Закономерности формирования поверхностных слоев металлов и сплавов при электровзрывном легировании

При науглероживании титана формируется сравнительно однородный по глубине фазовый состав, что свидетельствует о высокой степени конвективного перемешивания расплава в процессе обработки. Его образуют твёрдый раствор углерода в металле и мелкодисперсные частицы карбида титана, а выше определённых режимов воздействия - также включения частиц углеграфитовых волокон, внесённые в расплав (рис. 11).

Рис. 11. Фрагменты дифракто-грамм поверхностных слоев титана до (а) и после (б) электро-взрывного науглероживания

При науглероживании железа фазовый состав поверхностного слоя образуют дисперсная феррито-цементитная смесь и аустенит, а после режимов обработки, приводящих к выплеску, - также частицы углеграфитовых волокон. Цементит преимущественно располагается вблизи поверхности, а аустенит - вблизи границы оплавления. В режимах обработки с выплеском происходит выравнивание фазового состава по глубине. В модифицированных слоях действуют остаточные напряжения сжатия.

При науглероживании никеля образуется пересыщенные твёрдые растворы углерода в металле с различными концентрациями углерода и, вероятно, дисперсные карбиды. Общее содержание углерода в слое с увеличением интенсивности термосилового воздействия на поверхность в исследованных режимах обработки возрастает, достигая 9…14 ат. %. Размер областей когерентного рассеяния увеличивается, изменяясь в пределах от 9 до 19 нм. Микротвердость поверхности монотонно возрастает с увеличением степени легирования.

При науглероживании меди углерод, растворённый в расплаве в процессе плазменного воздействия, на стадии кристаллизации выделяется с образованием глобул графита.

Обработка титана электровзрывом алюминиевых фольг приводит к образованию однородно легированных по глубине слоев с содержанием алюминия до 60…80 ат. %. Фазовый состав слоев образуют твёрдый раствор титана в алюминии и смесь интерметаллидов TiAl3, ТiАl2 и ТiАl. Высокая степень легирования обусловлена вкладом конденсированных частиц продуктов взрыва. При двухкомпонентном легировании титана алюминием и углеродом фазовый состав включает в себя частицы карбида титана и углеграфитовых волокон. При никелировании титана получены слои с содержанием никеля до 40…60 ат. %, образованные интерметаллидами титана, никеля и TiNi. Высокая степень легирования обусловлена вкладом конденсированных частиц. С ростом интенсивности воздействия степень легирования уменьшается.

Самозакалка науглероженных расплавов в условиях выделенного направления теплоотвода приводит к образованию текстуры кристаллизующихся металлических и карбидных фаз.

Кристаллизация науглероженных слоев железа в области граничной полоски происходит с образованием столбчатых зёрен, в области зоны легирования - дендритов, а вблизи поверхности - равноосных зёрен металлов и пластинчатого цементита. Кристаллизация никеля и меди происходит с образованием равноосных зёрен, причём у поверхности их размеры больше, чем вблизи границы оплавления. Кристаллизация металлизованных слоев происходит с образованием дисперсных структурных составляющих с размерами около 0,1 мкм вблизи границы оплавления и порядка нескольких микрометров вблизи поверхности.

В зоне термического влияния в образцах железа наблюдается образование новых мелких зёрен с размерами порядка 1 мкм, в то время как размеры зёрен в объёме достигают 100…150 мкм. Электровзрывная обработка меди вызывает образование трещин по границам зёрен.

Распределение микротвердости по глубине отражает условия формирования поверхностных слоев путем их оплавления импульсной плазменной струей и конвективного перемешивания расплава с последующей самозакалкой. После борирования никеля микротвердость в 1,5 раза больше, чем микротвердость науглероженных слоев. После карбоборирования железа и никеля микротвердость примерно в 2 раза больше, чем после науглероживания.

4. Послойные электронно-микроскопические исследования фазового состава и дефектной субструктуры поверхностных слоев металлов после одно- и двухкомпонентного легирования

рассмотрены особенности строения, структуры и фазового состава зоны легирования, выявленные с использованием высокоинформативного метода просвечивающей электронной микроскопии тонких фольг.

Детализировано ее строение. Показано, что ЭВЛ в условиях продолжающегося продвижения фронта плавления глубь с последующей самозакалкой приводит к закономерному формированию строения зоны легирования с образованием ряда слоев. На поверхности зоны легирования выявлен тонкий приповерхностный слой с нанокристаллической или квазиаморфной структурой (рис. 11). Ниже располагался промежуточный слой, характеризующийся в зависимости от вида легирования различной степенью развития ячеистой кристаллизации (рис. 12), и приграничный слой, соседствующий с зоной термического влияния и имеющий зеренную структуру (рис. 13). На границе зоны легирования с основой обнаруживался разделяющий их тонкий подслой с нанокристаллической структурой и низкой степенью легирования.

Рис. 11. Структура приповерхностного слоя на глубине 0,3 мкм после электровзрывного науглероживания: а - светлое поле; б - темное поле в рефлексе [111]Ni(С)+[011]С; в - микроэлектронограмма к б. Стрелкой указан рефлекс темного поля

Рис. 12. Структура промежуточного слоя на глубине 1 мкм: а - светлое поле, б - темное поле в рефлексе [301]С, в - микроэлектронограмма к б. Стрелкой указан рефлекс темного поля

При однокомпонентном легировании основной объем зоны легирования представлен слоем с зеренной структурой, а при двухкомпонентном с использованием порошковой навески - слоем с ячеистой кристаллизацией. Это коррелирует с тем, что добавление в струю порошковых навесок подавляет радиальное течение расплава. Показано, что ЭВЛ расплава осуществляется вплоть до границы оплавления, что свидетельствует об определяющей роли конвективного перемешивания.

Рис. 13. Структуры приграничного слоя на глубине 25 мкм: а - светлое поле, б - темное поле, полученное в рефлексе [003]Ni3С. Стрелкой указан рефлекс темного поля

Степень легирования в промежуточном и в приграничном слоях с глубиной уменьшается, а размеры структурных составляющих увеличиваются. Степень легирования приповерхностного слоя максимальна, а слоя на границе с основой минимальна.

Обнаружение нанокристаллического слоя на границе с основой коррелирует с выявлением методом световой микроскопии граничной полоски, которая согласно данным световой микроскопии также имеет измельченную структур.

Уменьшение поперечного размера ячеек кристаллизации при одновременном уменьшении их разориентации при приближении к поверхности косвенно свидетельствует о кристаллизации с выделенным направлением теплоотвода не только в объем металла, но и в окружающую среду.

Электронно-микроскопические исследования, также как и результаты изучения модифицированных слоев методом световой микроскопии показали, что легирование осуществляется как плазменной составляющей струи, так и конденсированными частицами. Об этом свидетельствуют частицы структурно свободного бора, наблюдающиеся в зоне обработки при двухкомпонентном легировании, а также частицы алюминия и меди.

Обработка сопровождается неконтролируемым внесением в зону легирования кислорода и углерода.

В зоне термического влияния наблюдается повышенная плотность дислокаций, образующих различные дислокационные структуры.

5. Анализ силовых, тепловых и физико-механических процессов формирования поверхностных слоев

Выполнен анализ силовых, тепловых и физико-механических процессов при воздействии импульсных плазменных струй на металлы.

Различия в результатах обработки разных металлов объяснены различиями их физических свойств.

Интенсивность обработки и давление плазменной струи на поверхность зависят от зарядного напряжения по закону соответственно. Тепловой КПД обработки составляет 8%.

Экспериментальная зависимость радиуса зоны науглероживания модельных металлов от зарядного напряжения накопителя может быть описана, исходя из представления о нормальном распределении давления струи и интенсивности теплового воздействия на облучаемой поверхности (рис. 14).

Рис. 14. Экспериментальные и расчетные (показаны пунктиром) зависимости радиуса зоны легирования от величины зарядного напряжения при науглероживании титана (), железа (), никеля () и меди ()

Использование теплофизической модели нагрева поверхности плоским тепловым источником, зависимости массовой скорости струи от величины зарядного напряжения и выражения для давления в ударно-сжатом слое позволяет получить расчетную зависимость глубины зоны науглероживания на оси струи от зарядного напряжения. Зависимость учитывает понижение уровня расплава вследствие его вытеснения к периферии зоны легирования под действием неоднородного давления на поверхность (рис. 15).

,

Рис. 15. Зависимости глубины науглероженных слоев с учетом понижения уровня расплава под давлением пучка от режима воздействия для титана (), железа (), никеля () и меди ()

Экспериментальные значения глубины зоны науглероживания с поправкой на понижение уровня расплава под давлением струи отличаются от их расчетных значений, что требует учета влияния конвективного перемешивания расплава и изменения его свойств вследствие науглероживания.

Показана возможность продвижения фронта плавления в глубь металла уже после окончания импульса за счет тепла, накопленного в зоне легирования при облучении поверхности. Это объясняет причину образования граничной полоски, отделяющую модифицированные слои от основы.

Давление струи на поверхность при высокоинтенсивных режимах обработки приводит к перегреву расплава выше температуры кипения при нормальном давлении и последующему вскипанию его после окончания импульса воздействия. Это обусловливает один из механизмов конвективного перемешивания расплава и выравнивания распределения легирующей добавки по глубине зоны легирования. Экспериментальным подтверждением пузырькового кипения является микропористость поверхности, хорошо различимая на микроуровне.

Показана возможность синтеза интерметаллидных покрытий на поверхности металлов путём оплавления предварительно нанесённых слоёв. Фазовый состав покрытий задаётся соотношением между толщинами оплавляемых слоёв, а тепловой режим обработки рассчитывается по теплофизической модели нагрева поверхности. Способ позволяет получать беспористые покрытия с необходимым комплексом свойств и металлургической связью с основой детали.

Рассмотрены особенности ячеистой кристаллизации зоны легирования. Показано, что они не противоречат теории концентрационного переохлаждения.

Рассмотрены физико-механические процессы в зоне термического влияния. Электровзрывная обработка железа приводит к формированию в зоне термического влияния фазово-наклепанного слоя без последующей рекристаллизации, которая не успевает завершиться в силу кратковременности плазменного воздействия и развивается при последующем высокотемпературном отжиге. Причина зернограничного растрескивания, наблюдающегося в зоне термического влияния при обработке меди, может быть связана с ослаблением границ зерен примесью кислорода, понижающей энергоемкость разрушения под действием возникающих сдвиговых напряжений.

Показано, что импульсная электровзрывная обработка может эффективно использовать для упрочнения керамических теплозащитных покрытий лопаток газотурбинного двигателя путём предварительного наведения на них сетки трещин на глубину 0,1…0,2 от толщины покрытия. Это позволяет снимать концентрацию напряжения в поверхностном слое в процессе эксплуатации покрытий и замедлять их разрушение в два раза.

6. Анализ физико-химических и гидродинамических процессов тепломассопереноса в оплавляемых слоях

Проведено моделирование физико-химических и гидродинамических процессов тепломассопереноса.

Предложена модель науглероживания оплавляемых слоев металлов при воздействии на поверхность импульсных плазменных струй, сформированных при электрическом взрыве углеграфитовых волокон. С учетом результатов рентгенографического определения содержания углерода в модифицированных легированием слоях при различных режимах электровзрывной обработки установлены значения коэффициентов массопереноса через границу раздела плазма-расплав. Определены энергии активации науглероживания металлов, позволяющие считать, что при обработке железа лимитирующей стадией процесса является адсорбционно-химическое взаимодействие углерода с расплавом, а при обработке никеля - конвективное перемешивание расплава.

Анализ имеющихся в литературе теоретических моделей возникновения неустойчивости поверхности расплава, приводящей к образованию поверхностных периодических структур на поверхности расплава, позволил выбрать механизм, основанный на эффекте Марангони. Предложена расчётная формула для пространственного периода поверхностных периодических структур, учитывающая зависимость возмущений поверхностного натяжения от возмущений температуры и концентрации легирующей добавки. Проведённые оценки различных физических параметров наблюдающихся на опыте поверхностных периодических структур показывают хорошее соответствие расчётных и экспериментальных данных и подтверждают обоснованность модельных представлений.

Сравнительный анализ длин волн поверхностных периодических структур на периферии и в центральной области зоны легирования показывает, что в процессе плазменного воздействия возможна эволюция конвективного перемешивания с увеличением длины волны по механизму бифуркаций удвоения периода.

Формирование сдвиговых конвективных структур, наблюдающееся при ЭВЛ, может быть объяснено моделью сдвиговой неустойчивости Кельвина-Гельмгольца, возникающей при течении расплава под действием давления плазменного струи в условиях поперечного градиента скорости при движении вглубь фронта плавления в процессе обработки.

Учёт конвективных механизмов перемешивания расплава позволяет объяснить проникновение легирующей добавки вплоть до границы оплавления и зависимость глубины зоны легирования от режима обработки. С учетом развитых модельных представлений о конвективных механизмах тепломассопереноса при термоконцентрационно-капиллярной конвекции и конвекции при радиальном течении расплава рассчитаны значения эффективной температуропроводности расплава в процессе плазменного воздействия.

7. Повышение свойств модифицированных слоев и возможности практического использования электровзрывного легирования

Продемонстрированы возможности кратного повышения служебных характеристик модифицированных слоев металлов и сплавов. Сделан вывод, что такая обработка обладает рядом технологических и экономических преимуществ перед другими аналогичными способами.

Испытания на микротвёрдость, абразивную износостойкость и жаростойкость в атмосфере воздуха показали, что как ЭВЛ поверхности стали Х12М бором совместно с гадолинием, так и электровзрывное нанесение аналогичных покрытий могут быть с успехом использованы для упрочнения и защиты инструментальных материалов, в условиях, когда поверхность должна обладать одновременно комплексом необходимых эксплуатационных свойств, таких как микротвердость, износо- и жаростойкость.

Показано, что обработка поверхности с плавлением и насыщением поверхностных слоев инструментальной стали Х12 компонентами многофазной струи, сформированной электровзрывом алюминиевой фольги с порошковой навеской ультрадисперсного порошка карбида кремния, позволяет получить зону легирования толщиной 20 мкм. При этом обработка приводит к незначительному уменьшению массы образцов. Легирование и последующая самозакалка расплава приводит к стабилизации -фазы. Микротвердость поверхности в результате обработки увеличилась в 2,8 раза, а абразивная износостойкость - в 8 раз. Жаростойкость в атмосфере воздуха возросла в 9, 3,5 и 2 раза при температуре испытаний 800, 850 и 900 °С соответственно.

Электровзрывное алитирование титана дает возможность создавать защитные слои толщиной до 40 мкм. Скорость окисления поверхности после алитирования при температуре 800 оС уменьшается пятикратно. Дополнительное армирование алитированных слоев порошковыми частицами оксида алюминия приводит к увеличению износостойкости в условиях сухого трения скольжения в 300 раз без понижения жаростойкости. Комплексное легирование титана совместным электровзрывом алюминиевых фольг и углеграфитовых волокон способствует повышению жаростойкости в два раза, а износостойкости в шесть раз.

Разработанные способы ЭВЛ и устройство для упрочнения внутренних цилиндрических поверхностей применены для обработки деталей газотурбинного двигателя. ЭВЛ поверхности чугунной детали, работающей в условиях фреттинг-коррозии, позволило увеличить ее ресурс в 1,3 раза.

Проведена сравнительная оценка экономической эффективности упрочнения сверл электровзрывным способом и ионно-плазменным нанесением покрытий показала конкурентоспособность ЭВЛ.

Заключение

В заключении перечислены основные результаты исследования, отмечены перспективные направления дальнейшей работы.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ.

1. Разработаны материаловедческие и физико-технические основы упрочнения и защиты поверхности металлов и сплавов при одно- и двухкомпонентном ЭВЛ.

2. Проведен расчет параметров плазменной струи, радиуса зоны плазменного воздействия, давления и температуры плазмы в ударно-сжатом слое вблизи облучаемой поверхности, а также поглощаемой плотности мощности на оси струи в зависимости от конструктивных параметров плазменного ускорителя, расстояния от среза сопла до облучаемой поверхности, зарядного напряжения накопителя. Получено удовлетворительное согласие результатов вычислений с экспериментально определенными данными. Предложено модельное описание разрушения фольги, служащей источником многофазной плазмы, и показаны возможности управления структурой формируемой струи выбором материала взрываемого проводника, его толщины и формы, а также энергии накопителя.

3. Экспериментально определены режимы ЭВЛ металлов, связанные с плавлением поверхности, выплеском расплава, проявлением конвективных механизмов тепломассопереноса, эффекта последействия, физико-химическими и физико-механическими свойствами используемых материалов.

4. Установлено, что при двухкомпонентном легировании с использованием порошковых навесок с одной стороны подавляется радиальное течение расплава, а с другой - увеличивается доля областей с развитым рельефом, образованных частицами конденсированной фазы струи, закрепившимися на облучаемой поверхности.

5. Показано, что ЭВЛ осуществляется как плазменным компонентом, так и конденсированными частицами продуктов взрыва. Насыщение расплава осуществляется вплоть до границы с основой. Для различных режимах обработки экспериментально определены радиус и глубина зоны легирования, строение модифицированных слоев. Изучены их микроструктура, фазовый состав, степень легирования в зависимости от режимов обработки.

6. Установлено, что радиальное строение зоны легирования представлено тремя областями (центральной, промежуточной и периферийной), отличающимися различной степенью развития рельефа поверхности и степенью легирования расплава. Выявлено, что по глубине зоны легирования закономерным образом располагается следующие слои с различной степенью легирования, фазовым составом, размерами и формой кристаллитов, плотностью дислокаций и другими особенностям структуры: нанокомпозитный приповерхностный; промежуточный с ячеистой кристаллизацией; приграничный с зеренной структурой и тонкий наноструктурный подслой на границе с зоной термического влияния.

7. Показано, что при однокомпонентном легировании основным по объему является слой с зеренной кристаллизацией, а в случае двухкомпонентного легирования с использованием порошковых навесок промежуточный - слой с ячеистой кристаллизацией. Толщина приповерхностного слоя синтезированных фаз при двухкомпонентном легировании больше, чем в случае однокомпонентного легирования.

8. Установлено, что выравнивание по глубине степени легирования обусловлено термосиловым воздействием на расплав в условиях градиентов температуры и давления, приводящем к развитию конвективных процессов. Результаты моделирования согласуются с экспериментальными данными и позволяют проводить расчеты вкладов в тепломассоперенос выявленных термоконцентрационно-капиллярного и сдвигового перемешивания расплава.

9. Анализ термосилового воздействия струи продуктов взрыва на поверхность показал, что при обработке в высокоинтенсивных режимах достигается перегрев расплава и его последующее вскипание. Оно сопровождается интенсивным охлаждением, связанным с испарением, и способствует формированию нанокомпозитных структур. С другой стороны, высокая скорость охлаждения подавляет процессы рекристаллизации в зоне термического влияния.

10. Проведено модельное описание науглероживания железа и никеля плазменным компонентом многофазной струи, позволившее объяснить возрастание степени легирования расплава с ростом термосилового воздействия плазмы на поверхность.

11. Установлено, что ЭВЛ приводит к одновременному повышению до нескольких раз различных эксплуатационных свойств - микротвердости, жаро- и износостойкости в условиях абразивного износа и сухого трения скольжения, устойчивости к фреттинг-коррозии. Упрочнение достигается за счет высокой степени легирования с образованием мелкодисперсных карбидных и интерметаллидных фаз в вязкой металлической матрице.

12. Разработанные способы ЭВЛ и устройство для упрочнения внутренних цилиндрических поверхностей деталей применены для обработки деталей газотурбинного двигателя. Дополнительное повышение свойств и изменение параметров слоев достигается при комбинированной обработке, сочетающей ЭВЛ и последующую термообработку. Сравнительная оценка предполагаемой экономической эффективности использования ЭВЛ в производстве показала перспективность дальнейших разработок этого способа поверхностного упрочнения металлов.

Литература