^-5.

10. Бащенко, Л. П. Структурно-фазовые состояния зоны упрочнения технически чистого титана ВТ1-0 после электровзрывного карбоборирования и электронно-пучковой обработки / Л. П. Бащенко, С. В. Райков, Ю. Ф. Иванов, Е. А. Будовских, В. Е. Громов // Вестн. Тамбов, ун-та. Сер. Естеств. и техн. науки.-2013.-Т. 18. - Вып. 4. - С. 1719-1720.

11. Иванов, Ю. Ф. Структура, фазовый состав и свойства поверхностных слоев титана после электровзрывного легирования и электронно-пучковой обработки: Монография / Ю. Ф. Иванов, В. Е. Громов, Е. А. Будовских, С. В. Райков, Л. П. Бащенко, Н. А. Соскова, В. Д. Сарычев, Б. Б. Хаим-зон, А. Ю. Грановский, Д. А. Романов, Е. Ю. Сучкова. - Новокузнецк: Изд-во «Интер-Кузбасс», 2012. - 435 с. (Гл. 1 - 7).

12. Пат. 2470090 Российская Федерация, МПК С23С14/32, С23С14/30, С23С8/20. Способ нанесения покрытий на основе карбида титана на титановые сплавы / Романов Д. А., Бащенко Л. П., Будовских Е. А., Ионина А. В., Громов В. Е., Иванов Ю. Ф.; заявитель и патентообладатель Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Сибирский государственный индустриальный университет» (ГШ). -№ 2011113655/02; заявл. 07.04.2011; опубл. 20.12.2012, Бюл. № 35. -7 е.: ил.

Подписано в печать 20.11.2013. Формат бумаги 60x84 1/16. Бумага писчая. Печать офсетная. Усл. печ. л. 1,05. Уч. изд. л. 1,17. Тираж 100 экз. Заказ № 527. Сибирский государственный индустриальный университет. 654007, г. Новокузнецк, ул. Кирова, 42

Текст научной работы диссертации и автореферата по физике, кандидата технических наук, Бащенко, Людмила Петровна, Новокузнецк

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Сибирский государственный индустриальный университет»

На правах рукописи

04201454289

Бащенко Людмила Петровна

УПРОЧНЕНИЕ ПОВЕРХНОСТИ ТИТАНА ПРИ ЭЛЕКТРОВЗРЫВНОМ НАУГЛЕРОЖИВАНИИ И КАРБОБОРИРОВАНИИ И ПОСЛЕДУЮЩЕЙ ЭЛЕКТРОННО-ПУЧКОВОЙ ОБРАБОТКЕ

Специальность 01.04.07 - физика конденсированного состояния Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель — доктор технических наук, доцент Будовских Е.А.

Новокузнецк - 2013

ОГЛАВЛЕНИЕ

ВВЕДЕНИЕ............................................................................... 5

ИСПОЛЬЗОВАНИЕ КОНЦЕНТРИРОВАННЫХ ПОТОКОВ

1 ЭНЕРГИИ ДЛЯ УПРОЧНЕНИЯ ПОВЕРХНОСТИ МЕТАЛЛОВ И 12 СПЛАВОВ............................................................................

1.1 Возможности комбинированной обработки поверхности титана и его сплавов с использованием электровзрывного легирования

и электронно-пучковой обработки....................................... 12

1.2 Методы упрочнения поверхностных слоев металлов и сплавов с использованием концентрированных потоков энергии............ 14

1.3 Модификация структуры и свойств металлов и сплавов при обработке поверхности с использованием концентрированных потоков энергии................................................................. 21

1.4 Цель и задачи исследования............................................. 28

2 ОРУДОВАНИЕ, МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДИКИ ИССЛЕДОВАНИЙ ... 30

2.1 Материалы для исследования процессов электровзрывного легирования.................................................................. 30

2.2 Режимы и оборудование для осуществления комбинированной обработки.......................................................................................... 34

2.2.1 Лабораторная электровзрывная установка ЭВУ 60/10 для получения импульсных многофазных плазменных струй и особенности методики проведения электровзрывного легирования......................................................... 34

2.2.2 Оборудование для обработки поверхности материалов низкоэнергетическими сильноточными электронными пучками и особенности методики ее проведения........... 38

2.2.3 Режимы обработки................................................ 40

2.3 Методика исследования структуры, фазового состава и свойств

зоны легирования.......................................................... 41

3 МОДЕЛИРОВАНИЕ ТЕПЛОВЫХ ПРОЦЕССОВ ПРИ ЭЛЕКТРОВЗРЫВНОМ ЛЕГИРОВАНИИ И ЭЛЕКТРОННО-ПУЧКОВОЙ ОБРАБОТКЕ .............................................................................................. 47

3.1 Моделирование нагрева поверхности металла при электровзрывном легировании с учетом формы теплового импульса ... 47

3.2 Моделирование нагрева поверхности металла, подвергнутого электровзрывному легированию, при последующей электронно-пучковой обработке.................................................................. 52

3.3 Выводы........................................................................................ 63

4 ЭЛЕКТРОВЗРЫВНОЕ НАУГЛЕРОЖИВАНИЕ ПОВЕРХНОСТИ

ТЕХНИЧЕСКИ ЧИСТОГО ТИТАНА ВТ 1-0 И ПОСЛЕДУЮЩАЯ

ЭЛЕКТРОННО-ПУЧКОВАЯ ОБРАБОТКА................................... 65

4.1 Способ науглероживания поверхности титана с использованием электрического взрыва углеродных волокон и последующей электронно-пучковой обработки........................................ 65

4.2 Рельеф поверхности зоны электровзрывного науглероживания . 68

4.3 Градиентное строение зоны электровзрывного науглероживания титана, сформированной в различных

режимах.................................................................................... 72

4.4 Распределение микротвердости по глубине науглероженных слоев после электронно-пучковой обработки в различных режимах....................................................................... 76

4.5 Особенности микроструктуры и фазового состава науглероженных слоев.................................................... 78

4.6 Особенности микроструктуры и фазового состава науглероженных слоев после электронно-пучковой обработки .. 87

4.7 Выводы...................................................................................... 90

5 ЭЛЕКТРОВЗРЫВНОЕ КАРБОБОРИРОВАНИЕ ПОВЕРХНОСТИ

ТЕХНИЧЕСКИ ЧИСТОГО ТИТАНА ВТ1-0 И ПОСЛЕДУЮЩАЯ

ЭЛЕКТРОННО-ПУЧКОВАЯ ОБРАБОТКА.................................. 94

5.1 Структурно-фазовые состояния зоны упрочнения после ровзрывного карбоборирования.......................................... 94

5.2 Структурно-фазовые состояния зоны электровзрывного карбоборирования титана после обработки низкоэнергетическими сильноточными электронными пучками в различных режимах... 106

5.3 Практическое использование результатов исследований по электровзрывному легированию и последующей электронно-пучковой обработке........................................................ 115

5.4 Выводы....................................................................................... 119

ЗАКЛЮЧЕНИЕ........................................................................... 121

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ............................................................... 124

ПРИЛОЖЕНИЕ А СПРАВКИ О ВНЕДРЕНИИ РЕЗУЛЬТАТОВ ИССЛЕДОВАНИЙ....................................................................... 141

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность темы исследования. Поверхностное легирование металлов и сплавов с использованием концентрированных потоков энергии (КПЭ) приводит к многократному повышению функциональных свойств, таких как твердость, износо-, жаростойкость и др. В частности, это относится к упрочнению титановых сплавов, которые обладают низкой износостойкостью, высокой склонностью к налипанию, большим коэффициентом трения в паре практически со всеми материалами [1—4].

Среди методов такой упрочняющей обработки - лазерное [5-12], электронно-лучевое [5, 10, 13] и плазменное легирование [12-16]. К плазменным методам, в частности, относится электровзрывное легирование (ЭВЛ) [17]. Особенностью ЭВЛ является то, что в качестве взрываемого проводника может быть использован любой электропроводный материал - чистый металл или сплав, углеродные волокна (УВ) и т.д. Кроме того, в качестве легирующих добавок при ЭВЛ могут использоваться порошки различных веществ. Они вносятся в импульсную многофазную плазменную струю, формируемую из продуктов взрыва и служащую инструментом воздействия на обрабатываемую поверхность. В связи с многообразием видов ЭВЛ и сложностью физических процессов, сопровождающих его осуществление, возможности метода в настоящее время еще далеко не изучены. Это обусловливает постановку вопроса о его практическом применении для повышения функциональных свойств в том или ином конкретном случае и актуальность проведения новых дополнительных исследований.

Тема диссертации соответствует направлению «Нанотехнологии и нанома-териалы» Перечня критических технологий РФ и приоритетному направлению развития науки, технологий и техники в РФ «Индустрия наносистем». Исследования выполнялись по темплану НИР СибГИУ, проводимых по госзаданию Мин-обрнауки № 2.4807.2011, в соответствии с грантом РФФИ (проект № 11-02-91150-ГФЕНа) и федеральной целевой программой «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» на 2009-2013 гг. (гос. контракт № 14.740.11.0813).

Степень разработанности темы исследования. Технологии упрочнения поверхности с использованием КПЭ находят все большее применение в промышленности. В последние годы получили развитие такие локальные методы упрочнения поверхности, как ЭВЛ и электронно-пучковая обработка (ЭПО) [18, 19] с использованием низкоэнергетических сильноточных электронных пучков, которые могут оказаться экономически эффективными и найти практическое применение.

Модифицирование структуры и свойств поверхностных слоев материалов методом ЭВЛ заключается в формировании из продуктов электрического взрыва проводников импульсной многофазной плазменной струи, оплавлении ею поверхности и насыщении расплава компонентами струи, последующей кристаллизации расплава в условиях самозакалки с образованием новых фаз и соединений. В результате обработка приводит к одновременному многократному повышению различных физико-механических и эксплуатационных свойств. Исследования показывают, что упрочнение обусловливается, прежде всего, мелкодисперсными частицами вторых фаз (карбидных, боридных и других), распределенных в вязкой металлической матрице. Состояние исследований в этой области характеризуется изучением особенностей тех видов ЭВЛ (например, науглероживания и карбобо-рирования, модельных металлов и сплавов), которые уже успешно апробированы в условиях производства при использовании других аналогичных или традиционных методов. Выявление закономерностей ЭВЛ вносит вклад в развитие общей теории поверхностного легирования с использованием КПЭ.

Особенностями ЭВЛ являются его импульсный характер и неоднородность строения и структуры используемых для обработки поверхности плазменных струй. Вследствие импульсного характера обработки в зоне легирования сохраняются области структурно-свободных легирующих элементов, например, углерода (в форме графита) или бора. В сформированной плазменной струе конденсированные частицы продуктов взрыва и порошковых навесок располагаются в тылу струи и поэтому достигают облучаемой поверхности, когда она уже оплавлена или после ее кристаллизации. Эти частицы формируют на облучаемой поверхно-

сти развитый рельеф, что может ограничивать область практического использования ЭВЛ. Это дает возможность осуществления дальнейшей модификации зоны обработки.

В последние годы одним из направлений развития исследований в области ЭВЛ становится разработка комбинированного метода упрочнения поверхности, сочетающего как ЭВЛ, так и последующую ЭПО зоны легирования. Электронно-пучковая обработка с использованием низкоэнергетических сильноточных электронных пучков осуществляется в импульсно-периодическом режиме, что позволяет, с одной стороны, увеличить время нахождения поверхностного слоя в расплавленном состоянии и гомогенизировать его элементный состав, а с другой, -сохранить закалочные эффекты, приводящие к формированию субмикро- и нано-размерной структуры. Особенности такой комбинированной обработки, которые не получили пока адекватного объяснения, по-видимому, связаны с интенсификацией диффузионных процессов.

Для реализации цели работы решены следующие основные задачи:

1) разработаны способы комбинированного упрочнения поверхности, включающие электровзрывное науглероживание и карбоборирование и последующую ЭПО;

2) проведен анализ тепловых процессов при ЭВЛ и последующей ЭПО поверхности титана;

5) разработаны рекомендации по практическому использованию результатов исследований.

Разработанный способ упрочнения поверхности титана ВТ1-0 был апробирован на предприятиях города для упрочнения ряда деталей, по условиям эксплуатации которых не требуется высокая механическая прочность, но к износостойкости их поверхности предъявляются жесткие требования. Трение и износ этих деталей осуществляется в агрессивных и абразивных средах. Испытания этих изделий в условиях эксплуатации на предприятиях ООО «Вест 2002», ООО «Рем-

комплект» и ООО «Лазурит» показали, что их износостойкость увеличилась в 3—5 раз.

Методология и методы исследования. Работа выполнена в рамках общего направления развития научных исследований и практических разработок - обработки материалов КПЭ. При выборе методов упрочнения металлов и сплавов следует исходить из того, что функциональные свойства поверхностных слоев определяются, прежде всего, особенностями их структуры и фазового состава. Анализ литературы показывает, что наибольшего упрочнения удается добиться при поверхностном легировании с использованием лазерного, электронно-пучкового и плазменного нагрева поверхности. При этом структура, фазовый состав и свойства модифицированных слоев зависят от технологических особенностей используемых методов обработки и параметров воздействия на упрочняемую поверхность. Совместное использование ЭВЛ и ЭПО обусловлено тем, что они имеют сопоставимые значения поглощаемой плотности мощности, глубины и диаметра зоны воздействия, позволяют формировать новые структурно-фазовые состояния поверхностных слоев металлов и сплавов и расширить возможную область их практического использования.

Положения, выносимые на защиту:

3. Влияние режимов ЭПО на распределение микротвердости по глубине на-углероженных слоев.

Степень достоверности и апробация результатов.

Достоверность полученных результатов обусловлена большим объемом экспериментальных данных, полученных с использованием световой, сканирующей и просвечивающей дифракционной электронной микроскопии, рентгеност-руктурного анализа, определения микротвердости, непротиворечивостью полученных результатов результатам других авторов.

Результаты диссертации представлялись на следующих научных мероприятиях: International Conférence «World Academy of Science, Engineering and Technology (WASET 2011)», Venice, Italy, 2011; XVII Международной научно-практической конференции студентов и молодых ученых «Современная техника и технология» (СТТ), Томск, 2011; XVIII республиканской научной конференции аспирантов, магистров и студентов «Физика конденсированного состояния», Гродно, 2011; 9-ой Международной конференции «Взаимодействие излучений с твердым телом» = Interaction of Radiation with Solids (ВИТТ-2011), Минск, 2011; V Международной школе «Физическое материаловедение» с элементами научной школы для молодежи, VI Всероссийской молодежной научной конференции «Микромеханизмы пластичности, разрушения и сопутствующих явлений», Тольятти, 2011; 51-й Международной конференции «Актуальные проблемы прочности», Харьков, 2011; конференции «Структурные основы модификации материалов (MHT-XI), Обнинск, 2011; вторых Московских чтениях по проблемам прочности материалов, посвященных 80-летию со дня рождения акад. РАН Ю. А. Осипьяна, Москва, Черноголовка, 2011; VI Всероссийской научно-технической конференции «Физические свойства металлов и сплавов», Екатеринбург, 2011; Бернштейновских чтениях по термомеханической обработке металли-

ческих материалов, Москва, 2011; XXI Уральской школе металловедо