Воздействие концентрированных потоков энергии на структуру и свойства материалов тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.14 ВАК РФ

"У / .. .

4-4 ; у л>

' '' ' ^

На правах рукописи.

КИРКО ВЛАДИМИР ИГОРЕВИЧ

ВОЗДЕЙСТВИЕ КОНЦЕНТРИРОВАННЫХ ПОТОКОВ ЭНЕРГИИ НА СТРУКТУРУ И СВОЙСТВА МАТЕРИАЛОВ

01.04.14 - теплофизика и молекулярная физика 01.04.07 - физика твердого тела

Диссертация на соискание ученой степени д§Ггор| физико-математических наук в форме научного доклада

Красноярск 1997

Работа выполнена в Научно-исследовательском физико-техническом институте Красноярского государственного университета.

Официальные оппоненты:

доктор физико-математических наук, профессор А.И.Дремин

доктор физико-математических наук, профессор С.Я.Ветров

доктор технических наук, профессор A.A. Леиешев

Ведущая организация: Институт физики прочности и материаловедения СО РАН.

Защита состоится 2» Л^$арл 199 8 г. в 14.00ч, ауд.Г 2-22 на заседании диссертационного совета Д 064.54.02 при Красноярском государственном техническом университете по адресу: 660074,г.Красноярск, ул. акад. Киренского, 26.

Отзывы о диссертации в дву. заверенные печатью органи. диссертационного совета.

с по, ;сьго составителя, Hai" :ять в адрес

С диссертацией можп

гате'г

Диссертация разослан-,

¡99

Ученый секретарь р.

диссертационного совета Д 064.054.02 у

к.т.н., доцент - Lfил///1"' П.Н.Сильченко

Т0/0

г\

. /

ЧУ

) , 1 / " <' ' ^ ч, - — V.

¡7*7 * Г" 1 .j*

з

a a

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы.

Основной задачей материаловедения является изучение принципов и разработка новых способов получения материалов с уникальными физико-химическими свойствами. Дальнейшее развитие машиностроения, приборостроения, медицины и т.д. в основном обусловлено с возможностью создания новых высокопрочных, износо- и термостойких материалов.

Аморфные и микрокристалличекие сплавы - новый класс материалов с уникальными физико-химическими свойствами. В виду технологических особенностей их промышленного производства (быстрой закалкой из расплава на быстровращающемся диске) они могут быть получены в виде мелкодисперсного порошка или тонкой ленты. Последнее сильно ограничивает их использование в качестве конструкционного материала.

В последние годы развиваются три основных направления для расширения возможности применения аморфных и микрокристаллических сплавов:

1. поверхностное облучение с помощью лазера (Н.Н.Рыкалин; А.А.Углов; Л .И. Миркин; Н.В.Еднерал; B.C. Краиошин).

2. нанесение покрытий с помощью плазмотронов (А.А.Лепешев; ВН.Коржик; В.В.Кудинов и др.) и обработка поверхности с помощью взрывных источников плазмы (А.Е.Войтенко; В.И.Кирко; Е.Г.Попов; Г.А.Швецов; К.И.Козорезов).

3. динамическое компактирование порошков с целью получения массивных изделий (О.В.Роман; В.Ф.Нестеренко; L.E.Murr; R.Prammer; В.И. Кирко).

Получение аморфного и микрокристаллического состояния на поверхности (при воздействии на поверхность высокоэнергетических импульсов) и в объеме (при динамическом нагружеяии порошков) характеризуется общими неравновесными теплофизическими.. процессами. Под влиянием мощного теплового потока, имеющего различную природу, происходит сильно неравномерный нагрев поверхности

■ металла или частицы. Последнее сопровождается сложными физическими процессами такими, как плавление, испарение, газонасыщение расплава из атмосферы плазмы или захлопывающейся поры и т.д.

В процессе быстрого охлаждения, который в отдельных случаях

■ происходит при высоких давлениях, фиксируются метастабильные

состояния вещества, с отличной от исходного материала структурой и свойствами, что в конечном итоге изменяет физико-химические свойства поверхности металлов, а также и массивных изделий, полученных, динамическим контактированием.

Разработка новых методов высокоэнергетических воздействий на материалы, с целью направленного изменения их структуры для получения специальных свойств, а также, изучение структуры вещества и их физико-химических свойств после высокоэнергетического воздействия, является актуальной научной проблемой.

Настоящая работа выполнялась в рамках Комплексной Программы ГКНТ СССР №479 от 29.09.79, Комплексной Программы МНТП СЭВ, а также в соответствии с Наряд-заказом Министерства общего и профессионального образования.

Цель работы: Исследование неравновесных теплофизических и газодинамических процессов, возникающих при взаимодействии высокоскоростных газовых и плазменных струй с поверхностью металлов. Изучение структуры и свойств аморфных и микрокристаллических сплавов, полученных высокоэнергетическим воздействием.

Методы исследования: В работе использовались как традиционные методы, так и комплекс принципиально новых.

Для изучения и оптимизации новых источников плазмы, а также, ударно-волновой структуры в условиях остроугольной геометрии были использованы: высокоскоростная фоторегистрация газодинамических процессов с помощью СФР-2М, измерения яркостной температуры (И.Ш.Модель), измерения распределения яркостной температуры (В.И.Кирко, И.В.Стадниченко), калориметрический метод измерения энергетических характеристик плазменных потоков (В.И.Кирко), электромагнитный метод распределения массовой скорости в газовых струях с локализацией магнитного потока (О.А.Трескин, В.И.Кирко, С.И.Фомин), распределение энергетических характеристик газовых струй по их отражению от прозрачных материалов (O.A. Трескин, В.И.Кирко, С.И.Фомин), импульсное рентгеновское фотографирование. Для изучения параметров ударных волн в порошковых средах и ударных адиабат массивных аморфных материалов были использованы методики: измерения давления манганиновыми датчиками (Н.Ф. Гогуля, И.В.Воскобойников), исследование структуры ударных волн в порошках резистивным датчиком (А.А.Кузовников, В.И.Кирко); измерение электросопротивления за фронтом ударной волны.

Для исследования структуры и свойств материалов были использованы: металлографический и рентгеноструктурный анализы, дифференциально-термический анализ, классический магнитоструктурный анализ, измерение параметров локальной магнитной анизотропии и

корреляционного радиуса анизотропии (В.А. Игнатчеико, P.C. Исхаков), электронная микроскопия, микроанализ, измерение микротвердости.

Для подтверждения результатов применялись численные методы моделирования физических процессов.

Научная ношгша.

1. Построены теплофизические модели взаимодействия высокоскоростных высокоэнтальпийных газовых потоков с поверхностью металлов и сплавов. Проведены численные и экспериментальные исследования теплового воздействия на металлы и сплавы взрывного газокумулятивного заряда, взрывного плазменного компрессора А. Е. Войтевко. устройства Е. Г. Попова. Изучено тепловое влияние ударно-сжатого газа на процесс сварки металлов взрывом.

2. Впервые детально изучены параметры основных источников высокоскоростных газовых струй (взрывной плазменный компрессор, взрывной газокумулятивный заряд): предложен высокоэффективный источник струй, основанный на сжатии газокумулятивного заряда металлической облицовкой. Численно и экспериментально изучена структура ударных волн, возникающая в условиях остроугольной геометрии сталкивающихся пластин и разлета продуктов взрыва над подложкой. Построена модель возникновения газовой кумуляции.

3. Исследованы свойства микрокристаллических слоев, полученных после воздействия на поверхность железо-углеродисшх сплавов плазмой высокого давления. Установлены критерии термического воздействия на поверхность сталей. Определено влияние высокого давления на структуру и свойства поверхности.

4. Исследовано влияние ударно-волнового нагружения на структуру и свойства аморфных металлических сплавов (AMC). Применен комплекс структурно-чувствительных методов, позволивший обнаружить изменения в структуре AMC на масштабах локального окружения атома, масштабах флуктуации плотности и технологических неоднородностей. Проведены измерения ударных адиабат AMC и их кристаллических аналогов, измерения удельного электросопротивления за фронтом ударных волн.

5. Разработан безампульный метод динамического компактирования плоских и цилиндрических заготовок аморфных металлических сплавов. Изучены физические и химические свойства магнитомягких и коррозийностойких AMC. Исследованы механические свойства и анизотропия механических свойств объемных AMC'.

Практическая значимость работы: Разработан ряд принципиально новых методов исследований, которые были применены для подготовки студентов и аспирантов Новосибирского и Красноярского госуниверситетов. Метод определения энергетических характеристик

взрывных источников плазмы был использован в работах Спецсектора Института физики земли РАН.

Результаты исследований структуры газодинамических течений в условиях столкновения металлических пластин был положен в основу разработки технологии получения биметаллических контактов для выключателей низковольтной аппаратуры. Результаты исследований взрывных источников газа и плазмы были использованы для разработки малогабаритных источников света энергий высвечивания до 100 кДж, мощных источников вакуумного ультрафиолетового излучения, разработки технологии упрочнения и легирования внутренних поверхностей труб.

Исследования воздействия ударно-волнового нагружения на аморфные материалы были положены в основу безампульной технологии динамического компактирования аморфных металлических сплавов.

Результаты изучения физических и химических свойств магнитомягких и коррозийностойких АМС могут быть использованы в производстве массивных изделий в химической, фармацевтической промышленности и приборостроении.

Апробация работы. Результаты исследований докладывались на Всесоюзном совещании "Новые мегоды напыления", Ворошиловград, 1976; Всесоюзной конференции "Влияние высоких давлений на вещество",Киев. 1976; на 3-й Всесоюзной конференции "Динамика излучающего газа", Москва, 1977; VI Всесоюзном совещании по сварке и резке металлов, УФА, 1979; на 8 и 9 Международной конференции Высокоэнергетическая обработка материалов", Сан Антонио, 1984 г, Любляна 1989; IV Международной конференции "Лаврентьевские чтения", Казань, 1995; Международном симпозиуме "Компьютерное моделирование газодинамических и ударно-волновых процессов в конденсированных средах", Санкт Петербург, 1995; II Международном совещании по обработке металлов взрывом, Новосибирск. 1981; Республиканском семинаре "Влияние высоких давлений на вещество", Киев, 1976; Всесоюзной конференции "Использование импульсных источников энергии в промышленности", Харьков, 1980; Всесоюзной конференции "Проблемы исследования аморфных металлических стекол", Москва, 1984; IX Международной конференции по высокоэнергетическому воздействию на материалы, Новосибирск, 1986; Международной конференции по применению эффекта Месбауэра, 1991, Нанджин КНР; Международной конференции "ЕХРШМЕТ", Эль Пасо, США, 1995; IV Всесоюзном совещании по детонации, Тбилиси, 1988; V Всесоюзном совещании по детонации, 1991, Красноярск; Всесоюзной конференции "Обработка материалов импульсивными нагрузками", Новосибирск, 1990; Международном семинаре по высокоэнергетической обработке быстрозакаленных сплавов, Новосибирск, 1988; II

Международном совещании по обработке материалов взрывом, Новосибирск, 1981; Международном совещании "Аморфные прецизионные сплавы, технология, свойства, применение", Боровичи, 1996; IV Всесоюзном совещании по детонации, Телави, 1988; III Всесоюзном совещании физикохимия аморфных металлических сплавов, Москва, 1989; V Всесоюзной конференции "Аморфные прецизионные сплавы: технология, свойства, применения", г. Ростов Великий, 1991; Всесоюзном симпозиуме по физике аморфных магнитиков, Красноярск, 1989; VIII Всесоюзной конференции "Сварка, резка и обработка материалов взрывом", Минск, 1990; III Международной конференции "Лаврентьевские чтения по математике, механике и физике", Новосибирск, 1990; III Всесоюзной конференции "Проблемы исследования структуры аморфных металлических сплавов", Москва, 1988; ШВсесоюзном семинаре по аморфному магнетизму, Самарканд, 1983; XI Международной конференции МАРИВД "Высокие давления в науке и технике", Киев, 1987; Юбилейной научной сессии технического университета г.Русе, НРБ, 1989; Международном симпозиуме по магнетизму аморфных материалов, Венгрия, 1985; Юбилейной конференции, посвященной 25-летию СКВ ГИТ, Новосибирск, 1990; IX Всесоюзном симпозиуме по горению и взрыву, Черноголовка, 1989 , а также на научно-технических семинарах НИФТИ КрГУ, ИВТАН РАН, ИГ СО РАН, ИПМ АН УССР, КрГУ, НИИ Стали, СКБ ГИТ СО РАН, ИФ СО РАН, МИСиС, ИХФ РАН.

По теме диссертации опубликовано 69 работ, из них 7 изобретений, в том числе обзорные работы /3,37,50,66/.

Личный вклад автора. В основу диссертации положены научные, методологические и прикладные работы автора, а также результаты исследований, выполненных под его руководством в Институте гидродинамики СО РАН, Красноярском госуниверситете, Научно-исследовательском физико-техническом институте Красноярского госуниверситета и Институте физики СО РАН. На основе этих результатов под руководством автора были защищены 5 кандидатских диссертаци /22,33,34,60,61/ и 1 представлена к защите /20/. Вклад автора в эти работы состоит в постановке задач исследования, научно-методическом руководстве, в обсуждении и анализе результатов исследований.

В экспериментальных работах и численном моделировании газодинамических и теплофизических процессов принимали участие сотрудники ИГ СО РАН, НИФТИ КрГУ, ИФ СО РАН, МГУ, КрГУ, за что автор им приносит благодарность.

1. ВЗРЫВНЫЕ ИСТОЧНИКИ ВЫСОКОСКОРОСТНЫХ ГАЗОВЫХ СТРУЙ, ОСНОВАННЫЕ НА ГАЗОВОЙ КУМУЛЯЦИИ В УСЛОВИЯХ ОСТРОУГОЛЬНОЙ ГЕОМЕТРИИ

Разработка и исследование различных взрывных источников высокоскоростных газовых и плазменных струй было выполнено в работах Е.Г.Попова, А.Е. Войтенко, В.М. Титова, Г.А. Швецова, Ю.Н. Киселева. Работы развивались в связи с использованием источников для ускорения твердых тел, моделирования вхождения космических аппаратов в плотные слои атмосферы, изучения уравнений состояния газов при высоких давлениях и температурах, создания мощных источников света.

С 1980 года начались исследования по использованию взрывных источников газовых струй и плазмы для термической обработки материалов (А.Е.Войтенко, В.И.Кирко, Е.Г. Попов и т.д.). Плазма, полученная с помощью взрыва, характеризуется величинами температуры до 105К° и давления - до 10 ГПа. При ее контакте с поверхностью твердого тела возникают тепловые потоки ЮМ О9 Вт/см2, что сопоставимо с воздействием лазера средней и большой мощности. Отличительной особенностью воздействия плазмы взрывных источников является возможность обработки при высоком давлении концентрированными потоками энергии поверхности большой площади, а также, возможность обработки внутренних поверхностей (В.И.Кирко,

B.В. Малышев, Г.А.Швецов).

В цикле работ автора совместно с А.Е.Войтенко, О.А.Трескиным,

C.Н.Ишуткиным, С.М. Васильевым и А .И Бывших /1-8,16-18,27/были исследованы параметры основных источников, представленных на Рис. I. В работах экспериментально и теоретически изучались: энергетические характеристики, распределение массовых скоростей, яркостной температуры ударных, волн, скорости передней ударной волны в воздухе в зависимости от основных параметров источников, таких, как отношение массы взрывчатого вещества (ВВ) к массе метаемой пластины или оболочки (для источников Ь.сД) от давления воздуха или плотности заполнения рабочим веществом, от скорости детонации ВВ (для источников Ь и ё). Эксперименты показали, что исследованные источники цилиндрических и плоских струй газа и плазмы позволяют получать струи в широких диапазонах плотностей от 0,03 до 0,54 г/см*. скоростей от 3 до 21 км/с (в воздухе), энергией от 6 до 1090 кДж, удельных энергий 1 бОкДж/г и достигать к.п.д. преобразования энергии ВВ до 6,7%.

Автором совместно с О. А.Трескиным был предложен и изучен высокоэффективный источник /6,7/, основанный на сжатии тонкостенного газокумулятивного заряда металлической оболочкой (Рис. 1 с1).

Схема взрывных источников плазмы и газовых струй, изученных в работе.

а Ь

Л

1

2

/

1

Газокумулятивный заряд

Источник плазмы, образующейся в результате столкновения металлических пластин.

Взрывной плазменный Взрывной источник газовых струй ГШ

компрессор А. Е. Войтенко основанный на сжатии тонкостенного

заряда ВВ металлической оболочкой.

!-Электродетонатор, 2-заряд ВВ, 3-металлические пластины, 4-полусферическая камера сжатия, 5- металлическая оболочка, 6- тонкостенный заряд ВВ.

Рис. 1

Сравнительные предельные характеристики нового источника и газокумулятивного заряда (ГКЗ) приведены в таблице 1.

Таблица 1

Скорость ФУВ в воздухе Скорость струи в вакууме Плотность струи Относ.эффек тивность преобр-я. энергии

Газокумуляти вный заряд (ГКЗ). 13 км/с 18 км/с 0,2. �