Исследование структуры и физико-механических свойств поверхностей материалов и композитных покрытий до и после воздействия концентрированными потоками энергии

Рис. 4. - Зависимость температуры поверхности изделия от времени нагрева (1, 2, 3) и охлаждения (4, 5, 6, 7) при периодическом подключении электрического потенциала: 1 - U₁= 320 B; 2 - U₂ = 200 В, U₁= 320 В, U_охл= 30 В; 3 - U=220 В и при охлаждении: 4 - U_охл=60 В; 5 - U_охл =40 В; 6 - U_охл=20 В; 7 - U_охл =0

На рис. 5 представлено характер изменения микротвердости по глубине образца стали 45, подвергнутой ЭПО.

Рис. 5. - Распределение микротвердости по глубине образца (косой шлиф)

Опыт использования электролитно-плазменной технологии показал, что она эффективна для ряда изделий, где необходимо осуществлять упрочнение локальных участков изделия на глубину до 10 мм. Экспериментальными испытаниями было показано, что упрочненные изделия имеют работоспособность в 2-3 раза выше, чем не упрочненные.

Подробно рассмотрены результаты комплексных исследований стальных и чугунных изделий, обработанных электролитно-плазменным способом в различных режимах.

Рентгеноструктурное исследование показало, что после ЭПО наблюдается уменьшение размеров кристаллитов и резкое повышение плотности дислокаций (свыше 10¹² см-²) после обработки, что также приводит к увеличению прочности материала и к повышению твердости поверхностного (упрочненного) слоя за счет формирования фаз FeO, Fe₂O₃, FeCr, Fe₃O₄.

Особое внимание обращено на активирование плазменным потоком направленного массопереноса легирующих элементов, как из анода, так и из электролита, который регистрируется методами дифракции рентгеновских лучей и Резерфордовского обратного рассеяния. Рассмотрен процесс массопереноса, направленный вглубь образца по линиям напряженности электрического поля как для тяжелых элементов Cu и W, так и для более легких элементов С и О, а также получено экспериментальное подтверждение соответствующего распределения элементов по глубине модифицированного слоя. Влияние на диффузию элементов источника нагрева и наличие водорода в приграничном слое было учтено введением дополнительного коэффициента в основную формулу диффузии. Оценки коэффициента диффузии отдельных элементов, полученные с помощью РОР, показывают, что его значения равны соответственно для меди 810-⁶ см²/c и для вольфрама ? 10^-8 см²/c.

Пятая глава посвящена получению и исследованию покрытий на основе никеля, кобальта, нанесенных импульсно-плазменным (ИПО) потоком с образованием интерметаллидов никеля и алюминия, кобальта и алюминия, имеющих высокие технические характеристики, а также изучению влияния имплантации ионов и последующего плавления покрытия электронным пучком.

Алюминиевые сплавы сочетают в себе множество положительных свойств: низкую плотность, высокую удельную прочность, электро- и теплопроводность, пластичность и вязкость, высокую коррозионную стойкость ко многим органическим кислотам, к морской воде.

Использование метода ИПО для нанесения покрытия из Al-Ni и Al-Co на металлическую подложку предоставляет возможность устранения таких недостатков алюминиевых сплавов, как низкие твердость, износостойкость и модуль упругости, большая химическая активность во многих неорганических кислотах.

Характерным для ИПО является, во-первых, создание оксидного слоя на свободной поверхности покрытий. Во-вторых, образование модифицированного слоя подложки, расположенного в зоне контакта с покрытием. Такой слой характеризуется высокой плотностью дислокаций, формированием субзеренной структуры, наличием упругих напряжений. В-третьих, на поверхности покрытий формируется нанокристаллический слой оксикарбидных фаз с размерами кристаллитов порядка десятков нм и многофазные покрытия (рис. 6). Эти особенности - результат влияния высокоскоростных частиц порошка в плазменной струе и высокой температуры плазменной струи, воздействие которой на поверхность приводит к ряду одновременно идущих процессов в обрабатываемом материале.

Рис. 6. - Схема строения поверхностного и приповерхностного слоя покрытия и подложки: 1 - оксидный слой на свободной поверхности покрытия; 2 - основной слой покрытия; 3 - модифицированный слой подложки (высокая плотность дислокаций, субзеренная структура, упругие напряжения) расположенный в зоне контакта с покрытием; 4 - основной объем подложки

Проведены исследования структуры и морфологии покрытий Al-Ni, Al-Co и Al-Mg-Cu до и после комбинированной обработки. Полученные результаты свидетельствуют о формировании типичного рельефа поверхности покрытия, наблюдаемого при осаждении порошка высокоскоростной импульсно-плазменной струей на подложку (рис. 7). Получаемые таким образом покрытия имеют очень развитый рельеф с высокой степенью шероховатости.

Рис. 7. - Структура поверхности порошкового покрытия, нанесенного ИПО: а - общий вид поверхности; б - участок поверхности с большим разрешением (цифрами указаны участки, в которых проводился микроанализ)

На рис. 8 приведены спектры, полученные с поверхности покрытия в точках, указанных на рис. 7б. Интегральная характеристика этой области (рис. 8а) свидетельствует о том, что основными составляющими покрытия являются Ni и Al. Кроме них на поверхности имеются такие элементы, как Fe, Cr, Cl, Cа и Si. Fe, Cr и Si, которые осели на поверхность в камере сгорания плазмотрона. Неконтролируемая примесь Са адсорбировалась на поверхность покрытия из воздуха.

Рис. 8. - Спектры элементного анализа состава участка порошкового покрытия рисунок 7б: а - интегральная характеристика; б, в - локальный элементный анализ поверхности покрытия

Дополнительный элементный анализ покрытий был проведен методами РОР и УРЯР (рис. 9). Судя по энергетическим спектрам, тонкий приповерхностный слой покрытия состоит из основных составляющих исходного порошка - алюминия и никеля. В покрытии была обнаружена высокая концентрация углерода и кислорода.

Рис. 9. - Энергетические спектры: а - полученный методом упругого резонанса протонов с энергией 2,02 МэВ; б - обратного рассеяния ионов Не⁺ с энергией 1,768 МэВ

По полученным спектрам были рассчитаны эффективные профили всех элементов и найдено распределение концентрации составляющих элементов покрытия по глубине (рис. 10).



Рис. 10. - Концентрационные профили распределения составляющих элементов покрытия по глубине, полученные из энергетических спектров РОР и УРЯР

Рентгеноструктурными исследованиями установлено, что поверхность покрытия большей частью состоит из атомов Ni (85%). Наряду с основной фазой матрицы порошка в покрытии наблюдаются такие фазы, как NiO (4%) и Ni₃C (3%) (рис. 11).

Рис. 11. - Рентгенограммы порошка Al-Ni : а - исходное состояние; б - поверхность порошкового покрытия (Д - пик уменьшен в 3,7 раза; -в 3,1 раза)

Установлено, что ИПО порошка Al-Co обеспечивает плотное, хорошо сцепленное с подложкой покрытие, упрочненное инертными фазами (нитридами и оксидами) в приповерхностном слое. Большая часть химически активных к алюминию элементов находятся в поверхностном слое в виде кластеров AlN⁺, AlO⁺, AlN₂, AlO₂⁺, Al₂N⁺, CoN⁺, COH⁺, AlN₂⁺, которые в совокупности дают нам дисперсные частицы оксидов и нитридов алюминия. Спектр интерметаллидов от Cо₂Al₁₉ до Cо₄Al₁₁₃. Cо₂Al₁₉ имеет температуру плавления 1940 С, поэтому образование интерметаллидов Cо₂Al₁₉, Cо₄Al₁₁₃ повышают жаростойкость изделия с такими покрытиями. Предварительные испытания показали, что материалы имеют высокую температуростойкость свыше 1500 С в очень агрессивной среде.

Легирование алюминиевых сплавов Al-Mg-Cu при плавлении электронным пучком с помощью присадок Sc, Hf, Nb приводит к формированию дендридов и преципитатов с разными геометрическими формами, формирование которых в структуре сплава приводит к увеличению твердости в 2,5 раза (при измерении нанотвердомером) и незначительному повышению модуля упругости, а это в свою очередь свидетельствует о повышении стойкости к упругой деформации.

Расчетами показано и экспериментально подтверждено, что меняя режим обработки с помощью сильноточного электронного пучка можно целенаправленно менять скорость диффузии тугоплавких элементов (на примере W) в сплаве Al-Ni, а также ее направление.

Эффективный коэффициент диффузии D_eff W-имплантата извлекался из профилей распределения, полученных методом РОР, аппроксимированных одним или двумя гауссианами. При этом для концентрационного профиля ионов W использовалось выражение:

, (5)

где ₁ - полуширина профиля для более высокой температуры, ₀ - половина ширины профиля в исходном состоянии (при комнатной температуре), t - время воздействия пучка электронов.

Предполагалось, что диффузия будет проходить по вакансионному механизму без плавления покрытия в результате отжига электронным пучком:

, (6)

где - предэкспоненциальный множитель, который зависит от энтропии активации элементарного акта диффузионного перемещения и не зависит от температуры; U_dif - энергия активации процесса, равная сумме энергии образования и миграции вакансий; с₀ - концентрация вакансий; D и D_a - коэффициент самодиффузии вакансий и атомов, соответственно.

Показано, что пиковая концентрация ионов W уменьшается, и происходит движение положения максимума со временем. В результате плавления электронным пучком образуются оксиды AlO, NiO и более сложный оксид AlO₂Ni. Учитывая образования «полочки» в спектре можно получить стехиометрию соединения используя формулу:

, (7)

N_Ni и N_Al - концентрация Ni и Al в процентах; Н_Ni и Н_Al - амплитуда сигнала от Ni и Al; N_Ni и N_Al - сечение рассеяния от Ni и Al. Для более точных расчетов можно применять модифицированную формулу:

, (8)

где Е_Ni и Е _Al - полуширина сигнала от Ni и Al.

В шестой главе приведены результаты исследования покрытий TiN/Cr/Al₂O₃/, TiN/Al₂O₃/, Ti-Al-N/Ni-Cr-B-Si-Fe/, нанесенных вакуумно-дуговым осаждением с дополнительным использованием ВЧ стимуляции и с последующим воздействием сильноточным электронным пучком.

Анализ литературных данных свидетельствует о том, что тонкие износостойкие покрытия быстро истираются. Физика прочности кристаллических тел, основанная на дислокационных представлениях, дает рекомендации по получению массивного высокопрочного покрытия в виде сэндвича, в котором тонкие слои одного фазового состава необходимо перемежать слоями другого состава.

Вакуумно-дуговое осаждение пленок хрома и титана вносит существенные изменения в рельеф формируемой поверхности. На рис. 12а представлена фотография исходного состояния покрытий TiN/Cr/Al₂O₃/. Более наглядно рельефность видна на рис. 12б. Но, в отличие от полученного плазменной детонацией покрытия -Al₂O₃, поверхность гибридных покрытий имеет более сглаженную структуру без острых выступов.



Рис. 12. - Морфология поверхности гибридных покрытий TiN/Cr/Al₂O₃/: а) общий вид поверхности (увеличение в 25 раз); б) вид участка покрытия при увеличении в 1000 (1, 2, 3 - точки локального элементного анализа поверхности)

Разная толщина осажденных пленок нитрида титана обнаруживается при анализе структуры поверхности гибридного покрытия по глубине. На рис. 13 представлена фотография участка, полученная на косом шлифе. На ней четко видны четыре структурных элемента: подложка (а), слой оксида алюминия (б), пленки хрома (в) и нитрида титана (г).

Рис. 13. - Фотография косого шлифа приповерхностной области (серия №3) 1, 2, 3, 4, 5 - точки локального элементного микроанализа

Гибридные покрытия TiN/Cr/Al₂O₃/ с оплавленным подслоем окиси алюминия облучались сильноточным электронным пучком плотностью тока 8 мА/см². Отжиг покрытия обуславливает формирование однородной поверхностной морфологии. Увеличение плотности тока электронного пучка до 10 мА/см² не вносит существенных изменений в структуру формируемого покрытия. Облучение пучком с плотностью тока 12 мА/см² сопровождается явным оплавлением поверхности металлокерамики.

Поверхность гибридных покрытий состоит из многофазных соединений (рис. 14а). На дифрактограммах дополнительно появляются пики нитрида титана. Оксид алюминия проявляется в виде четких пиков -Al₂O₃. Рефлексы -Al₂O₃ получаются расплывчатыми, поскольку во многих областях дифрактограммы наблюдается наложение -фазы Al₂O₃ и пиков нитрида титана. На рентгенограммах присутствует гало в области углов 30ч34є без четко выраженных пиков, которое связано с наличием в структуре покрытия -фазы Al₂O₃. Предварительно проведенная оценка процентного соотношения фаз в поверхности покрытий TiN/Cr/Al₂O₃/ без термического отжига подслоя оксида алюминия указывает на то, что основу матрицы поверхности составляет около 60 вес.% -фазы Al₂O₃, 25 вес.% -Al₂O₃ и 15 вес.% (-Al₂O₃+TiN). Параметры решетки соответственно равны: -Al₂O₃ (а=4,77 Е; с=13,07 Е; с/а=2,74); а(-Al₂O₃)=7,90 Е, а(TiN)=4,25 Е (а_таб(TiN)=4,23 Е).

Рис. 14. - Фрагменты дифрактограмм фазового состава: а) - поверхностных слоев гибридных покрытий TiN/Cr/Al₂O₃/; б) - поверхностных слоев гибридных покрытий TiN/Cr/Al₂O₃/ после термического отжига электронным пучком

Сравнивая фотографии поверхностей гибридных покрытий в исходном состоянии (рис. 12) и после электронного оплавления подслоя оксида алюминия (рис. 15), можно отметить явное сглаживание неоднородностей порошкового слоя Al₂O₃ и образование менее рельефной структуры поверхности. При такой последовательности модификации покрытий на поверхности сохраняются включения округлой и овальной форм.

Рис. 15. - Морфология поверхности гибридных покрытий TiN/Al₂O₃/ с оплавленным подслоем оксида алюминия (крестиками обозначены точки, в которых проводился элементный анализ поверхности): а) - общий вид поверхности (увеличение в 25 раз); б) - общий вид поверхности (увеличение в 400 раз); в) - морфология поверхности участка гибридного покрытия, на котором исследовался его элементный состав (увеличение в 2000 раз)

Получен и исследован новый тип комбинированных нанокомпозитных покрытий толщиной от 80 до 90 мкм, полученный как плазменно-детонационной технологией Ni-Cr-B-Si-Fe, так и распылением мишени магнетрона и осаждением покрытия Ti-Al-N с наноразмерными зернами и улучшенными физико-механическими характеристиками. На рис. 16 представлены спектры обратного рассеяния протонов и ионов гелия ⁴Не⁺, измеренные на образцах Ti-Al-N/Ni-Cr-B-Si-Fe/. Видно, что в тонком покрытии имеются элементы: Al, Ti, Ni, О.

Рис. 16. - Энергетические спектры Резерфордовского обратного рассеяния: а) протонов с энергией 2,012 МэВ; б) ионов Не⁺ c энергией 2,035 МэВ на комбинированном покрытии Ti-Al-N/Ni-Cr-B-Si-Fe/

Из спектров РОР видно образование «полочки», свидетельствующей о взаимодействии Ti и Al. Рентгеноструктурными исследованиями установлено образование соединения Ti₅₀Al₅₀. Наряду с TiAl, также образуется соединение TiN. Часть кислорода взаимодействует с Al и образуется оксид Al₂O₃. На рис. 17 представлено изображение поперечного шлифа тонкого Ti-Al-N и толстого Ni-Cr-B-Si-Fe покрытий.

Рис. 17. - Изображение сечения покрытия и подложки, полученного под углом 12°ч15° (показаны границы тонкого, толстого слоев и обозначены точки рентгеновского микроанализа)

В покрытии по глубине среза был проведен микроанализ, показывающий, что в тонком покрытии присутствует только титан и алюминий. На межфазной границе «тонкая пленка-покрытие» обнаружены Ti, Al, Ni, Cr, Fe и Si. В толстом слое обнаружены Ni, Cr, Fe Si (около 45% составляет Ni, остальное - другие примеси). Исследованиями на нанотвердость установлено, что модуль упругости нанокомпозитного покрытия из Ti-Al-N/Ni-Cr-B-Si-Fe/ имеет значение Е_ср~340 ГПА, при среднем значении твердости Н=21 ГПа (рис. 18). Достаточно высокое значение твердости связано с тем, что минимальный размер зерен (Ti-Al)N составляет 18-24 нм.

Рис. 18. - Кривая «нагружения и разгрузки» образца с Ti-Al-N/Ni-Cr-B-Si- Fe(Mo,W) покрытием

У керамических и металлокерамических материалов Н³/Е² обычно не превышает значения 0,2 ГПа, а оно в TiN на порядок меньше. Полученный класс нанокомпозитных комбинированных покрытий имеет значение параметра Н³/Е² в интервале 0,067ч0,068 ГПа. Для многих материалов высокие значения Н/Е указывают на то что, он обладает высокой износостойкостью, если имеет модуль упругости близкий к модулю Юнга материала подложки. Это может свидетельствовать о высоких механических характеристиках при работе в условиях абразивного, эрозионного и ударного износа.

Измерения твердости с помощью микро и наноиндентора показали, что твердость «толстого» покрытия из Al₂O₃ составляет от 9,2 до 18,4 ГПа в зависимости от фазового состава и размера зерна. Покрытие, нанесенное из Ti-Al-N/TiN имеет твердость от 19,6 до 24 ГПа, а в отдельных участках с наноструктурой (мелкие зерна размерами от 5,8 до 9,2 нм) имеет твердость до 32ч34 ГПа, при этом модуль упругости составлял Е=345 ГПа.

Из результатов исследования на коррозионную стойкость и данных расчетов видно, что покрытия обладают высокой коррозионной стойкостью в растворе 2% NaCl и имеют очень низкую скорость коррозии и ток коррозии, что говорит о высоких физико-механических характеристиках (рис. 19). Предварительные испытания на стойкость к износу по схеме «плоскость-цилиндр» показали, что покрытия на основе Ti-Al-N/Ni-Cr-B-Si-Fe/ обладают высокой стойкостью к износу примерно в 25 раз выше, чем материал подложки, по крайней мере, в первые 2 часа. Адгезия между тонким и толстым покрытием в 2,5 раза выше по сравнению с адгезией толстого покрытия к подложке.

Рис. 19. - Кривые Тейфеля, полученные в растворе 2% NaCl для образцов Ti-Al-N/Ni-Cr-B-Si-Fe/: а) Ti₂₅-Al₂₅-N₅₀; б) N₄₀-Al₃₀-Ti₃₀

Исследование морфологии и структуры покрытия Ti-Al-N/Ti-N/Al₂O₃/ проводилось на растровом электронном микроскопе с использованием отраженных и вторичных электронов. На подложку из стали AISI 321 наносили порошок б-Al₂O₃ с размерами частиц 27ч56 мкм. Затем на установке «Булат 3Г» без ВЧ разряда создавали тонкое покрытие из TiN толщиной 1,5ч2,0 мкм. После чего на этой же установке с применением ВЧ наносилось тонкое покрытие 2,4 ч2,8 мкм из Ti-Al-N.

Анализ химического состава поверхности и распределения элементов поводили с помощью волнового и энергодисперсионного микроанализаторов. Дополнительно элементный состав и его стехиометрию определяли с помощью метода РОР ионов гелия Е_Не=2,297 МэВ, Е_Не=1,3 МеВ и протонов Е_р=1,001 МэВ. Фазовый состав поверхности анализировался методом рентгеноструктурного анализа (рис. 20).

Рис. 20. - Фрагменты дифрактограмм: а) - образец TiN в диапазоне 2и= (32-53); б) - (Ti_0,5Al_0,5)N (сторона покрытия)

Как видно из результатов расшифровки спектров в первом покрытии сформированы 2 фазы TiN и TiN_0,26 при соотношении фаз 65% к 35%. После обработки спектров РОР с использованием модельных спектров были получены профили элементов, составляющих покрытие (таблица 1).

Таблица 1 - Распределение элементов по глубине покрытия

Глубина, Е	Концентрация элементов, ат. %
	Ta	Nb	Ti	Al	O	C	N
250	0,10	0,54	40,07	16,40	28,70	13,42	0,77
500	0,10	0,54	40,07	16,44	28,92	13,17	0,76
1000	0,10	0,54	40,65	16,25	28,77	12,92	0,77
1520	0,10	0,54	40,01	16,11	28,74	13,38	1,12
2041	0,10	0,54	40,36	16,19	27,92	13,22	1,67
11041	0,10	0,54	40,32	16,26	29,13	13,65	0,00
20041	0,10	0,54	30,05	16,79	26,31	26,17	0,00

На рис. 21 представлено СТМ изображение, из которого были определены параметры зонной структуры с разрешением 1 нм. Наблюдается «сложное» строение поверхности покрытия с вершинами конусов размерами до 5,2 нм. Имеет место чередующее «строение» неоднородностей небольших размеров, соизмеримых с пределом разрешения установки.



Рис. 21. - Изображение поверхности образца с твердым нанокомпозитным покрытием из Ti-Al-N, полученное с помощью сканирующего туннельного микроскопа

В составе нанокомпозитного покрытия Ti-Al-N/Ni-Cr-B-Si-Fe/ обнаружено формирование фаз Ti₃AlN+Ti₂Al₂N₂, а также фаз, образованных в результате взаимодействия плазмы с толстым покрытием Al₃Ti+Ni₃Ti. Установлено, что фаза TiAlN является нанодисперсной с размерами зерен 18ч24 нм, а другие фазы и соединения имеют больший размер зерен - от 35 до 90 нм. Скорость коррозии данного покрытия мала и составляет 4,8 мкг/год, т.е. примерно на 2 порядка меньше, чем для нержавеющей стали (подложка). Исследования стойкости к износу по схеме «плоскость-цилиндр» показали высокую стойкость к истиранию и высокое значение адгезии между толстым и тонким покрытием.

Покрытия Ti-Al-N, с размером кристаллитов 12-15 нм, полученные методом ионно-плазменного осаждения с ВЧ стимуляцией имеют следующие характеристики нанокристаллических покрытий: твердость Н=35 ГПа, модуль упругости Е=363,6 ГПа, критерий вязкопластичности 0,09.

При трении системы сталь Х12М-покрытие Ti-Al-N в среде масла АМГ-10 происходит перераспределение алюминия в покрытии за счет его диффузии к поверхности с образованием защитного слоя Al₂O₃. На основе анализа полученных результатов установлено, что нанокомпозитные покрытия Ti-Al-N с содержанием Al 16 ат. % обладают высокими трибологическими характеристиками. Скорость износа уменьшилась в 12 раз, критическая нагрузка задирообразования увеличилась ~20 % по сравнению с TiN покрытием.

Выводы

1. Экспериментально установлено, что керамические покрытия на основе Al₂O₃, полученные методом микродугового оксидирования с последующей ионной имплантацией и термическими отжигом электронным пучком имеют высокие твердость 17 ГПа и адгезию к подложке 65 МПа, а также повышенную до 20 % микротвердость, по сравнению с неимплантированным покрытием.

Структурно-фазовым и металлографическим анализами обнаружено формирование достаточно протяженных модифицированных слоев толщиной до 250 мкм, содержащих тугоплавкие твердые оксиды Al₂O₃, CrO₃, SiO₂, CaO, а также карбид Fe₃C.

2. Выполненные элементное, структурно-фазовое и электронно-микроскопическое исследования показали, что в образцах из сталей и чугуна, подвергнутых электро-химической обработке в режиме термоциклирования формируются закаленные поверхностные слои с мелкозернистой мартенситной структурой толщиной до 10 мм с высокой твердостью 68 НRC, что обусловлено высокой плотностью дислокаций 10¹² см-², превращением -Fe и образованием FeО до 15 % в зоне термического воздействия.

Предложен способ расчета температуры Т₀ поверхности образца при воздействии электролитной плазмы с использованием показаний двух термопар, размещенных на разных глубинах от обрабатываемой поверхности изделия.

3. Экспериментально показано, что в покрытиях Al-Ni, Al-Co, нанесенных на медную подложку импульсно-плазменной технологией после имплантации ионами W в импульсном режиме формируются интерметаллидные соединения Ni₃Al, Co₂Al₁₉, Co₄Al₁₁₃ и равномерно распределенные частицы Al₂O₃, что приводит к увеличению микротвердости до 25-30 %, повышению жаростойкости до 1500 С в агрессивной среде по сравнению с неимплантированными образцами.

Обнаружено, что легирование алюминиевых сплавов Al-Mg-Cu при плавлении электронным пучком с помощью присадок с такими элементами как Sc, Hf, Nb приводит к формированию дендридов и наноразмерных выделений с разными геометрическими формами, формирование которых в структуре сплава приводит к увеличению твердости в 2,5 раза по сравнению с исходным сплавом.

4. Впервые оценены «эффективные» коэффициенты диффузии имплантированных ионов Ti и W в гетерогенных системах таких как Al-Ni и Al₂O₃/Al/С в результате воздействия сильноточного электронного пучка.

5. Обнаружено, что в композитных покрытиях на основе Ti-Al-N/Ni-Cr-B-Si-Fe толщиной до 90 мкм, полученных с помощью комбинаций двух технологий: магнетронного распыления и плазменно-детонационной технологии формируются нанодисперсные фазы Ti₃AlN+Ti₂Al₂N₂, Al₃Ti+Ni₃Ti, TiAlN с размерами зерен 18ч24 нм, приводящие к увеличению модуля упругости до Е_ср=342 ГПа, среднего значения твердости до Н=21 ГПа. Лабораторными исследованиями установлено, что скорость коррозии данного покрытия составляет 4,8 мкг/год, т.е. на 2 порядка меньше, чем для нержавеющей стали (подложка).

6. Установлено, нанокристаллические покрытия Ti-Al-N с размером кристаллитов 12-15 нм с содержанием Al 16 ат.%, полученные методом ионно-плазменного осаждения с ВЧ стимуляцией имеют высокие эксплуатационные характеристики: микротвердость Н=35 ГПа, модуль упругости Е=364 ГПа, критерий вязкопластичности 0,09. Лабораторные испытания показали, что скорость износа уменьшается в 12 раз, критическая нагрузка задирообразования увеличивается ~ 20 % по сравнению с TiN покрытием.

Список опубликованных работ по теме диссертации

1. Ахметжанов Б.К., Кылышканов М.К., Касымов М.К., Садилов К.А., Плотников А.Л. // Влияние высокоэнергетического воздействия на структурно-фазовые превращения и механические свойства дисперсионно-твердеющих сплавов // Тезисы докладов II-Международной конференции. Ядерная и Радиационная Физика. Алматы, 7-10 июня 1999. С.214.

2. Плотников С.В., Кылышканов М.К. // Воздействие мощных импульсных пучков ионов на металлические бинарные системы // Тезисы докладов II-Международной конференции. Ядерная и Радиационная Физика. Алматы, 7-10 июня 1999. С.216.

3. Касымов М.К., Кылышканов М.К., Ахметжанов Б.К. // Влияние импульсного высокоэнергетического воздействия на эволюцию дислокационных структур в сплаве 36НХТЮ // 10th International Conference of Radiation Physics and Chemistry of Inorganic Materials (RPC-10), Tomsk, Russia, September 21-25, 1999. P.69.

4. Кылышканов М.К., Касымов М.К., Садилов К.А. // Алюминид никеля Ni₃Al - как основа жаропрочных сплавов // Сборник докладов Международной конференции. Наука и образование - ведущий фактор стратегии «Казахстан-2030». Караганда, 27-28 июня 2000. С. 439-441.

5. Касымов М.К., Ахметжанов Б.К., Кылышканов М.К. и др. // Структурно-фазовые превращения и механические эффекты в сплавах при высокоэнергетическом воздействии // Тезисы докладов VI-Казахстанской Конференции по Физике твердого тела. Актобе, 4-6 октября, 2000. С.90-92.

6. Касымов М.К., Кылышканов М.К., Назаров Ю.К. // Сверхпластичность дисперсионно-твердеющего сплава // Тезисы докладов VI-Казахстанской конференции по Физике твердого тела. Актобе, 4-6 октября, 2000. С.136-137.

7. Кылышканов М.К. // ?уатты импульстік иондар шо?ырымен металдарды с?улелендіргенде пайда болатын со??ы тол?ынны? таралуын модельдеу // Сборник докладов Республиканской научной конференции молодых ученых, посвященной 10-летию независимости РК, Алматы, 2001. С.67-71.

8. Касымов М.К., Кылышканов М.К. // Эффекты высокоэнергетического воздействия в дисперсионно-твердеющих сплавах // Тезисы докладов II-Международной научной конференции. Современные достижения физики и фундаментальное физическое образование. Алматы, 3-5 октября, 2001. С.35.

9. Касымов М.К., Кылышканов М.К., Назаров Ю.К. // Исследование сверхпластичности дисперсионно-твердеющего сплава // Тезисы докладов II-Международной научной конференции. Современные достижения физики и фундаментальное физическое образование. Алматы, 3-5 октября, 2001. С.33.

10. Plotnikov S.V., Erdybaeva N.K., Kylyshkanov M.K. // Influence of the power pulse ion beam irradiation on BCC-Fe // China-Russia Seminar on Nonequilibrium Phase Transition under Ultra-Conditions (NEPTUC), Yanshan University, July 29-31, 2001. Р.47.

11. Plotnikov S.V., Rusin Y.G., Erdybaeva N.K., Kylyshkanov M.K. // Structure-phase transformation in bimetallic systems under power pulse influence // China-Russia Seminar on Nonequilibrium Phase Transition under Ultra-Conditions (NEPTUC), July 29-31, 2001, Yanshan University, p.31-32.

12. Касымов М.К., Кылышканов М.К., Садилов К.А., Плотников А.Л. // Жаропрочные конструкционные материалы на никелевой основе // Сборник докладов II-Республиканской научно-технической конференции. Научно-технический прогресс: управление качеством, энерго- и ресурсосбережение на пороге ХХI века. Усть-Каменогорск, 27-29 марта, 2001. С.26-

13. Тастембеков Т.А., Назаров Ю.К., Кылышканов М.К. // Исследование зависимости эксплуатационных характеристик порошковых дисперсноупрочненных сплавов от структуры // Сборник материалов VII-Международной конференции по физике твердого тела (ФТТ-7). Усть-Каменогорск, 2002. С.123-124.

14. Погребняк А.Д., Кылышканов М.К. // Расчет диссипации энергии волны, генерируемой МИПИ // Сборник тезисов VII Международной школы-семинара «Эволюция дефектных структур в конденсированных средах. Компьютерное моделирование», Усть-Каменогорск-Барнаул, 2003, С.118-119.

15. Pogrebnjak A.D., Gritsenko B.P., Kylyshkanov M.K. et all // Structure and properties of combined coatings on C (graphite)/Al/Al₂O₃ base after Ti ion implantation with subsequent electron beam irradiation // Материалы 8-ой Международной конференции «Физика твердого тела», Алматы, 2004, С.105-118/

16. Погребняк А.Д., Бойко А.Г., Гриценко В.П., Кылышканов М.К. и др. // Некоторые закономерности формирования комбинированных покрытий Al/Al₂O₃ на основе графита до и после обработки пучками частиц // Вестник Сумского государственного университета. Серия «Физика, математика, механика», 2004, №8(67), С.69-80.

17. Погребняк А.Д., Кылышканов М.К., Погребняк Н.А.// Нелинейные эффекты в Cu с Al-Ni покрытием, имплантированном ионами W и последующим электронным облучением // Вестник КарГУ. Серия Физика, Караганда, №3(35), 2004, С.19-22.

18. Погребняк А.Д., Кылышканов М.К. // Электролитно-плазменная обработка - как способ улучшения эксплуатационных свойств режущего инструмента // Вестник ВКГТУ, Усть-Каменогорск , 2004, №3. С.127-133.

19. ?ылыш?анов М.?. // Б?лшектер шо?ырымен ат?ылау н?тижесінде графит бетіндегі аралас Al/Al₂O₃ жабынны? т?зілу за?дылы?тары // Вестник КазНТУ им. К.И.Сатпаева, Алматы, №6(44), 2004, С.156-162.

20. ?ылыш?анов М.?.// Шойынды электролитті-плазмалы? ??деу кезіндегі масса тасымалдау ж?не легірлеу процестерін зерттеу // Вестник КарГУ. Серия Физика, Караганда, №4(36), 2004, С.33-37.

21. Погребняк А.Д., Кылышканов М.К. // Ресурсосберегающая технология защиты поверхности конструкционных материалов с Al-Ni покрытием // Материалы 1-ой Международной научно-технической конференции «Энергетика, экология, энергосбережение», Усть-Каменогорск, 2005, С.266-269.

22. Погребняк А.Д., Гриценко В.В., Кылышканов М.К. и др. // Структура и свойства покрытия Al-Ni, нанесенного на подложку Cu после имплантации ионов W и последующего облучения электронным пучком // Поверхность, Москва, 2005, №12, С.73-79.

23. Гриценко В.В., Погребняк А.Д., Кылышканов М.К. и др. // Триплексная обработка покрытий из Al-Ni // Физическая инженерия поверхности, Харьков, 2005, т.3, №3-4, С.192-200.

24. Погребняк А.Д., Тюрин Ю.Н., Кылышканов М.К. и др. // Электролитно-плазменная обработка и нанесение покрытий на металлы и сплавы // Успехи физики металлов, НАН Украины, Киев, 2005, Т.6, №6, С. 273-344.

25. Погребняк А.Д., Дядюра К.А., Кылышканов М.К. и др. // Исследование характеристик и коррозионной стойкости покрытий из Al₂O₃, осажденных электролитно-плазменным оксидированием // Компрессорное и энергетическое машиностроение, Сумы, 2005, №4(6), С.105-108.

26. Pogrebnyak A.D., Gritsenko B.P., Kylyshkanov M.K. et. al. // Electron-Beam-Induced Modification of Stoichiometry and Acceleration of Titanium Diffusion in Al₂O₃/Al/C Structures // Technical Physics Letters, Moscow, 2006, Vol.32, №12. РР. 1060-1063.

27. Погребняк А.Д., Кылышканов М.К., Погребняк Н.А. // Комплексный способ защиты поверхности конструкционных материалов с Al-Ni покрытием // Тяжелое машиностроение, Москва, 2006, №10, С. 32-35.

28. Pogrebnyak A.D., Gritsenko B.P., Kylyshkanov M.K. et. al.// Structure and properties of Al-Ni Coating Before and After Irradiation by Charged Beam Particles // 8-th International Conference on Modification of Materials with Particle Beams and Plasma Flows, Tomsk, 2006. pp. 446-449 (Известия вузов. Серия физическая. 2006. №8. Приложение. С.446-449.

29. Pogrebnyak A.D., Tyurin Yu., Kylyshkanov M.K. et. al. // Ti ion implantation and electron beam treatment of Al/Al₂O₃ coatings deposited on graphite substrate // VI-th International Conference «Ion Implantation and other applications of ions and electrons», Kazimers Dolny, Poland, 2006, Р. 47.

30. Pogrebnyak A.D., Gritsenko B.P., Pogrebnyak N.A., Kylyshkanov M.K. et. al. // Structure and properties of Al-Ni Coating Before and After Irradiation by Charged Beam Particles // VI-th International Conference «Ion Implantation and other applications of ions and electrons», Kazimerz Dolny, Poland, 2006, Р.165.

31. Погребняк А.Д., Алонцева Д.Л., Кылышканов М.К. // Структура и свойства алюминиевых сплавов после обработки концентрированными потоками энергии // Физическая инженерия поверхности, Харьков, 2007, т.5, №1-2, С.34-49.

32. ?ылыш?анов М.?. // Al-Ni ?нта?ымен жабындал?ан мыста?ы W иондарыны? имплантациясын зерттеу // Вестник КазНУ, Алматы, 2007, №1(23), С.96-101.

33. Kylyshkanov M.K. // Properties of hybrid TiN/Al₂O₃ coatings using electron beam melting // Физическая инженерия поверхности, Харьков, 2007, т.5, №3-4, С.149-154.

34. Pogrebnjak A.D., Duvanov S.M., Kylyshkanov M.K. et. al. // Mass Transport of W atoms and Variation of Stoichiometry in Al-Ni Coating as a result of Electron Beam Irradiation // Technical Physics, 2007, Vol.52, №11, pp. 1502-1505.

35. Погребняк А.Д., Алонцева Д.Л., Кылышканов М.К. и др. // Структура и свойства алюминиевых сплавов Al-Ni, Al-Co, Al-Mg-Cu до и после обработки концентрированными потоками энергии // Вестник Сумского государственного университета. Серия «Физика, математика, механика», 2007, №2, С.5-26.

36. Кылышканов М.К., Комбаев К.К. // Исследование структуры и свойств стали после электролитно-плазменной обработки // Материалы международной научно-практической конференции «Валихановские чтения», Кокшетау, Казахстан, 2007, т.7, С.286-289.

37. Pogrebnjak A.D., Tyurin Yu.N., Kylyshkanov M.K. et. al.// Ti ion implantation and electron beam treatment of Al/Al₂O₃ coatings deposited on graphite substrate // Abstracts of the 9-th European Conference on Accelerators in applied research and technology, Florence, Italy, 2007, p.107.

38. Pogrebnyak A.D., Kravchenko Yu.A., Kylyshkanov M.K. et. al. // Modification of properties of hybrid TiN/Al₂O₃ coatings using Electron Beam Melting // Przeglad Elektrotechniczny, Warszawa, Poland, 2008, №3, P.297-300.

39. Kylyshkanov M.K. // Energy saving electrolyte-plasma technologies for thermal-cycling surface hardening of big-size tools // VII-th International Conference «Ion Implantation and other applications of ions and electrons» ION2008, Kazimerz Dolny, Poland, 2008, p.140.

40. Kylyshkanov M.K. // Structure and properties of Al-Ni coating before and after irradiation by charged beam particles // VII-th International Conference «Ion Implantation and other applications of ions and electrons» ION2008, Kazimerz Dolny, Poland, 2008, p.142.

41. Alontseva D.L., Kylyshkanov M.K., Shypylenko A.P. // Structure and properties of aluminums alloys after treatments by the concentrated flows of energy // VII-th International Conference «Ion Implantation and other applications of ions and electrons» ION2008, Kazimerz Dolny, Poland, 2008, p.141.

42. Pogrebnjak A.D., Tyurin Yu., Kylyshkanov M.K. // Ti ion implantation and electron beam treatment of Al/Al₂O₃ coatings deposited on graphite substrate // VII-th International Conference «Ion Implantation and other applications of ions and electrons» ION2008, Kazimerz Dolny, Poland, 2008, p.152

43. Кылышканов М.К. // Получение комбинированного покрытия из Al₂O₃/Al/C композита под действием электронного пучка // Международная Казахстанско-Российско-Японская научная конференция «Перспективные технологии, оборудование и аналитические системы для материаловедения и наноматериалов», Усть-Каменогорск, 2008, С.72-78.

44. Кылышканов М.К. // Изучение свойств порошкового покрытия из Al-Ni, обработанного высокоэнергетическими потоками // Материалы международной Казахстанско-Российско-Японской научной конференции «Перспективные технологии, оборудование и аналитические системы для материаловедения и наноматериалов», Усть-Каменогорск, 2008, С.254-263.

45. Кылышканов М.К. // Комплексная обработка покрытия из Al-Ni пучками частиц // Вестник КарГУ. Серия Физика, Караганда, №3(51), 2008, С.61-67

46. Кылышканов М.К. // Термоциклическая электролитно-плазменная закалка стальных изделий // Известия НАН РК. Серия физико-математическая, Алматы, Казахстан, 2008, №5, С.46-51.

47. Кылышканов М.К. // Электролитно-плазменная обработка изделий на основе железа // Известия вузов. Серия Физика, Томск, №11/2, 2008, С.20-24.

48. Погребняк А.Д., Братушка С.Н., Кылышканов М.К. и др. // Структура и свойства оксидных покрытий, полученных электролитно-плазменным оксидированием на подложке из Al-Cu и Al-Mg сплавов // Физическая инженерия поверхности, Харьков, 2008, т.6, №1-2, С.43-50.

49. Кылышканов М.К., Комбаев К.К. // Инновационные направления обработки стали для ремонтных предприятий // Материалы международной научно-практической конференции «Роль университетов в создании инновационной экономики», Усть-Каменогорск, Казахстан, 2008, С.520-522 (Вестник ВКГТУ, Усть-Каменогорск, 2008, №4. С.13-16).

50. Кылышканов М.К., Комбаев К.К. // Методы поверхностного упрочнения чугуна на основе электролитно-плазменной обработки // Материалы международной научно-практической конференции «Роль университетов в создании инновационной экономики», Усть-Каменогорск, Казахстан, 2008, С.516-519.

51. Кылышканов М.К., Комбаев К.К. // Инновационные направления обработки стали для ремонтных предприятий // Материалы международной научно-практической конференции «Роль университетов в создании инновационной экономики», Усть-Каменогорск, Казахстан, 2008, С.520-522. (Вестник ВКГТУ, Усть-Каменогорск, 2008, №4. С.13-16.)

52. Погребняк А.Д., Береснев В.М., Кылышканов М.К. и др. // Получение и исследование нанокомпозитных и комбинированных покрытий Ti-Al-N/Ti-N/Al₂O₃ // Материалы международной научной конференции «Физико-химические основы формирования и модификации микро- и наноструктур», Харьков, Украина, 2008, С.14-16.

53. Kylyshkanov M.K. // Structure ad properties of aluminums alloys after treatments by the concentrated flows of energy // International Conference «Radiation Interaction with material and its use in technologies», Kaunas, Lithuania, 2008, P.43.

54. Погребняк А.Д., Береснев В.М., Кылышканов М.К. и др. // Особенности структуры и свойств твердых Ti-Al-N и сверхтвердых Ti-Si-N нанокомпозитных покрытий, осажденных PVD в ВЧ разряде // Физическая инженерия поверхности, Харьков, 2008, т.6, №3-4, С.221-227

55. Погребняк А.Д., Кылышканов М.К., Алонцева Д.Л. // Структура и свойства поверхностей материалов и композитных покрытий до и после воздействия концентрированными потоками энергии // Монография. Усть-Каменогорск: ВКГТУ, 2008. - 296 с.

56. Кылышканов М.К., Шакаримов Ш.С., Лопухов Ю.И. // Исследование свойств никель-хромовых покрытий, нанесенных методом плазменного напыления // Вестник ВКГТУ, Усть-Каменогорск, 2008, №4. С.80-84.

57. Погребняк А.Д., Дробышевская А.А., Береснев В.М., Кылышканов М.К. и др. // Нанокомпозитные защитные покрытия на основе Ti-Al-N/Ni-Cr-B-Si-Fe, их структура и свойства // XVIII Международное совещание «Радиационная физика твёрдого тела», Севастополь, 2008, С.349-357.

58. Pogrebnyak A.D., Beresnev V.M., Kylyshkanov M.K. // Effect of substrate on structure and mechanical properties of coatings on Ti-Al-N base // 6-th International Conference «New Electrical and Electronic Technologies and their Industrial Implementation», Zakopane, Poland, 2009, P.53.

59. Погребняк А.Д., Кылышканов М.К. // Исследование структуры и свойств нанокомпозитных защитных покрытий на основе Ti-Al-N/Ni-Cr-B-Si-Fe // Известия Кыргызского государственного технического университета им. И.Раззакова, Бишкек, 2009, №17, С.91-94.

60. Кылышканов М.К., Комбаев К.К. // Влияние режимов электролитно-плазменной закалки на структуру и свойства стали бурового долота // Труды университета (КарГТУ), Караганда, 2009, №2(35), С.16-18.

61. Кылышканов М.К., Комбаев К.К., Лопухов Ю.И. // Влияние электролитно-плазменной обработки стали 18ХН3МА-Ш на поверхностную микроструктуру и твердость // Инженерия и технологии, Сибирский федеральный университет, Красноярск, 2009, №2, С.394-399.

62. Кылышканов М.К., Комбаев К.К., Лопухов Ю.И. // Исследование свойств модификации поверхности после электролитно-плазменной обработки стали 18ХН3МА-Ш // Вестник национальной инженерной академии Республики Казахстан, Алматы, 2009, №2(32), С.142-146.

63. Береснев В.М., Комаров Ф.Ф., Купчишин А.И., Погребняк А.Д. Кылышканов М.К. // Наноматериалы, нанопокрытия, нанотехнологии // Учебное пособие. Усть-Каменогорск, 2009. - 157 с.

64. Купчишин А.И., Кылышканов М.К., Комбаев К.К., Арюткин К.Н. // Исследование свойств стали бурового инструмента после лучевой обработки // Радиационно-термические эффекты в металлах, сплавах и композитах. Сб. научных статей КазНПУ им. Абая, НИИ экспериментальной и теоретической физики КазНУ им. Аль-Фараби / Под ред. А.И.Купчишина. - Алматы, 2009, С.3-7.

65. Купчишин А.И., Кылышканов М.К. // Радиационная обработка покрытий пучками частиц // Радиационно-термические эффекты в металлах, сплавах и композитах. Сб. научных статей КазНПУ им. Абая, НИИ экспериментальной и теоретической физики КазНУ им. Аль-Фараби / Под ред. А.И.Купчишина. - Алматы, 2009, С.7-14.

66. Погребняк А.Д., Купчишин А.И., Кылышканов М.К. // Изучение структуры и свойств нанокомпозитных покрытий на основе Ti-Al-N/Ni-Cr-B-Si-Fe // Радиационно-термические эффекты в металлах, сплавах и композитах. Сб. научных статей КазНПУ им. Абая, НИИ экспериментальной и теоретической физики КазНУ им. Аль-Фараби / Под ред. А.И.Купчишина. - Алматы, 2009, С.14-19.

67. Погребняк А.Д., Береснев В.М., Ильяшенко М.В., Кылышканов М.К. и др. // Исследование структуры и свойств твердых и сверхтвердых нанокомпозитных покрытий // Радиационно-термические эффекты в металлах, сплавах и композитах. Сб. научных статей КазНПУ им. Абая, НИИ экспериментальной и теоретической физики КазНУ им. Аль-Фараби / Под ред. А.И.Купчишина. - Алматы, 2009, С.19-28.

68. Кылышканов М.К., Комбаев К.К., Купчишин А.И., Лопухов Ю.И. // Влияние лучевой обработки стали на микроструктуру поверхности и прочностные свойства // Радиационно-термические эффекты в металлах, сплавах и композитах. Сб. научных статей КазНПУ им. Абая, НИИ экспериментальной и теоретической физики КазНУ им. Аль-Фараби / Под ред. А.И.Купчишина. - Алматы, 2009, С.28-31.

69. Купчишин А.И., Кылышканов М.К. и др. // Моделирование на ЭВМ и экспериментальные исследования радиационных процессов в железе и твердых сплавах // Монография. Алматы, 2010. - 263 с.

70. Комбаев К.К., Скаков М.К., Кылышканов М.К. // Исследование влияния электролитно-плазменной обработки на структуру и износостойкость стали бурового инструмента // Вестник КазНТУ им. К.И.Сатпаева, Алматы, №1(77), 2010, С.105-111.

71. Береснев В.М., Погребняк А.Д., Турбин В.П., Дуб С.Н., Кирик Г.В., Кылышканов М.К., Швец О.М., Гриценко В.И., Шипиленко А.П. // Триботехнические и механические свойства нанокомпозитных покрытий Ti-Al-N, осажденных ионно-плазменным методом // Трение и износ, Москва, 2010, №5, С.1-9.

72. Комбаев К.К., Смагулов Д.У., Кылышканов М.К. // Структурно-фазовые превращения в стали 18ХН3МА-Ш при электролитно-плазменной обработке // Вестник КазНТУ, Алматы, 2010, №3, С.199-206.

73. Кылышканов М.К. // Исследование оксидных покрытий на алюминиевых сплавах и закаленных поверхностных слоев изделий на основе железа, полученных методом электрохимической обработки // Монография. Усть-Каменогорск, 2010. - 151 с.

74. Валяев А.Н., Погребняк А.Д., Кылышканов М.К. и др. // Способ упрочнения стальных изделий // Предварительный Патент на изобретение РК №9840, 15.01.2001.

75. Валяев А.Н., Погребняк А.Д., Кылышканов М.К. и др. // Способ повышения коррозионной стойкости стальных изделий // Предварительный Патент на изобретение РК №9839, 15.01.2001.

76. Валяев А.Н., Погребняк А.Д., Кылышканов М.К. и др. // Способ повышения износостойкости изделий из металлических сплавов // А.С. РК №26385, Предварительный Патент на изобретение РК №9269, 14.07.2000.

77. Кылышканов М.К., Комбаев К.К., Погребняк А.Д. // Способ электролитно-плазменного упрочнения деталей бурового долота // Заключение о выдаче инновационного патента на изобретение МПК С21D1/78 (2009.01), C21D 1/34 (2009.01).

Размещено на Allbest.ru

...